весь текст

ПРЕДИСЛОВИЕ

Университетская подготовка биологов помимо мастерства преподавания, степени технической оснащенности учебного процесса, экспериментальной базы определяется и наличием современных учебников. Особенно это относится к общим курсам, читаемым в самом начале обучения, когда формируется мировоззрение будущего специалиста. К числу таких общих курсов принадлежит общая физиология.

Первыми книгами по физиологии были учебники Г. Бургава, А. Галлера, И. Прохаски, Ф. Мажанди, основным назначением которых являлось теоретическое образование врача. Характерно, что авторы этих изданий в абсолютном большинстве были также и выдающимися физиологами-экспериментаторами, что, конечно, накладывало известный отпечаток на понятия, взгляды и трактовки, приводимые в этих руководствах. Первый учебник по физиологии в нынешнем понимании этого слова, как это принято считать, был издан в 40-х годах прошлого столетия бернским физиологом Ф. Валентином. Строго говоря, именно он узаконил принцип, согласно которому в учебнике должны получить отражение только бесспорные и необходимые для образования факты. Однако по мере роста числа экспериментальных данных и теоретического материала этот принцип становится все более условным.

Позже за рубежом и у нас был предпринят ряд успешных попыток изложения физиологических закономерностей, касающихся главным образом человека. Из числа наиболее удачных последних отечественных изданий следует назвать учебники под редакцией Е. Б. Бабского (1938, 1963), А. Г. Гинецинского и А. В. Лебединского (1947), К. М. Быкова (1954), Г. И. Косицкого (1985), В. М. Покровского и Г. Ф. Коротько (1997), Н. А. Агаджаняна и др. (1998), и переводных - Р. Шмидта и Г. Тевса (1985-1986). Отдельно следует указать на набор удачных учебников по физиологии сельскохозяйственных животных, например под редакцией А. Н. Голикова и Г. В. Паршутина (1980). Однако и те, и другие предназначены для студентов медицинских и ветеринарных институтов. Они нацелены на знакомство с физиологическими процессами в организме, создавая главным образом основу для научного понимания патологических явлений, возможности их устранения, т. е. построения врачебного мышления.

Таким образом, до последнего времени студентам биологических факультетов университетов, а также педагогических институтов приходилось пользоваться учебниками, содержание которых соответствует курсу нормальной физиологии медицинских институтов с совсем иной, чем университетская, программой. Для полноты представления следует назвать еще один построенный нетрадиционно учебник "Физиология человека и животных (общая и эволюционно-экологическая)" под редакцией проф. А. Б. Когана (М.: Высшая школа, 1984), в основу которого положены принципы эволюционного и экологического развития функций.

Общий курс физиологии человека и животных, читаемый для студентов биологических специальностей университетов, существенно отличается от курса нормальной физиологии медицинских институтов. Помимо уже указанных, эти отличия состоят еще и в том, что университетский курс призван формировать представление о функциях организма таким образом, чтобы эти физиологические сведения оказались полезными и необходимыми будущему зоологу, ихтиологу, энтомологу, ботанику, цитологу, биохимику, биофизику, генетику, экологу и всем тем, кто специализируется в области биологии, а также развивать общую культуру понимания закономерностей функционирования организма, в том числе и человека.

Иными словами, здесь на первый план выдвигаются общие, свойственные разным уровням развития животного мира закономерности функциональной адаптации к природным условиям, и как итог - понимание не только того, что представляет собой отдельная физиологическая функция, с чем она связана, как управляется, каково ее место в общей гармонии всех систем организма, но и как происходит формирование этой отдельной функции у разных видов в зависимости от среды обитания, образа жизни и других факторов.

С учетом всего этого нами была предпринята попытка создания учебника, который бы соответствовал действующей ныне учебной программе, а также учитывал замечания и пожелания, высказывающиеся на совещаниях заведующих физиологическими кафедрами университетов, в решениях Отделения физиологии РАН и Центрального совета Физиологического общества им. И. П. Павлова РАН.

Основу авторского коллектива учебника составляют профессора Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ), имеющие опыт научной и педагогической работы. Санкт-Петербургский университет - единственное учебное заведение России, где в рамках специальности "физиология человека и животных" существует полный набор специализаций (общая физиология, сравнительная физиология, физиология высшей нервной деятельности и физиология человека и животных), а также самостоятельный Научно-исследовательский институт физиологии им. А. А. Ухтомского. Вполне понятно, что это обстоятельство и более чем 250-летнее преподавание физиологии в Академическом - Санкт-Петербургском - Петроградском - Ленинградском - Санкт-Петербургском университете с его всемирно известной физиологической школой Сеченова-Павлова-Ухтомского-Введенского не могло не отложить определенного отпечатка на изложение в этой книге физиологических принципов, закономерностей, механизмов. Однако на существе дела это едва ли могло отразиться принципиально. Здесь, мне кажется, уместна аналогия с известным положением, что у каждого человека свой, индивидуальный почерк, но написанная разными людьми фраза "физиология - наука о закономерностях функционирования живых организмов" означает одно и то же.

Неизбежная для учебников ограниченность объема, вполне понятно, заставила авторов излагать материал в исключительно сжатой форме, в результате чего по ходу изложения пришлось опустить подробное рассмотрение отдельных методов, равно как и упоминание о недоказанных, хотя порой интересных, гипотезах, которые освещались в специальной литературе. И тем не менее в книге нашли отражение все основные концепции физиологии, которые получили достаточно хорошее обоснование. В книге мы стремились прежде всего использовать научные положения классической физиологии, ни в коем случае не забывая и о достижениях современной науки. При этом изложение материала рассчитано на студентов, получивших предварительные сведения по биологии, физике, химии, математике.

Систематическое изложение учебного курса вынудило нас также в известной мере "обезличить" и многие факты, составляющие существо современной физиологии, назвать в тексте лишь весьма ограниченное число наиболее выдающихся имен. Однако мы считаем, что студенту будет полезно знать ход истории своей науки в целом. Помимо того, содержание закономерностей, раскрываемых современной физиологией, становится гораздо яснее в исторической перспективе. Для этого мы сочли необходимым в начале учебника дать в кратком изложении основные этапы развития физиологии и предпослать эти сведения каждой из глав издания. Эти своеобразные "вехи истории" подготовлены в основном профессором А. Т. Марьяновичем и сотрудниками кафедры нормальной физиологии Российской Военно-медицинской академии, а также ст. научи, сотр. Института физиологии им. И. П. Павлова РАН, канд. мед. наук Е. Л. Поляковым за что я их сердечно благодарю.

При обсуждении структуры книги и позже при подборе материала авторы придерживались мнения, что понимание принципов гораздо важнее, чем простое ознакомление с множеством, пусть даже важных, фактов, способных своей массой подавить любознательного читателя. В книге в определенной мере реализовано и наше стремление излагать физиологические закономерности в их развитии. Отсюда настойчивое освещение проблемы эволюции функций, желание представить изучающему данный курс материал по сравнительной и возрастной физиологии.

В наши дни физиологию уже нельзя излагать в традиционно феноменологической манере. Современная физиология рассматривает живой организм как систему взаимосвязанных процессов, исходя из представлений о структуре ее элементов и специфических типах прямых и обратных связей. При анализе отдельных аспектов каждой из рассматриваемых проблем или узловых вопросов нами было отдано предпочтение комплексному подходу в изложении физиологических закономерностей, взаимосвязанных с соответствующими современными данными микро- и макроанатомии, а также биохимии и эмбриологии. Подобная практика призвана дать студенту более глубокое представление о структуре и функции изучаемого органа или системы. В этом, мы полагаем, проявляется прогрессивная тенденция интегрировать данные смежных наук.

В настоящее время имеет место не только широкая биологизация физиологических исследований, но и рассмотрение становления тех или иных механизмов с позиций общебиологической целесообразности. Как правило, она сочетается с комплексным подходом к решению отдельных проблем. Например, такой комплексный подход, объединяющий усилия нейроморфологов, нейрофизиологов, нейрогенетиков и других специалистов, создает базу для междисциплинарной области науки, известной под названием нейробиологии. В этом случае при рассмотрении функций нервной системы биологизм неразрывно сочетается со сравнительно-физиологическим подходом, который в свою очередь позволяет выделить эволюционный аспект. Как справедливо указывал академик Л. А. Орбели, физиолог не может ограничиться изучением функций, так сказать, в готовом виде, и только изучение этих функций в процессе становления дает ключ для распознавания лежащих в их основе механизмов. В связи с этим во всех разделах книги мы стремились биологизировать описываемый физиологический процесс.

Как это ни покажется странным, механизмы регуляции физиологических функций несравненно лучше изучены у млекопитающих, нежели у других классов животных.

Изложение материала в учебнике представлено в соответствии со структурой современных университетских программ общего курса физиологии человека и животных для специальностей 01.09 - биология, 01.10 - антропология, 01.11 - зоология, 01.13 - физиология человека и животных, 01.14 - генетика, 01.15 - биохимия, 01.16 - биофизика. Разумеется, не всё разделы физиологии представлены в книге с одинаковой мерой полноты. Это и понятно в связи с сугубо общей направленностью учебника, освещающего основные, фундаментальные проблемы, отсюда и его название.

При работе над рукописью мы стремились не только привести предусмотренные учебной программой сведения, но и пытались заставить читателя задуматься о путях развития животного мира. Помимо программного, фактического соответствия, мы хотели показать, с одной стороны, как необычайно разнообразна природа в решении своих проблем и как велика изменчивость в эволюции животного мира, с другой - как велик консерватизм в эволюции, как часто природа придерживается его в совершенно, казалось бы, несходных ситуациях на самых разных уровнях развития животного мира.

При написании учебника мы отдавали себе отчет в том, что изучение физиологии с материалистических методологических позиций с первых дней знакомства с предметом должно способствовать формированию соответствующего мышления и мировоззрения, так как физиология вместе с другими дисциплинами общего курса составляет фундамент теоретической подготовки специалиста. Тот же принцип был положен и в основу школьного учебника по физиологии, выдержавшего уже пять изданий (Биология. Человек: Учебник для общеобразовательных учебных заведений. (М.: Дрофа, 1998), написанного ранее некоторыми членами настоящего авторского коллектива (А. С. Батуев, А. Д. Ноздрачев) В 2000 году авторы учебника удостоены премии Правительства Российской федерации.

Теперь несколько слов о структуре учебника. Материал в нем распределен таким образом, что вначале излагаются основные вехи истории физиологии, а затем общие закономерности реагирования, электрические явления, понятия о механизмах их возникновения и проявления в возбудимых тканях, вопросы рецепции, физиологические свойства мышечной ткани, регулирование основных жизненных функций, физиология нервной системы и другие общие и частные стороны предмета.

Книга охватывает вопросы физиологии висцеральных систем: крови, тканевой жидкости, лимфы, кровообращения, дыхания, пищеварения, обмена веществ и энергии, процессов выделения, физиологии эндокринной системы, физиологии автономной нервной системы, репродуктивных функций.

В отличие от предшествующих изданий, в книге появились и новые главы - физиология секреторного процесса, физиология иммунного процесса, гематоэнцефалический барьер и другие дополнения. Их появление подсказано самой логикой преподавания предмета и, конечно же, ходом развития физиологии. Претерпело изменение и само название книги. Теперь оно звучит более коротко и определяет именно начало изучения дисциплины, создавая своеобразную базу и открывая простор для последующего углубленного рассмотрения разделов и частей физиологии. Особенно это удобно, когда речь идет о магистратуре. Каждая из названных глав в свою очередь подразделяется на ряд разделов. Содержащийся в каждом из разделов материал предусматривает непременную дальнейшую самостоятельную работу студента. Поэтому в конце каждой главы приводится список относящейся к ней рекомендуемой литературы. Каждая из глав завершается обобщающими заключительными замечаниями, что позволяет студенту подвести краткий итог изложенному материалу, а также воспроизвести общие черты проработанного текста.

Для стандартизации количественных физических и химических обозначений, используемых в физиологии и других областях естественных наук, в последние годы введена новая Международная система единиц (СИ). Для того чтобы студент легче привыкал к новым единицам, местами они использованы параллельно с традиционными. Кроме того, для этой же цели в конце книги даны переводы отдельных наиболее употребимых традиционных единиц в международные и наоборот. Там же введен и краткий справочный раздел об основных физиологических константах человека и некоторых животных.

Иллюстрации, приводимые в учебнике, отчасти заимствованы из различных изданий, таких как "Сравнительная физиология" под ред. Л. Проссера (М.: Мир, 1977-1978); К. Шмидт-Ниельсен "Физиология животных. Приспособление и среда" (М.: Мир, 1982); "Основы физиологии" под ред. П. Стерки (М.: Мир, 1984); Г. Шеперд "Нейробиология" (М.: Мир, 1987); "Физиология человека" под ред. Р. Шмидта, Г. Тевса (М.: Мир, 1985-1986); Н. Грин, У. Стаут, Д. Тейлор "Биология" (М.: Мир, 1990), Р. Эккерт, Д. Рэнделл, Дж. Огастин "Физиология животных" (М.: Мир, 1992), "Физиология человека" под ред. В. М. Покровского, Г. Ф. Коротько (М.: Медицина, 1997) и др. Многие из иллюстраций претерпели большую или меньшую реконструкцию, внесены изменения, дополнения, от иных осталась лишь общая схема. Вместе с тем для большинства разделов книги основой иллюстративного материала послужил "Атлас по нормальной физиологии" А. В. Коробкова и С. А. Чесноковой, выпущенный издательством "Высшая школа" в 1987 г.

Авторы и титульный редактор приносят искреннюю признательность коллективам кафедр Московского, Казанского, Ивановского, Петрозаводского, Симферопольского университетов, профессорам Л. Н. Зефирову, И. М. Родионову, А. М. Сташкову за внимательное ознакомление с рукописью, замечания и рекомендации, которые были с благодарностью учтены. Большую помощь в создании учебника оказали сотрудники кафедры общей физиологии биологического учебно-научного центра СПбГУ.

Я благодарю моих коллег Е. Л. Полякова и А. Т. Марьяновича за существенную помощь в критическом просмотре рукописи и подготовке ее к печати.

При подготовке рукописи к печати она была отдана для строгой и пристрастной оценки именно тем, для кого учебник предназначен, - в то время студентам второго года обучения, которым как раз и читался общий курс физиологии, а также студентам, уже специализировавшимся на кафедрах биохимии, биофизики, общей физиологии, физиологии высшей нервной деятельности. Мне хотелось бы сказать им большое спасибо за весьма полезные замечания, касавшиеся не только последовательности, но и существа изложения, неясности отдельных мест.

Учебник предназначен для студентов университетов, обучающихся по биологическим специальностям - биология, генетика, микробиология, экология, биофизика, биохимия, физиология, - а также психологов, философов, студентов, аспирантов и преподавателей соответствующих кафедр университетов и институтов, инженеров, занимающихся проблемами бионики и биокибернетики. Учебник может быть также использован студентами медицинских, педагогических, ветеринарных, сельскохозяйственных, физкультурных учебных заведений, в которых преподается курс физиологии человека и животных.

Сейчас у нас в России, как и в СССР до его распада, функционирует около 70 классических университетов. Многие из них, в том числе биологические факультеты СПбГУ, Ростовского и других университетов перешли на многоуровневую систему подготовки специалистов: бакалавр (4 года), магистр (6,5 лет) при сохранении и старой устоявшейся системы 5-летнего обучения. Последняя (5-летняя система) является пока единственной для большинства тех 70 классических университетов, бывших до недавнего прошлого педагогическими институтами. Это и понятно, учитывая само определение университета (от лат. universitas - совокупность) - высшего учебно-научного заведения, в котором ведется подготовка специалистов по фундаментальным и некоторым прикладным наукам различных отраслей народного хозяйства и культуры. В университете обязательным правилом является проведение научной работы. Так, например, в составе старейшего в нашей стране СПбГУ, основанного Петром I в 1724 г. как Академический университет вместе с Академией наук, в настоящее время наряду с 20 факультетами имеется 12 научно-исследовательских институтов - физики, химии, биологии и т. д. Есть и специальный Научно-исследовательский институт физиологии, им. А. А. Ухтомского. Аналогичную структуру имеет и Ростовский государственный университет, где кафедры физиологического цикла опираются на Институт нейрокибернетики. Конечно, СПбГУ находится в особом положении, ведь помимо университетского -НИИ физиологии им. А. А. Ухтомского в городе имеется целых четыре академических учреждения: Институт физиологии им. И. П. Павлова РАН, Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова РАН, Институт мозга человека РАН, Институт цитологии РАН, наконец, есть еще НИИ экспериментальной медицины РАМН, институты РАСХН, Министерства здравоохранения и др.

Предлагаемый учебник рассчитан на обе формы подготовки специалистов - и старую, и новую многоуровневую. Последнее особенно важно в связи с осуществлением Федеральной программы "Интеграция", предусматривающей слияние учебного процесса и академической фундаментальной науки.

Выпущенный нами в 1991 г. по заказу издательства "Высшая школа" "Общий курс физиологии человека и животных" в двух книгах, допущенный Государственным комитетом СССР по народному образованию в качестве учебника для биологических и медицинских специальностей высших учебных заведений, разошелся мгновенно, несмотря на значительный тираж. Рост популярности издания и спрос на него не смогло остановить даже нынешнее сложное время. Истекшие за период пользования учебником годы не только показали жизнеспособность издания, но и высветили недостатки глав, отдельных сторон изложения, упущения и промахи. Все это определило внесение некоторых дополнений, изменений изложения неудачных мест, а также написания уже упоминавшихся новых разделов.

Совершенно очевидно, что создание современного университетского учебника с его особой спецификой - дело отнюдь не простое и избежать здесь недочетов не так легко. Поэтому я буду глубоко признателен всем, кто сочтет возможным высказать по структуре, содержанию, иллюстрациям и другим сторонам издания замечания, пожелания, рекомендации.

Чтобы издание настоящей книги стало возможным, были собраны воедино усилия многих людей, и прежде всего тех, кто стал авторами глав учебника. Большинство из них является специалистами в описываемой области физиологии. Всем им я приношу сердечную благодарность.

Академик А. Д. НОЗДРАЧЕВ

ВВЕДЕНИЕ.

Предмет физиологии. Физиология (от греч. physis - природа, logos - учение) - наука, изучающая закономерности функционирования живых организмов, их отдельных систем, органов, тканей и клеток. Рассмотрение частных функций подчиняется при этом задаче целостного понимания причин, механизмов, закономерностей взаимодействия организма с окружающей средой, его поведения в различных условиях существования, происхождения и становления в процессе эволюции, а также индивидуального развития.

Осмысление физиологических механизмов непременно основывается на данных анатомии, гистологии, цитологии, бионики и других направлений биологических наук, объединяя их в единую систему знаний. В физиологии широко используют также методы физики, химии, кибернетики, математический аппарат. Будучи основанными на физических и химических закономерностях, физиологические явления тем не менее характеризуются собственными качественными особенностями. Они подчиняются возникающим в процессе эволюции закономерностям.

Основные разделы современной физиологии. Совокупность физиологических знаний подразделяют на ряд отдельных, но взаимосвязанных направлений - общую, частную и прикладную физиологию.

В общую физиологию включают сведения, касающиеся природы основных жизненных процессов, общих проявлений жизнедеятельности, таких как метаболизм органов и тканей, свойства биологических мембран и отдельных клеток, общие закономерности реагирования организма и его структур на воздействие среды - раздражимость, возбудимость, процессы возбуждения и торможения. Сюда же относят особенности, обусловленные уровнем структурной организации, разными условиями существования и целым рядом других причин, среди которых выделяют исследования специфических особенностей функций организмов различных видов, а также представителей одного и того же вида, но находящихся на разных стадиях индивидуального развития. Следовательно, общая физиология описывает те качественно своеобразные явления, которые отличают живое от неживого.

Частная физиология исследует свойства отдельных тканей (мышечной, нервной и др.), органов (печени, почек, сердца и пр.), закономерности объединения их в системы (система пищеварения, кровообращения, дыхания), а также физиологию отдельных классов, групп и видов животных (например, насекомых, рыб, птиц, хозяйственно полезных животных - оленей, овец, коров).

Прикладная физиология изучает закономерности проявлений деятельности организма, особенно человека, в связи со специальными задачами и условиями. К числу таких разделов относят физиологию труда, разрабатывающую и обосновывающую мероприятия, которые связаны с рационализацией труда, с производственным обучением. Физиология спорта занимается изучением состояний организма при различного рода физических нагрузках, тренировках и т. д. Практической задачей физиологии питания является обоснование норм питания, диет, режимов для различных профессиональных и возрастных групп людей, живущих в разных природных условиях, а также при разных состояниях организма. Ряд специальных проблем, возникающих в результате пребывания организма при измененном барометрическом давлении, перегрузках, условиях, не встречающихся на Земле (невесомость), изучает физиология подводного плавания, авиационная и космическая физиология. Влияния, оказываемые на организм внешней средой, и связанные с ними особенности физиологических процессов у разных видов животных в зависимости от условий существования изучает по преимуществу экологическая физиология. Исключительно важные в практическом отношении задачи решает большой раздел физиологии сельскохозяйственных животных. Задача этого раздела - повышение молочной, мясной и других видов продуктивности, т. е. изучение физиологии лактационного процесса, кормления, особенностей метаболизма, регуляции роста шерстного покрова, а в условиях промышленного звероводства - качества меха и т. д.

Следует отдельно сказать о сравнительной физиологии - науке, которая изучает функции отдельных органов и систем у самых разных организмов от типов до подвидов, выявляя общие принципы и закономерности их функциональной организации. Заметим, что постепенно, хотя и с большими трудностями, в сравнительную физиологию стал проникать эволюционный принцип исторического развития организмов.

Первоначально А. Н. Северцов - основоположник эволюционной функциональной морфологии, изучавший эволюцию функций на основе морфологических и палеонтологических материалов, а затем Л. А. Орбели - крупнейший физиолог нашего времени, пришли к мысли о создании нового направления в физиологии - эволюционной физиологии. Именно Л. А. Орбели сформулировал основное содержание этой дисциплины и сущность методов, которыми достигается поставленная задача.

Одной из ветвей эволюционной физиологии принято считать физиологию адаптации -науку о функционировании органов, систем органов, организмов и их популяций во взаимодействии с определенными природными факторами в различных физико-географических зонах.

Помимо названных развивается и ряд других имеющих прикладное значение разделов физиологии.

Физиологию принято также условно подразделять на нормальную и патологическую. Первая является теоретической основой практически всех медицинских и ветеринарных дисциплин. Она изучает закономерности жизнедеятельности здорового организма, механизмы адаптации функций к действию различных факторов, наконец, устойчивость организма. Действительно, без знания нормального течения физиологических процессов и функциональных отправлений нельзя лечить больного. В отличие от нормальной патологическая физиология рассматривает измененные функции больного организма, выясняет общие закономерности возникновения, развития и течения патологических процессов в организме, процессы компенсации и адаптации функций при заболеваниях, а также механизмы выздоровления и реабилитации.

Методы физиологических исследований. Физиология - экспериментальная наука, основным методом познания механизмов и закономерностей в ней является эксперимент, позволяющий не только ответить на вопрос, что происходит в организме, но и выяснить также, как и почему происходит тот или иной физиологический процесс, как он возникает, какими механизмами поддерживается и управляется. При изучении любого процесса или явления обычно создают условия, в которых можно их вызвать и в последующем ими управлять. В зависимости от того, какую цель преследует эксперимент, ему соответствует и определенный характер методических приемов.

Для глубокого проникновения в природу протекающих в организме процессов, доведения анализа до молекулярного уровня нервной, мышечной или секреторной клетки (изолированных от всех основных процессов, которые происходят в организме) используют так называемые аналитические исследования. Значение их трудно переоценить, так как только в этих исследованиях может быть получено исчерпывающее представление об отдельной клетке, ее органеллах, возможностях и особенностях мембранных процессов и т. д.

Однако для понимания сложных аспектов жизнедеятельности, связей и взаимоотношений изучаемого организма с окружающей средой этого недостаточно. Поэтому возникает необходимость в другом направлении исследований, названном И. П. Павловым "синтетической физиологией". Она в отличие от "аналитической" считает своей задачей приближение условий эксперимента к естественным, наиболее соответствующим познанию жизнедеятельности организма.

На ранних этапах развития физиологической науки при изучении функций и значения того или иного органа особой популярностью пользовались методики удаления либо части, либо всего органа (метод экстирпации) с последующим наблюдением и регистрацией того, какими последствиями сопровождается вмешательство. В иных случаях изучаемый орган не удаляют, а пересаживают в том же организме на новое место или переносят в другой организм (метод трансплантации). Такой подход оказался особенно результативным при изучении функций эндокринных желез.

Для рассмотрения деятельности органов, расположенных в глубине тела и недоступных непосредственному наблюдению, используют фистульный метод. Суть его состоит в том, что один конец металлической или пластмассовой трубки вводят в полый орган (желудок, кишку, жёлчный пузырь), второй - закрепляют на поверхности кожи.

Разновидностью этой методики может быть выведение протоков желез, таких как околоушная или подчелюстная слюнные железы, на кожу. Вариантом подобного подхода может служить и методика катетеризации. В этом случае в кровеносные сосуды, сердце, протоки желез вводят тонкие синтетические трубки-катетеры, которые используют и для регистрации происходящих в изучаемых органах процессов, и для введения различных фармакологических веществ и препаратов.

Для того чтобы установить зависимость функции органа от влияния нервной системы, прибегают к методике денервации. При этом либо перерезают нервные волокна, иннервирующие орган, либо (для возбуждения деятельности органа) используют электрический или химический вид раздражения.

В последние десятилетия широкое применение нашли различные инструментальные методики в сочетании со стимуляцией мозговых или периферических структур у бодрствующих ненаркотизированных животных и регистрацией у них электрической активности посредством вживления макро-микроэлектродов.

Принято различать следующие формы проведения физиологического эксперимента: острый, хронический, в условиях изолированного органа. Острый эксперимент обычно непродолжителен. В этом случае наркотизированное и обездвиженное животное вскрывают для проведения искусственной изоляции органов и тканей, иссечения и стимуляции различных нервов, регистрации электрических потенциалов, введения лекарственных препаратов и т. д.

Хронический эксперимент требует специальной подготовки в виде определенно направленных хирургических операций и использования животного в опыте только после того, как оно оправится от хирургического вмешательства. В хроническом эксперименте применяют такие методические приемы, как наложение фистул, гетерогенные нервно-сосудистые анастомозы, пересадки различных органов, вживление электродов и т. д. Следует также заметить, что лишь в условиях хронического эксперимента возможно изучение сложных форм поведения с использованием методики условных рефлексов, различных инструментальных методик, телестимуляции и телеметрии. Условия хронического опыта, позволяющие наблюдать животное на протяжении недель, месяцев и даже лет, создают возможности неоднократного повторения на нем исследования, значительно повышая таким образом достоверность проводимых наблюдений.

Функции отдельных органов изучают как в целостном организме, так и после их извлечения. В последнем случае извлеченному органу прежде всего создают необходимые условия: температуру, влажность или подачу специальных питательных растворов через сосуды изолированного органа (метод перфузии). Подобные условия необходимы по преимуществу для микрофизиологических экспериментов, когда в качестве объекта используют отдельную мышечную, нервную или другую клетку.

В последние годы наблюдаются значительные методические усовершенствования, которые коренным образом меняют самую технику эксперимента, способы регистрации процессов, обработки и оценки экспериментальных данных. Механические преобразователи сигналов вытеснены электронными системами, регистрация процессов все более осуществляется на магнитном носителе, и последующая обработка материалов ведется с помощью компьютерной техники.

Страницы истории. Возникновение физиологии произошло в древности в связи с потребностями медицины, лучшие представители которой отчетливо понимали, что помочь больному можно лишь зная об устройстве тела и отправлений его органов. Дошедшие до нас сочинения мыслителей и врачей Китая, Индии, Греции, Рима свидетельствуют о том, что еще в глубокой древности производили вскрытие трупов и вели некоторые физиологические наблюдения, в результате чего уже тогда были собраны отдельные сведения о строении тела человека и животных и о происходящих в организме явлениях.

Однако нередко эти представления оказывались ошибочными в связи с тем, что они основывались не на точных наблюдениях и экспериментах, а на отвлеченных умозаключениях и догадках. Определенным этапом в развитии физиологических представлений явилось использование вивисекционных приемов, начало которым было положено Клавдием Галеном (ок. 130 - ок. 200) - классиком античной медицины, римским врачом и естествоиспытателем. Именно Гален впервые в истории ввел в практику медицины эксперимент, что явилось причиной считать его одним из предшественников экспериментальной физиологии. Его эксперименты послужили основой для теорий, которые без каких-либо существенных изменений просуществовали почти четырнадцать веков.

Зарождение физиологии как науки, которая изучает происходящие в организме процессы и объединяет их на основе наблюдений и экспериментов,

У. Гарвей (1578-1657)

Р. Декарт (1596-1650)

относится в основном ко второй половине XVI - началу XVIII в. В этот период на смену феодализму пришел капитализм, что сопровождалось быстрым развитием астрономии, математики, механики. Именно в эти годы Н. Коперником было установлено движение Земли вокруг Солнца и заложен фундамент современной астрономии; И. Ньютон сформулировал главные положения механики и закон всемирного тяготения; философ Ф. Бэкон провозгласил, что действительным является только знание, основанное на опыте. В это же время анатом Андре-ас Везалий (1514-1564) первым правильно описал особенности строения человеческого тела, а также создал первое руководство по экспериментированию на животных. Тем самым он привлек интерес к экспериментальному изучению физиологических вопросов, который на протяжении последующих веков уже никогда не угасал.

Важнейшим этапом в становлении физиологии принято считать 1628 год, когда английский врач и физиолог Уильям Гарвей опубликовал свою бессмертную книгу "Анатомические исследования о движении сердца и крови у животных", в которой изложил основы своего великого открытия - существования кровообращения. Почву для этого открытия подготовили исследования анатомов - А. Везалия, М. Сервета, Г. Фаллопия. Открытие кровообращения стало возможным благодаря тому, что Гарвей ввел в практику научных исследований новый прием - вивисекцию, или живосечение.

Этот прием предусматривает обнажение покровов и тканей тех или иных органов животных посредством определенных разрезов, что создает возможность прямого наблюдения за работой этих органов. Помимо того, опыты проводили с применением различных воздействий на изучаемый процесс. Представленная в книге У. Гарвея схема кровообращения в основном остается верной и поныне. Открытие кровообращения принято считать датой основания физиологии животных.

Правильность представлений о наличии замкнутой системы кровообращения подтвердил итальянский биолог Марчелло Мальпиги (1628-1694). Ему принадлежит открытие форменных элементов крови, альвеолярного строения легких, а также связи артерий с венами через капилляры, что не удалось доказать У. Гарвею.

К числу наиболее важных достижений XVII-XVIII вв. относится сформулированное французским философом, математиком, физиком и физиологом Рене Декартом представление об "отраженной деятельности организма". Декарт, используя такие факты, как закономерно возникающее при прикосновении к роговице мигание, выдвинул понятие о рефлексе. По его представлению, в мозгу осуществляется механический переход животных духов с одних нервов на другие, а затем отражение от мозга (отсюда - рефлекс) как луч света от гладкой поверхности. Открытие Декарта определило дальнейшее развитие физиологии на материалистической основе и существенно поколебало идеалистические понятия о механизмах поведения животных и человека. Позже представление о нервном рефлексе, рефлекторной дуге, значении нервной системы как посредника между внешней средой и организмом получило развитие в трудах чешского анатома и физиолога Иржи (Георга) Прохаски (1749-1820).

В связи с достижениями физики и химии на смену описательно-анатомическому направлению в физиологии в эти годы пришли физические и химические методы исследования. Так, итальянец Дж. Борелли для объяснения движения животных использовал уже известные законы механики, а для изучения движения крови в сосудах - законы гидравлики. В 1733 г. англичанину С. Хейлсу посредством прямого измерения удалось установить величину кровяного давления у лошади в разных сосудистых областях. Тем самым было положено начало дальнейшим продуктивным исследованиям гемодинамики.

Француз Р. Реомюр и итальянец Л. Спалланцани изучали химизм пищеварения, француз А. Лавуазье пытался на основе химических закономерностей объяснить механизмы дыхания. Большое число работ по мышечным сокращениям принадлежит англичанину Ф. Глиссону. Он создал также представление о возбудимых тканях с их специфическими свойствами и особенностями. Большую роль в понимании мышечного сокращения сыграл У. Крун. Помимо того, ему удалось показать, что в акте дыхания активным компонентом являются мышечные сокращения, легкие же растягиваются пассивно. Позже Д. Майовом была описана эластическая тяга легких.

К первой половине XVIII в. относится начало развития физиологии в России, чему в немалой степени способствовало создание Петром I в 1724 г. в Санкт-Петербурге Академии наук. Академического университета и Академической гимназии. В Академии вопросами анатомии и физиологии последовательно занимались Д. Бернулли, Л. Эйлер, И. Вайтбрехт. Д. Бернулли измерил скорость движения крови в сосудах, И. Вайтбрехт высказал предположение, что движение крови происходит не только благодаря работе сердца, но и за счет сокращения стенок сосудов.

С 1738 г. физиологию как самостоятельную дисциплину начали преподавать в Академическом (позже Санкт-Петербургском - Петроградском - Ленинградском - Санкт-Петербургском) университете. Известную роль в, развитии физиологии сыграл и основанный в 1755 г. Московский университет. В его составе в 1776 г. была открыта самостоятельная кафедра физиологии, которую возглавили М. И. Скиадан и И. И. Печь. В 1798 г. в Санкт-Петербурге была основана Медико-хирургическая академия, которая сыграла в последующем развитии физиологии исключительную роль. Первая диссертация по физиологии была защищена в 1794 г. Ф. М. Борсук-Моисеевым. В ней рассматривались вопросы регуляции дыхательной функции.

В эту эпоху в развитие физиологии внес значительный вклад М. В. Ломоносов, хотя физиология и не составляла предмета его специальных занятий. В 1748 г. он сформулировал основной закон естествознания - закон сохранения материи и движения. Кроме того, физиология обязана М. В. Ломоносову тем, что он в отчетливой форме высказал мысль об образовании теплоты в самом организме. Будучи убежденным в материальной основе жизненных явлений, в том числе и ощущений, М. В. Ломоносов задолго до европейских ученых сформулировал трехкомпонентную теорию цветного зрения. Исключительно важной явилась и данная им же первая классификация вкусовых ощущений.

Следовательно, вопросы физиологии были включены в чрезвычайно широкий круг научных интересов основоположника русской науки.

Несмотря на то что к началу XIX в. было получено достаточно большое количество материалов, характеризовавших работу кровообращения и дыхания, понимание организации функций других систем было несравненно меньшим либо не имело даже самых общих представлений. Последнее особенно относилось к соматической деятельности. Ее изучения физиология не касалась, отдавая всецело это направление служителям религии. Помимо того, в это время развитие физиологии в значительной мере сковывалось натурфилософией, которая особенно интенсивно развивалась в Германии.

В конце XVIII в. итальянский физик и естествоиспытатель Луиджи Гальвани (1737-1798) доказал существование в тканях "животного электричества". Эти опыты совместно с результатами исследований К. Маттеучи заложили фундамент для изучения природы основного физиологического явления - процесса возбуждения. Действию электричества на животный организм посвящена книга профессора Медико-хирургической академии В. В. Петрова, первым открывшего превращение электричества в свет. В 1803 г. он опубликовал "Известия о гальвани-вольтовских опытах", в которых целая глава была посвящена вопросу "о действиях гальвани-вольтовской жидкости на тела живых, особливо животных".

Развитию этого направления значительно способствовали разработанные позже методы электрической стимуляции и механической графической регистрации физиологических процессов. В разработку этих методов и в теоретическое обоснование процесса биологических электрических токов большой вклад внесли Э. Дюбуа-Реймон, предложивший, кроме того, индукционный аппарат, и Л. Германн.

Особенно значительными эти успехи были в области физиологии нервов и мышц. Так, Э. Пфлюгером были установлены законы действия постоянного тока на возбудимую ткань, Г. Гельмгольцем определена скорость проведения возбуждения по нерву. Эти ученые своими исследованиями обосновали начало нового физико-химического аналитического направления в физиологии. И хотя такой подход несколько отодвинул изучение деятельности целого организма, тем не менее он сыграл важную роль в развитии физиологии.

Среди экспериментальных работ начала прошлого столетия выделяются ставшие классическими исследования англичанина Ч. Белла и француза Ф. Мажанди, установивших независимо друг от друга, что дорсальные корешки спинного мозга состоят из центростремительных чувствительных нервных волокон, вентральные - из центробежных двигательных. Тем самым был раскрыт анатомический субстрат спинальной соматической рефлекторной дуги и установлены некоторые особенности ее организации. В 1824 г. Ч. Беллом было высказано предположение о сенсорных влияниях, идущих от мышц при их сокращении.

В эти же годы М. Флуранс, изучавший роль различных отделов головного мозга и отдельных нервов в осуществлении произвольных движений, впервые сформулировал представления о пластичности нервных центров и ведущей роли коры больших полушарий мозга в регуляции произвольных движений. На дальнейшее развитие этого направления значительное влияние оказали исследования И. Мюллера и М. Галла, которые разработали рефлекторную теорию в том виде, какой она существовала до И. М. Сеченова и И. П. Павлова.

Знаменательной датой истории физиологии в России явился 1836 год. В этом году профессор Московского университета А. М. Филомафитский выпустил первый том учебника "Физиология, изданная для руководства своих слушателей". Ему также принадлежит целый ряд исследований в разных областях физиологии. Одним из первых он изучил влияние эфирного наркоза в экспериментах на животных и поставил опыты по переливанию крови. Его сотрудник А. Н. Орловский первым отметил действие симпатического нерва на сердце. В это же время ученик Н. И. Пирогова А. П. Вальтер точно установил влияние нервной системы на висцеральные процессы. Он показал, что перерезка симпатических волокон, идущих в составе седалищного нерва, вызывает у лягушки расширение сосудов плавательной перепонки. Однако ни он сам, ни А. Н. Орловский, ни позже В. А. Басов в достаточной мере не оценили сделанных ими открытий.

В ряду экспериментальных работ, выполненных русскими физиологами того времени, особое значение имеет предложенная В. А. Басовым операция наложения хронической фистулы желудка собаки (1848). Тем самым впервые в физиологии была показана возможность проведения длительного хронического эксперимента. С этого момента отечественная физиология прочно удерживает первенство в изучении физиологии пищеварения.

К середине XIX в. физиология окончательно отделилась от анатомии и во всех университетах ее стали преподавать как отдельную науку. В это время определяющее значение для ее развития имели методические достижения. В 1847 г. К. Людвигом изобретен кимограф. Позже им же были предложены манометр для регистрации кровяного давления и кровяные часы для оценки скорости кровотока. Ж. Мареем было разработано приспособление для пневмографической регистрации и т. д. Этим и другим приборам суждено было сыграть в экспериментальной физиологии значительную роль. Благодаря новым методическим подходам стали понятными такие стороны жизненных процессов, которые невозможно было бы ранее подметить. Например, была изучена связь между колебаниями давления крови в сосудах и фазами сердечного цикла (Э. Марей, К. Людвиг).

Ко второй половине прошлого столетия физиология пришла сформировавшейся областью естествознания, владея большим количеством фактов. Ее выводы основывались на экспериментальных данных и наблюдениях, однако эти выводы не были еще объединены общими представлениями о взаимосвязи функций организма. Последующее интенсивное развитие физиологии определялось успехами других точных наук и было обусловлено мощным ростом производительных сил. Основой для быстрого развития физиологии, как и для других биологических дисциплин, явились три великих открытия: закон сохранения и превращения энергии, клеточная теория и создание теории развития органического мира. Благодаря открытию закона сохранения энергии вскоре удалось оценить многие физиологические процессы с энергетической стороны (В. В. Пашутин, А. А. Лихачев, В. Мейер, Э. Пфлюгер, М. Рубнер). Развитие клеточной теории со своей стороны позволило обнаружить тканевые структуры, с которыми связаны функции организма, например связь функции нервной системы с взаиморасположением нервных клеток и их отростков.

Развитию физиологии способствовали также успехи физики и химии, вооружившие физиологов рядом точных методических приемов, которые позволили не только количественно изучить физиологические процессы, но и охарактеризовать их физическую и химическую сущность. Успехи этих направлений оказались столь значительными в изучении физических свойств и химического состава различных органов и тканей живого организма, а также происходящих в нем превращений, что развились позже в самостоятельные физический и химический разделы физиологии. Они представлены сейчас родственными физиологии дисциплинами - биофизикой и биохимией.

Во второй половине прошлого века для исследования функций внутренних органов, особенно органов пищеварения, широкое распространение получила

К. Людвиг (1816-1895)

Ф. В. Овсянников (1826-1906)

И. М. Сеченов (1829-1905)

экспериментально-хирургическая методика. Это уже упоминавшиеся работы В. А. Басова, а также Л. Тири, Л. Велла, Р. Гейденгайна, И. П. Павлова и др. Наряду с этим было начато изучение роли разных отделов головного и спинного мозга в регуляции физиологических функций (Ф. Гольтц, Г. Мунк, Е. Гитциг, Г. Фрич, Л. Лутани и др.). Физиологическая наука в России в эти годы представлена плеядой блестящих имен - И. М. Сеченов, А. И. Бабухин, Ф. В. Овсянников, А. Я. Данилевский, Н. О. Ковалевский и др. Каждый из них оставил глубокий след в науке, однако И. М. Сеченову и И. П. Павлову принадлежит заслуга создания новых направлений не только в России, но и в мировой физиологии.

И. М. Сеченов вошел в историю науки как "отец русской физиологии", мыслитель, впервые дерзнувший подвергнуть экспериментальному анализу самую сложную область природы - явление сознания. По окончании в 1856 г. Московского университета И. М. Сеченов в связи с отсутствием в российских медицинских учреждениях возможностей к экспериментальной физиологической работе первые годы провел в ряде зарубежных лабораторий. Еще работая в Вене у К. Людвига, И. М. Сеченов предложил новый принцип анализа газов крови; позднее в той же лаборатории, но другим русским физиологом И. Ф. Ционом были найдены центростремительные волокна, идущие от сердца и аорты, рефлекторно изменяющие работу сердца и тонус сосудов; третий, Ф. В. Овсянников, сделал выдающееся открытие того времени - обнаружил в продолговатом мозгу центр регуляции сосудистого тонуса.

Научная деятельность И. М. Сеченова состояла из нескольких этапов. Он был первым, кому удалось извлечь и проанализировать растворенные в крови газы, установить относительную эффективность влияния различных ионов на физико-химические процессы в живом организме, обнаружить явление суммации в центральной нервной системе. Он также стал основоположником нового направления физиологии - физиологии труда.

Наибольшую славу русской науке принесло открытие И. М. Сеченовым (1862) торможения в центральной нервной системе. Тем самым создавалась необходимость в новом этапе разработки рефлекторной теории, определившей дальнейший ход развития учения о функции центральной нервной системы. Опубликование И. М. Сеченовым в 1863 г. гениального произведения "Рефлексы головного мозга" впервые ввело физиологические основы в понимание психической деятельности. В этой книге он писал, что все акты сознательной и бессознательной жизни по способу происхождения суть рефлексы. Тем самым был нанесен решительный удар по идеалистическим представлениям о работе мозга и заложена основа для разработанной в дальнейшем И. П. Павловым физиологии

высшей нервной деятельности. И. М. Сеченовым был обоснован также новый взгляд, согласно которому физическое и психическое начала в человеке рассматриваются в единстве. Кроме того, И. М. Сеченов доказал, что психика детерминируется внешними условиями и ее формирование зависит от воздействий внешних факторов.

Деятельность И. М. Сеченова относится к тому периоду физиологии, который принято называть классическим. Именно тогда были очерчены проблемы, имеющие широкое значение и остающиеся и сейчас принципиально важными.

В числе современников И. М. Сеченова, разрабатывавших вопросы физиологии нервной системы, следует вспомнить имена А. И. Бабухина, установившего фундаментальный факт двусторонней проводимости нервного волокна; братьев Эдуарда и Эрнста Генриха Веберов, которыми было открыто тормозящее действие блуждающего нерва на сердце; К. Бернара, который наблюдал изменение углеводного обмена после укола в определенный участок продолговатого мозга и которому принадлежат учение об иннервации сосудов, многочисленные открытия и создание новой отрасли знаний - экспериментальной патологии.

И. М. Сеченов воспитал целую плеяду талантливых учеников, сделавших значительные обобщения и оказавших таким образом существенное влияние на последующий ход развития физиологии. Среди них в первую очередь должны быть названы имена В. В. Пашутина, создавшего русскую школу общей патологии и предложившего вместе с А. А. Лихачевым точные способы измерения всей теплоты, образующейся в организме; П. А. Спиро, открывшего так называемое сопряженное торможение в антагонистических центрах; крупнейшего фармаколога Н. П. Кравкова; выдающегося физиолога Б. Ф. Вериго, который установил особенности действия на ткани постоянного тока, а также выявил, что в переносе кровью углекислоты основную роль играют связывание и отдача гемоглобином кислорода; М. Н. Шатерникова, изучавшего общий обмен веществ; А. Ф. Самойлова, крупнейшего исследователя электрических процессов в тканях; И. Р. Тарханова, известного открытием изменений электродвижущих сил кожных покровов под действием различных раздражителей на органы чувств человека (кожно-гальванический рефлекс).

Выдающимся учеником И. М. Сеченова в Петербургском университете был Н. Е. Введенский. Его имя по справедливости стоит в первом ряду имен физиологов России после И. М. Сеченова и И. П. Павлова. Диапазон 40-летней научной деятельности Н. Е. Введенского исключительно широк - от исследования частных вопросов нервно-мышечной физиологии до создания общей теории о единстве основных физиологических процессов - возбуждения и торможения. При отведении токов действия ему впервые с помощью телефона удалось прослушать ритмику возбуждений в нерве. Сравнивая ритмы возбуждения в нерве и мышце, он открыл явления оптимума и пессимума раздражения.

Значительным достижением Н. Е. Введенского является его учение о парабиозе, возникновение которого он исследовал на нерве, мышце, железах, спинном мозге. Это учение изложено в монографии "Возбуждение, торможение, наркоз" (1901). Согласно этому учению, между двумя противоположно проявляющимися состояниями ткани - возбуждением и торможением - существуют переходные стадии, которые связывают эти два процесса в одно динамически целое.

Таким образом, Введенский пытался с единой точки зрения объяснить всю сложность координационных отношений в организме. Продолжателем работы Н. Е. Введенского, развившим его идеи, был А. А. Ухтомский. В этой или близких областях работали и другие представители русской физиологической науки.

К. Бернар (1813-1878)

Н. Е. Введенский (1852-1922)

И. П. Павлов (1849-1936)

На развитие отечественной и мировой физиологии огромное влияние оказали работы И. П. Павлова - выдающегося представителя естествознания, создателя учения о высшей нервной деятельности животных и человека. Еще в самом начале своего творческого пути, исследуя регуляцию и саморегуляцию кровообращения, И. П. Павлов установил существование специальных нервов, одни из которых усиливают, другие - задерживают работу сердца, третьи - способны изменять силу сердечных сокращений без изменения их частоты. И. П. Павлов объяснил это явление свойством данных нервов менять функциональное состояние сердечной мускулатуры, уменьшая ее трофику. Тем самым был заложен фундамент теории о трофической иннервации тканей, получивший позже дальнейшее развитие в исследованиях Л. А. Орбели и А. Д. Сперанского.

Одновременно с изучением сердечно-сосудистой системы И. П. Павлов исследовал физиологию пищеварения. Разработав и применив целый ряд тонких хирургических методов, он, по существу, создал заново физиологию пищеварения. Изучая динамику секреторного процесса желудочных, поджелудочной и слюнных желез, работу печени при употреблении разной пищи, И. П. Павлов показал их способность приспосабливаться к характеру возбудительной секреции. В основе этих работ лежала идея нервизма, под которой И. П. Павлов понимал "физиологическое направление, стремящееся распространить влияние нервной системы на возможно большее количество деятельности организма".

В 1897 г. И. П. Павлов обобщил результаты своих исследований в области физиологии пищеварения в книге "Лекции о работе главных пищеварительных желез", ставшей руководством для физиологов всего мира. В 1904 г. И. П. Павлову за работы в области физиологии пищеварения была присуждена Нобелевская премия. Изучая связи организма с окружающей средой, осуществляемые под контролем нервной системы, И. П. Павлов пришел к заключению о необходимости исследовать функции коры больших полушарий головного мозга. Открытие им условного рефлекса позволило приступить к изучению психических процессов, лежащих в основе поведения животных и человека. И прежде всего - определить главные закономерности образования и торможения условных рефлексов, установить типы высшей нервной деятельности, особенности ее нарушения при экспериментальных неврозах, разработать корковую теорию сна и гипноза, заложить фундамент учения о двух сигнальных системах. Результаты многолетних исследований И. П. Павлова послужили основанием для создания материалистического учения о высшей нервной деятельности, в соответствии с которым она осуществляется высшими отделами и регулирует взаимоотношения организма с окружающей средой.

И. П. Павлов подготовил большое число учеников, создавших в последующем свои научные направления. К их числу, в частности, относятся Б. П. Бабкин, Л. А. Орбели, К. М. Быков, Г. П. Зеленый, Д. С. Фурсиков, А. Д. Сперанский, И. П. Разенков, Н. А. Рожанский, П. С. Купалов, Н. И. Красногорский, Г. В. Фольборт, А. Г. Иванов-Смоленский, П. К. Анохин, Э. А. Асратян, Д. А. Бирюков и многие другие. Под руководством И. П. Павлова в разные годы работали А. Ф. Самойлов, Ю. М. Конорский, У. Гантт. Проходивший в 1935 г. в Москве и Ленинграде под председательством И. П. Павлова XV Международный физиологический конгресс присвоил ему звание "старейшины физиологов мира".

В изучение физиологии висцеральных функций значительный вклад внесен казанской физиологической школой, которая явилась центром исследований дыхания, внутренней секреции и функциональной морфологии. Здесь, в Казани, Н. О- Ковалевский во второй половине прошлого столетия заложил основы современных представлений о связи между кровообращением и дыханием. Он, в частности, обнаружил повышение артериального давления при накоплении в организме двуокиси углерода. Его преемник Н. А. Миславский указал точное расположение дыхательного центра в продолговатом мозгу и впоследствии совместно с В. М. Бехтеревым определил закономерности реагирования внутренних органов на раздражение коры больших полушарий мозга. В его лаборатории были открыты местные рефлекторные дуги, изучено рефлекторное возбуждение сосудорасширяющих нервов, проанализирована роль нервных структур сердца в его деятельности. Несомненным достижением того времени явилось доказательство М. Н. Чебоксаровым нервной регуляции эндокринных желез, впервые установившим выделение адреналина при стимуляции чревного нерва.

К этому времени в общих чертах было разработано учение об автономной нервной системе, иннервирующей внутренние органы, сосуды, потовые железы, осуществляющей также трофическую функцию и регулирующую метаболизм всех тканей тела (У. Гаскелл, Дж. Ленгли, Н. А. Миславский, У. Кеннон, Л. А. Орбели и др.). Позже, в 60-х гг., была доказана трехзвенная структура дуги автономного рефлекса и особенно подробно изучено ее чувствительное звено (В. Н. Черниговский, И. А. Булыгин).

Развитие исследований по физиологии сокращения мышц, энергетической ценности пищевых веществ, действию на организм электрического тока и электромагнитных полей, наличию биотоков в головном мозгу, их изменениям и другим разделам физиологии принадлежит харьковскому профессору В. Я. Данилевскому, его ученикам и сотрудникам.

В это же время В. Ю. Чаговцом, работавшим в Киевском университете, была предпринята первая попытка использовать теорию и методы физической химии для решения физиологических проблем. При выяснении природы электрических явлений в живых тканях им была применена теория электролитической диссоциации С. Аррениуса. В. Ю. Чаговец полагал, что электрические потенциалы возникают из-за разной концентрации электролитов в ткани и что основу раздражения нерва составляют изменения концентрации ионов в стимулируемом участке.

На решение тех же проблем были направлены работы американца Дж. Лаба, немцев Ю. Бернштейна и В. Нернста, русского физика и физиолога П. П. Лазарева. Однако представления В. Ю. Чаговца оказались наиболее точными, они пережили время и заложили основу современных гипотез (А. Ходжкин, А. Хаксли и др.) о природе нервного импульса и нервного процесса. Исследования ионных механизмов возбуждения в настоящее время особенно интенсивно проводят в Киеве под руководством П. Г. Костюка.

Характерной чертой физиологии XX в. явилось значительное расширение исследований. Стали быстро возникать лаборатории не только в европейских странах, но и в США, Японии, Китае, Индии, Австралии. Примерно в это время У. Кеннон, опираясь на идею К. Бернара о постоянстве внутренней среды, создал учение о гомеостазе. Под гомеостазом он понимал универсальное свойство живых организмов активно сохранять и поддерживать стабильность работы различных систем организма в ответ на воздействия, нарушающие эту стабильность, поддерживать динамическое постоянство внутренней среды и устойчивость основных физиологических функций организма. Регуляторные механизмы, создающие это гомеостатическое состояние клеток, органов и систем целого организма, послужили основой для развития новой науки об управлении и переработке информации в любых системах (в коллективах людей, биологических системах, технических и др.) - кибернетики. Ее основателями стали физиолог А. Розенблют и математик Н. Винер.

В позднейших работах, посвященных гомеостазу, нашла широкое распространение идея о главенстве гуморальных механизмов регуляции. В дальнейшем она получила воплощение и развитие в исследованиях канадского физиолога Г. Селье, который изучал эндокринные механизмы реакции организма в ответ на стрессорные воздействия и ситуации.

Важную роль в развитии физиологических знаний о механизмах рефлекторной деятельности организма сыграли открытия и обобщения английского исследователя Ч. Шеррингтона, установившего основные принципы интегративной деятельности мозга: реципрокное торможение, окклюзию, конвергенцию возбуждения на отдельных нейронах. Им было введено понятие о синапсе, определена его роль в механизмах возбуждения и торможения нервных клеток, обеспечивающих рефлекторные акты.

Ч. Шеррингтону также принадлежит учение о рецептивных полях, разделение рецепторов на экстероцепторы, интероцепторы, проприоцепторы. Изучив механизм координации спинальных рефлекторных дуг, он описал один из главных принципов работы нервной системы - принцип общего пути. При этом Шеррингтон установил количественное превосходство чувствительных проводящих путей над двигательными. Развивая представление Ч. Шеррингтона об интегративной деятельности нервной системы, в середине 1950-х гг. австралийский физиолог Дж. Эклс подробно рассмотрел мембранные механизмы синаптической передачи.

Начало изучения механизмов поддержания позы в пространстве и ее изменения при движениях положено голландским физиологом Р. Магнусом. Он создал новое представление о природе основных локомоторных актов (стояние, ходьба), о центральных аппаратах, управляющих координацией частей тела по отношению друг к другу, о роли лабиринтов внутреннего уха в управлении мышцами шеи, глаз и конечностей. Им установлено, что ствол мозга является местом, где сосредоточены рефлекторные механизмы равновесия, выпрямления и нормального положения тела в пространстве.

В начале XX века В. М. Бехтеревым была установлена роль подкорковых структур в формировании эмоциональных и двигательных реакций животных и человека; открыты ядра и проводящие пути мозга; выявлены функционально-анатомическая основа равновесия и ориентировки в пространстве; функции таламуса; определены в коре головного мозга центры движения и секреции внутренних органов; доказано, что двигательные поля коры больших полушарий являются основой индивидуально приобретенных движений.

Сильное влияние на развитие ряда гуманитарных наук и философии оказали работы австрийского психиатра, основателя психоанализа 3. Фрейда.

В. М. Бехтерев (1857-1927)

Ч. Шеррингтон (1857-1952)

А. А. Ухтомский (1875-1942)

Им была сформулирована идея о превалирующем значении инстинктов, доминирующем значении бессознательных психических процессов.

Развивая идеи Н. Е. Введенского, А. А. Ухтомский сформулировал ведущий принцип работы головного мозга - доминанту, выявил ее характерные черты - повышение возбудимости в доминантном центре, стойкость этого возбуждения во времени, возможность его суммации, инертность возбуждения и торможение других рефлекторных механизмов, не участвующих в доминантной реакции. В настоящее время доминанта признана одним из основных механизмов деятельности мозга.

Значительные успехи были достигнуты в начале XX столетия в области электрофизиологии, когда голландскому ученому В. Эйнтховену, а затем А. Ф. Самойлову удалось зарегистрировать электрические потенциалы сердца. В последующем благодаря применению электронных усилителей английским физиологом Э. Эдрианом и Д. С. Воронцовым были записаны электрические потенциалы нервных стволов.

Отечественным физиологом В. В. Правдич-Неминским была впервые осуществлена регистрация электрических проявлений деятельности головного мозга - электроэнцефалография. Его исследования были продолжены немецким физиологом Г. Бергером и учеником Н. Е. Введенского И. С. Беритовым (И. С. Бериташвили) с сотрудниками. Помимо того, И. С. Беритов создал ряд оригинальных направлений в нервно-мышечной физиологии и физиологии центральной нервной системы. Описание электрофизиологических механизмов образования условных рефлексов произвел М. Н. Ливанов.

Классические представления о характере распространения возбуждения в центральной нервной системе, представления о механизмах корково-подкорковых взаимоотношений, сна и бодрствования, наркоза, эмоций и мотиваций изменялись под влиянием открытых американским ученым Г. Мегуном и итальянским - Дж. Моруцци неспецифических активирующих и тормозных влияний ретикулярной формации на различные отделы мозга.

Эти исследования нашли продолжение в работах П. К. Анохина, сформулировавшего представление о специфическом характере восходящих активирующих влияний подкорковых образований на кору мозга при реакциях различного биологического качества. Подробному изучению подверглась и функция лимбических структур мозга (П. Маклин, Э. Гельгорн, X. Дельгадо, Б. Ананд). Было установлено их участие в регуляции висцеральных процессов, в формировании эмоций и мотиваций, что получило в будущем дальнейшее развитие в исследованиях П. В. Симонова, К. В. Судакова.

И. С. Бериташвили (1885-1974)

Л. А. Орбели (1882-1958)

Л. С. Штерн (1878-1968)

С изучением процесса возбуждения тесно связано развитие учения о химических передатчиках импульса в нервных окончаниях - медиаторах. Начало исследований в этом направлении, положенное австрийским фармакологом О. Лёви, было продолжено У. Кенноном и получило свое дальнейшее развитие в работах А. В. Кибякова, X. С. Коштоянца, Е. Б. Бабского и др. А. В. Кибяков в опытах с перфузией возбужденного симпатического ганглия обнаружил появление биологически активных веществ, способных осуществлять передачу возбуждения. Значение этого опыта для всей теории химической передачи возбуждения невозможно недооценивать. В свою очередь, X. С. Коштоянцу принадлежат сравнительно-физиологические исследования, показавшие, что на всех уровнях онтогенеза и филогенеза синаптические процессы имеют общую химическую основу и что синаптическая передача является результатом взаимодействия между процессами обмена веществ пре- и постсинаптических структур.

Большие успехи выпали на долю отечественных ученых в изучении физиологии автономной нервной системы. В то время как за рубежом рассматривали вопросы ее частной физиологии, Л. А. Орбели и его ученики А. Г. Гинецинский, А. В. Тонких и др., исследуя адаптационно-трофические влияния симпатической нервной системы на скелетную мускулатуру, органы чувств и центральную нервную систему, разработали представление о трофической функции симпатической нервной системы. Кроме того, Л. А. Орбели основал новое направление в науке - эволюционную физиологию. А. Д. Ноздрачев экспериментально обосновал существование третьей части автономной нервной системы - метасимпатической нервной системы (МНС).

Значительные рубежи достигнуты в области изучения работы сердца (Э. Старлинг, Л. Люис, А. Ф. Самойлов, С. Уиггерс, Е. И. Чазов), кровеносных сосудов (К. Гейманс, Г. Геринг, В. В. Парин, В. Н. Черниговский, Э. Нил, Г. П. Конради), капиллярного кровообращения (А. Крог, А. М. Чернух), механизмов дыхания и транспорта газов кровью (Дж. Баркрофт, Дж. Холдейн, Д. Ван-Слайк, Е. М. Крепе, В. Д. Глебовский, И. С. Бреслав), закономерностей выделительных функций (А. Ричарде, А. Г. Гинецинский, Ю. В. Наточин). Серьезное развитие получила сравнительная физиология (А. И. Карамян, X. С. Коштоянц, В. Л. Свидерский, А. Д. Слоним, М. П. Рощевский).

Определенным достижением текущего столетия стало открытие химизма мышечного сокращения. В числе исследователей, работавших в этом направлении, выделяются немецкий биохимик О. Мейергоф, советские ученые В. А. Энгельгардт и М. Н. Любимова, американский биохимик, венгр по происхождению А. Сент-Дьёрдьи, англичане А. Хаксли и Дж. Ансон.

К. М. Быков (1886-1959)

П. К. Анохин (1898-1974)

В. В. Парин (1903-1971)

Новую главу физиологии благодаря исследованиям Н. И. Лунина и Б. А. Лаврова, польского ученого К. Функа составило учение о витаминах. Интенсивное развитие претерпела эндокринология, начиная с классических опытов М. М. Завадовского с превращением пола птиц и работ других исследователей, открывших роль гормонов щитовидной железы в эмбриогенезе млекопитающих, влияние гипофизарных гормонов. Были выяснены химический состав и механизм действия ряда гормонов, многие из которых вскоре были синтезированы. Л. С. Штерн создала учение о гемато-энцефалическом барьере и гистогематических барьерах - регуляторах непосредственной внутренней среды органов и тканей. Были сформулированы представления о единой системе нейрогуморальной регуляции (Г. Н. Кассиль).

Наряду с этим на протяжении рассматриваемого периода развития физиологии, включающего первую половину нынешнего столетия, значительно расширились представления о висцеральных функциях и их регуляции. Здесь одно из ведущих мест занимает физиология пищеварения. В. В. Савич, Г. В. Фольборт, И. П. Разенков продолжили традиции своего учителя И. П. Павлова и сосредоточили внимание на систематическом изучении моторной, секреторной и экскреторной функций желудочно-кишечного тракта. Был также проанализирован химизм и механизм регуляции процесса всасывания (Е. С. Лондон, Б. П. Бабкин, У. Бейлисс, А. Айви и др.). В последние десятилетия А. М. Уголевым был открыт и детально разработан механизм мембранного (пристеночного) пищеварения, описаны центральные гипоталамические механизмы регуляции голода и насыщения. К середине текущего столетия значительных успехов достигла физиология питания. М. Н. Шатерниковым, А. А. Покровским и другими были изучены энергозатраты людей различных профессий, разработаны научно обоснованные нормы питания.

В текущем столетии большой вклад внесен в изучение функциональных взаимоотношений коры головного мозга и внутренних органов. К. М. Быков, изучая регулирующее влияние коры больших полушарий на работу внутренних органов, показал возможность изменения их деятельности условнорефлекторным путем. Благодаря исследованию В. Н. Черниговским проблем чувствительности внутренних органов, взаимоотношений с корой головного мозга, а также определению проекций афферентных систем внутренних органов в коре полушарий, таламусе, мозжечке, ретикулярной формации, подробному изучению безусловнорефлекторной деятельности этих органов при раздражении интероцепторов механическим, химическим и другими агентами была открыта новай глава физиологии - интероцепция.

В. Н. Черниговский (1907-1981)

А. М. Уголев (1926-1991)

Работы Р. Гранита, В. Амассиана, Г. В. Гершуни, А. Л. Вызова, Я. Альтмана, И. А. Шевелева, М. А. Островского и других внесли значительный вклад в развитие физиологии сенсорных систем. Большую роль в исследованиях функций центральной нервной системы сыграли работы Н. П. Бехтеревой по изучению корково-подкорковых отношений, М. Н. Ливанова по изучению механизмов памяти, П. Г. Костюка и А. И. Ройтбака по исследованию функции внутрицентральных межнейронных и нейрон-глиальных отношений, В. В. Фанарджяна по физиологии мозжечка, В. А. Говырина по нервной трофике, Э. А. Асратяна по изучению механизмов компенсации нарушенных функций нервной системы, П. В. Симонова, К. В. Судакова по физиологическим механизмам эмоций и мотиваций. Существенным вкладом в эту проблему явились представления П. К. Анохина о функциональных системах, позволившие подойти к пониманию механизмов регуляции функций и расшифровке некоторых механизмов психических процессов.

В связи с космическими полетами возникла и развилась новая область знаний - космическая физиология. У ее истоков стояли А. В. Лебединский, В. Н. Черниговский, В. В. Парин, О. Г. Газенко, А. И. Григорьев, усилия и труды которых составили фундамент этого направления.

Физиология второй половины текущего столетия характеризуется не только определенными достижениями в области раскрытия механизмов деятельности органов, систем, организма в целом. Особенностью современной физиологии является углубление аналитического подхода со смещением направления исследований в сторону мембранных, клеточных процессов, описания биофизических аспектов механизма возбуждения и торможения. Знание количественных взаимоотношений между различными процессами, закономерностей их возникновения позволяет подойти к математическому моделированию этих процессов. Наряду с погружением в микромир и математическое моделирование продолжается также исследование деятельности целого организма со всеми его отправлениями.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Анохин П. К. От Декарта до Павлова. М., 1994.

Ведущие научные школы России. М., 1998.

Григорьян Н. А. Казанская физиологическая школа. М., 1978.

Григорьян Н. А. Иван Петрович Павлов. М., 1999.

История Академии наук СССР. В 3 т. Т. 1 (1724-1803), 1958; Т. 2 (1803-1917), М.; Л., 1964.

Квасов Д. Г., Федорова-Грот А. К. Физиологическая школа И, П. Павлова: портреты и характеристики сотрудников и учеников. Л., 1967.

Коштоянц X. С. Очерки по истории физиологии в России. М.; Л., 1946.

Лейбсон Л. Г. Леон Абгарович Орбели. Л., 1973.

Российская академия наук. Персональный состав. В 3-х кн. М., 1999.

Самойлов В. О. История российской медицины. М., 1997.

Самойлов В. О., Мозжухин А. С. И. П. Павлов в Петербурге-Петрограде-Ленинграде. Л., 1989.

Иван Михайлович Сеченов. К 150-летию со дня рождения. М., 1980.

А. А. Ухтомский в воспоминаниях и письмах. СПб., 1992;

Физиологические научные школы в СССР. Л., 1988.

Физиологические науки в СССР: становление, развитие, перспективы. Л., 1988.

1 ПОНЯТИЯ КЛЕТОЧНОЙ ФИЗИОЛОГИИ

ВЕХИ ИСТОРИИ

1771-Л. Гальвани (L. Galvani, Италия) в "Трактате о силах электричества при мышечном движении" доказал существование так называемого животного электричества.

1822 - Ф. Мажанди (F. Magendie, Франция) доказал раздельное существование чувствительных и двигательных нервов.

1840- К. Маттеучи (К. Matteuci, Италия) получил первое доказательство электрической природы нервного импульса. В 1845 г. он применил нервно-мышечный препарат в качестве чувствительного биологического индикатора существования токов в других сокращающихся мышцах.

1848- Э. Дюбуа-Реймон (Е. Dubois-Reymond, Германия) разработал методы раздражения ткани (индукционная катушка) и регистрации ответов (гальванометр), доказал существование потенциала покоя и потенциала действия.

1850- Г. Гельмгольц (Н. Helmholtz, Германия) измерил скорость распространения нервного импульса по нерву лягушки, а в 1867-1871 гг. вместе с русским ученым Н. Бакстом произвел это измерение у человека.

1851- Э. Пфлюгер (Е. Pfluger, Германия) показал, что усиление раздражения рецепторов вызывает изменение рефлекторных ответов - иррадиацию возбуждения в нервных центрах.

1856 - Р. Вирхов (R. Virchow, Германия) открыл существование нейроглии.

1859- Э. Пфлюгер открыл закономерности действия постоянного тока на нерв и мышцу, что положило начало учению о физиологическом электротоне.

1862 - И. М. Сеченов (Россия) открыл явление центрального торможения.

1865 - О. Дейтерс (О. Deiters, Германия) описал дендриты и аксоны нервных клеток.

1873- К. Гольджи (С. Golgi, Италия) разработал способ окраски и метод приготовления препаратов нервных клеток.

1874-Л. Ранвье (L. Ranvier, Франция) описал красные и белые мышечные волокна и исследовал их функции.

1879- Л. Германн (L. Hermann, Германия) сформулировал теорию альтерации, которая объясняет проведение нервного импульса и изменения, возникающие во всей аксоплазме и особенно в ее белковых структурах.

1883- Н. Е. Введенский (Россия) доказал колебательную природу возбуждения в нерве. В 1884 г. с помощью телефонного аппарата прослушал возбуждение в нерве. Ввел понятие лабильности возбудимой ткани.

1883- Б. Ф. Вериго (Россия) установил закономерность изменения возбудимости при длительном действии постоянного тока (катода) на возбудимую ткань (католическая депрессия Вериго).

1890-С. Рамони-Кахаль (S. Ramon у Cajal, Испания) и А. Ван-Гехухтен (A. Van Gehuchten, Бельгия) разработали представление о работе нейрона - "закон динамической поляризации".

1891- Г. Вальдейер (Н. Waldeyer, Германия) подтвердил применимость клеточной теории к нервной системе, предложил назвать нервную клетку "нейрон".

1895-А. Ф. Самойлов (Россия) экспериментально доказал гуморальную природу центрального торможения.

1896-В. Ю. Чаговец (Россия) предложил первую ионную теорию биоэлектрических явлений. Экспериментально обосновал

теорию раздражающего действия электрического тока.

1897- Ч. Шеррингтон (Ch. Sherrington, Великобритания) сформулировал представление о синапсах и определил их значение в механизмах нервно-мышечной передачи.

1901- 1906 - Дж. Горвег (J. Hoorweg, Голландия), Г. Вейсс (G. Weiss, Германия), Л. Лапик (L. Lapique, Франция) доказали зависимость пороговой силы раздражителя от его длительности.

1901- Н. Е. Введенский в монографии "Возбуждение, торможение и наркоз" развил представления о единстве природы процессов торможения и возбуждения, изложил суть учения о парабиозе.

1906-К. Гольджи и С. Рамони-Кахаль - Нобелевская премия за работы по изучению нервной системы.

1910- А. Коссель (A. Kossel, Германия) - Нобелевская премия за исследования роли белков и нуклеиновых кислот в жизнедеятельности клетки. Установил, что хромосомы состоят из нуклеиновых кислот и белков (гистонов). Предположил, что химической основой передачи наследственной информации может быть структура белка. Открыл несколько аминокислот.

1910-1930 - Ч. Шеррингтон вскрыл механизм координационных отношений в нервной системе и механизм реципрокного торможения, ввел понятие "рецептивное поле", принцип общего конечного пути, разработал принцип конвергенции и дивергенции в строении нервных центров.

1921- О. Леви (О. Loewi, Австрия) установил химическую природу передачи возбуждения через синапсы и роль в ней ацетилхолина - Нобелевская премия 1936 г. совместно с Г. Дейлом (Н. Dale, Великобритания).

1921-1942 - А. А. Ухтомский (СССР) исследовал процессы возбуждения, торможения и механизмы лабильности. Создал учение о доминанте.

1922-Г. Гассер (Н. Gasser, США) и Д. Эрлангер (D. Erianger, США) применили электроннолучевой осциллограф и впервые наблюдали электрические потенциалы действия в периферических нервах. В 1933 г. они же установили закономерность - скорость проведения импульса возбуждения в нервном волокне прямо пропорциональна диаметру его осевого цилиндра.

1933- Ч. Шеррингтон и Э. Эдриан (Е. Adrian, Великобритания) - Нобелевская премия за открытие роли рецепторов, чувствительных и двигательных нервов, передачи информации в виде электрических импульсов.

1933-А. В. Кибяков (СССР) установил роль адреналина в синаптической передаче.

1933- Т. Морган (Т. Morgan, США) - Нобелевская премия за открытие функций хромосом как носителей наследственности.

1953- Дж. Эклс (J. Eccles, Австралия) описал ионные процессы, происходящие при возбуждении концевой пластинки.

1959- С. Очоа (S. Ochoa, США) и А. Корнберг (A. Kornberg, США) - Нобелевская премия за исследование биосинтеза ДНК и РНК.

1965- Ф. Крик (F. Crick, Великобритания), Дж. Уотсон (J. Watson, США) и М. Уилкинс (М. Wilkins, Великобритания) - Нобелевская премия за открытие структуры нуклеиновых кислот и их роли в механизмах наследственности.

1963-Дж. Эклс, А. Ходжкин (A. Hodgkin, Великобритания) и А.Хаксли (A. Huxley, Великобритания) - Нобелевская премия за открытие ионных механизмов передачи возбуждения по нервному волокну.

1965- Ф. Жакоб (F. Jacob, Франция), А. Львов (A. Lwoff, Франция) и Ж. Моно (J. Monod, Франция) - Нобелевская премия за открытие генетической регуляции синтеза ферментов.

1970- Б. Кац (В. Katz, Великобритания), У. фон Эйлер (U. v. Euler, Швеция) и Дж. Аксельрод (J. Axelrod, США) - Нобелевская премия за открытие роли норадреналина в синаптической передаче.

1971-Э. Сазерленд (Е. Sutherland, США) - Нобелевская премия за открытие вторичных посредников, в частности цАМФ.

1974 - А. Клод (A. Claude, Бельгия), К. Де Дюв (Ch. de Duve, Бельгия) и Дж. Паладе (G. Palade, США) - Нобелевская премия за открытие роли митохондрий, лизосом и рибосом.

1991- Э. Негер и Б. Закманн (Е. Neher, В. Sakmann, Германия) - Нобелевская премия за открытие функции отдельных ионных каналов в клетке.

1992-Э. Фишер, и Э. Кребс (Е. Fisher, Е. Krebs, США) - Нобелевская премия за открытие обратимого фосфорилирования белков как регулярного механизма.

1994- А. Гилман и М. Родбелл (A. Gilman, М. Rodbell, США) - Нобелевская премия за открытие G-белков и их роли в передаче сигналов в клетке.

1995-Э. Льюис (Е. Lewis. США), К. Нюслин-Вольхард (Ch. Nusslein-Volhard, Германия) и Э. Вейсхаус (Е. Wieschaus, США) - Нобелевская премия за открытия, касающиеся генетического контроля раннего эмбрионального развития.

Живым клеткам, как и многоклеточным организмам, свойственны метаболизм, раздражимость, а в определенные периоды жизни рост и размножение. Некоторые из этих свойств (метаболизм, рост и размножение) подробно обсуждаются в курсах цитологии, биохимии, генетики и др.; раздражимость - сугубо физиологическое понятие. Раздражимость (реактивность) клеток - это их способность (свойство) активно отвечать на внешнее воздействие той или иной формой деятельности, например, усилением метаболизма и роста, ускорением деления, выбросом секрета, движением, электрическим импульсом.

Реактивность живых клеток и многоклеточных организмов отличается от пассивной реактивности неживых тел (например, "реактивности" упругих тел в отношении действующих на них механических сил). Это отличие состоит в том, что энергия для реакции клеток возникает не за счет внешнего воздействия, а в результате внутриклеточных метаболических процессов, запускаемых внешним воздействием. Поэтому энергия (сила) и форма реакции клетки не определяются энергией (силой) внешнего воздействия.

Реакция может быть в ряде случаев пропорциональна действующей внешней силе, но и это не всегда так.

Среди различных форм клеточных реакций на внешние воздействия т. е. на действие раздражителей выделяют возбуждение. Возбуждением клетки часто называют реакцию, проявляющуюся в особенно отчетливой внешней деятельности: в резком движении клетки (например, ее сокращении), генерации электрического сигнала, выбросе секрета. Приведенное определение понятия "возбуждение" можно назвать общебиологическим.

В специальной физиологической литературе возбуждением иногда называют активный электрический ответ клетки (так называемый потенциал действия), а сокращение и секрецию рассматривают как следствие электрической реакции.

Клетки, способные к возбуждению, - мышечные, нервные, железистые - называют возбудимыми. К возбудимым клеткам, т. е. к обладающим возбудимостью, относятся и элементы сенсорных рецепторов - нервные окончания и .специальные рецепторные клетки. Возбудимость всех этих клеток обеспечивает реактивность макроорганизмов. Возбудимость обнаруживается и у некоторых одноклеточных организмов.

В качестве внешних воздействий, вызывающих возбуждение, могут выступать механические, химические, звуковые и световые влияния. Для каждой возбудимой клетки весь набор внешних воздействий - раздражителей - делится на две неравные части: адекватные и неадекватные раздражители. Адекватный раздражитель соответствует данному виду клеток; он вызывает возбуждение даже при очень малой энергии (дозе) воздействия. Таков свет - для фоторецепторов, звук - для слуховых рецепторов, пахучие вещества - для обонятельных рецепторов и т. д. Для нервных мышечных клеток многоклеточных организмов адекватными раздражителями являются электрические токи и некоторые химические агенты, продуцируемые другими клетками. Все прочие раздражители называют неадекватными.

Минимальная энергия (сила) раздражителя, необходимая для возбуждения клетки, называется пороговой (порогом). В случае неадекватных раздражителей (например, механического воздействия на фоторецепторы или нервные волокна) она на много порядков превышает пороговую энергию для адекватных раздражителей. Возбудимость по отношению к раздражителю измеряют порогом раздражения; возбудимость обратно пропорциональна величине порога.

Возбуждение, возникнув в точке действия раздражителя, во многих случаях способно распространяться, охватывая всю клетку. Это тесно связано с электрическим ответом и имеет большое значение в деятельности нервной системы и особенно ее проводящих путей (нервная сигнализация).

Возбудимость является важной особенностью любой живой ткани. Об этом свидетельствуют опыты Л. Гальвани, проведенные им еще в конце XVII в. Помимо того, эти опыты явились началом для электрохимической теории и представления о том, что живые ткани способны вырабатывать электрический ток. На нервно-мышечных препаратах лягушки Л. Гальвани обнаружил, что если к препарату приложить две соединенные между собой пластинки из разных металлов (при этом одна из них располагается на мышце, другая на нерве), то при касании металлов происходит сокращение мышцы. Л. Гальвани объяснил этот эффект протеканием "животного электричества", которое, по его мнению, зарождалось в нервах и запасалось в мышцах. Предполагалось, что от мышцы к нерву через металлический проводник протекают некие "электрические флюиды" и что именно этот разряд и вызывает сокращение мышцы. На самом деле опыты Л. Гальвани не доказывали наличия "животного электричества", и тем не менее они продемонстрировали высокую чувствительность возбудимых тканей к чрезвычайно слабым электрическим токам.

Несколько позже итальянский физик и физиолог Алессандро Вольта (1745-1827) повторил опыты Л. Гальвани и высказал иное предположение. Он считал, что в подобных опытах электрический ток, вызывающий сокращение мышцы, возникал совсем не в живых тканях, а в месте контакта разных металлов с тканевыми жидкостями, представляющими собой насыщенные солями растворы. Но это были всего лишь предположения. И только в 1840 г. Карло Маттеучи провел эксперимент, в котором один нервно-мышечный препарат возбуждается током, возникающим при сокращении мышцы другого препарата (рис. 1.1). Иными словами, ток, возникающий во время сокращения первой мышцы, вызывает возбуждение нерва, идущего ко второй мышце. В свою очередь сокращение первой мышцы было вызвано раздражением ее двигательного нерва с помощью тока, который возникал в результате электролиза в паре разнородных металлов. Так было экспериментально показано не только существование возбудимости, но и то, что в возбудимых тканях возникают электрические токи.

Рис. 1.1 Опыт Маттеучи

Возбудимым клеткам при отсутствии достаточных раздражителей свойственно состояние физиологического покоя, которое, конечно, не равно полной бездеятельности, ибо сопряжено с текущим метаболизмом.

Некоторые внешние воздействия могут вызывать в клетках реакции с отрицательным знаком (уменьшение метаболизма, роста, возбудимости по отношению к раздражителям). Такие реакции называют торможением. Торможение может вызываться воздействиями из внешней среды и влияниями со стороны других клеток организма.

Явление торможения - важный феномен, широко используемый в процессах интеграции и координации клеточных функций в многоклеточном организме.

1.1. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

В организме человека и большинства животных особую роль играют нервная система и мышцы. Нервная система связывает между собой, объединяет (интегрирует) различные части многоклеточного организма. Мышцы играют роль двигателей, обеспечивающих подвижность, иначе говоря, активность организмов в их среде, а также механические функции внутренних органов (сердца, легких, кишки и т. п. ). Универсальность и чрезвычайная важность функций нервной системы и мышц, а также и то, что эти образования и формирующие их клеточные элементы изучены особенно подробно, оправдывает вынесение общих характеристик нервной системы и мышц в начало данного курса.

1.1.1. Основные типы строения нервной системы

Основными типами строения нервной системы у разных представителей животного мира являются диффузный, узловой (в частности, цепочечный, разбросанно-узловой или лестничный) и трубчатый (рис. 1.2).

Диффузный тип нервной системы, присущий низшим многоклеточным (например, кишечнополостным), характеризуется приблизительно равномерным распределением нервных элементов во всем теле животного. Узловой, характерный для высших беспозвоночных, имеет концентрацию нервных элементов в узлах (особенно в подглоточном и надглоточном), которые связаны

Рис. 1.2 Основные типы строения нервной системы

А- диффузный (кишечнополостные); Б- цепочечный (членистоногие); В - трубчатый (центральная нервная система позвоночных).

между собой коннективами, а с остальными частями организма - периферическими нервами. Трубчатый тип нервной системы характеризуется концентрацией нервных элементов в нервной трубке (мозгу) и особенно в расширениях оральной части этой трубки (головном мозгу). Этот тип присущ позвоночным, в том числе человеку. Головной и спинной мозг связан с остальными частями организма с помощью многочисленных нервов.

Нервные клетки. Нервная система человека и животных состоит из нервных клеток (нейронов), тесно связанных с глиальными клетками. Нервные клетки у позвоночных и высших беспозвоночных имеют характерные отростки, отходящие от тела (сомы, или перикариона), в котором находится клеточное ядро.

Различают два вида этих отростков: дендриты и аксоны (рис. 1.3). По количеству отростков, отходящих от сомы, нейроны подразделяют на униполярные (имеют один отросток, отходящий от сомы), биполярные (имеют два отростка) и мультиполярные (имеют более двух отростков, отходящих от сомы).

Униполярные нейроны имеются у животных разных типов, особенно широко они распространены у беспозвоночных, например, у моллюсков и насекомых. У этих животных от тела нейрона отходит клеточный отросток, который переходит в так называемый центральный отросток, порождающий аксон и дающий множество дендритов. Мультиполярные клетки - это основной вид нейронов у позвоночных. У низших беспозвоночных (кишечнополостных) нейроны обладают веретенообразной формой.

Перикарионы нейронов обычно имеют размеры (диаметры) от 5 до 100 мкм. Отростки нервных клеток у высших позвоночных и беспозвоночных, особенно аксоны с диаметром от 1 до 6-10 мкм, могут быть очень длинными (до 1 м!). В особых случаях при слиянии аксонов (например, у головоногих моллюсков) формируются гигантские аксоны, диаметр которых может достигать 1 мм, что делает их очень удобными для исследования.

Нейрон, как и все прочие клетки, снаружи покрыт непрерывной оболочкой - плазматической мембраной (плазмалеммой). Она отделяет цитоплазму клетки с включенными в нее многочисленными органоидами (ядром, аппаратом Гольджи, митохондриями и т. п.) от внеклеточной жидкости.

С помощью аксонов и дендритов нейроны контактируют между собой и с другими клетками, например с мышечными. Эти контакты имеют особое строение и называются синапсами.

Существуют различные типы синапсов (по структуре, функции, способу передачи сигнала, местоположению в системе и т. д.).

Рис. 1.3 Основные типы строения нейронов

А - веретенообразный (кишечнополостные);

Б - псевдоуниполярный (сенсорный нейрон позвоночных); В - мультиполярный (позвоночные); Г - типичный нейрон центральной нервной системы беспозвоночных: 1 - сома, 2 - синапс, 3 - аксон, 4 - дендрит, 5 - центральный отросток. Стрелками обозначено направление распространения возбуждения.

Рис. 1.4 Миелиновая "муфта" аксона позвоночного

Шванновская клетка "накручивается" на аксон и, теряя в намотанной части цитоплазму, формирует из своей мембраны плотный многослойный миелиновый футляр; 1 - шванновская клетка (ядерная часть, сохранившая цитоплазму), 2 - пальцеобразный отросток шванновской клетки, 3 - аксон, 4 - миелин, 5 - перехват Ранвье.

Чрезвычайно широко распространены так называемые химические синапсы, в которых передача осуществляется с помощью специального химического агента - локального передатчика-трансмиттера - медиатора, выбрасываемого пресинаптическим нервным окончанием и действующего на постсинаптическую клетку.

В составе нервной системы у позвоночных и беспозвоночных находятся и нейросекреторные клетки (у позвоночных, например, в гипоталамусе). Эти клетки вырабатывают нейрогормоны (физиологически активные вещества), которые выделяются в кровоток и действуют на все чувствительные к ним клетки организма (см. гл. 6).

Глиальные клетки. К глиальным клеткам (глиоцитам) относятся олигодендроциты, астроциты, шванновские клетки и др. Они окружают нервные клетки и в некоторых местах тесно соприкасаются с ними. Число глиальных клеток в нервной системе примерно на порядок больше числа нейронов. Особую роль глиальные клетки играют в формировании так называемых миелиновых оболочек аксонов. Миелиновые оболочки формируются у позвоночных в ЦНС за счет отростков олигодендроцитов, а на периферии - за счет так называемых шванновских клеток, или леммоцитов. Эти клетки окутывают аксоны многослойными миелиновыми "муфтами" (рис. 1.4) так, что большая часть аксона оказывается покрытой ими, а открытыми остаются узкие участки между муфтами - перехваты узла, или перехваты Ранвье. Последние у таких волокон имеют особое функциональное значение.

Функция нервных клеток. Функция нервных клеток состоит в передаче информации (сообщений, приказов или запретов) с помощью нервных импульсов.

Нервные импульсы распространяются по отросткам нейронов и передаются через синапсы (как правило, от аксонной терминали на сому или дендрит следующего нейрона). Возникновение и распространение нервного импульса, а также его синаптическая передача тесно связаны с электрическими явлениями на плазматической мембране нейрона.

1.1.2. Мембранные потенциалы нервных элементов

Для исследования электрических явлений в нервных (и других) клетках широко применяют микроэлектроды (стеклянные пипетки с очень тонким, примерно 0,5 мкм, кончиком), заполненные электролитом. В таком микроэлектроде электролит играет роль проводника тока, а стекло - изолятора. Если кончик микроэлектрода вводят внутрь клетки, то он регистрирует внутриклеточный потенциал (относительно наружного "индифферентного" электрода). В крупные нервные клетки (волокна) удается вводить и проволочные электроды. С помощью внутриклеточных

Рис. 1.5 Регистрация мембранного потенциала покоя

А - микроэлектрод / еще не введен в нервное волокно; луч осциллографа показывает, что разность потенциалов у микроэлектрода и индифферентного электрода 2 равна нулю; Б - микроэлектрод введен в нервное волокно (прокол мембраны); он регистрирует постоянный отрицательный потенциал относительно внешнего раствора - мембранный потенциал покоя (МПП).

Мембранный потенциал покоя. У нейронов, как и у всех исследованных клеток животных и растений, поверхностная мембрана в покое электрически поляризована, т. е. имеет разный электрический потенциал наружной и внутренней поверхностей. В этом можно убедиться, если ввести внутрь клетки микроэлектрод, соединенный с регистрирующей установкой. Как только микроэлектрод попадает внутрь клетки, он мгновенно приобретает некоторый постоянный электроотрицательный потенциал по отношению к электроду, расположенному в окружающей клетку жидкости.

Величина внутриклеточного электрического потенциала у нервных клеток и волокон, например, гигантских нервных волокон кальмара, в покое составляет около -70 мВ.

Эту величину называют мембранным потенциалом покоя (МПП). Во всех точках аксоплазмы этот потенциал практически одинаков.

При выведении кончика микроэлектрода из клетки возвратным движением или прокалыванием ее насквозь разность потенциалов между электродами скачкообразно исчезает (рис. 1.5).

Связь МПП с поляризацией мембраны клетки доказывает, например, опыт по удалению аксоплазмы из гигантского аксона кальмара. Лишенный аксоплазмы аксон при его перфузии солевым раствором (сходным по ионному составу с аксоплазмой) обнаруживает примерно такой же МПП, как и нормальный аксон.

Природа поляризации клеточной мембраны сегодня в основном определена. Чтобы ее понять, необходимо рассмотреть некоторые свойства самой мембраны, а также ионный состав внеклеточной среды и внутриклеточной жидкости. Мембрана, например, у аксона кальмара, как и у всех других клеток, - очень тонкая, но достаточно прочная оболочка. Согласно электронно-микроскопическим данным ее толщина составляет 5-10 нм. В основу современных представлений о структуре мембран положена жидкостно-мозаичная модель (рис. 1.6). Согласно этой модели в жидком липидном бислое плавают глобулярные белки - интегральные и периферические. Одни из них являются ионными каналами, другие (например, гликопротеиды) содержат олигосахаридные белковые цепи, участвующие в узнавании клетками друг друга и межклеточной коммуникации. Структура мембраны высокодинамична: липиды способны к латеральной и вращательной диффузии, они могут переходить из одного монослоя в другой. Белкам свойственна и вращательная диффузия. Однако часть белков иммобилизована ("заякорена") структурами цитоскелета и не может свободно плавать. Стало быть, жидкостно-мозаичная модель мембраны верна лишь частично.

В последние годы предложена твердокаркасная жидкостно-мозаичная модель. В этой модели мембрана уподобляется белковому каркасу, ячейки которого заполнены липидным бислоем. В формировании непрерывного каркаса

Рис. 1.6 Трехмерная схема жидкостно-мозаичной модели мембраны

1 - гликолипид, 2 - ионный канал, 3 - фосфолипид, 4 - интегральный белок, 5 - олигосахаридная боковая цепь, б - гидрофобный участок ?-спирали, 7 - ?-спиральная белковая молекула, 8 - холестерин, 9 - наружная поверхность,

10 - липидная сердцевина, 11 - внутренняя поверхность.

участвуют внутримембранные белки, белки цитоскелета, прилегающие к внутренней поверхности мембраны, а с наружной стороны - белки экстраклеточного матрикса: коллаген, фиброкинин. Важным структурным компонентом мембран является вода. Особенности взаимодействия основных молекулярных элементов с водой не только определяют многие структурно-функциональные свойства мембранных систем, но и становятся решающими в процессе их формирования и стабилизации.

В транспорте веществ через мембрану принято выделять два типа - пассивный и активный транспорт. Пассивный транспорт - перенос неэлектролитов и ионов через мембрану по градиенту химического или электрохимического потенциала. Это может быть простая диффузия через липидный бислой либо облегченная диффузия, осуществляемая переносчиками или по каналам в мембране. Процессы облегченной и простой диффузии направлены на выравнивание градиентов и установление равновесия в системе. Активный транспорт - перенос неэлектролитов и ионов против градиента химического или электрохимического потенциала сопряжен с энергетическими затратами. Основное отличие активного транспорта от облегченной диффузии состоит в том, что одна из стадий активного транспорта энергозависима. Когда для переноса вещества используется энергия аденозинтрифосфата (АТФ) или окислительно-восстановительных реакций, транспорт называют первично-активным. Если же в качестве источника энергии используется градиент концентрации ионов, то транспорт называют вторично-активным. Тип транспорта (пассивный или активный) зависит от изменения свободной энергии транспортируемых катионов.

Сейчас известны следующие механизмы прохождения ионов через мембрану: 1 - растворение иона в липидной фазе мембраны, диффузия и последующий переход из мембраны в раствор, 2 - движение по гидрофильным ионным каналам в мембране, 3 - транспорт с участием переносчиков. В качестве переносчиков чаще всего выступает внутриклеточный циклический аденозин-монофосфат - цАМФ, и инозитолтрифосфат - ИФ3 (рис. 1.7).

В последнем случае возбуждающий или тормозный внешние сигналы активируют мембранные рецепторы - Д. Эти рецепторы регулируют процесс

Рис. 1.7 Цепь реакций с участником внутриклеточного посредника цАМФ

Rs - возбуждающий рецептор, Ri - тормозный рецептор, Gs - возбуждающий G-белок, G1 - тормозный G-белок, ГТФ - гуанозин-трифосфат, АТФ - аденозитрифосфат, ГДФ - гуанозиндифосфат, АУ - аденилатциклаза, АМФ - аденозинмонофосфат, цАМФ - циклический аденозинмонофосфат, Фн - фосфат. На схеме показаны также фармакологические препараты и токсины, которые запускают (+) или ингибируют (-) некоторые реакции.

связывания G-белков с внутриклеточным ГТФ (гуанозинтрифосфатом), стимулируя или подавляя тем самым внутриклеточную аденилатциклазу (АЦ). Усиливающий фермент АЦ превращает АТФ в цАМФ, который затем при участии фосфодиэстеразы расщепляется до АМФ. Свободный цАМФ диффундирует в клетку и активирует аденилаткиназу (А-киназу), высвобождая ее каталитическую субъединицу С, которая катализирует фосфорилирование внутриклеточных белков, т. е. формирует конечный эффект внутриклеточного стимула. Механизмы эти в равной мере характерны для естественных биологических и для искусственных липидных мембран.

Мембрана состоит из липидов, белков и мукополисахаридов. Бимолекулярный слой липидов является матриксом мембраны. Белки, вкрапленные в липидный матрикс, образуют каналы для воды и ионов, формируют ионные насосы и т. п. (рис. 1.8). Мукополисахариды, располагаясь в виде "деревьев" на поверхности мембраны, осуществляют рецепторные функции. Мембрана постоянно обновляется. При этом ее качества могут несколько меняться в зависимости от изменения программы соответствующих процессов синтеза.

Клеточная мембрана обладает значительными электрическим сопротивлением и емкостью. У аксона кальмара, например, удельное сопротивление мембраны (Rм) (здесь при расчете удельного сопротивления (Rм) значение в омах умножают (а не делят) на площадь мембраны, так как для пересекающего мембрану тока с ростом этой площади сопротивление уменьшается (а не растет)) составляет в покое 1000 Ом х см2, а емкость (См) равна примерно 1 мкф/см2. Емкость мембраны, которая создается в основном ее липидным матриксом, довольно постоянна. Сопротивление мембраны проходящему току сильно зависит от состояния ее ионных каналов.

Мембрана легко проницаема для жирорастворимых веществ, молекулы которых проникают через липидный матрикс. Крупные водорастворимые молекулы, в том числе анионы органических кислот, по существу, совсем не проходят через мембрану (могут покидать клетку лишь путем экзоцитоза). В то же время в мембране нервного волокна существуют каналы, проницаемые для воды, для малых молекул водорастворимых веществ и для малых ионов.

Рис. 1.8 Строение плазматической мембраны и ее механизмы, ответственные за мембранные потенциалы покоя и действия (упрощенная схема).

А - участок мембраны (продольный срез); Б - условное изображение активного переноса ионов насосом за счет энергии АТФ; В - эквивалентная электрическая схема мембраны: I - насос, 2 - липидный матрикс; заштрихованы белковые макромолекулы, формирующие безворотный ионный какал, специальные натриевые и калиевые каналы с воротными механизмами и насос; горизонтальными стрелками показаны открытие (и закрытие) воротных устройств; вертикальными - направление движения ионов. Rм- сопротивление мембраны, ЕNа - заряд, обусловленный ионами Na, Ек - заряд, обусловленный ионами К, Енас - емкость насоса. См - емкость мембраны.

Рис. 1.9 Основные состояния натриевых каналов

А - в покое; В - при деполяризации; В - при продолжительной деполяризации.

Ионные каналы. Эти мембранные структуры являются интегральными белками (гликопротеинами), пронизывающими липидный бислой и способными при адекватных внешних воздействиях (изменение потенциала на мембране, действие гормона или медиатора) избирательно менять проницаемость мембраны для определенных ионов (Na+ K+, Са2+, Сl-). Например, в покое (мембрана не деполяризована) натриевый канал не пропускает ионы Na+, поскольку закрыты м-ворота (рис. 1.9). При деполяризации м-ворота открываются и канал активируется, т. е. начинает пропускать ионы Na+. Из-за этого м-ворота называют также активационными. В открытом состоянии проводимость канала в значительной степени определяется его селективным фильтром, который не пропускает анионы и гораздо более свободно пропускает Na+, чем K+ или Са2+. При более длительной деполяризации закрываются h-ворота (инактивационные), расположенные у внутренней стороны мембраны, и канал инактивируется. Реполяризация до уровня потенциала покоя вновь приводит к открытию h-ворот и закрытию м-ворот. В этом состоянии канал можно вновь активировать дёполяризующим стимулом.

В основе многих физиологических процессов (передача электрических и химических сигналов, мышечное сокращение, секреторный процесс и т. д.) лежит прежде всего работа ионных каналов. Их характеристики могут изменять некоторые фармакологические препараты и яды.

Каналам биомембран свойственна характерная избирательность для ионов (селективность), а также способность открываться и закрываться при различных воздействиях на мембрану (воротная функция). Переходы каналов из открытого состояния в закрытое (воротный механизм) могут быть обусловлены изменениями мембранного потенциала, взаимодействием с определенными химическими веществами, специфическим фосфорилированием каналов. Воротный механизм каналов управляется сенсором внешнего стимула. В зависимости от локализации сенсора каналы разделяются на две группы.

К первой группе относятся каналы, имеющие собственный сенсор (входящий в состав макромолекулы) внешнего сигнала (рис. 1.10). Внешний стимул влияет непосредственно на макромолекулу канала. Эта группа включает два больших семейства ионных каналов: потенциал- и лигандозависимые.

Потенциалозависимые каналы (Na+, K+, Са2+, Сl--каналы) открываются и закрываются при изменении электрического потенциала на мембране (рис. 1.11).

Рис. 1.10 Различные способы, управления ионными каналами

А - ионный канал, имеющий собственный сенсор внешних сигналов; Б - ионный канал, имеющий внешний сенсор и опосредованно управляемый химическим сигналом. 1 - первичный посредник (сигнал), 2 - рецептор первичного посредника, 3 - ворота, 4 - внутриклеточный вторичный посредник, 5 - рецептор вторичного посредника; а - наружный раствор, б - цитоплазма.

Рис. 1.11 Строение потенциалозависимого ионного канала

1 - липидный бислой, 2 - сенсор напряжения, 3- ворота, 4 - белковая макромолекула, 5 - якорный белок, 6-углеводные цепи, 7 - селективный фильтр, 8 - водная пора, Р - участок фосфорилирования канала, А - наружный раствор, Б - цитоплазма. Размеры указаны в нанометрах.

Лигандозависимые ионные каналы обеспечивают быструю передачу сигналов между клетками, например, в химических синапсах. Эти каналы открываются при связывании с рецептором ряда биологически активных веществ, таких как ацетилхолин, глутамат, ?-аминомасляная кислота.

В каналах второй группы сенсор внешнего сигнала (рецептор первичного посредника) пространственно разобщен с каналом. Взаимодействие сенсора и канала осуществляется с помощью растворимых внутриклеточных вторичных посредников. Это рецепторзависимые ионные каналы, каналы, опосредованно управляемые химическими сигналами. К ним относятся также каналы, управляемые G-белками, которые активируются при связывании лиганда с рецептором.

В покое практически все натриевые каналы мембраны аксона закрыты, а большое число калиевых - открыто. Определенное состояние ионных каналов мембраны (например, закрытое у натриевых, открытое у значительной части калиевых) очень важно для генерации МПП нервной клеткой. Кроме того, в мембране находятся неспецифические каналы для ионной утечки, каждый из которых проницаем для K+, Nа+ и Сl- (больше всего для К+). Эти каналы не имеют воротных механизмов, всегда открыты и почти не меняют своего состояния при электрических воздействиях на мембрану.

Ионный насос. Важным условием для формирования МПП является отличие ионного состава аксоплазмы от ионного состава внешней среды.

В табл. 1.1 сопоставлен ионный состав аксоплазмы гигантского аксона и крови кальмара. Различия в этих составах постоянны и в основном сводятся к тому, что в аксоплазме по сравнению с кровью меньше ионов Na+, больше К+ и несравненно больше органических анионов. Последние не могут проникнуть через неповрежденную мембрану наружу. Что касается катионных различий, то они являются результатом работы так называемого натрий-калиевого насоса мембраны, непрерывно откачивающего Na+ из клетки в обмен на К+ (см. рис. 1.12).

Та бл и ц а 1.1

Ионный состав аксоплазмы и внешней среды гигантского аксона кальмара, ммоль/кг воды

Вещества

Аксоплазма

Кровь

Морская вода

К+

400

20

10

Na+

50

440

460

Сl-

40-150

560

540

Са2+

0-4

10

10

Mg2+

10

54

53

Изотионовая кислота

250

-

-

Аспарагиновая кислота

75

-

-

Глутаминовая кислота

12

-

-

Янтарная и фумаровая кислоты

17

-

-

АТФ

0,7-1,7

Аргининфосфат

1,3-5,7

H2O

865

870

966

Поскольку этот насос работает таким образом, что удаляя из клетки три иона Na+, он вводит в нее два иона К+, т. е. в конечном счете удаляя из клетки положительные заряды, он может вносить прямой вклад в создание потенциала покоя. Косвенная роль натрий-калиевого насоса связана с тем, что он поддерживает высокую концентрацию калия во внутриклеточной среде. Основным же фактором, ответственным за создание потенциала покоя, служит высокая проницаемость мембраны для калия (по сравнению с другими ионами), благодаря которой калий диффундирует из клетки до тех пор, пока его выходу не будет препятствовать накопление в клетке отрицательных зарядов.

Перенос ионов против градиентов их концентраций называют активным ионным транспортом в отличие от пассивного транспорта - утечки ионов.

Натрий-калиевый насос работает, потребляя энергию АТФ, его основным компонентом является фермент - мембранная Na, К-АТФаза. АТФаза погружена в липидный бислой плазматической мембраны (рис. 1.13). В ходе работы одна молекула АТФ расщепляется на АДФ и фосфат. В норме АТФ поступает к насосу из аксональных митохондрий. Поэтому в лишенном аксоплазмы перфузируемом аксоне насос работает только при добавлении к перфузату АТФ. Для работы насоса, кроме того, требуется наличие в среде ионов K+, а внутри волокна - ионов Na+. Макромолекулярный механизм насоса работает лишь в случае присоединения к этой системе снаружи ионов К+, а изнутри клетки - ионов Na+ (рис. 1.8, 1.12, 1.13).

Утечка ионов. Поляризация мембраны при открытых калиевых каналах, т. е. при высокой калиевой проницаемости (Рk) мембраны и при наличии большого трансмембранного градиента концентраций K+ ([К+вн) >> [К+нар), объясняется прежде всего хотя и очень небольшой, но существующей утечкой внутриклеточного К+ в среду.

Утечка К+ создает разность электрических потенциалов между средой и аксоплазмой в условиях, когда вход Na+ в клетку или выход из нее органических анионов (что могло бы компенсировать нарушения электронейтральности

Рис. 1.12 Прямое и косвенное участие натриевого насоса в создании потенциала покоя

Рис. 1.13 Участие АТФазы в работе натрий-калиевого насоса (объяснение в тексте)

от потери К+) исключены свойствами покоящейся мембраны. В этой ситуации на мембране создается двойной электрический слой (снаружи - катионы, главным образом Na+, внутри - анионы, главным образом органических кислот), препятствующий дальнейшему выходу К+.

Рассмотрим некоторые подробности. Перемещение К+ из клетки наружу осуществляется концентрационным градиентом этого иона, совершающим "осмотическую" работу (АОСМ):

Аосм= RTln(K+)нар/(К+)вн

где R - универсальная газовая постоянная, т. е. кинетическая энергия 1 моля ионов при температуре Т = 1К.

В силу возникающего мембранного потенциала ионы К+ частично возвращаются в клетку, при этом совершается электрическая работа Аэл = QE = nFE, где Q - количество электричества, п - валентность, F - число Фарадея (заряд 1 моля одновалентных ионов), Е - потенциал. Если выход ионов К+ из клетки преобладает над их возвращением, то постепенно растет Аэл и несколько падает Аосм. В итоге на мембране достигается Е, при котором Аэл = Аосм для иона К+ т. е. калиевый равновесный потенциал, обозначаемый Ек. Из сказанного следует, что

Ек=RT/F х ln(К+)нар/(К+)вн

или упрощенно (при t = 20 °С)

Ек = 58lg(К+)нар/(К+)вн (формула Нернста).

Разность между текущим значением мембранного потенциала, (МП) (МП обозначает любое значение потенциала мембраны, наблюдаемое в состоянии покоя (МПП) и в состоянии возбуждения) и Ек называют электрохимическим градиентом для К+. Электрохимический градиент - причина пассивного движения К+ через мембрану в естественных условиях.

Справедливость этих представлений доказывается обратной зависимостью МП нервного волокна от ln (К+)нар (рис. 1.14). По тому же принципу может быть рассчитан электрохимический градиент для Na+ (ENa), Cl- (ECl) или Ca2+ (ECa).

Мембранный потенциал покоя гигантского аксона кальмара (-70 мВ) близок к его Еk (-75 мВ), но не точно равен ему, так как МПП здесь формируется не только утечкой ионов K+, но и утечкой ионов Na+ и Сl-. При этом поступление Сl- в аксон (ECl = -70 мВ) повышает (повышением МПП условно называют увеличение электроотрицательности внутренней поверхности мембраны), а Na+ - понижает МПП (ЕNa= +55 мВ).

Итоговая величина Е, создаваемого утечкой ионов К+, Na+ и Сl-, может быть достаточно точно рассчитана по формуле Гольдмана

E = RT/F х ln PK(K+)НАР + PNa(Na+)НАР + PCl(Cl-)ВН / PK(K+)ВН + PNa(Na+)ВН + PCl(Cl-)НАР

где Р - проницаемость мембраны для соответствующих ионов. Ее часто выражают в относительных величинах, принимая Рk за единицу. Для мембраны аксона кальмара в покое отношение Рк; PNa:PCI = 1 : 0,04 : 0,45.

Утечка ионов, прежде всего ионов К+, формирует так называемый концентрационный потенциал (Еконц )- основную часть реального МПП.

Прямой электрогенный эффект насоса. В перфузируемом чистым солевым раствором гигантском аксоне кальмара утечка ионов - это, по существу, единственный механизм формирования МПП, но в естественных условиях в образовании МПП участвует еще один добавочный механизм - прямой электрогенньй эффект натрий-калиевого насоса (рис. 1.15).

Рис. 1.14 Зависимость мембранного потенциала (МП) нервного волокна каракатицы от наружной концентрации К+(1) и величина МП, рассчитанная по уравнению Нернста для калиевого электрода (2)

Прямой электрогенный эффект насоса (который следует отличать от неэлектрогенного, т. е. от участия насоса в создании концентрационных градиентов) состоит в поляризации мембраны, возникающей при неравенстве числа (q) ионов Na+ и К+, которые переносятся в каждом цикле работы насоса.

Только если эти числа равны, насос работает электронейтрально. Если qNа > qK, то его работа увеличивает Ем (так происходит в нервных и мышечных клетках), если же qNа << qK то Ем уменьшается, что, по-видимому, происходит в шванновских клетках. В нервных волокнах и клетках qNа / qK = 3/2.

Прямой электрогенный эффект насоса (Енас) зависит не только от скорости переноса заряда насосом, но и от скорости утечки последних в противоположном направлении. В условиях стационарности электрический ток насоса (Iнас) равен току утечки (Iу), создаваемому за счет Енас. Кроме того, ток утечки зависит от электрического сопротивления мембраны. Таким образом, Iy = Eнас/Rм, откуда Iнас = Eнас/Rм и, соответственно, Енас = IнacRм. У гигантского аксона кальмара

Рис. 1.15 Две гипотезы, о механизме работы натрий-калиевого насоса мембраны.

А - схема с перемещающимися внутримембранными частицами; Б - схема с мембранной макромолекулой, ритмически изменяющей свою конформацию: / - внутриклеточная среда, II - мембрана, III - внеклеточная среда; 1 - транспортируемое вещество, 2 - транспортирующие частицы, 3 - макромолекула, ритмически меняющая свою конформацию (за счет энергии АТФ): а - конформация для отдачи вещества во внешнюю среду, б - конформация для приема вещества из клетки; стрелками показано направление движения частиц.

RM относительно мало, и поэтому Eнас тоже невелико (~1 мВ). В некоторых нервных клетках моллюсков, где Rм велико (мегаомы), Енас достигает десятка милливольт.

Электрогенный эффект насоса может быть быстро устранен или блокадой мембранной Na, К-АТФазы с помощью сердечных гликозидов (оубаина и др.), или снижением температуры до 5 оС, или нарушением выработки АТФ (при действии динитрофенола и цианидов, гипоксии). Концентрационный потенциал при этом не исчезает, а снижается достаточно медленно по мере потери ионных градиентов на мембране. Реальный МПП складывается из Еконц и Енас.

В миелинизированных нервных волокнах у позвоночных МПП перехвата Ранвье составляет около -70 мВ. Его концентрационный компонент имеет в основном калиевую природу, как и в аксоне кальмара. Электрогенный эффект ионного насоса в нормальной среде здесь близок к нулю и только при повышенной концентрации K+ снаружи этот эффект усиливается настолько, что может достигнуть 3-4 мВ. Последнее происходит за счет усиления насосного тока.

Функция мембранного потенциала покоя. В самой мембране МПП проявляется как электрическое поле значительной напряженности (105 В/см). Это поле воздействует на макромолекулы мембраны и придает их заряженным группам определенную пространственную ориентацию.

Особенно важно то, что электрическое поле МПП обеспечивает закрытое состояние так называемых активационных ворот натриевых каналов и открытое состояние их инактивационных ворот (см. разд. 1.1.3). Этим обеспечивается состояние покоя и готовности к возбуждению.

Даже относительно небольшой сброс мембранного потенциала (частичная деполяризация) открывает активационные ворота этих каналов и выводит клетку из состояния покоя, дает начало возбуждению. При возбуждении используется электрическая энергия, накопленная в МПП.

1.1.3. Потенциалы и трансмембранные токи при возбуждении

Потенциал действия. Потенциал действия (ПД), или потенциал возбуждения нервных клеток (волокон), возникает в ответ на достаточное по силе раздражение. ПД - очень быстрый, кратковременный электрический процесс, поэтому для его регистрации необходим катодный осциллограф с широкополосным усилителем.

Классическое исследование параметров и механизма ПД проделано на гигантском аксоне кальмара с внутриклеточным раздражением и отведением внутриклеточного потенциала (рис. 1.16). В это нервное волокно (диаметром 0,5-1 мм) вводили на всю его длину два тончайших проволочных электрода. Один из них был раздражающим: через него в волокно подавали толчки тока того или иного направления, другой регистрировал электрический потенциал. При подаче короткого и слабого толчка выходящего тока (его направление определяют для положительных зарядов) внутриклеточный электрод регистрировал кратковременное падение МП, по форме и силе соответствующее толчку тока, но со сглаженными передний и задним фронтами, что определяется емкостью мембраны. Это так называемый электротонический потенциал (ЭП).

При подаче несколько более сильного толчка выходящего тока возникает эффект подпорогового раздражения: к электротоническому потенциалу присоединяется дополнительная деполяризация, называемая подпороговым, или локальным, ответом (ЛО).

Рис. 1.16 Основные электрофизиологические феномены в нервном волокне

Аэт - анаэлектротон, КУД - критический уровень деполяризации, Кэт - катэлектротон, ЛО - локальный (подпороговый активный) ответ, МПП - мембранный потенциал покоя, ПД - потенциал действия, СП (отр и пол) - следовые потенциалы отрицательный и положительный (временные соотношения пика ПД и СП не выдержаны; отрицательный СП и особенно положительный СП значительно длительнее).

Локальным он называется потому, что и в экспериментальных, и в естественных уровнях этот потенциал не распространяется далеко. При усилении стимула и достижении порога раздражения, т. е. критического уровня деполяризации (КУД), возникает потенциал действия (рис. 1.16). При толчке входящего тока любой величины образуется только электротонический потенциал.

В потенциале действия различают пик (спайк) и следовые потенциалы.

Пик ПД представляет собой кратковременную инверсию внутриклеточного потенциала. Он имеет очень быструю восходящую фазу и несколько более медленный спад. Общая длительность пика в данном объекте составляет около 3 мс; амплитуда пика 110 мВ, т. е. превышает МПП (70 мВ) на 40 мВ. Эту разницу называют овершутом (от англ. overshoot - перелет). Вслед за пиком ПД регистрируются значительно более слабые и длительные отрицательный и далее положительный следовой потенциалы.

Потенциал действия имеет стандартные амплитуду и временнаые параметры, не зависящие от силы. стимула, вызвавшего данный ПД (правило "все или ничего").

При раздражении гигантского аксона выходящим током через проволочный электрод, введенный на всю длину волокна, все точки этого нервного проводника раздражаются практически равномерно, так что в них одновременно возникает и развивается ПД. Такой ПД, по существу, не распространяется и называется мембранным. В естественных условиях ПД возникает локально, а затем распространяется (проводится) вдоль волокна. Это распространяющийся ПД. Мембранный ПД более удобен для анализа. (В миелинизированных волокнах мембранный ПД получают при работе на изолированном одиночном перехвате Ранвье.)

Потенциал действия - это электрический феномен, возникающий на плазматической мембране. Практически нормальный ПД возникает и в перфузируемом гигантском аксоне, лишенном аксоплазмы, при электрической стимуляции его мембраны.

Механизм потенциала действия. Причиной развития ПД является вызываемое критической деполяризацией мембраны открытие ее натриевых и калиевых каналов. Каналы, открываемые электрическим стимулом, называют потенциалозависимыми.

Открытие потенциалозависимых каналов приводит к пассивному движению соответствующих ионов по их электрохимическим градиентам.

Вход ионов Na+ в волокно обеспечивает восходящую фазу пика ПД, т. е. деполяризацию и инверсию потенциала на мембране, а несколько запаздывающий выход ионов K+ участвует в создании нисходящей фазы пика - реполяризации.

При развитии пика ПД отношение РK : РNа :PCI становится 1 : 20 : 0,45 (в покое оно составляет 1 : 0,04 : 0,45). Связь развития пика ПД с током Na+ доказывается прямой зависимостью амплитуды ПД от электрохимического градиента Na+ на мембране и достоверным переходом меченого 24Na из среды в волокно при его возбуждении, причем в количестве, пропорциональном числу ПД. Связь нисходящей фазы ПД с током К+ доказывается зависимостью хода этой фазы от электрохимического градиента К+ на мембране.

Подробный анализ изменений мембранной проницаемости для ионов Na+ и К+ основанный на измерениях токов этих ионов, стал возможным благодаря использованию методики фиксации (кламп) (от англ. clump - связка, комок) электрического потенциала мембраны. В обычных условиях мембранные токи (при данных концентрационных градиентах) зависят и от ионной проницаемости (РNа,K), и от мембранного потенциала (МП). Мембранные токи могут точно характеризовать изменения РNа, к только при постоянном МП.

Для фиксации мембранного потенциала мембрана гигантского волокна (или какой-либо иной клетки) с помощью внутриклеточного и наружного электродов соединяется со специальной электронной схемой (рис. 1.17). Основной частью этой схемы является дифференциальный усилитель, сравнивающий МП с задаваемым от постороннего источника потенциалом Е. Ток I на выходе усилителя определяется по направлению и значению разностью (Е - МП), подаваемой на вход усилителя. Этот ток протекает через мембрану и создает на ней дополнительный скачок потенциала, который уменьшает абсолютную величину разности (Е - МП). При большом коэффициенте усиления дифференциального усилителя и малой величине R в цепи, подводящей ток, компенсирующий скачок потенциала на мембране может быть весьма приближен по величине к (Е - МП), так что в итоге МП может стать приблизительно равным Е.

В этой ситуации при достаточном быстродействии системы (при ее постоянной времени ? < 20 мкс) любое, даже слабое случайное смещение МП немедленно компенсируется. Таким образом, МП фиксируется на величине Е и вместе с тем управляется путем изменения этой величины Е. Методика фиксации потенциала на мембране исключает любые смещения МП, в том числе потенциалы действия. Но она позволяет регистрировать и исследовать трансмембранные токи, возникающие при искусственном изменении МП. При фиксированной величине МП эти токи пропорциональны изменениям РNa и РK.

Если фиксированный МП равен потенциалу покоя, то трансмембранного тока практически нет. Если МП скачкообразно повышают, то возникает только направленный внутрь очень краткий ток дозарядки мембранной емкости и за ним постоянный ток утечки. Но если МП скачком снижают, то вслед за током разряда мембранной емкости на фоне тока утечки, направленного наружу, дополнительно возникает краткий, быстрый ток внутрь и за ним более длительный медленный ток наружу. Последние два тока - это ионные токи, текущие через натриевые и калиевые каналы, которые открываются с помощью деполяризации.

При устранении натриевого градиента на мембране путем замены части Nа+ на холин или доведения МП до величины Е = ЕNa картина преобразуется:

исчезает быстрый, направленный внутрь ток и выявляется в неосложненном виде медленный ток, направленный наружу. Того же можно добиться специфической блокадой натриевых каналов, применив тетродотоксин (ТТХ).

Таким образом, быстрый направленный внутрь ток - это натриевый ток. Картина его развития может быть получена путем геометрического

Рис. 1.17 Методика фиксации мембранного потенциала (МП) и регистрации трансмембранных токов (Iм)

Ус - усилитель, реагирующий выходным током на разность между задаваемым "извне" потенциалом Е и МП. В силу конструкции системы ток I этого усилителя, проходя через сопротивление мембраны (Rм) изменяет МП так, что достигается равенство между МП и Е. При достаточном коэффициенте усиления усилителя и быстродействии системы МП практически фиксируется на уровне Е. При снижении Е и вслед за ним МП до КУД или более в мембране нервного волокна (кальмара) открываются потенциалозависимые натриевые и калиевые каналы, что порождает трансмембранные токи, которые и регистрируются на фоне поддерживаемого сниженного МП.

вычитания медленного ионного тока из суммарного (см. рис. 1.17). Натриевый ток пропорционален натриевому электрохимическому градиенту и натриевой проницаемости (PNa). Медленный (задержанный) ионный ток - это калиевый ток. Его значение пропорционально калиевому электрохимическому градиенту и РК. Установлено, что этот ток устраняется блокадой калиевых каналов тетраэтиламмонием (ТЭА), прилагаемым снаружи.

Быстрый входящий INA и медленный выходящий IK возникают практически одновременно, но INa быстрее развивается, достигая своего "потолка". Если МП возвращается к величине, характерной для покоя, то INa исчезает примерно в 10 раз быстрее, чем IK т. е. в массе натриевые каналы мембраны и активируются (деполяризацией), и деактивируются (реполяризацией) быстрее, чем калиевые.

Активация, деактивация и инактивация ионных каналов. Активация каналов определяется открытием их активационных ворот (соответствующим изменением конформации неких макромолекул), а деактивация - закрытием этих же ворот.

Возвращаясь к картине развития INa и IK длительной деполяризации (см. рис. 1.17) в условиях клампа, необходимо обратить внимание на то, что INa уже через 5 мс исчезает, несмотря на деполяризованное состояние мембраны (IK при этом сохраняется).

Этот феномен называют инактивацией натриевых каналов. Его связывают с закрытием специальных инактивационных ворот в натриевых каналах. То, что здесь действительно существует специальный макромолекулярный механизм, доказано избирательным нарушением инактивации PNa под влиянием фермента проназы. Схема срабатывания активационных ворот натриевых каналов, а также их инактивационных ворот при разных МП приведена на рис. 1.18.

Инактивация натриевых каналов, т. е. закрытие их инактивационных ворот, развивается вследствие деполяризации, как и активация, но позже, что

Рис. 1.18 Работа ворот потенциалозависимых натриевых каналов мембраны

А - зависимость процента открытых h- и т- ворот от мембранного потенциала (МП); Б - положение т- и h-ворот при покое (J), развитии пика ПД (II) и рефрактерности (III): т - активационные ворота, h - инактивациониые ворота, ? - потенциал, при котором открыты м-ворота у 50% каналов.

и делает возможным развитие INa (a значит, и ПД в естественных условиях). Инактивация РNa - очень важный механизм, который способствует прекращению пика ПД, развитию временной невозбудимости - рефрактерности. Инактивация Na-каналов устраняется после реполяризации мембраны.

Ионные токи при развитии потенциала действия. Ионные токи формируют фазы пика ПД. Эти токи в общем сходны с токами, получаемыми при критической деполяризации в методике клампа, но развиваются и прекращаются они гораздо быстрее.

В процессе развития ПД действуют многие факторы, связанные прямыми и обратными связями. Например, на восходящей фазе ПД действует система факторов с положительной обратной связью (отмечена знаком "+").

Здесь деполяризация увеличивает РNа, а последняя порождает INa, усиливающий деполяризацию (пока и поскольку INa больше IK + Iy). В силу этих отношений INa и восходящая фаза ПД развиваются с ускорением, а амплитуда ПД быстро достигает некоторого максимума, более или менее приближенного к ЕNa.

На спаде ПД при реполяризации для INa действует та же система факторов, но с обратными знаками эффектов, а для калиевого тока - система факторов с отрицательной обратной связью (отмечена знаком "-"). В итоге спад IK несколько затягивается.

Если скрупулезно учесть все эти факторы и их взаимодействие, то можно из значения токов, получаемых при фиксации мембранного потенциала на разных уровнях, рассчитать форму нормального ПД. Показано совпадение расчетных параметров ПД и показателей ПД, регистрируемых в опыте.

Взаимодействие некоторых из этих факторов можно наглядно представить эквивалентной схемой (см. рис. 1.8, В).

Отрицательный следовой потенциал связан с остаточным INa и с накоплением К+ в межклеточных щелях; положительный следовой потенциал - с остаточным IK но главным образом с электрогенной работой натрий-калиевого насоса мембраны, активизируемого накоплением Na+ под мембраной (из-за INa ПД), а К+ - в межклеточных щелях. В некоторых нервных клетках сразу вслед за пиком развивается довольно значительный краткий положительный следовой потенциал. Его называют андершут (от англ. undershoot - недолет), он создается остаточным IK.

Расход ионов на пик одного проводящегося ПД в гигантском аксоне кальмара очень мал. Например, расход внутриаксонального К+ при этом приблизительно равен одной миллионной доле внутреннего калиевого запаса.

Пик ПД - весьма экономичный сигнал, практически не нарушающий ионных градиентов на мембране, энергией которых он питается.

Ионные градиенты на мембране - это "пружина", энергии которой может хватить на 5-105 ПД без подзарядки. Но для длительной работы волокна ионные градиенты нужно восстанавливать, что и обеспечивает работа натрий-калиевого насоса мембраны.

Рассмотрим подпороговый локальный ответ (ЛО) в нервном волокне. Этот ответ обладает в основном тем же механизмом, что и ПД. Его восходящая фаза определяется входящим INa, а нисходящая - выходящим IK. Однако амплитуда ЛО (и его натриевый ток) пропорциональна силе подпорогового раздражения, а не стандартна, как у ПД, т. е. не подчиняется правилу "все или ничего".

Особенности потенциалов действия в соме нейрона. Необходимо остановиться на некоторых особенностях потенциалов действия в телах нейронов, подробно исследованных у моллюсков. Тела гигантских нейронов брюхоногих моллюсков - крупные образования, не имеющие на себе синапсов (синапсы у них находятся на так называемом центральном отростке). Большие размеры и однородность поверхности этих нейронов позволяют подробно исследовать электрические явления на их мембране. На препарате соматической мембраны при электрическом раздражении могут быть получены полноценные ПД. Удалось осуществить фиксацию потенциала такой мембраны, изучить трансмембранные токи при ее активации.

Мембранный потенциал покоя сомы невелик (-40, -50 мВ); потенциал действия имеет овершут и достигает 100 мВ и более, по форме он схож и аксонным. Однако ионные механизмы ПД мембраны сомы нейрона моллюска имеют существенные отличия от известных механизмов для нервных волокон. Главное отличие состоит в том, что ПД здесь генерируется не только за счет входящего INa (как в аксоне), но и за счет входящего ICa.

В соматической мембране нейронов находятся специальные кальциевые каналы, открываемые деполяризацией.

Ток ионов Са2+ через них осуществляется по электрохимическому градиенту. Эти каналы не блокируются ТТХ, но инактивируются кобальтом, верапамилом и препаратом D-600.

Кальциевый ток развивается медленнее натриевого и гораздо медленнее инактивируется (много секунд!). Значение этого тока даже при сохранении высокого концентрационного градиента Са2+ чрезвычайно зависит от внутренней концентрации Са2+. Этот ток полностью подавляется (инактивируется), если (Са2+)вн =5,8 •10-8 моль/л. При (Са2+)вн = 5,8 • 10-9 моль/л открываемая деполяризацией кальциевая проводимость максимальна. При обычных для среды значениях (Са2+)нар в этих условиях ЕCa приблизительно равен +130 или даже + 200 мВ.

Особенности ионных каналов соматической мембраны, вероятно, имеют значение не только для электрогенеза. Можно думать, что они существенны и для обеспечения интенсивно протекающих в соме метаболических реакций, чувствительных к (Са2+)вн.

Шумы ионных каналов. Каждый из ионных каналов мембраны, обладающих воротными механизмами, даже при постоянстве МП и химического состава среды не находится постоянно в однотипном положении: он то открывается, то закрывается. Эти переходы от закрытого состояния к открытому и обратно осуществляются по закону случая.

Хаотическое открытие и закрытие каналов, порождающее перемещение ионов, создает электрический шум. Для потенциалозависимых каналов соответствующее электрическое поле является фактором, резко увеличивающим вероятность их открытого состояния, что и создает эффект увеличения ионной проницаемости.

При исследовании динамики каналов определенного вида изучают электрический шум, создаваемый этими каналами в некотором небольшом участке мембраны в условиях фиксации МП и химической блокады прочих каналов. Например, в мембране гигантского аксона кальмара таким способом изучили шумы раздельно натриевых и калиевых каналов. Анализ этих шумов позволил рассчитать плотность расположения каналов в мембране и проводимость одиночного канала. Так, в гигантском аксоне кальмара плотность натриевых каналов оказалась равной 300 на 1 мкм2, средняя электрическая проводимость-

Рис. 1.19 Методика фиксации

потенциала в малом "лоскуте" мембраны (пэч-кламп) (от англ. patch - лоскут, клочок) Исследуемый участок мембраны ограничен краями кончика прилипшей к мембране микропипетки (микроэлектрода). Клетка(обозначена пунктиром) при этом может быть удалена (А). Если в исследуемом участке мембраны на короткое время открывается один натриевый канал, то его ток имеет относительно простую прямоугольную форму (Б).

4 пСм (пСм (р8) - пикосименс; сименс - величина, обратная ому). В перехвате Ранвье амфибий плотность натриевых каналов 2000 на 1 мкм2, а средняя проводимость канала равна 8 пСм.

При фиксации потенциала в изолированном очень малом участке мембраны удается регистрировать и токи одного канала (рис. 1.19). Так были обнаружены, например, токи одиночного натриевого канала и токи одиночного кальциевого канала. Эти токи имеют прямоугольную форму. Типичная плавная форма ПД является результатом неодновременного открытия и закрытия массы каналов.

1.1.4. Электрическое раздражение и распространение возбуждения

Электрическое раздражение нервной клетки - это такое действие на нее электрического тока, которое вызывает ответ в форме потенциала действия.

В основе электрического раздражения, по современным представлениям, лежит срабатывание, т. е. открытие потенциалозависимых активационных (т) ворот натриевых каналов. Эти ворота, вероятно, формируются макромолекулярной структурой, имеющей полярные группы и поэтому изменяющей свою конформацию под влиянием электрического поля. Наличие таких поляризованных "воротных" молекул в мембране доказано регистрацией воротных токов. Они очень слабы и кратки, но точно связаны с условиями и моментами раздражения.

В натриевом канале существуют и инактивационные (h) ворота. Из схемы положений т- и h-ворот при разных фиксированных МП (см. рис. 1.18) следует, что m-ворота закрыты при нормальном МП и гиперполяризации, но открываются при деполяризации; h-ворота открыты при нормальном потенциале мембраны и гиперполяризации, но закрываются при деполяризации. Выше было указано, что если бы в Na-каналах при деполяризации т- и h-ворота срабатывали одновременно, то Na-каналы не могли бы открыться.

Так как скорость срабатывания m-ворот выше, активация обгоняет инактивацию, что приводит к кратковременному открытию натриевых каналов, т. е. к возбуждению, к развитию натриевого тока, а в естественных условиях и ПД (или ЛО).

Причины существования критического уровня деполяризации. В условиях клампа процент каналов с открытыми m-воротами плавно растет с деполяризацией. Как же при этом объясняют наличие резко обозначенного КУД и порога для ПД? Рассмотрим некоторые подробности протекания ионных токов при развитии электротонических потенциалов, ЛО и ПД и прежде всего токов, текущих через мембрану нервного волокна в клампе при разных уровнях МП (рис. 1.20).

На уровне мембранного потенциала покоя трансмембранных токов нет. При гиперполяризации возникает пассивный ток утечки, направленный внутрь. При слабых деполяризациях регистрируется ток утечки, идущий наружу. Если МП фиксировать на более низких уровнях (усилить деполяризацию), то к току утечки добавляются INa, направленный внутрь, и IK, идущий наружу. Возникает алгебраическое сложение токов, в котором INа < IK + Iу При еще более сильной деполяризации INa > IK + Iу Суммарный трансмембранный ионный ток здесь имеет входящее направление.

Важно обратить внимание на точку на оси потенциалов, где INа = IK + Iу. Что же происходит в нервном волокне при указанных сдвигах МП в естественных условиях?

В области гиперполяризации и очень слабой деполяризации, где действуют только токи утечки, развиваются неосложненные электротонические потенциалы, пропорциональные стимулам. В области слабой деполяризации, где INa < IK + Iу, к катэлектротоническому (деполяризационному) потенциалу добавляется ЛО (см. рис. 1.16). Это связано с тем, что током Na+ частично компенсируется утечка деполяризующего тока "мимо" мембранной емкости. Локальный ответ тем больше, чем сильнее деполяризующий толчок, так как тем больше в нем доля INa. Амплитуда ЛО варьирует от 0 до 20 мВ, суммарный ток при этом имеет выходящее направление и не поддерживает, а ослабляет деполяризацию. Здесь нет саморазвития процесса деполяризации.

При больших деполяризациях, когда INa > IK + Iу суммарный трансмембранный ток имеет входящее направление; он усиливает деполяризацию. При этом в силу уже рассмотренной положительной обратной связи INa быстро растет, доводя МП до значения, более или менее близкого к ЕNa. Tак развивается ПД. Стандартность, максимальность амплитуды ПД и ее независимость от силы стимула определяются рассмотренными обстоятельствами.

Величина МП, при которой INa = IK + Iу, соответствует КУД, а если считать от исходного значения МП, то порогу раздражения. Для коротких стимулов в этой пограничной точке равновероятно, что процесс изменения МП пойдет на убыль (ЛО) или произойдет лавинообразное развитие деполяризации и инверсия знака потенциала мембраны (ПД). Так возникает резкая граница между подпороговыми и сверхпороговыми деполяризациями.

Рис. 1.20 Соотношение значения различных трансмембранных токов при кратких деполяризациях в методике фиксации потенциала

Общий ток имеет значение, равное разности входящего натриевого тока и выходящих токов (калиевого и утечки). Критический уровень деполяризации (КУД) разделяет области преобладания выходящих токов (подпороговую) и входящего тока (сверхпороговую).

Величина КУД зависит от чувствительности m-ворот натриевых каналов к деполяризации (?-потенциал на рис. 1.18, А). Последняя тем больше, чем меньше концентрация Са2+ в среде, и наоборот. Это объясняется влиянием Са2+ на состояние поверхности мембраны. Но КУД зависит также и от концентрации натрия в среде [Na+]нар и от процента исходно инактивированных Na-каналов. Чем больше этот процент, тем меньше INa, a значит, тем большая нужна поляризация (КУД) для развития ПД. Наружный Са2+ препятствует инактивации натриевых каналов. Таким образом, влияние Са2+ на КУД сложно. Так как IK и Iy ослабляют действие INa, то для величины КУД имеет значение также состояние специфических калиевых каналов и каналов тока утечки.

Рис. 1.21 Значение направления электрического тока, его силы и крутизны для раздражения (т. е. вызова ПД)

А - эффективное направление электрического тока при внутриклеточном (а) в внеклеточном (б) раздражениях; Б - порог раздражения, КУД и их изменение при медленном нарастании силы тока.

Законы электрического раздражения нервных и мышечных элементов.

Полярный закон: раздражение обеспечивается только деполяризующим внешним током, т. е. внешним током выходящего направления.

Именно такой ток деполяризует мембрану - снижает мембранный потенциал (рис. 1.21). В случае приложения к объекту двух внешних раздражающих электродов полярный закон гласит: при включении тока раздражение возникает в области катода (здесь ток имеет выходящее направление). Для внутриклеточного раздражения при включении тока необходимо, чтобы внутриклеточный электрод имел положительный знак.

Для получения ответа в форме ПД необходимо, чтобы сила раздражающего тока имела пороговое или сверхпороговое значение, т. е. чтобы МП падал до КУД или еще более. Смысл этого "закона порога" уже разъяснен выше; Необходимо лишь отметить, что пороговая деполяризация мембраны (Uпор) равна МП - КУД, а пороговая сила тока (Iпор) составляет Uпор/Rвх, где Rвх - входное сопротивление объекта для электрического тока. И если, к примеру, в некотором объекте МП = -70 мВ, КУД = -50 мВ, a Rвх = 20 МОм, то Uпор = 20 мВ, а Iпор= 20 мВ/20 МОм = 1 • 10-9 А.

В условиях, когда дёполяризующий ток дается не прямоугольным толчком, а усиливается от нуля постепенно, ПД может вообще не возникнуть, если при этом КУД (порог) смещается в позитивную сторону и изменяющийся в том же направлении МП его не "догоняет". Отсюда вытекает закон крутизны раздражения, констатирующий, что для раздражения дёполяризующий ток должен нарастать достаточно круто.

Позитивное смещение КУД при длительной деполяризации называют аккомодацией. Аккомодация объясняется частичной инактивацией натриевых каналов и активацией калиевых. Аккомодационную способность измеряют величиной критического наклона, или критического градиента, линейно нарастающего стимула (т. е. деполяризации).

Не все нервные (и мышечные) элементы обладают одинаковой способностью к аккомодации. Чувствительные нервные (и некоторые мышечные) волокна имеют низкую аккомодационную способность. В ответ на очень медленно нарастающий и даже на постоянный ток выходящего направления они отвечают постоянно ритмическими повторными ПД. Каждый такой ПД возникает лишь после исчезновения рефрактерности от предыдущего ПД (о понятии рефрактерности см. ниже).

Относительно высокая аккомодационная способность моторных нервных волокон определяется главным образом мощной медленной активацией части их калиевых каналов, порождаемой длительной деполяризацией мембраны.

Рис. 1.22 Значение длительности толчка тока (стимула) для его раздражающего действия

А - рост порога при укорочении прямоугольного деполяризующего толчка; Б - кривая зависимости порогового значения I от его длительности (t) и ее параметры: 1.2.3 - толчки тока (стимулы) и вызываемые ими катэлектротонические потенциалы.

Если РК заранее блокируют ТЭА, то аккомодационная способность моторных волокон ослабляется и приближается к таковой у чувствительных волокон.

Пороговая сила деполяризующего тока (но не КУД!) в известной мере зависит от длительности действия раздражающего тока. Эта зависимость выражается кривой силы-длительности порогового раздражения (рис. 1.22).

Кривая силы-длительности демонстрирует, что толчки тока длительнее так называемого полезного времени имеют одинаковую пороговую силу вне зависимости от их длительности; эту силу называют реобазой. Более краткие толчки тока имеют тем более высокий порог, чем они короче (закон гиперболы).

Основная причина последней зависимости заключается в действии мембранной емкости. Очень краткие токи просто не успевают разрядить эту емкость до КУД. Поэтому такие токи необходимо усиливать настолько, чтобы коротким толчком было унесено пороговое количество зарядов (Qnop). Однако Qnop = Iпорt, откуда и возникает гиперболическая зависимость между пороговыми I и t (закон гиперболы).

Приведенное объяснение кривой силы-длительности изложено несколько упрощенно, так как здесь не учитывается ЛО, добавляющийся к деполяризующему толчку в пороговой точке. Помимо реобазы важным параметром кривой силы-длительности является хронаксия - минимальная длительность раздражающего тока в две реобазы. У разных объектов хронаксии различны. Это связано главным образом с различиями входной емкости, точнее величины т, которая равна Rвх Свх.

Рассмотрим действие длительного подпорогового толчка деполяризующего тока (рис. 1.23). Такой ток в процессе действия вызывает физический катэлектротон, т. е. постоянно поддерживающееся сниженное значение МП. Применяя на этом фоне дополнительные краткие деполяризации, можно измерить

Рис 1.23 Изменение мембранного потенциала и критического уровня деполяризации при действии длительных токов разного направления

А - при деполяризации; Б - при гиперполяризации: АрР - анодоразмыкательное раздражение при сниженном пороге, КД - катодная депрессия (рост порога), ФАэт - физиологический анэлектротон (порог повышен), ФКэт - состояние физиологического катэлектротона (порог снижен); стрелками указаны текущие величины порога раздражения.

порог при катэлектроне (Iпор). Впервые моменты он снижен, так как снижен МП при неизменном КУД. Это снижение порога называют физиологическим катэлектротоном. Но при длительном катэлектротоне порог растет из-за сильного смещения КУД в позитивную сторону. Это катодная депрессия, связанная с инактивацией Na-каналов.

При действии гиперполяризующего тока порог для деполяризующих толчков сначала повышен, так как повышен МП при неизменном КУД. Этот рост порога называют физиологическим анэлектротоном. Затем порог падает из-за смещения КУД в негативную сторону. Последний эффект связан с устранением стационарной инактивации части Na-каналов.

Если гиперполяризующий ток достаточно силен и длителен, то его выключение может иногда сопровождаться развитием ПД или даже серии ПД (анодоразмыкателъное раздражение). При этом, однако, нет нарушения полярного закона, так как при выключении гиперполяризующего тока МП падает до исходного уровня, а КУД оказывается смещенным к нему. И если МП падает до КУД, то, естественно, наступает раздражение.

Изменение электровозбудимости при возбуждении. Электровозбудимость обратно пропорциональна порогу электрического раздражения; ее обычно измеряют на фоне покоя. При возбуждении эта величина изменяется. Изменение электровозбудимости в ходе развития пика ПД и после его завершения включает последовательно несколько фаз.

1. Абсолютная рефрактерностъ, т. е. полная невозбудимость, определяемая сначала полной занятостью "натриевого" механизма, а затем инактивацией натриевых каналов (это примерно соответствует пику ПД).

2. Относительная рефрактерностъ, т. е. сниженная возбудимость, связанная с частичной натриевой инактивацией и развитием калиевой активации. При этом порог повышен, а ответ (ПД) снижен.

3. Экзальтация (повышенная возбудимость, супернормальность, появляющаяся от следовой деполяризации).

4. Субнормальность (пониженная возбудимость), возникающая от следовой гиперполяризации. Амплитуды ПД на фазе следовой негативности несколько снижены, а на фоне следовой позитивности - несколько повышены.

Наличие рефракторных фаз обусловливает прерывистый (дискретный) характер нервной сигнализации, а ионный механизм ПД обеспечивает стандартность ПД (нервных импульсов). В этой ситуации изменения внешних сигналов кодируются лишь изменениями частоты ПД (частотный код) или изменением количества ПД.

Фазы измененной возбудимости, сопровождающие развитие ПД, определяют возможности ритмической активности нервной клетки (волокна).

Максимально возможный ритм активности, лимитированный длительностью абсолютной рефракторной фазы (АРФ), часто обозначают как показатель лабильности (Л) - функциональной подвижности (Н. Е. Введенский). У нервных волокон показатель Л достигает 400 в 1 с.

Распространение физического электротона. Физический электротон - это измененная величина МП, создаваемая пропусканием через данный участок мембраны электрического тока от внешнего (для данного участка мембраны) источника.

Различают катэлектротон (Кэт), создаваемый выходящим током, и анэлектротон (Аэт), создаваемый входящим током. Приставки кат- и ан- указывают на то, что такие токи и состояния возникают в области приложения к волокну катода и анода.

Рис. 1.24 Распространение физического электротона по мембране гигантского нервного волокна

А - распределенный выход тока от внутриклеточного источника; Б - эквивалентная электрическая схема для правой части волокна в районе выхода тока; В - затухание злектротонических изменений МПП вдоль волокна (l) в моменты включения (t1), протекания (t2) и выключения (t3) тока; /, II - процессы возникновения и исчезновения электротона;

Г - развитие электротонического эффекта прямоугольного стимула (Ст) во времени для точек l0 и l1.

Физический электротон - "пассивное" явление, определяемое внешним током и физическими свойствами покоящейся мембраны. При действии анода, т. е. входящего тока, происходит дозарядка мембранной емкости до некоторого более высокого потенциала. При действии катода, т. е. выходящего тока, происходит разрядка мембранной емкости. Аналогично источнику выходящего тока действуют перерезка или прокол мембраны, закорачивающие заряженную (МПП) мембрану саму на себя. Во всех этих случаях электротон (Эт) развивается по определенным единым законам. Ниже описан простейший случай действия точечного источника входящего тока в гигантском аксоне кальмара.

Рассмотрим сначала Аэт в области приложения электрода. В момент включения и выключения прямоугольного толчка входящего тока (эта форма тока является простейшей и вместе с тем свойственной реальным элементарным генераторам тока - одиночным каналам) Аэт не вполне точно повторяет форму этого толчка. Передний и задний фронты Аэт оказываются сглаженными. Это определяется наличием мембранной емкости (См). Постоянная времени разрядки этой емкости (? = RмCм) составляет около 1 мс. Ясно, что при этом толчки с t < ? дают существенно сниженный Эт. Величина физического электротона (Аэт и Кэт) при прочих равных условиях пропорциональна силе тока (I) и величине сопротивления мембраны (Rм), точнее величине входного сопротивления объекта (Rвх), включающего Rм и RI (сопротивление аксоплазмы).

В шарообразной клетке Rвх ? Rм/S, где Rм - удельное сопротивление мембраны, S - площадь мембраны (сопротивлением аксоплазмы RI можно пренебречь). В нервном волокне, о котором идет речь здесь и далее, ток, подаваемый от точечного источника (рис. 1.24), проходит через всю мембрану, но имеет разную плотность вблизи и вдали от электрода. В этом случае, в отличие от шарообразной клетки, Rвх определяется довольно сложной формулой:

где Rм и RI - удельные сопротивления мембраны и аксоплазмы. Из этой формулы следует, что Rвх сильно зависит от d - диаметра волокна, а именно: Rвх ? 1/vd3.

Действительно, при одной и той же силе тока электротонические изменения на мембране тем больше, чем тоньше данное нервное (или мышечное) волокно. Этим обстоятельством, к примеру, объясняют тот факт, что во многих случаях химические сигналы (медиаторы) специализированных рецепторных клеток (например, в сетчатке, спиральном (кортиевом) органе, в электрорецепторах) воспринимаются тонкими чувствительными нервными окончаниями (снабженными соответствующими хеморецепторами), так как только в тонких волокнах слабый ток хеморецепторного участка способен создать значительный катэлектротон, необходимый для генерации ПД (нервного импульса).

Электротон, возникший в связи с действием точечного источника, распространяется вдоль нервного волокна. Это определяется кабельными свойствами нервного проводника: Дм велико, а относительно низко (аналогия с изолированным проводом). Если источник тока действует достаточно долго, то вдоль волокна (в обоих направлениях от электрода) устанавливается определенный градиент электротона (около анода- градиент гиперполяризации, около катода - деполяризации). Величина электротона (U) экспоненциально убывает с расстоянием (х) при удалении от источника:

U = U0e-x/?,

где UQ - электротон в точке приложения электрода; ? (ламбда) - постоянная длины, на которой электротон снижается в е раз (т. е. до 37% Uo). Согласно этой формуле, при х = ? U = 37% U0; при х = 4?U = 2% U0. Постоянная длины зависит от Rм, RI и диаметра волокна (d).

Таким образом, ? тем больше, чем больше Rм и d. Следовательно, в толстых волокнах Эт при прочих равных условиях распространяется дальше, чем в тонких.

Специального внимания заслуживают моменты становления и исчезновения градиентов Эт в нервном волокне. Здесь особую роль играет мембранная емкость (См). В момент включения источника входящего тока См берет его ток на себя, шунтируя таким образом Rм в данной точке. При этом См заряжается через RI (рис. 1.24) (в случае катэлектротона - разряжается через RI). Так как величина RI тем больше, чем дальше соответствующий участок мембраны, зарядка (или разрядка) См разноудаленных участков мембраны происходит с разной скоростью. Быстрее прочих заряжается (разряжается) мембрана, ближайшая к источнику, медленнее всех - наиболее удаленная часть мембраны.

Таким образом, электротон распространяется от точки исходного изменения МП (подэлектродного участка) в соседние области, но это распространение идет с затуханием (декрементом).

При прочих равных условиях скорость распространения Эт пропорциональна величине ?м и обратно пропорциональна величине См. При выключении источника тока Эт исчезает в силу разрядки См через Лм в каждой точке волокна (в случае катэлектротона - в силу дозарядки). Но ближний и дальний Эт исчезают не одинаково быстро. Более медленному спаду дальнего Эт способствует выравнивающий ток, текущий между ближним и дальним участками мембраны.

Распространение Эт - важный механизм клеточной сигнализации. С помощью распространения Эт (главным образом Кэт) осуществляется функциональная связь между различными участками мембраны в клетках, не генерирующих ПД (глия, эпителий, так называемые тонические мышечные волокна). Электротонические сигналы используются в телах нейронов и в дендритах таких мультиполярных нейронов позвоночных, как ?-мотонейроны, клетки Пуркинье мозжечка, гигантские пирамидные клетки коры и крупные нейроны ретикулярной формации ствола мозга. Во всяком случае, показано, что электрические сигналы подпороговой силы, генерируемые в дендритах, регистрируются в соме в виде слабых колебаний ее потенциала.

В конце XVIII в. в результате плодотворной научной дискуссии между знаменитыми итальянскими учеными Л. Гальвани и А. Вольта была доказана электрическая природа МПП в скелетных мышцах лягушки. После этого многие специалисты предполагали, что и нервное возбуждение передается по нервам, как по проводам. Однако известный немецкий естествоиспытатель Г. Гельмгольц, измерив скорость распространения импульса возбуждения по нерву, определил, что она составляет примерно 10 м в секунду, т. е. неизмеримо меньше скорости движения электрического сигнала по обычным проводникам. Как известно, последняя близка к скорости света.

Понять природу электрических явлений в нервных волокнах помог опыт французского ученого А. Лилли. Он в буквальном смысле сделал "железный нерв", погрузив очищенную проволоку в концентрированную азотную кислоту. При этом в результате окисления на поверхности металла образовалась защитная пленка. Экспериментатор сделал царапину, тем самым повредил пленку окисла и увидел, что это повреждение распространяется по поверхности проволоки. Как оказалось, от поврежденного участка к окружающим его областям течет электрический ток, создаваемый химической реакцией между железом и кислотой. Атомы железа распадаются на ионы и свободные электроны. Первые тут же переходят в раствор кислоты, а вторые выходят через неповрежденную пленку в соседних участках. Электрохимические реакции наиболее интенсивны около повреждённых участков, где и поток электронов имеет наибольшую плотность. При этом защитная пленка разрушается, и это "повреждение" смещается на новое место. Процесс разрушения пленки происходит с запаздыванием из-за ее емкости, вызывающей замедленный рост напряжения. После этого обнаженные области проволоки вновь покрываются защитной пленкой, которая не разрушается, т. к. электрохимическая реакция успела уйти по проволоке уже далеко.

Примерно так же, как в модели А. Лилли, распространение электрохимической реакции вызывается током, в свою очередь запускаемым этой реакцией, проводится и волна возбуждения по нервным волокнам. Проведение ПД - это вроде эстафеты, в которой каждый участок вдоль волокна выступает сначала как раздражаемый, а затем как раздражающий последующий участок. Механизм распространения ПД включает в себя два компонента: раздражающее действие катэлектротонического сигнала на соседний участок электровозбудимой мембраны и возникновение ПД в этом соседнем раздражаемом участке мембраны. В отличие от распространения электротона проведение возбуждения происходит без снижения амплитуды ПД и без снижения скорости, т. е. бездекрементно. Проводится информационный сигнал значительно медленнее, чем в той же железной проволоке. Это и понятно. С точки зрения любого электротехника, нервное волокно - никудышный проводник: сопротивление и емкость его протоплазмы чрезмерно велики. Сопротивление такого проводника длиной

Рис. 1.25 Зависимость дальности (I) раздражающего действия электротонической петли

(и, соответственно, скорости распространения ПД) от величины ? (А) и амплитуды ПД (Б) Апд1 и апд2 - разные амплитуды потенциала действия; l1 ,I2 - разные дальности действия; ?1 и ?2 - различные величины ?.

1 м и толщиной 1 мкм выражается огромной цифрой - 10 Ом. Подобное сопротивление имел бы кабель длиной 10 км.

Проведение возбуждения в нервных волокнах зависит от амплитуды ПД (величины электротонического сигнала, порождаемого ПД) и от пороговой деполяризации, точнее - от соотношения этих двух величин, называемого гарантийным фактором (ГФ). Обычно ГФ достаточно высок (т. е. ПД в 5-7 раз превышает порог для его возникновения). Если ГФ = 1, то проведение ненадежно, если ГФ < 1, то проведения нет. Ясно, что чем выше ГФ, тем эффективнее раздражение соседнего участка.

Скорость распространения ПД в тонких немиелинизированных (т. е. не имеющих миелинизированной оболочки) нервных волокнах, как и скорость распространения электротона, пропорциональна толщине волокна; она тем больше, чем толще волокно. Это и понятно: при большом диаметре волокна снижается сопротивление электрическому току вдоль оси волокна (рис. 1.25).

Природа опробовала такой способ передачи, создав гигантский (толщиной 0,5-1 мм) аксон кальмара, скорость нервного импульса в котором 20-30 м/с, а время пробега вдоль всего аксона - меньше сотой доли секунды. Однако такая значительная скорость достигнута "дорогой ценой". У позвоночных животных такая же скорость достигается в волокнах толщиной всего 5 мкм.

Пониманию электрохимической природы передачи возбуждения по нервам способствовали также опыты английского физиолога А. Ходжкина. Нервное волокно он располагал на изолированные металлические пластинки. Эта манипуляция скорости проведения не меняла. Однако замыкание пластинок, приводившее к уменьшению внешнего сопротивления, вызывало ускорение проведения нервного импульса. Эффект наблюдался и в случае перерезки нервного волокна на соединенных пластинках. Казалось бы, чем это не протез нерва? Однако в отсутствие трофических влияний сомы, передаваемых с помощью аксоплазматического транспорта, периферическая культя нерва дегенерирует.

Японский физиолог И. Тасаки последовательно перерезаал волокна в нерве лягушки и обнажал на небольшом участке одиночное волокно. Препарат помещался в питательный раствор на сдвинутые стеклянные пластинки. При раздвижении стекол волокно повисало в воздухе. Помещенное в этот воздушный мостик-изолятор, нервное волокно проводило возбуждение до тех пор, пока не высыхало. Если же высушить не все волокно, а только его маленькую часть, покрытую миелиновой оболочкой, то проводимость нерва легко восстановить, соединив любым проводником электрического тока два соседних перехвата Ранвье. В том же случае, когда высыхал сам перехват Ранвье, передача нервного импульса прекращалась.

Итак, этими экспериментами было убедительно показано, что участок между перехватами Ранвье - это электрический кабель. Очень тонкий, с чрезвычайно высоким продольным сопротивлением кабель, протоплазма которого тоже имеет высокое удельное сопротивление. Вот почему при проведении ПД по волокну петли тока замыкаются через внешнюю проводящую среду (рис. 1.26, 1.27).

Проведение возбуждения в миелинизированных нервных волокнах, характерных для "скоростных линий" нервной связи у позвоночных животных, осуществляется тем же способом, что и в немиелинизированных. Однако здесь существуют некоторые важные особенности. Миелиновая жировая оболочка, спирально навернутая на нервный проводник, напоминает обмотку электрических кабелей. Миелиновые муфты, каждая из которых формируется одной шванновской клеткой, являются хорошими электроизоляторами: у миелина R = 0,16 МОм • см, С = 0,005 мкФ/см.

Поэтому в миелинизированном волокне, в отличие от немиелинизированного, проводят электрические токи и генерируют в ответ на них ПД, по существу, только узкие (l = 1 мкм) оголенные участки, расположенные между муфтами, - перехваты Ранвье. Распространение ПД здесь осуществляется скачкообразно - сальтаторно - от перехвата к перехвату. Здесь находится и генератор, и усилитель (ретранслятор) электрического импульса. Генератор возбуждается только в том случае, когда ток течет не только вдоль, но и поперек волокна, т. е. выходит через поверхность волокна изнутри наружу. Этот ток возбуждает генератор нервного импульса всякий раз, когда он меняет разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностями мембраны на определенную величину (примерно 20 мВ).

Миелиновые сегменты гораздо протяженнее перехватов (l = 1000-2000 мкм против 1 мкм), поэтому такая форма функционирования проводника экономична в смысле расхода ионов, нагрузки на ионный насос и обеспечивает существенно большие скорости проведения возбуждения (рис. 1.26). В миелинизированных волокнах v = Kd, где К - коэффициент пропорциональности (для амфибий К = 2, для млекопитающих К = 6). Таким образом, в волокнах с d = 20 мкм скорость v у млекопитающих равна примерно 120 м/с (мм/мс).

Протяженность возбужденного участка (L) нервного волокна при развитии пика одиночного ПД определяется следующим образом: L = tv. В самом деле, если ПД возник в некоторой точке и распространяется вдоль по волокну, то к моменту, когда в начальной точке этот ПД завершится, он проделает путь L = tпд (в начальной точке) Удд (рис. 1.26). В гигантском аксоне кальмара L = 1 мс • 25 мм/мс = 25 мм. В миелинизированных волокнах L = 0,4 мс • 120 мм/мс = 48 мм. В тонких немиелинизированных волокнах при tпд = 1 мс и vпд = 1 мм/мс протяженность возбужденного участка L = 1 мс • 1 мм/мс = 1 мм.

Проведение ПД в участках резкого изменения свойств нервного проводника, таких как область перехода миелинизированного нервного волокна в оголенное и разветвленное окончание, имеет свои особенности. Площадь мембраны нервного окончания обычно значительно (на два порядка) больше площади перехвата Ранвье. При таком соотношении площадей проведение ПД из перехвата в окончание (например, моторное) несколько замедлено и имеет сниженный ГФ. Это объясняется падением плотности локального раздражающего тока в окончании.

Рис. 1.26 Распространение ПД в немиелинизированном (А) и миелинизированном (Б) волокнах и схема формирования пространственной "волны возбуждения". бегущей вдоль нервного волокна (В)

Протяженность возбужденного участка (L) равна скорости (v) распространения пика ПД, умноженной на его длительность tпд.

Проведение из окончания (например, сенсорного) в перехват ускорено и облегчено из-за концентрации тока ПД окончания в перехвате, хотя амплитуды ПД в перехвате и в терминали могут быть одинаковыми. Аналогичная ситуация наблюдается в участках разветвления магистральных нервных волокон (а также проводящих ПД дендритов); так как рабочая площадь мембраны в неразветвленной части меньше, чем в разветвленной, то проведение ПД из первой во вторую происходит с некоторым замедлением и при снижении ГФ. Наоборот, синхронные ПД ветвей взаимно облегчают себе вход в неразветвленную часть проводника.

Наконец, сходные явления имеют место в участках резкого изменения диаметра проводника, например в районе перехода тела нейрона в начальный сегмент аксона или дендрит. Здесь взаимодействующие соседние участки мембраны также имеют существенно разную по величине рабочую площадь. И это обстоятельство при прочих равных условиях способствует проведениию ПД из расширенного сегмента в суженный, например из сомы в дендрит, и затрудняет проведение в противоположном направлении.

Электрофизиология нервного ствола. Нервный ствол, или нерв, представляет собой пучок множества нервных волокон, покрытых у позвоночных общими эпителиальной и соединительнотканной оболочками.

Обычно нерв включает в себя волокна различного типа и разного диаметра. Например, седалищный нерв лягушки содержит двигательные волокна (аксоны мотонейронов), чувствительные (аксоны чувствительных клеток) и автономные (аксоны нейронов симпатических ганглиев). Моторные и наиболее толстые чувствительные волокна этого нерва миелинизированы, симпатические - не имеют миелиновой оболочки, покрыты одним слоем шванновских клеток.

Все эти волокна в покое обладают поляризованной поверхностной мембраной. Если нерв перерезать и соединить его поврежденную и продольную поверхность с регистрирующим устройством, то отводится потенциал повреждения, или потенциал покоя (ПП). Потенциал нормальной точки нерва относительно поврежденной имеет обычно небольшую величину 20-30 мВ, он меньше МПП волокон нерва, что объясняют шунтирующим действием межволоконных щелевых пространств. Если в сегменте нерва, расположенном между электродами, заменить (перфузией) межклеточную жидкость на раствор сахарозы (сахарознъй мостик), то ПП нерва "поднимается" (увеличение отрицательного значения потенциала в поврежденном участке или внутри клетки условно обозначают как рост потенциала) до -70 мВ. Его величина, по существу, отражает величину МПП наиболее толстых волокон, генерирующих основную часть внешнего тока.

Нервы у позвоночных состоят из трех основных групп волокон (А, В и С), различающихся по электровозбудимости, скорости развития ПД, его компенсации и скорости проведения (все эти показатели в ряду А-В-С падают). Группа А включает наиболее толстые хорошо миелинизированные моторные и чувствительные волокна; группа В - слабомиелинизированные, преганглионарные волокна автономной нервной системы; группа С - немиелинизированные, постганглионарные (симпатические) волокна. Группа А неоднородна, в ней можно выделить подгруппы альфа (?), бета (?), гамма (?), дельта (?); в этом ряду названные показатели тоже падают. Соотношения свойств этих групп волокон демонстрируются в табл. 1.2 и 1.3.

Необходимо заметить, что указанные соотношения порогов электрического раздражения групп волоков не отражают точного соотношения электровозбудимости их мембран. Относительно высокие пороги тонких волокон при их

Т а б л и ц а 1.2

Волоконный спектр седалищного нерва лягушки

Группы волокон

Диаметр, мкм

Пороги электрического раздражения (относительно Аа)

Скорость проведения, м/с

А?

18,5

1-1,6

42

А?

14

1,&-2,9

25

А?

11

3,3-4,5

25

С

0,4-0,5

100-300

2,5

Волоконный спектр нервных стволов кошки Т а б л и ц а 1.3

Группы моторных и сенсорных волокон (по Эрлангеру и Гассеру)

Диаметр, мкм

Пороги

электрического

раздражения (относительно А?.)

Длительность пика ПД*

Отрицательный следовой потенциал (ОСП)

Положительный следовой потенциал

Скорость проведения, м/с

Длительность

М/с

амплитуда

СП,% к амплитуде ПД

Длительность

М/с

амплитуда

СП,% к амплитуде ПД

А?

13-22

1,0

0,4

15-20

5

40-60

0,2

70-120

АР

8-13

40-70

A?

4-8

15-40

A?

1-4

5-15

В

1-3

11,7

1,2

ОСП нет

100-300

10

3-14

С

0,5-1,0

100,0

2,0

50-80

300-1000

0,5-2

* Приблизительно ту же величину имеют и абсолютные рефракторные фазы.

раздражении в нервном стволе определяются в основном тем, что тонкие волокна по сравнению с толстыми обладают более высоким входным сопротивлением. В них входит такая малая часть раздражающего тока, что при пороговой силе для A?-волокон она совершенно недостаточна для создания на мембране более тонких волокон сколько-нибудь существенной деполяризации. По этой же причине (высокое -RI) отводимые от ствола (внеклеточно) ПД тонких волокон предстают значительно меньшими, чем ПД толстых волокон.

Суммарная электрическая активность нерва создается его волокнами, каждое из которых генерирует свой стандартный по амплитуде и временным параметрам ПД, распространяющийся в обе стороны от точки, к которой приложено раздражение. Суммарный электрический сигнал нерва зависит от числа активных волокон, синхронности активности, способа отведения и других обстоятельств.

Рассмотрим случай так называемого однофазного отведения, при котором один отводящий электрод (активный) расположен на нормальном участке ствола, а другой (индифферентный) - на поврежденном, где волокна деполяризованы полностью (рис. 1.27). Пусть применяют искусственное раздражение и раздражающий электрод (катод) находится достаточно близко (I = 3 мм)

Рис. 1.27 Развитие пика составного потенциала действия нервного ствола (пучка)

А - отведение ПД нерва с сахарозным мостиком (1); Б - рост амплитуды ПД при усилении стимула, т. е. увеличении числа активных волокон; В - распределение петель токов при активности одного волокна; Г - то же, при активности всех волокон в пучке (в данном случае из двух волокон).

активного отводящего электрода, а нерв помещен в непроводящую среду (масло или воздух). Здесь сильное одиночное раздражение приводит к синхронному возбуждению всех волокон, при этом активный отводящий электрод регистрирует суммарный ПД нерва, по форме приближающийся к ПД отдельного А?-волокна, но немного более затянутый во времени. Этот ПД нерва, однако, не подчиняется правилу "все или ничего". При пороговом раздражении он ничтожно мал, с увеличением силы стимулов постепенно растет, достигая максимума, равного при обычных условиях 5-10 мВ, а в условиях сахарозного мостика - 50-100 мВ.

При дальнейшем увеличении силы стимула этот ПД несколько удлиняется во времени. Все изменения амплитуды и длительности пика ПД нерва при усилении стимула определяются ростом числа активных волокон, подключением к низкопороговым и быстрым А?-волокнам более высокопороговых медленных ?-, ?-, ?-волокон группы А, затем В- и, наконец, С-группы.

Рост амплитуды суммарного ("составного") ПД нерва при увеличении числа синхронно активных волокон не имеет в своей основе истинного сложения их электродвижущих сил (ЭДС). Волокна в нерве подключены не последовательно (лишь тогда бы их ЭДС складывались), а параллельно. Причину роста составного ПД при увеличении числа активных волокон можно понять, рассмотрев схему на рис. 1.27, из которой следует, что неактивные волокна шунтируют активные. При активизации неактивных волокон этот шунт снимается. (Кроме того, при этом падает суммарное внутреннее сопротивление источника.)

Рассмотрим случай, когда при тех же прочих условиях существенно (до 80-100 мм) увеличено расстояние между раздражающим электродом (катодом) и активным отводящим электродом (рис. 1.28). При этом в ответ на пороговые раздражения или при небольшом их превышении возникает в общем такой же А?-пик. По мере роста предъявляемых стимулов этот пик не просто увеличивается, а осложняется рядом дополнительных, следующих за ним, более поздних пиков. Это А?-, A?-, А?-, В- и С-пики. Такое распределение - результат отставания от А?-импульса импульсов А?, A?-, A?-, В- и С-волокон, называемое их дисперсией во времени. Степень дисперсии одиночного залпа первоначально синхронных нервных импульсов тем больше, чем больше дистанция проведения и чем больше различия в скорости проведения у импульсов волокон разных групп.

Рассмотрим вариант так называемого двухфазного отведения ПД, при котором оба электрода расположены на нормальных неповрежденных участках нерва. Это отведение применяют в тех случаях, когда нервный проводник надо сохранить в целости. При двухфазном отведении картина сложна, даже если дистанция проведения мала и нет существенной временной дисперсии волоконных сигналов. В этом случае каждый из двух электродов отводит свой

Рис. 1.28 Дисперсия во времени компонентов составного однофазного ПД нерва и формирование двухфазного ПД I, II - отведения ПД при малой в большой дистанциях проведения; III, IУ - формы составных ПД при этих дистанциях и разных силах раздражения; V. VI - двухфазное отведение и формирование двухфазного ПД из однофазных ПД, отводимых от точек 1 я 2: при сильном раздражении и большой дистанции проведения составной ПД распадается на ряд ПД, порождаемых волокнами с разной скоростью проведения возбуждения.

составной ПД (ПД в своей точке), которые алгебраически складываются на входе регистрирующего прибора. Из схемы (рис. 1.28) следует, что при этом сложении образуется двухфазная волна и что в силу несимметричности ликов ПД первая фаза этой волны выше второй, а вторая - длиннее первой. При большой дистанции проведения эти фазы, кроме того, осложняются соответствующими дополнительными пиками.

Наконец, рассмотрим так называемое фокальное отведение (рис. 1.29) пика ПД нервного ствола, расположенного в проводящей среде. При таком отведении один электрод приближен к нерву, второй (индифферентный) - "бесконечно" удален. Этот случай моделирует регистрацию электрического сигнала нейрона или группы нейронов в мозгу с помощью внеклеточного микроэлектрода. Такой вариант отведения проанализирован в опыте на седалищном нерве лягушки, который был расположен на листе фильтровальной бумаги, смоченном раствором Рингера. С помощью регистрации фокальным электродом потенциалов, возникающих в разных точках проводящей среды в определенные моменты возбуждения нерва (например, при достижении вершины А?-пика ПД в средней части нерва), были получены картины электрического поля в проводящей среде вокруг активного нерва.

Представленная на рис. 1.29 схема - это изображение электрического поля на плоскости. Мысленно вращая рисунок вокруг оси нерва, можно получить соответствующее объемное поле. Важно заметить, что нерв в тот момент, когда он оказывается возбужденным в средней части, имеет вид генератора с тремя полюсами - двумя плюсами по концам и минусом в средней части. Электрическое поле в среде также имеет три соответственные зоны, разделенные на плоскости линиями (а в объеме поверхностями) нулевых сдвигов потенциала (U). По мере удаления от нерва в любую сторону величины сдвигов U падают, на краях фильтровальной бумаги они близки к нулю.

При распространении возбуждения нерва (его составного ПД) слева направо так же движется и порождаемое им электрическое поле в среде. При этом электрод, находящийся на средней линии, регистрирует трехфазный сигнал

Рис. 1.29 Отведение пика распространяющегося ПД нерва лягушки электродами, расположенными в проводящей среде на некотором расстоянии от нерва

Нерв помещен на фильтровальной бумаге, пропитанной раствором Рингера: показаны формы ПД, регистрируемые в месте входа волны возбуждения в участок, который расположен на бумаге (I), в середине этого участка (2), в его конце (3) и за его пределами (4); объяснение см. в тексте.

(+-+) тем более слабый, чем дальше этот электрод отнесен от нерва (в поперечном к его оси направлении). Если отводящий фокальный электрод помещают в месте зарождения поля ПД (на рис. 1.29 левый край фильтровальной бумаги, где нерв выходит на нее из масляной ванночки, в которой он контактирует с раздражающими электродами), то при прохождении ПД регистрируется двухфазный сигнал (-+). Если же фокальный электрод помещают на правом краю бумаги, куда нерв не доходит, а соответственно и ПД, то при прохождении ПД регистрируют однофазный сигнал положительной полярности. Эти формы фокального электрического сигнала, порождаемого полем проводящегося ПД, - трехфазная, двухфазная и однофазная - характерны соответственно для случаев прохождения ПД мимо электрода, зарождения ПД около электрода и ухода от него и, наконец, движения ПД к электроду с остановкой "на полпути".

Все рассмотренные до сих пор варианты записи электронейрограмм возникают при синхронной электрической активности волокон нервного ствола в условиях синхронного электрического раздражения нерва. Но в естественных условиях отдельные волокна нервного ствола чаще получают асинхронное раздражение (тоже электрическое) из своих индивидуальных источников, например моторные волокна из тел мотонейронов, а чувствительные - из рецепторов. Волокна нервного ствола при этом работают асинхронно, а чувствительные и двигательные, кроме того, проводят ПД в разных направлениях. При этом суммарная электрическая активность нервного ствола оказывается очень ослабленной, ее анализ весьма труден.

Электрические взаимоотношения работающих соседних волокон в нервных стволах. На схеме (см. рис. 1.27) видно, что соседние волокна подключены друг к другу как шунты через межклеточную щель. Если одно из этих волокон работает, то внешние петли тока, порождаемого его ПД, затекают в соседние волокна, используемые, таким образом, как часть внешней проводящей среды. Сила тока этих петель при активности малого числа волокон далеко не достаточна для раздражения. Поэтому в условиях асинхронной активности волокна функционируют вполне изолированно друг от друга.

Однако при синхронной активации значительной части волокон нерва их ПД порождает более сильный внешний ток, приближающийся к пороговому для неактивированных (возбудимых) волокон. При этом возможно раздражение неактивных волокон или, например, ускорение проведения импульсов по более медленным волокнам за счет добавления соседнего электрического влияния от более быстро проводящих. Этот эффект называют эфаптической передачей возбуждения (от греч. ephapsis - прикосновение).

Если синхронно и в одной точке нерва возбуждается большая часть его волокон, например все А-волокна, то возникает еще один эффект: происходит взаимное вычитание внешних петель биотоков соседних возбужденных волокон. Это приводит к снижению сил токов, связывающих возбужденные участки волокон с покоящимися, подлежащими раздражению. В итоге на несколько процентов падает скорость проведения их ПД.

1.1.5. Межклеточные пространства в нервной системе

Сомадендритные комплексы нейронов и нервные волокна (аксоны) в ЦНС окружены глиальными элементами. Щели между клетками, как правило, не превышают 15 нм. Таким образом, объем межклеточной жидкости, с которым возбужденные нейроны осуществляют обмен ионами, невелик.

Рис. 1.30 Мембранный потенциал глиальной клетки (астроцита) и его зависимость от наружной концентрации К+.

А - методика внутриклеточной регистрации мембранного потенциала; Б - зависимость МПП от [К+]нар в стационарных условиях; В - изменения МП глиальной клетки при активации соседних нейронов одним и тремя импульсами (обозначены стрелками), приводящей к временному росту [К+] в межклеточной щели; Г - те же эффекты при ритмических раздражениях различными частотами: 1 - капилляр, 2 - "ножка", клетки, 3 - потенциометр, 4 - межклеточные щели, 5 - нейрон, б - глиальная клетка.

При возбуждении нейроны принимают из межклеточной жидкости Na+ (или Са2+ и отдают в нее К+, что может приводить при узости межклеточных щелей к изменению ионного состава межклеточной среды.

С помощью калийселективных микроэлектродов показано, что при ритмической активности нейронов мозга (как и мышечных волокон в мышцах) концентрация свободного К+ в прилежащих межклеточных щелях может возрастать до 10 ммоль/л и более. Это приводит к частичной деполяризации нейронов, вследствие чего возможно еще более сильное их возбуждение (судорожные разряды).

В поддержании концентрации К+ межклеточных щелей в допустимых пределах большую роль играют глиальные клетки (астроциты и др.).

Глиальные клетки не имеют электровозбудимости, т. е. соответствующих каналов для Na+ и Ca2+, но обладают высокой проницаемостью для ионов калия (высокая Рк). Их МПП приблизительно равен Ек (рис. 1.30) и, таким образом, достаточно точно отражает величину (К+)нар, что используют в экспериментах.

Астроциты связаны друг с другом проницаемыми для ионов контактами и составляют синцитий, по которому может распределяться принятый избыток К+. Это явление обозначают как эффект пространственного буфера. По-видимому, аналогичную роль могут выполнять и другие нейроглиальные элементы, в частности шванновские клетки, окружающие периферические нервные проводники (у беспозвоночных, например у кальмаров) или формирующие миелиновые муфты (у позвоночных). Глиальные элементы помимо отмеченных функций (изоляционной и участия в ионном гомеостазе) обладают и иными, например, участие в обмене медиаторов.

1.1.6. Аксонный транспорт

Потенциалы действия, развивающиеся на плазматической мембране аксона или сомадендритного комплекса, оказывают стимулирующее действие на внутриклеточные процессы. Это связано с влиянием на ферменты клетки проникающих в нее ионов Na+ и особенно Са2+ действующих через специальный белок калъмодулин.

Таким образом, распространяющийся ПД влечет за собой быструю волну активации внутриклеточных процессов.

Вместе с тем внутри аксона (и других частей нервной клетки) происходят закономерные перемещения материалов (белковых частиц, органоидов), прямо не связанные с ПД и имеющие совсем другие скорости. Эти перемещения материалов хорошо изучены в аксонах; здесь они получили название аксонный транспорт. Существует два вида аксонного транспорта: быстрый и медленный.

Быстрый аксонный транспорт - это, например, транспорт везикул, митохондрий и некоторых белковых частиц от тела клетки к окончаниям аксона со скоростью у млекопитающих 250-400 мм/сут. Он осуществляется специальным транспортным механизмом. Этот транспорт не нарушается при отделении аксона от тела клетки, но прекращается при разрушении внутриаксонных структур - микротрубочек и нейрофиламентов (разрушение производится колхицином, винбластином), а также при отсутствии в аксоне АТФ и Са2+ В связи с этим полагают, что механизм, осуществляющий этот быстрый транспорт, подобен механизму скольжения нитей при мышечном сокращении (см. разд. 1.2.4).

Считают, что нейрофиламенты перемещаются ("скользят") вдоль микротрубочек, имеющих боковые выросты, которые, видимо, своими движениями и обеспечивают скольжение нейрофиламентов. Энергия для этого процесса извлекается из АТФ, расщепляемого ферментативно при объединении белковых структур нейрофиламентов и выростов микротрубочек в присутствии Са2+. Один из белков играет роль АТФазы. Транспортируемые частицы прикрепляются на нейрофиламентах и как бы перевозятся на них. Этот процесс можно наблюдать и в выдавленной из аксона аксоплазме.

Быстрый аксонный транспорт везикул (с медиатором для синапсов) происходит в дистальном направлении - антероградный транспорт. Существует и обратный - ретроградный - быстрый транспорт лизосом, везикул, мультивезикулярных тел, возникающих в окончаниях аксона в ходе пиноцитоза, который протекает с захватом некоторых веществ (например, ацетилхолинэстеразы, периферических факторов, регулирующих синтез белка в соме нейрона, а также некоторых вирусов, токсинов и пероксидазы хрена - маркёра, используемого в экспериментах). Скорость этого транспорта ? 220 мм/сут (у млекопитающих). Скорости быстрого транспорта, и антероградного и ретроградного, не зависят от типа и диаметра аксона, хотя у пойкилотермных (холоднокровных) позвоночных они ниже, чем у гомойотермных (теплокровных).

Медленный аксонный транспорт - это перемещение всей массы белков цитоплазмы (микротрубочек, нейрофиламентов, РНК, каналов, насосов и т. п.) в дистальном направлении, создаваемое за счет интенсивных синтетических процессов в перикарионе. Медленный аксоток обнаруживает себя при тугой перетяжке нерва лигатурой, сдавливающей аксоны. При этом в дистальной части аксона диаметр уменьшается, а в проксимальной - перед перетяжкой образуется вздутие - "наплыв цитоплазмы".

Медленный аксоток движется со скоростью около 1-4 мм/сут. Он прекращается при отделении сомы от аксона и не нарушается факторами, разрушающими микротрубочки (колхицином, винбластином). Медленный аксонный транспорт имеет особое значение в процессах роста и регенерации аксонов (дендритов) и их разветвлений.

1.1.7. Физиология синапсов

Синапсами (от греч. synapsis - соприкосновение, соединение) называют специализированные контакты между нервными клетками или межДу нервными и эффекторными клетками, используемые для передачи сигналов.

Синапсы можно классифицировать: 1) по их местоположению и принадлежности соответствующим клеткам - нервно-мышечные, нейро-нейрональные, а среди последних - аксосоматические, аксодендритические синапсы; 2) по знаку их действия - возбуждающие и тормозящие; 3) по способу передачи сигналов - электрические (в которых сигналы передаются электрическим током) и химические, в которых передатчиком, трансмиттером сигнала, или посредником, медиатором, является то или иное физиологически активное вещество (см. табл. 1.4). Существуют и смешанные - электрохимические - синапсы.

Во всех синапсах содержатся такие компоненты, как пресинаптическая мембрана, постсинаптическая мембрана и разделяющая их синаптическая щель.

Электрические синапсы возбуждающего действия. Существование таких синапсов предполагали давно. Возбуждающие электрические синапсы имеются в нервной системе и беспозвоночных, и позвоночных животных, но наиболее изучены они у беспозвоночных. Всем синапсам этого типа свойственны очень узкая синаптическая щель (около 5 нм) и очень низкое удельное сопротивление сближенных пре- и постсинаптических мембран для проходящего через них электрического тока.

Это низкое сопротивление, как правило, связано с наличием поперечных каналов, пересекающих обе мембраны, т. е. идущих из клетки в клетку (щелевой контакт) (см. рис, 1.31). В пре- и постсинаптической мембранах щелевого контакта регулярно распределены коннексоны, находящиеся точно друг против друга. Внутри них есть просвет, так что каждая пара расположенных по одной линии коннексонов образует канал, через который сообщаются две клетки. Диаметр каналов составляет около 1 нм. Каналы образуются белковыми молекулами (полуканалами) каждой из контактирующих мембран, которые соединяются комплементарно (см. рис. 1.32). Эта структура легкопроходима для электрического тока.

Схема передачи возбуждения в электрическом синапсе подобна схеме проведения ПД в гомогенном нервном проводнике. Здесь петля тока, порождаемого пресинаптическим ПД, раздражает постсинаптическую мембрану.

Важно заметить, что поперечные каналы объединяют клетки не только электрически, но и химически, так как они проходимы для многих низкомолекулярных метаболитов. Поэтому возбуждающие электрические синапсы с поперечными каналами формируются, как правило, между клетками (например нейронами) одного вида специализации.

Электрические синапсы, передающие возбуждение, - не вполне однородная группа. Они различаются по значению коэффициента передачи (Кп) электрического сигнала, т. е. по отношению получаемого изменения потенциала (?U) на постсинаптической мембране к задаваемому ?U на пресинаптической мембране и по отсутствию или наличию выпрямляющих свойств, т. е. по

"

Рис. 1.31 Ультраструктура щелевого контакта - нексуса.

Рис. 1.32 Строение и работа возбуждающего (электротонического) синапса септированного аксона

А - раздражение постсинаптической клетки (2) петлей тока ПД пресинаптической клетки (1); Б - участок близкого прилежания пре- (1) и постсинаптической (2) мембран с поперечным каналом, обеспечивающим протекание ионного тока; В - соотношение во времени (t) пре- (1) и постсинаптического (2) ПД. Стрелкой показано направление тока.

тому, передается ли в них электрический сигнал двусторонне или односторонне. Рассмотрим конкретные примеры.

У кольчатых червей и раков есть так называемые септированные гигантские аксоны, состоящие из последовательно соединенных отростков нервных клеток. Эти отростки связаны между собой щелевыми контактами - электрическими синапсами с двусторонней передачей. Удельное сопротивление септы (т. е. пары мембран, пронизанных поперечными каналами) здесь очень низко и составляет примерно 1 Ом • см2 (при Rм = 1000 Ом • см2 ). Однако септы имеют малую площадь и у каждой из них общее R ? 0,2 МОм. Поэтому в синапсе Кп = 0,37, а передача ПД по той же причине происходит с некоторой задержкой (0,05 мс).

Аналогичные электрические синапсы, но с меньшим Кп(?0,15 ... 0,19) существуют между некоторыми нейронами (аксонами, дендритами) в нервной системе моллюсков, а также в мозгу рыб и млекопитающих. Через эти синапсы пресинаптические ПД не передаются, а проходят лишь порождаемые ими электротонические подпороговые сигналы. Такие синапсы способствуют синхронизации разрядов связанных клеток при их общем раздражении из других источников.

Электрический синапс может иметь высокий Кп и обеспечивает распространение ПД лишь в тех случаях, когда постсинаптическая клетка меньше пресинаптической или хотя бы не слишком превосходит ее по размерам. Иначе происходит резкое падение плотности пресинаптического тока на постсинаптической мембране.

Пример электрического синапса с односторонней передачей возбуждения - синапс между латеральным гигантским волокном (Л-аксоном командного нейрона) и гигантским моторным волокном (М-аксоном мотонейрона) у рака. В этом синапсе Кп в ортодромном направлений (Л > М) равен 0,25, а Кп в антидромном направлении (М > Л) составляет 0,005. По-видимому, антидромный сигнал закрывает каналы. При амплитуде пресинаптического ПД, равной, например, 120 мВ, ?U на постсинаптической мембране (в моторном волокне) составит 30 мВ, и этого достаточно для вызова ПД. При искусственном вызове

Рис. 1.33 Схема химической синаптической передачи

Рис. 1.34 Ультраструктура нервно-мышечного синапса

Вверху слева: нервное окончание на мышечном волокне; на схеме рядом - пресинаптическое окончание вместе с лежащей под ним складчатой мышечной мембраной при большом увеличении. Внизу: еще большее увеличение: мембрана пресинаптического нейрона с частично разъединенным внутренним и внешним слоями, а под ней соответствующие слои субсинаптической мембраны мышцы. "Частицы" - это ацетилхолиновые рецепторы и молекулы холинестеразы в мембране.

постсинаптического ПД (в 120 мВ) на пресинаптической мембране возникает деполяризация, равная примерно 0,6 мВ и совершенно недостаточная для вызова пресинаптического ПД. Задержка при ортодромной передаче в этом синапсе равна 0,1 мс. Рассмотренный синапс, таким образом, обеспечивает управление мотонейроном со стороны латерального волокна.

Общими свойствами возбуждающих электрических синапсов являются:

быстродействие (оно превосходит таковое химических синапсов); слабость следовых эффектов при передаче (это свойство делает электрические синапсы непригодными для интегрирования, суммации последовательных сигналов);

высокая надежность передачи возбуждения (при высоком Кп).

Однако возбуждающие электрические синапсы не лишены некоторой пластичности, т. е. они могут возникать при благоприятных условиях и исчезать при неблагоприятных. Например, при повреждении одной из контактирующих клеток ее электрические синапсы с другими клетками ликвидируются.

Химические синапсы возбуждающего действия. В отличие от электрических химические синапсы (рис. 1.33) имеют относительно широкую синаптическую щель, составляющую 20-50 нм, и высокое сопротивление синаптических мембран. Поперечных каналов, связывающих клетки, здесь нет. Другим характерным признаком химического синапса является наличие в пресинаптической нервной терминали большого числа пузырьков - пресинаптических везикул диаметром около 50 нм. Эти везикулы заполнены медиатором - химическим передатчиком (раздражителем).

Классическим представителем группы химических синапсов является возбуждающий нервно-мышечный синапс скелетной мускулатуры позвоночных (рис. 1.34), действующий с помощью медиатора ацетилхолина (Ах).

В нем, как и в любом химическом синапсе, пресинаптический ПД не может петлей своего тока возбудить постсинаптическую клетку; Яд здесь не превышает 0,001. Ток, который выходит через пресинаптическую мембрану, здесь почти целиком уходит через широкую синаптическую щель мимо постсинаптической

Рис. 1.35 Механизм химической передачи импульсов в межнейронном синапсе От А до Д - последовательные этапы процесса.

клетки, обладающей значительным входным сопротивлением. Небольшая же часть этого тока, которая все же входит в постсинаптическую клетку, вызывает лишь ничтожное изменение ее МП.

Суть работы химического синапса состоит в следующем (рис. 1.35). Пресинаптический ПД работает как инициатор нейросекреторного акта. При развитии ПД терминали (а также и при искусственной деполяризации) в нее из среды входят ионы Са2+. Это стимулирует практически синхронный выброс медиатора в синаптическую щель из 100-200 пресинаптических везикул, каждая из которых содержит порцию - квант Ах. Большинство исследователей полагают, что этот выброс медиатора осуществляется путем экзоцитоза - опорожнения везикулы в синаптическую щель. Существует и другая точка зрения: квант медиатора аккумулирован в особых участках пресинаптической мембраны - операторах, которые и выбрасывают Ах в щель, а везикулы - это лишь депо Ах и других веществ.

Выход медиатора сильно зависит от величины деполяризации терминали. Эта крутая зависимость объясняет резкое снижение выхода медиатора при падении амплитуды ПД терминали. В нормальных условиях в ответ на нервный импульс высвобождается около миллиона молекул Ах. (в каждом кванте - везикуле - их примерно 104). Медиатор диффундирует к постсинаптической мембране, где для него существуют рецепторы (холинорецепторы - Хр). При взаимодействии Ах и Хр в последних открываются проницаемые для Na+ и К+ ионные каналы с d ? 0,65 нм. Так как холинорецепторов и, соответственно, каналов много, сопротивление постсинаптической мембраны сильно падает, что приводит к ее частичной деполяризации, т. е. к развитию возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП).

Для нервно-мышечного синапса ВПСП называют потенциалом концевой пластинки (ПКП). Потенциал концевой пластинки, в свою очередь, создает ток, раздражающий соседнюю с постсинаптической электровозбудимую мембрану мышечного волокна, что и порождает в ней ПД.

Таким образом, химическое звено в синапсе выполняет функцию усилителя.

Синоптическая задержка, т. е. время от прихода нервного импульса до развития постсинаптического ответа, в химическом синапсе составляет около 0,2-0,5 мс, причем основная часть этого времени тратится на процесс секреции медиатора. Химический синапс - это "вентильный механизм", рабочий сигнал в нем передается односторонне (что не исключает обратных связей).

ВПСП (ПКП) - локальный потенциал, который электротонически распространяется по мембране. С помощью внутриклеточных микроэлектродов и методики фиксации потенциала можно изучить токи, проходящие через активируемую постсинаптическую мембрану. В подобных экспериментах, варьируя ионный состав среды, установили, что Ах открывает в постсинаптической мембране каналы, пропускающие катионы Na+, K+, но не пропускающие анионы Сl-.

Ток концевой пластинки (ТКП) и в клампе, и в обычных условиях представляет собой результат движения ионов Na+ и К+ по их электрохимическим градиентам. При обычных значениях МП (-80, -60 мВ) ток Na+ направлен внутрь, а ток К+ - наружу, причем первый больше второго и суммарный (здесь разностный) ток является входящим.

Мембранный потенциал, при котором IK = INa и суммарный ток равен нулю, называют потенциалом реверсии ТКП (ЕрТКП). По тем же причинам ПКП на фоне нормальных МП (90, -70 мВ и т. д.) развивается как деполяризация. При МП, равном нулю, ПКП отсутствует, при положительных МП развивается как гиперполяризация.

Формы ТКП (в клампе) и ПКП (рис. 1.36) несколько различаются. ТКП короче, основная его часть по длительности соответствует восходящей фазе ПКП. Соответственно у ПКП лишь восходящая фаза создается трансмембранными ионными токами. Относительно более медленный спад ПКП определяется постепенной зарядкой мембранной емкости и пропорционален ?м.

Рис. 1.36 Форма ПКП (А) и формы ТКП (Б) при фиксации потенциала на разных уровнях (указаны значения в милливольтах)

Помимо рабочих ПКП (ВПСП), инициируемых нервным импульсом, в нервно-мышечных синапсах существуют спонтанные, обычно редкие миниатюрные ПКП (ВПСП), составляющие доли милливольта и обозначаемые МПКП (МВПСП). Они отражают спонтанный выброс одиночных квантов медиатора (т. е. содержимого одиночных везикул, что составляет около 104 молекул Ах) и реакцию на них постсинаптической мембраны. Как уже указывалось, рабочий ПКП складывается из 100-200 МПКП, это число называют квантовым составом ПКП.

Амплитуда у многоквантового ПКП (30-40 мВ) больше, чем у МПКП, по следующей причине. МПКП и ПКП порождаются током, возникающим в связи с открытием каналов в постсинаптической мембране. Этот ток проходит последовательно через открытые каналы и так называемое входное сопротивление волокна. Так как входное сопротивление гораздо меньше, чем сопротивление канала холинорецептора, то изменение потенциала мембраны тем больше, чем больше действует каналов. При многоквантовости ПКП активируется больше постсинаптических каналов, чем при МПКП.

С помощью микропипетки с оплавленными (гладкими) краями кончика, прижимаемой к поверхности мышцы в районе синапса, можно осуществить фиксацию потенциала и отведение токов от подлежащего малого участка постсинаптической мембраны, который содержит лишь один Хр (см. рис. 1.19). Это методика пэч-клампа. При введении в такую микропипетку раствора, содержащего Ax, Nа+ и др., холинорецептор то открывает для ионов Na+ свой ионный канал в связи со случайной рецепцией Ах, то закрывает его (при разобщении Хр и Ах).

Оказалось, что при этом ток одиночного Хр-канала развивается мгновенно, сохраняет некоторое время постоянное значение и мгновенно исчезает ("прямоугольная" форма). Средняя проводимость Хр-канала составляет 20-30 пСм, а среднее время "жизни", т. е. открытого состояния канала, - примерно 1 мс. Форма МТКП, как следует из рис. 1.19, отличается от формы тока канала. Причина этого явления заключается в том, что при МТКП Хр-каналы открываются не совсем одновременно, и это замедляет подъем МТКП, а время жизни у массы каналов сильно варьирует, что создает экспоненциальный спад МТКП.

Рассмотрим некоторые подробности работы, возбуждающего химического синапса на спинальном мотонейроне кошки. Этот нейрон имеет шаровидную сому (d= 70 мкм), от которой отходит множество конических дендритов и один аксон. Сома и дендриты густо покрыты нервными окончаниями - синаптическими бутонами и отростками глиальных клеток. Синаптических бутонов на одном мотонейроне может быть около 10 000. Нервные волокна, направляющиеся к мотонейрону, на расстоянии в 100-20 мкм от него теряют миелиновую оболочку и истончаются (до 0,5-2 мкм в диаметре). Синаптические бутоны содержат везикулы. Синаптические щели имеют ширину 20 нм; МПП мотонейрона - 60-80 мВ.

Возбуждающий постсинаптический потенциал, возникающий в соме при приходе одиночного залпа импульсов соответствующих афферентных волокон, развивается как деполяризация с временем возрастания (tв), равным 1,5-2 мс, и постоянной времени спадает), равной 4,7 мс. Амплитуда такого ВПСП, возникающего под одиночным (унитарным) синаптическим входом (т. е. входом от одного афферентного волокна), невелика (0,12-0,24 мВ) и стандартна. Она не зависит от силы раздражения волокна. Но если раздражается многоволоконный дорсальный корешок или периферический нерв, то ответный ВПСП больше и его амплитуда увеличивается с усилением раздражения. Последнее объясняется увеличением количества синхронно активных синаптических входов на данном нейроне, т. е. количества синхронно возникающих элементарных ВПСП. Причины роста амплитуды здесь по существу те же, что и в случае роста ПД нервного ствола (см. разд. 1.1.4). Важно заметить, что ВПСП одиночных синаптических входов имеют очень низкий квантовый состав (один-два).

Возбуждающий постсинаптический потенциал мотонейрона определяется трансмембранным ионным током, по времени соответствующим восходящей фазе ВПСП. Этот ток возникает из-за того, что медиатор афферентов (глутамат или вещество Р) открывает ионные каналы в постсинаптической мембране. Характер трансмембранного ионного тока был определен в опытах с электрофоретическими инъекциями различных ионов в мотонейроне через микроэлектроды (у кошки и лягушки) и в экспериментах с вариациями межклеточной ионной среды (у лягушки). Оказалось, что ток, порождающий ВПСП, и соответствующий ток при фиксации потенциала (в "клампе") - это пассивный (т. е. текущий по электрохимическому градиенту) натриевый ток, слабо шунтируемый

Рис. 1.37 Регистрация (А) и временное течение ВПСП и ПД (Б) в мотонейроне спинного мозга позвоночного при одиночной стимуляции группы возбуждающих (Iа) волокон дорсального корешка

1 - начальный сегмент аксона, 2 - сома-дендритный комплекс, 3 - потенциал действия начального сегмента, 4 - потенциал действия сома-дендритного комплекса, 5 - ВПСП.

калиевым током. Потенциал реверсии ВПСП составляет от 3 до 5 мВ. Падение Rвх (рост проводимости) в момент развития ВПСП невелико - всего 5%.

Возбуждающие постсинаптические потенциалы соседних синаптических входов на мембране начального сегмента аксона и сомы нейрона суммируются между собой. Так же суммируются и последовательно возникающие ВПСП. Когда общая деполяризация достигает определенной величины (КУД), возникает ПД нейрона. Однако существует особенность. Дело в том, что аксонный холмик (начальный сегмент аксона) имеет приблизительно в три раза более низкий относительно сомы порог электрического раздражения. Ток, порождаемый ВПСП, выходит через все внесинаптические участки мембраны нейрона, но в этих условиях именно в аксонном холмике он порождает ПД. Считают, что холмик играет роль триггера - "спускового крючка". Отсюда ПД распространяется в аксон, а также ретроградно в сому (рис. 1.37). Последнее, видимо, необходимо для согласования аксонального и соматического метаболизма.

На электрограмме, которую записывают с помощью внутриклеточного электрода, введенного в сому, ПД начального сегмента аксона и ПД сома-дендритного комплекса слиты в общий ПД, хотя эти компоненты можно различить. Ступенька на переднем фронте ПД - по существу ПД начального сегмента, сниженный расстоянием (? в сома-дендритном комплексе составляет около 400 мкм). Интересна особенность ПД сомы мотонейрона: он содержит те же компоненты, что и аксональный ПД, только с более сильным следовым положительным потенциалом.

В интернейронах спинного мозга кошки картина синаптического возбуждения несколько иная. Например, в интернейронах - клетках Реншоу - в ответ на одиночный возбуждающий синаптический залп регистрируется длительный ВПСП, порождающий длинную серию ПД. По-видимому, в синапсах этих клеток имеются условия для существенного продления действия медиатора (Ax), a внесинаптическая мембрана этих нейронов обладает очень низкой аккомодационной способностью. В клетках Реншоу триггерной зоной является не аксонный холмик, а соматическая мембрана, прилежащая к синаптическим районам. Их очень краткий ПД (время пика - 0,5-1,0 мс) не имеет сильного следового положительного потенциала. Такими свойствами, вероятно, обладают многие вставочные нейроны (интернейроны) ЦНС.

Среди нейронов ЦНС у разных животных, особенно у насекомых (а также среди элементов сетчатки глаза позвоночных), существуют и такие клетки, которые никогда не генерируют ПД. У них либо очень короткие аксоны, либо их нет вовсе, и роль выходного элемента выполняет дендрит. Их ВПСП возникающие в соме, могут электротонически распространяться до окончания аксона (дендрита), побуждая его к секреции медиатора.

Таким образом, в отличие от электрических возбуждающие химические синапсы: 1) передают сигнал относительно медленно; 2) передают сигнал всегда односторонне; 3) имеют достаточно высокую надежность передачи, которая однако резко падает при некоторых изменениях в межклеточной среде, особенно при снижении (Са2+); 4) обнаруживают значительные следовые процессы, что делает их способными суммировать (интегрировать) последовательные сигналы.

Синапсы тормозного действия. Синоптическим торможением обозначают влияние пресинаптической нервной клетки, прекращающее или предотвращающее возбуждение постсинаптической нервной клетки (или иной клетки-мишени).

В тормозном синапсе происходит изменение знака действия: пресинаптическое возбуждение (ПД) порождает постсинаптический тормозный процесс или состояние.

Известны два варианта тормозных синапсов: электрические (встречающиеся очень редко) и химические (основной вариант).

Электрический тормозный синапс образуется, например, нервным окончанием на выходном сегменте маутнеровского нейрона у рыб. Два таких нейрона, расположенные симметрично в продолговатом мозгу, "командуют" противоположно направленными изгибами хвоста. Когда один из них возбуждается, другой заторможен. Отчасти это торможение обеспечивается терминалью аксона клетки-антагониста (или дополнительной вставочной клетки), формирующей тормозный электрический синапс. В рассматриваемом синапсе тормозящая терминаль обвивает выходной сегмент, и вся эта конструкция погружена в глиальную чашечку (рис. 1.38).

Между терминалью и постсинаптической клеткой здесь нет плотного соединения или щелевого контакта. Тормозящее влияние развивается за счет действия внешней петли тока, порождаемой пресинаптическим ПД. Пресинаптический ПД, видимо, останавливается перед глиальной чашечкой. При этом часть его тока, проходящего через терминаль, идет прямо в начальный сегмент аксона маутнеровской клетки и существенно гиперполяризует его. Выход тока из клетки при этом распределен по ее широкой сома-дендритной части и не производит там существенной деполяризации (рис. 1.38). Гиперполяризующий ток мгновенно тормозит разряд ПД в начальном сегменте аксона (триггерной зоне) маутнеровской клетки, но это продолжается лишь во время действия пресинаптического ПД, т. е. на протяжении нескольких миллисекунд. Описанное электрическое торможение далее поддерживается тормозным действием более инертных химических синапсов.

Структура химического синапса тормозного действия (ширина синаптической щели, наличие пресинаптических везикул) в общем соответствует таковой для возбуждающих химических синапсов. Существует предположение, что тормозные пресинаптические окончания всегда снабжены особыми уплощенными везикулами, однако, видимо, это не является общим правилом.

Рассмотрим физиологию химических синапсов тормозящего действия, например, тормозный нервно-мышечный синапс рака, реализующий свое действие с помощью медиатора ?-аминомасляной кислоты (ГАМК). Общая схема работы этого синапса (роль пресинаптического ПД и Са2+) совпадает с рассмотренной выше работой синапсов возбуждающего действия. Только ГАМК,

Рис. 1.38 Работа тормозного электрического синапса на начальном сегменте маутнеровского нейрона рыбы

1 - нервное окончание, 2 - начальный сегмент аксона маутнеровского нейрона; 3 - глиальные чашечки. Стрелками обозначены входящие (гиперполяризующие) токи высокой плотности.

Рис. 1.39 Возбуждающий (А) и тормозный (Б) постсинаптические потенциалы мышечного волокна рака (ВПСП и ТПСП) при разных величинах МП мышечного волокна

Ер - потенциал реверсии ВПСП и ТПСП; стрелки, направленные вверх и вниз, обозначают ток, идущий наружу и внутрь соответственно.

взаимодействуя с рецептором, открывает в постсинаптической мембране селективные хлорные каналы. Это приводит к движению ионов Сl- по электрохимическому градиенту.

Так как в данном объекте ЕCl=-80 мВ, то при менее негативном МП (-70...-50) ионы Сl- входят в мышцу и тормозный постсинаптический потенциал (ТПСП) имеет вид гиперполяризации. При более негативном МП (-90...-100) Сl- выходит из мышечного волокна. При этом ТПСП развивается как небольшая деполяризация. При МП = -80 мВ движения ионов Сl-, а значит, и ТПСП практически нет (Ep ТПСП) (рис. 1.39).

Торможение за счет хлорного механизма осуществляется следующим образом. Если МП мышечного волокна низок и ТПСП развивается как гиперполяризация, то это повышает порог раздражения. Если же МП = -80 мВ и изменения МП отсутствуют, то торможение все же осуществляется за счет действия "хлорного шунта", т. е. за счет компенсации входящего (при возбуждении) натриевого тока идущим через открытые хлорные каналы током ионов Сl-.

В тормозных синапсах, так же как и в возбуждающих, помимо вызванных имеются спонтанные миниатюрные ТПСП (МТПСП). Их рабочие ТПСП также формируются из массы МТПСП, возникающих одновременно в ответ на выброс 100-200 квантов ГАМК.

Рассмотрим химические тормозные синапсы в ЦНС позвоночных. При раздражении афферентов антагонистического нерва в спинальном мотонейроне (например, у кошки) возникает тормозный постсинаптический потенциал - ТПСП (рис. 1.40).

Это происходит на 0,5 мс позже, чем появление ВПСП, что объясняется существованием дополнительного нейрона и синапса в тормозном пути. Этот специальный тормозный нейрон выбрасывает тормозный медиатор - глицин.

При нормальном исходном МПП (-70 мВ) ТПСП мотонейрона имеет вид слабой (1-5 мВ) гиперполяризации. Величина этого ТПСП зависит от числа одновременно активируемых тормозных синапсов. При активации одного синапса ТПСП (унитарный ТПСП) очень мал (< 220 мкВ). По-видимому, этот ТПСП соизмерим по амплитуде с МТПСП, и, следовательно, квантовый состав

Рис. 1.40 Постсинаптическое и пресинаптическое торможение мотонейрона спинного мозга позвоночного

А - гиперполяризация начального сегмента аксона петлей тока ТПСП; Б - форма и полярность ТПСП на фоне сниженного МП: 1 - начальный сегмент аксона, 2 - сома-дендритный комплекс, 3- тормозный синапс на возбуждающей пресинаптической терминали (о механизме пресинаптического торможения см. в тексте), 4 - потенциал действия начального сегмента, 5 - потенциал действия сома-дендритного комплекса.

передачи в элементарных тормозных синапсах здесь невелик (единицы квантов). Если МПП естественно или искусственно смещается в сторону деполяризации, то амплитуда ТПСП растет, когда же МПП увеличивается, то ТПСП падает и далее меняет свой знак.

Развитие ТПСП связано со значительным увеличением ионной проводимости постсинаптической мембраны во время его восходящей (активной) фазы. В мотонейронах спинного мозга кошки Rвх при этом уменьшается с 1-2 до 0,5 МОм. Спад ТПСП мотонейрона пассивен и определяется перезарядкой мембранной емкости.

Ионный механизм восходящей фазы ТПСП был определен в опытах с электрофоретической инъекцией в мотонейрон ионов Сl-. Оказалось, что добавка Сl- в нейрон сразу же извращает знак ТПСП, а дальнейшее увеличение внутренней концентрации Сl- неуклонно увеличивает амплитуду инвертированного ТПСП.

Эти и другие данные позволяют заключить, что ТПСП в мотонейронах позвоночных определяются открытием в постсинаптической мембране главным образом хлорных каналов (по некоторым данным, также и селективных калиевых каналов).

При низком МПП и обычной внутренней концентрации Сl- открытие хлорных каналов приводит к току Сl- внутрь клетки и развитию гиперполяризационного ТПСП. При высоких МПП и обычной внутриклеточной концентрации Сl- то же открытие хлорных каналов приводит к току Сl- наружу и развитию деполяризационного ТПСП. В мембране мотонейрона, по-видимому, существует специальный ионный насос, поддерживающий [Сl-] на нормальном уровне.

Тормозный эффект ТПСП здесь (как и в сходном нервно-мышечном синапсе рака) основывается на двух механизмах. Во-первых, это электротоническое действие гиперполяризационного ТПСП на триггерную зону (холмик); ТПСП порождает ток, который входит в холмик и повышает его МП. Во-вторых (и это главное!), имеет значение действие хлорного шунта на ВПСП. Открытие хлорных каналов как бы закорачивает ток ВПСП и не дает ему подействовать на триггерную зону нейрона (холмик).

Хлорный механизм используют не только тормозные синапсы мотонейронов позвоночных. На этой же основе действуют многие тормозные синапсы ЦНС, например, тормозные химические синапсы на маутнеровских клетках рыб и нейронах ЦНС улитки. Но это не единственный механизм постсинаптического торможения. В некоторых объектах, таких как нейроны легочных моллюсков, аналогичный тормозный эффект возникает за счет открытия калиевых каналов и избирательного повышения калиевой проницаемости. В симпатических ганглиях, видимо, имеются также и синапсы, тормозящие постсинаптическую клетку посредством повышения МП за счет активации медиатором электрогенного транспорта ионов.

Рассмотренные выше варианты синаптического торможения могут быть названы постсинаптическими. Но существует особый вариант торможения, который называют пресинаптическим.

Этим термином в отличие от постсинаптического торможения условно называют снижение или выключение активности данной клетки за счет синаптического торможения оканчивающейся на ней возбуждающей терминали.

Такое торможение подробно описано для нервно-мышечного прибора ракообразных, моторные терминали которого имеют на себе аксо-аксональные тормозящие синапсы. В этих синапсах торможение определяется действием ГАМК, открывающей хлорные каналы моторной терминали. Последний эффект шунтирует ее натриевые каналы и тем самым снижает амплитуду пресинаптического ПД. В результате синаптическая передача моторного импульса ослабляется или исключается. При одиночном импульсе тормозного аксона длительность пресинаптического торможения составляет 6-7 мс.

Максимальный тормозный эффект получается, если тормозный импульс достигает аксо-аксонального синапса за несколько миллисекунд до прихода сюда ПД возбуждающего аксона. Пресинаптическое торможение предупреждает или заранее исключает развитие постсинаптического возбуждения, но оно не может повлиять на уже развившееся постсинаптическое возбуждение, причем при пресинаптическом торможении в постсинаптической клетке не обнаруживается ни ТПСП, ни изменений электровозбудимости.

Аналогичное Пресинаптическое торможение при раздражении антагонистических мышечных (и кожных) нервов обнаружено в области терминалей возбуждающих мотонейронов спинного мозга кошки. Найдено, что эти терминали в моменты торможения деполяризуются. Торможение (и деполяризация) даже после одиночного антагонистического залпа весьма длительно (100-200 мс), что, возможно, связано с повторными активациями тормозящего синапса. Вероятно, медиатором в этом тормозном аксо-аксональном синапсе является ГАМК. Причины деполяризации терминалей сложны. Начальная деполяризация здесь может быть связана с увеличением хлорной проницаемости. Видимо, имеющийся на мембране терминали градиент ионов Сl- таков, что открытие хлорных каналов приводит к выходу Сl- из терминали и к ее частичной деполяризации.

Деполяризация терминали и открытие хлорного шунта снижают ее ПД и в силу этого уменьшают квантовый состав передачи в возбуждающем синапсе.

Существуют, кроме того, данные о том, что при пресинаптическом торможении в среде вокруг тормозимой терминали растет концентрация ионов К+. Они могут выбрасываться из самой терминали, мотонейрона и других близлежащих клеток. Рост наружной концентрации К+ опять-таки снижает МП терминали и ослабляет ее ПД. Пресинаптическое торможение представлено в различных отделах ЦНС позвоночных и беспозвоночных.

В научной литературе используют понятие вторичное торможение, т. е. блокирование ПД постсинаптической клетки из-за избыточной активности возбуждающих синапсов. Возможность такого пессимального торможения обнаружил Н. Е. Введенский (1886) в опыте на нервно-мышечном препарате. Этот блок определяется развивающейся деполяризацией мембран, сопровождаемой инактивацией их натриевых каналов.

Изменение функции химических синапсов в ходе ритмической активности.

В химических синапсах при их частой ритмической активности наблюдается два рода явлений: сначала некоторое облегчение (усиление), а затем депрессия (ослабление) передачи, т. е. рост, а затем падение амплитуды постсинаптических потенциалов (ПСП). Оба феномена в основном определяются изменениями в пресинаптическом механизме передачи.

Работа этого механизма, как уже отмечалось, состоит в выбросе некоторого количества квантов медиатора в ответ на нервный импульс. Кванты медиатора - это его более или менее стандартные порции, состоящие из нескольких тысяч молекул (в нервно-мышечном синапсе, например, из 10 000 молекул Ax). Каждая такая порция содержится в синаптической везикуле, и ее выброс, видимо, соответствует опорожнению в синаптическую щель одной везикулы, находящейся на стартовой позиции вблизи пресинаптической мембраны.

Количество квантов медиатора, высвобождающихся вслед за одним нервным импульсом (квантовый состав передачи), зависит от двух факторов: от средней вероятности (р) выброса каждого кванта, готового к высвобождению (т. е. находящегося на стартовой позиции), и от числа квантов на стартовых позициях (п). Количество выбрасываемых при одиночной передаче квантов медиатора т = рп. При стандартности амплитуды пресинаптического ПД и прочих равных условиях р зависит от наружной концентрации Са2+ в синаптическом районе.

При развитии ПД нервного окончания через открывающиеся потенциалозависимые кальциевые каналы в нервное окончание снаружи поступает некоторое количество Са2+. Это прямо показано в опыте на гигантском синапсе кальмара с помощью экворина (вещества светящихся медуз), реагирующего высвечиванием на малые дозы Ca2+. При введении экворина в пресинаптическую терминаль можно зарегистрировать свечение при каждой синаптической передаче. Поступление Са2+ необходимо для выброса квантов медиатора. При снижении [Ca2+] снижается и вероятность выброса. В бескальциевой среде р ? 0, выброс квантов медиатора в ответ на нервный импульс не происходит, однако ионофоретическая подача Са2+ к синапсу мгновенно восстанавливает передачу.

Начальный рост ПСП (облегчение) при ритмической активности, определяется ростом квантового состава и связано с увеличением р вследствие нарастания фоновой внутритерминальной концентрации Са2+. Это нарастание происходит благодаря тому, что при каждой передаче наружный Са2+ поступает в терминаль, и некоторое его количество (след) остается в рабочей зоне к моменту следующей передачи.

Феномен облегчения особенно отчетлив в синапсах с исходно низкой вероятностью выброса квантов, например в "резервных" синапсах мозга (и мышц). Облегчение передачи здесь может продолжаться и после частой ритмической активности (посттетаническое облегчение, или посттетаническая потенциация), причем довольно длительно (минуты).

Отчетливое облегчение в этих случаях связано с тем, что р исходно низка, т. е. далека от насыщения (ртах = 1), и с тем, что при низкой величине р запас готовых к высвобождению квантов (п) истощается мало, а значит, слаба депрессия, способная маскировать облегчение.

Депрессия передач (падение ПСП) связана с падением квантового состава. Она отчетливо выявляется при высоких величинах р, когда с каждой передачей изымается значительная часть (фракция) запаса п. При этом т прогрессивно снижается от передачи к передаче, однако не падает до нуля. Дело в том, что активность нервного окончания и идущее в нем истощение запаса квантов каким-то образом мобилизуют процесс восполнения запаса. В итоге достигается равновесие траты и восполнения п, внешне выражающееся в стабилизации квантового состава передачи на некотором уровне.

Явления облегчения и депрессии при ритмической передаче имеют особое развитие в некоторых синапсах ЦНС. Здесь они выступают как факторы синоптической пластичности, причем облегчение участвует в "проторении" новых путей (в сенситизации - повышении чувствительности к раздражителям при формировании временных связей), а депрессия участвует в развитии так называемой габитуации (см. разд. 3.15).

В экспериментах т (квантовый состав ПСП или передачи) определяют, деля среднюю амплитуду ПСП (ВПСП или ТПСП) на среднюю амплитуду спонтанных миниатюрных потенциалов в данном синапсе в данный момент времени, т. е. на среднюю величину постсинаптической электрической реакции, вызываемой одним квантом медиатора. Существуют и другие, более сложные методы оценки m, п и р.

Общая характеристика синаптических медиаторов. В предыдущих разделах были рассмотрены механизмы передачи возбуждающего и тормозного сигнала через некоторые химические синапсы. При этом основное внимание обращалось на электрические явления в этих синапсах. В данном разделе речь пойдет о химических характеристиках известных сегодня медиаторов, об их отношении к постсинаптическим "мишеням", об организации синтеза, хранения, выброса медиаторов из нервных окончаний, об удалении медиаторов из синаптической щели после осуществления передачи, а также веществах - специфических блокаторах различных химических синапсов.

Медиаторы, выявленные к настоящему времени у животных и человека, составляют довольно разнородную группу веществ. Это моноамины, ацетилхолин, дофамин, норадреналин, серотонин, гистамин; аминокислоты: ГАМК, глутамат (глутаминовая кислота), глицин, таурин и др. Все эти вещества содержат в молекуле положительно заряженный атом азота. Их структурные формулы показаны на рис. 1.41. К медиаторам относится хорошо известное макроергическое вещество - АТФ (аденозинтрифосфат). И наконец, большая группа веществ - нейропептидов, - по-видимому, также может быть отнесена к медиаторам (хотя некоторые из них играют скорее роль гормонов, "модуляторов" синаптической передачи, действующих через кровоток). Это вещество (субстанция) Р, метэнкефалин, лейэнкефалин, эндорфины, нейротензин, АКТГ (кортикотропин), ангиотензин, окситоцин, вазопрессин, вазоактивный интестинальный пептид, соматостатин, тиролиберин, бомбезин, холецистокининоподобный пептид, карнозин (табл. 1.4).

В мозгу позвоночных некоторые из этих пептидов участвуют в передаче информации о потребности организма в питье (ангиотензин), в половой активности (люлиберин). Субстанция Р играет роль медиатора, который используется в синапсах нейронов, передающих сигналы боли, а эндорфины и энкефалины - в синапсах нейронов, осуществляющих блокирование болевых импульсов.

Низкомолекулярные медиаторы синтезируются в пресинаптических нейронах и накапливаются в их везикулах. Синтез медиаторов происходит из соответствующих предшественников и требует энергии. Он протекает в перикарионе, откуда везикулы быстрым аксотоком перемещаются к нервным окончаниям. Однако в некоторых случаях (например, в нервно-мышечных синапсах и в синапсах электрических органов рыб) синтез Ах и его упаковка в везикулы идут отчасти в самих нервных окончаниях.

Рис. 1.41 Модели структурных формул основных медиаторов

Та блица 1.4

Некоторые известные и предполагаемые нейромедиаторы и нейромодуляторы

Вещество

Точки приложения

Действие

Статус

Ацетилхолин

Скелетные мышцы позвоночных; нервно-мышечное соединение

Возбуждающее

Уст.

Вегетативная нервная система:

преганглионарные симпатические нейроны;

пре- и постганглионарные парасимпатические нейроны

"

Возбуждающее или тормозное

" "

ЦНС позвоночных

Возбуждающее

"

Различные органы беспозвоночных

Разное

"

Норадреналин

Большинство постганглионарных симпатических нейронов; ЦНС

Возбуждающее или тормозное

"

Глутаминовая кислота

ЦНС

Возбуждающее

Возм.

ЦНС и ПНС ракообразных

"

Уст.

Аспарагиновая кислота

Сетчатка позвоночных

Возм.

у-Аминомасляная кислота (ГАМК)

ЦНС

Тормозное

Уст.

ЦНС и ПНС ракообразных

"

"

Серотонин (5-гидрокситриптамин)

ЦНС позвоночных и беспозвоночных

"

Дофамин

ЦНС

"

Октопамин

ЦНС насекомых

Возбуждающее модулирующее

"

Субстанция Р

ЦНС

Тормозное модулирующее

"

Различные пептиды

ЦНС позвоночных и беспозвоночных; кишечник

Разное

"

* Уст. - медиаторная функция установлена; Возм. - медиаторная функция предполагается.

Образование пептидов-медиаторов (модуляторов) происходит более сложным путем: сначала в пресинаптической клетке синтезируется полипептид - прогормон; затем из него через стадию гормона путем последовательного укорочения цепи аминокислот образуется активный пептид.

Для обозначения синапсов используют терминологию, указывающую на конкретный медиатор. Так, синапсы, в которых передача ("действие") осуществляется с помощью ацетилхолина, называются холинергическими. Таким же образом строятся и обозначения синапсов, действующих с помощью других медиаторов (норадренергические, ГАМК-ергические, серотонинергические и т. д.) (от греч. ergon - действие).

Выявление среди массы нервных элементов клеток определенного действия достаточно трудоемко. Относительно легко выявляются лишь нейроны, содержащие катехоламины (дофамин, норадреналин) и серотонин, которые при их обработке формальдегидом и глиоксиловой кислотой образуют продукты, флуоресцирующие в ультрафиолетовых лучах. Сложным процессом является и улавливание медиаторов в околоклеточной среде, так как их количества здесь невелики. Наиболее чувствительными, пригодными для этих целей пока остаются биологические методы тестирования (например, выявление в жидкостях ацетилхолина по реакции на него таких высокочувствительных мишеней, как гладкие мышцы легкого лягушки, сердце лягушки, спинная мышца пиявки).

Если нейрон использует классический медиатор, то только один, например, ацетилхолин. Это называют "принципом Дейла". На неклассические медиаторы (АТФ, пептиды и др.) этот принцип не распространяется. Один нейрон может одновременно вырабатывать ацетилхолин и пептид, норадреналин и АТФ и т. п.

Выброс всех медиаторов (секреция их квантов) из нервных окончаний соответствующих нейронов происходит под влиянием пресинаптического ПД при использовании внешнего Са2+ который входит в деполяризованную терминаль и действует с помощью белка - кальмодулина, фосфорилирующего мембранные белки в активной зоне синапса.

Молекулярные мишени медиаторов. Естественно, что большому количеству различных медиаторов соответствует большое количество постсинаптических рецепторов, которые называют соответственно ацетилхолинорецепторами, или просто холинорецепторами, адренорецепторами, серотонинорецепторами, ГАМК-рецепторами и т. д. Эти рецепторы представляют собой белковые или более сложные макромолекулы (гликопротеины, липопротеины), содержащие участки, которые комплементарны к соответствующим медиаторам и вместе с тем способны так или иначе контролировать состояние мембраны и субмембранных структур постсинаптической клетки.

Считается, что направленность (вектор) синаптического действия определяется не природой медиатора (возбуждающий или тормозящий), а характером рецептора. Выше уже было показано, что в холинорецепторах скелетной мышцы позвоночного при взаимодействии с Ах открывается катионный канал, пропускающий ионы Na+ в клетку. Это создает не только местную деполяризацию (ПКП), но и метаболические эффекты. Здесь же подключаются ионы Са2+, высвобождаемые из внутриклеточных депо и действующие на метаболические системы клетки через кальмодулин. Все это происходит в синапсе, где реализуется только возбуждение. Но сходная цепь событий имеет место в тормозящих синаптических образованиях. При взаимодействии ГАМК с ГАМК-рецепторами в этих рецепторах открываются каналы для ионов Сl-, что приводит к развитию ТПСП, а вероятно, и внутриклеточных процессов, контролируемых хлором.

Некоторые рецепторы медиаторов (в частности, адренорецепторы и рецепторы многих нейропептидов) связаны не с ионными каналами, а с мембранной макромолекулой, например ферментом аденилатциклазой. Молекула аденилатциклазы, однократно активируемая медиатором, катализирует превращение множества молекул цитозольного АТФ в цАМФ (усилительный механизм). цАМФ, диффундируя в клетку, активирует многие ферменты (их называют цАМФ-зависимыми), в частности протеинкиназы, и таким образом стимулирует клеточный метаболизм.

ЦАМФ называют вторичным посредником, или мессенджером, между пресинаптическим ПД и метаболическим ответом постсинаптической клетки: он разрушается ферментом фосфодиэстеразой.

В естественных условиях обнаруживается довольно сложное взаимодействие между системой Са2+-кальмодулин и аденилатциклазной системой. Например, показано, что Са2+ поступающий в нервную клетку (моллюска), через кальмодулин активирует фосфодиэстеразу и таким образом снижает уровень цАМФ в клетке. Но цАМФ необходим для поддержания открытого состояния Са2+ -каналов. Таким образом, снижение уровня цАМФ закрывает Са-каналы, прекращая поступление Са2+ в клетку (пример саморегуляции [Са2+вн).

Помимо рассмотренной аденилатциклазной системы описаны аналогичные ей гуанилатциклазная система, система фосфолипазы С и др.

Фермент гуанилатциклаза, активируясь под влиянием рецепторов некоторых медиаторов, катализирует превращение гуанозинтрифосфата (ГТФ) в циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ), играющий роль мессенджера, который передает сигнал от мембраны к внутриклеточным ферментам.

Мембранный фермент фосфолипаза С, активируемый под влиянием, например, так называемого М-холинорецептора (см. ниже), катализирует образование из мембранных липидов (фосфоглицеридов, фосфоинозитидов) диацилглицерола и инозитолтрифосфата (ИТФ). Эти вещества также являются мессенджерами, влияющими на клеточный метаболизм. Кроме того, ИТФ провоцирует выброс Са2+ из внутриклеточных депо и через это - открытие особых кальцийзависимых калиевых каналов в мембране постсинаптической клетки.

Постсинаптические (а также и найденные на некоторых нервных окончаниях пресинаптические) рецепторы высокочувствительны к соответствующим медиаторам. Например, холинорецепторы реагируют на появление Ах в концентрации 10-8 моль/л, хотя рабочая концентрация Ах в синаптической щели около холинорецептора достигает 10-4-10-2 моль/л. Однако чрезмерно длительное действие медиатора, в частности ацетилхолина, на соответствующие рецепторы приводит к снижению чувствительности этих рецепторов к медиатору, что называют десенситизацией рецепторов. Механизм десенситизации до сих пор не выяснен, но известно, что ее развитию способствует избыток в среде ионов Са2+.

Ранее предполагали, что каждому пресинаптическому медиатору соответствует специфическая реакция постсинаптической клетки - возбуждение или торможение в той или иной форме. Однако это не так: одному медиатору чаще всего соответствует не один, а множество различных рецепторов. Например, ацетилхолин в нервно-мышечных синапсах скелетных мышц у позвоночных действует на так называемые Н-холинорецепторы (чувствительные к никотину), которые открывают широкие каналы для Na+ (и К+), что порождает ВПСП (ПКП). В ваго-сердечных синапсах этот же ацетилхолин действует на М-холинорцепторы (чувствительные к мускарину), открывающие под его действием селективные каналы для К+ в связи с чем здесь генерируются ТПСП.

Показано, что в нервной системе моллюсков имеются холинорецепторы нескольких типов: открывающие каналы для Na+ (возбуждающие), открывающие каналы для К+ (тормозные) и открывающие каналы для Сl- (тормозные). По-видимому, возможны разные комбинации рецепторов и каналов (или иных рабочих механизмов мембраны, например аденилатциклазы, гуанилатциклазы и т. п.).

Таким образом, характер пресинаптического медиатора сам по себе не предопределяет характера постсинаптического эффекта. Последний задается свойствами постсинаптических механизмов, хотя у некоторых медиаторов (например, ГАМК) пока обнаружены лишь эффекты одного знака (тормозные).

Отработавшие в синапсе медиаторы подвергаются инактивации тем или иным путем. Ацетилхолин, например, разрушается (гидролизуется) ферментом ацетил-холинестеразой, которая присутствует в синаптической щели и встроена в постсинаптическую мембрану. Образовавшиеся при этом гидролизе физиологически неактивные холин и ацетат далее всасываются нервным окончанием. Норадреналин расщепляется моноаминоксидазой, а также катехолметил-0-трансферазой. Кроме того, в неизменном состоянии он подвергается обратному всасыванию.

Т а б л и ц а 1.5

Некоторые вещества, блокирующие синаптические функции

Синапсы,

Блокаторы секреции медиаторов

Блокаторы рецепторов медиаторов

Блокаторы систем, разрушающих медиаторы.

Примечания

Нервно-мышечный холинергический с Н-холинорецепторами

Ботулиновый токсин; Mg2+

D-тубокурарин (кураре), ?-бунгаротоксин

Эзерин, фосфорорганиче-ские соединения (ФОС)

-

Автономный (холинергический) с М-холинрецепторами

Тоже

Атропин

Тоже

Тормозящий синапс в ЦНС (глицинергический)

Mg2+

Стрихнин

Разрушение медиатора заменено обратным всасыванием

Тормозящий синапс (ГАМК-ергический)

Mg2+

Бикукулин, пикротоксин, пенициллин

Тоже

Для многих медиаторов (аминокислот, пептидов) обратное всасывание (обратный захват, "аптейк" (от англ. uptake - всасывание, впитывание)) является главным способом прекращения их действия.

Химические синапсы могут изменять свое состояние под влиянием некоторых гормонов, циркулирующих в крови, и веществ, высвобождаемых постсинаптическими клетками (обратная связь). Все эти вещества называют модуляторами синапсов. К локальным постсинаптическим модуляторам синаптической функции предположительно относят, например, простагландины (ненасыщенные оксикарболовые жирные кислоты), обладающие высокой физиологической активностью, но быстро инактивирующиеся и потому действующие локально. Простагландины, высвобождаемые из клеток, влияют на многие звенья синаптического процесса, например на секрецию медиатора, работу аденилатциклаз и т. д.

В настоящее время известно довольно много фармакологических веществ, способных модифицировать работу химических синапсов; среди них есть блокаторы нейросекреции, рецепторов, систем, разрушающих медиатор (табл. 1.5).

Существуют также специфические блокаторы хеморецепторных каналов. Многие из показанных в табл. 1.5 веществ используют в качестве лечебных средств (атропин, эзерин) или токсических агентов для борьбы с вредителями в сельском хозяйстве (ФОС). Кроме того, все эти вещества применяют в качестве "химических инструментов" при исследованиях синапсов. В частности, меченый змеиный яд - ?-бунгаротоксин - используют для выявления холинорецепторов, а также для выделения комплекса яд-холинорецептор из мембраны для последующего изучения изолированных холинорецепторов.

Трофические влияния, передаваемые через синапсы. Помимо передачи возбуждающих или тормозных сигналов, которые имеют функциональное значение, синапсы обеспечивают трофические (т. е. затрагивающие рост и дифференцировку) взаимодействия контактирующих клеток, реализуемые с помощью трофических факторов белковой природы (вероятно, аккумулируемых в "темных" везикулах).

Трофические факторы обеспечивают метаболическое поддержание необходимой структуры и свойств этих клеток. Двусторонние трофические взаимодействия предполагают во всех синапсах, но изучены главным образом ортодромные трофические влияния в нервно-мышечных синапсах позвоночных.

Наиболее отчетливые результаты в этом отношении получены на так называемых тонических нейромоторных единицах амфибий. У тонических единиц каждое мышечное волокно имеет множество холинергических синапсов от ветвей двух-трех малых (у) мотонейронов. Холинорецепторы у них сосредоточены в синаптических районах, а мышечная мембрана лишена электровозбудимости, в ней нет потенциалозависимых натриевых каналов, и, соответственно, не возникают проводящиеся ПД. Сокращения тонического волокна запускаются прямо от ВПСП, которые из-за множественности синапса электротонически действуют на все волокно.

Денервация тонических волокон (перерезка ?-аксонов) через некоторое время приводит к изменению их свойств. В денервированных волокнах холинорецепторы оккупируют всю поверхность их плазматической мембраны. Кроме того, в этой мембране появляются натриевые каналы, а следовательно, электровозбудимость. Последнее свидетельствует о том, что синтез макромолекул - натриевых каналов - здесь имеет место лишь при денервации. В нормальных условиях он репрессирован. Реиннервация (?-аксонами) восстанавливает исходные свойства тонических волокон.

Анализ трофических явлений с оценкой скорости развития процессов и применением блокаторов быстрого аксотока (колхицин, винбластин) привел к заключению, что трофические факторы, регулирующие синтез и распределение холинорецепторов по мышечной мембране, передаются из перикариона ?-мотонейрона с быстрым аксотоком, трофические факторы, запрещающие синтез натриевых каналов, - с медленным аксотоком.

Денервация приводит к изменению свойств скелетных мышечных волокон и у млекопитающих: к замедлению быстрых мышц и ускорению медленных, т. е. к потере дифференцировки, достигнутой в онтогенезе.

Эффекты денервации мышц в какой-то мере имитируются действием токсинов, нарушающих синаптическую передачу, - ботулинового и дифтерийного токсинов.

Известны косвенные данные и о существовании антидромных трофических влияний в нейромоторных синапсах (дегенерация мотонейронов при потере их связи с мышечными клетками). Таким образом, относительно медленные и мало заметные трофические влияния через синапсы, идущие параллельно с осуществлением сигнальных функций, важны для поддержания (и развития) структур контактирующих клеток, а значит, и для поддержания и развития нормальной сигнальной функции синапсов.

1.1.8. Нервные сети и основные законы их функционирования

Нервная система человека и животных может быть представлена как система нейронных цепочек, передающих возбуждающие и тормозные сигналы {нервная сеть).

Существуют значительные количественные различия нервных сетей у разных видов позвоночных и беспозвоночных. Так, у человека нервная система включает 1010 элементов, у примитивных позвоночных - около 104 нейронов (их нервная система называется малонейронной). Однако в строении и функционировании всех нервных систем имеются общие черты.

В нервной системе позвоночных и беспозвоночных можно выделить следующие категории нейронов: 1) чувствительные (сенсорные) нейроны, формирующие чувствительные нервные окончания - рецепторы; 2) двигательные, возбуждающие (а у беспозвоночных также и тормозящие) мускулатуру нейроны;

сюда же можно отнести нейроны, запускающие работу электрических органов (рыб) и желез; все эти нейроны называют эффекторными; 3) вставочные нейроны, передающие сигналы от сенсорных к эффекторным нервным клеткам.

Особую категорию составляют так называемые командные вставочные клетки, которые благодаря связям со множеством эффекторных нейронов запускают более или менее сложные поведенческие акты.

Все эти клетки наиболее подробно изучены в малонейронной нервной системе моллюсков (например, у аплизии). Там осуществлена идентификация многих крупных элементов, которые имеют стандартное положение в ганглиях и стандартные функции у всех особей. Предполагают, что такую же жесткую регламентацию структуры и свойств могут иметь и некоторые нейроны высших животных.

Во всех изученных нервных системах (сетях) обнаружены дивергенция путей, передающих те или иные сигналы; конвергенция путей, передающих информацию в высшие, а также в исполнительные центры; различные варианты тормозных связей между элементами нервных цепочек.

Дивергенция и конвергенция путей. Дивергенция пути - это контактирование одного нейрона со множеством нейронов более высоких порядков (рис. 1.42). Так, у позвоночных существует разделение аксона чувствительного нейрона, входящего в спинной мозг, на множество веточек (коллатералей), которые направляются к разным сегментам спинного мозга и в головной мозг, где происходит передача сигнала на вставочные и далее - на моторные нервные клетки.

Дивергенция пути сигнала наблюдается и у вставочных, например командных" клеток, а также выходных нервных клеток (мотонейронов и других эффекторных нейронов). Так, у человека большой мотонейрон (группы А) иннервирует, т. е. возбуждает десятки мышечных волокон (во внешних глазных мышцах) и даже тысячи (в мышцах конечностей).

Дивергенция пути обеспечивает расширение сферы действия сигнала. Это называют иррадиацией возбуждения (или торможения).

Рис. 1.42 Дивергенция (А) и конвергенция (Б) путей в нервной системе. Показано на примере сенсорных аксонов и нейронов ЦНС позвоночного; аналогичные отношения наблюдаются во всех типах нервной системы.

Конвергенция - это схождение многих нервных путей к одним и тем же нейронам (рис. 1.42).

Например, у позвоночных на каждом мотонейроне спинного мозга и ствола головного мозга образуют синаптические окончания тысячи сенсорных, а также возбуждающих и тормозных вставочных нейронов разных уровней. Мощная конвергенция обнаруживается и на нейронах ретикулярной формации ствола мозга, на многих корковых нейронах у позвоночных и, видимо, на командных нейронах.

Конвергенция многих нервных путей к одному нейрону делает этот нейрон интегратором, соответствующих сигналов. Его состояние, т. е. импульсация или "молчание" в каждый данный момент определяются алгебраическим сложением массы возбуждающих и тормозных входов, иными словами, интегралом всех его ВПСП и ТПСП. Такое сложение ПСП называют пространственной, или одновременной, суммацией. При этом нейрон-интегратор называют общим путем для конвергирующих на него нервных сигналов, а если речь идет о мотонейроне, т. е. конечном звене нервного пути к мускулатуре, говорят об общем конечном пути.

Наличие конвергенции множества путей, т. е. нервных цепочек, на одной группе мотонейронов лежит в основе феноменов пространственного облегчения и окклюзии.

Пространственное облегчение - это превышение эффекта одновременного действия двух относительно слабых афферентных возбуждающих входов в ЦНС над суммой их раздельных эффектов. Феномен объясняется суммацией ВПСП до КУД в группе мотонейронов, имеющих подпороговые ВПСП при раздельной активации входов.

Окклюзия - это явление, противоположное пространственному облегчению. Здесь два сильных (т. е. реализуемых большим числом элементов) афферентных входа вместе возбуждают группу мотонейронов, меньшую той, которая образуется при арифметическом сложении ответов групп мотонейронов, возбуждаемых от этих входов, когда они действуют порознь.

Причина окклюзии состоит в том, что эти афферентные входы в силу конвергенции отчасти адресуются к одним и тем же мотонейронам, и каждый может создать в них такое же сверхпороговое возбуждение, как и оба входа вместе.

Использование торможения в нервных сетях. Рассмотрим основные направления тормозных действий в нервных сетях: реципрокное торможение, возвратное торможение, латеральное торможение и прямое взаимное торможение.

Реципрокное торможение - это взаимное (сопряженное) торможение центров антагонистических рефлексов, обеспечивающее координацию этих рефлексов.

Классический пример реципрокного торможения - это торможение мотонейронов мышц-антагонистов у позвоночных (рис. 1.43). Торможение осуществляется с помощью специальных тормозных вставочных нейронов. При активации путей, возбуждающих, например, мотонейроны мышц-сгибателей, мотонейроны мышц-разгибателей тормозятся импульсами вставочных клеток.

Рис. 1.43 Реципрокное торможение в спинном мозгу позвоночных (А) и в нервной системе ракообразных (Б)

А - реципрокное торможение мотонейров мышцы-разгибателя (осуществляется с помощью тормозного интернейрона); Б - реципрокное торможение мышцы-открывателя клешни рака при раздражении, возбуждающем закрыватель клешни (торможение направлено не на мотонейрон, а прямо на мышцу); 1 - мышца-разгибатель, 2 - мотонейрон разгибателя, 3 - тормозный интернейрон, 4 - сенсорный нейрон, 5 - возбуждающий интернейрон, 6 - мотонейрон сгибателя, 7 - мышца-сгибатель, в - тормозный эффекторный нейрон, 9 - мышца-открыватель, 10 - мотонейрон.

Рис. 1.44 Возвратное (А), латеральное (Б) и прямое взаимное торможение (В)

А - в спинном мозгу позвоночных; Б - в сенсорном пути; В - предполагаемое у командных клеток (моллюсков); в, т. - возбуждающее и тормозное действие;

стрелками показано направление нервного импульса.

Рис. 1.45 Нервная цепочка, поддерживающая циркуляцию возбуждения (в) и постоянную выходную импульсацию

Начало активности цепочки задается возбуждающим афферентным синапсом (1), конец - утомлением или внешним тормозным влиянием (т).

Аналогичное по смыслу торможение, но направленное прямо на мышцы, наблюдается у ракообразных.

Возвратное торможение - это торможение нейронов собственными импульсами, поступающими по возвратным коллатералям к тормозным клеткам.

Возвратное постсинаптическое торможение хорошо изучено в мотонейронах спинного мозга позвоночных (рис. 1.44). Аксоны этих клеток отдают возвратные коллатерали в мозг к тормозным вставочным нейронам Реншоу, которые образуют синаптические контакты на соседних или на этих же мотонейронах. Торможение десинхронизирует деятельность отдельных ?-мотонейронов и обеспечивает ограничение их ритма разрядов, что важно для нормальной работы двигательного аппарата.

Характерно, что как и в мионевральном синапсе, в контакте на клетке Реншоу медиатором служит Ах. Важную роль выполняет возвратное торможение и в других нервных сетях.

Латеральное торможение - это торможение элементов соседних нервных цепочек в конкурирующих сенсорных каналах связи (рис. 1.44).

Латеральное торможение, видимо, также осуществляется с помощью тормозных вставочных клеток. Такое торможение четко показано у мечехвостов (класс морских членистоногих) в сенсорных цепочках, идущих от фасеточного глаза к ЦНС. Оно наблюдается у соседних элементов сетчатки позвоночных, а также в их зрительных, слуховых и других сенсорных центрах.

Во всех случаях латеральное торможение обеспечивает контраст, т. е. выделение существенных сигналов из фона.

Прямым взаимным торможением (рис. 1.44) можно назвать тормозное взаимодействие двух (или большего числа) командных нейронов, осуществляющееся без специальных вставочных клеток.

Такое торможение предполагается у командных клеток L-10 и интернейрона II у моллюска аплизии. Прямое взаимное торможение в паре клеток делает эту пару склонной функционировать по принципу "или - или". Иначе говоря, такая "метастабильная" сеть разрешает работу либо клетке L-10, либо клетке II в силу того, что активная клетка прямо тормозит конкурента, чем освобождает себя от торможения с его стороны.

Предполагают, что подобные отношения существуют и между командными нейронами мозга высших животных и человека, обеспечивающими поведенческие и эмоциональные установки по принципу доминанты (см. разд. 3.2.5).

Самовозбуждающиеся нервные цепи. Некоторые данные свидетельствуют о том, что в мозгу животных и человека существуют самовозбуждающиеся цепочки нейронов, т. е. такие замкнутые цепочки, в которых нейроны соединены синапсами возбуждающего действия (рис. 1.45). Возникнув в ответ на внешний сигнал, возбуждение в такой цепочке циркулирует, иначе говоря, реверберирует (от лат. reverberare - отраясать, отбрасывать), до тех пор, пока или какой-либо внешний тормоз не выключит одно из звеньев цепи, или в ней не наступит утомление. Выходные пути от такой цепочки (ответвляющиеся по коллатералям аксонов нервных клеток - участников цепи) во время, работы передают равномерный поток импульсов, создающий ту или иную настройку в нервных клетках-мишенях.

Таким образом, самовозбуждающаяся цепочка, пока она работает, как бы "помнит" тот краткий сигнал, который включил в ней циркуляцию (реверберацию) импульсов. Считают, что это возможный механизм (или один из механизмов) краткосрочной памяти.

1.1.9. Рефлексы и рефлекторные дуги

Рефлексом принято называть "машинообразный" ответ организма на какое-либо воздействие, который реализуется в форме последовательного возбуждения цепочки элементов, составляющих так называемую рефлекторную дугу. В рефлекторной дуге различают рецептор (сенсор), афферентный путь, центральное звено, эфферентный путь, эффектор (рабочий орган).

Пример рефлекса - отдергивание конечности при нанесении болевого раздражения. Такой ответ можно наблюдать в неосложненной форме у спинальной (декапитированной) лягушки. Рефлекторная дуга этого рефлекса включает рецепторы кожи, чувствительные нейроны (с телами, лежащими в спинальных ганглиях), вставочные нейроны, мотонейроны спинного мозга и иннервируемые ими мышцы-сгибатели (эффекторы).

Рефлекторную дугу для простоты изображают в виде цепочки одиночных элементов или ряда таких параллельных цепочек (рис. 1.46). Памятуя о наличии дивергенции и конвергенции в нервной системе, необходимо заметить, что такая рефлекторная дуга является искусственной, условно выделенной частью нервной системы (нервной сети). Однако это "выделение" целесообразно, так как оно помогает сосредоточить внимание на важнейших компонентах нервного механизма, реализующего данный ответ на внешнее воздействие.

Описано и изучено множество рефлексов у различных животных и человека. Все эти рефлексы по ряду моментов могут быть разделены на группы.

Рис. 1.46 Рефлекторные дуги кожного (А) и мышечного (коленного) (Б) рефлексов млекопитающих

А - трехнейронная, дисинаптическая дуга кожного рефлекса; Б - двухнейронная, моносинаптическая дуга коленного рефлекса: 1 - кожные рецепторы, 2 - мышечные веретена (рецепторы растяжения мышцы, реагирующие на удар по подколенному сухожилию).

Классификация рефлексов. Возможно разделение рефлексов по рецепторам. Различают рефлексы с рецепторов кожи - кожные, сетчатки глаз - зрительные, с рецепторов улитки - слуховые, с обонятельных рецепторов - обонятельные. Всю эту группу называют экстероцептивными рефлексами; рефлексы с рецепторов внутренних органов называют интероцептивными; рефлексы с рецепторов мышц, сухожилий и суставов - проприоцептивными.

Возможно разделение рефлексов по эффекторам. Различают рефлексы двигательные (реализуемые мышцами скелета), сердечные (проявляющиеся в изменениях работы мышцы сердца), сосудистые (проявляющиеся в изменении тонуса гладких мышц кровеносных сосудов), секреторные (реализуемые в развитии или изменении секреции желез) и т. п.

Возможно разделение рефлексов по локализации и характеру их центрального звена. Центральное звено - это та часть ЦНС, которая необходима и достаточна для данного рефлекса.

Приведенный выше пример рефлекса с кожи на мышцы сгибателя лапки лягушки реализуется спинным мозгом и называется спинномозговым (спинальным). Он имеет трехнейронную и, соответственно, дисинаптическую рефлекторную дугу (здесь считают только центральные синапсы). У некоторых рефлексов ствола головного мозга в дуге может быть четыре-пять нейронов (три и четыре центральных синапса соответственно). Все рефлексы, у которых число синапсов в ЦНС больше единицы, называют полисинаптическими.

Однако существуют и моносинаптические рефлексы, реализуемые двухнейронной рефлекторной дугой. Пример такого рефлекса - спинномозговой коленный рефлекс млекопитающих животных и человека. Этот рефлекс возникает при сильном ударе по сухожилию четырехглавой мышцы бедра под коленом. При этом прогибающееся сухожилие производит рывок (растяжение) мышцы, на что мышца отвечает кратким сокращением (быстрое и краткое разгибание в коленном суставе). Рефлекторная дуга этого рефлекса представлена рецепторами растяжения четырехглавой мышцы (чувствительные нервные окончания мышечных веретен), чувствительным путем - отростками клеток спинального ганглия, крупными мотонейронами спинного мозга с их аксонами и четырехглавой мышцей (см. рис. 1.46).

Надо отметить, что рецепторы растяжения, дающие начало этому рефлексу, расположены на так называемых внутриверетенных (интрафузальных) мышечных волокнах, причем на их средних, лишенных сократимости, но легко растяжимых частях, содержащих ядра (ядерных сумках). Вместе с тем эти же интрафузальные мышечные волокна на своих концах имеют моторную иннервацию из малых ?-мотонейронов. Импульсы ?-мотонейронов могут возбуждать и таким образом приводить в сокращенное состояние полярные зоны интрафузальных мышечных волокон, т. е. напрягать ядерную сумку и делать более чувствительными ее рецепторы. Таким образом, порог возникновения коленного рефлекса и его сила могут регулироваться влияниями из ЦНС через ?-мотонейроны.

При постоянном растяжении мышцы-разгибателя колена, например, под тяжестью тела, стремящейся согнуть колено, описанный рефлекс имеет тонический (т. е. постоянный) характер. При этом сокращение мышцы как бы разгружает рецептор растяжения, "включенный" параллельно, что снижает рефлекс. Но даже небольшое ослабление мышцы сразу же усиливает нагрузку на рецептор и возвращает необходимую силу рефлекса. Таким образом, в этом случае работает рефлекторное кольцо: рецептор > ЦНС > эффектор > рецептор > ... Подобные отношения в естественных условиях довольно часты.

"Укороченным" вариантом коленного рефлекса (и других рефлексов растяжения) является так называемый Н-рефлекс мышцы (аш-рефлекс), возникающий при пороговом одиночном электрическом раздражении ее проприоцептивных афферентных волокон (группа Ia). Так как эти волокна имеют более низкий порог раздражения, чем моторные (?), то реакция мышцы в этом случае определяется только моносинаптическим рефлексом, в рефлекторной дуге которого "обойдено" собственно рецепторное звено. Но если сила раздражения увеличивается и раздражение становится эффективным для ?-моторных волокон, то к Н-рефлексу примешивается более быстрый ответ мышцы на раздражение ее моторных нервных волокон. Так как рефлекторная дуга коленного рефлекса начинается и заканчивается в одной и той же мышце, этот рефлекс называют собственным рефлексом мышцы (миостатическим рефлексом). Все рефлексы, кроме того, разделяются по их биологической значимости: на оборонительные, или защитные (пример - отдергивание конечности при болевом раздражении); пищедобывательные и пищеварительные; сексуальные; родительские и исследовательские. Простейший пример исследовательского (ориентировочного) рефлекса - поворот головы и ушей животного к источнику нового звука.

Наконец, рефлексы разделяются на врожденные (безусловные) и приобретенные (условные). Последние возникают в процессе обучения в результате формирования новых рефлекторных дуг на основе временных связей между нервными клетками (см. гл. 3).

Общие свойства рефлексов. Проведение сигнала по классической рефлекторной дуге, например, защитного кожного или собственного рефлекса мышцы осуществляется в одну сторону (от рецептора к центру, а от центра к эффектору), что задается свойствами химических синапсов, хотя и не исключены противоположно направленные сигналы по возвратным коллатералям, а также управляющие импульсы из ЦНС к рецепторам.

На развитие рефлекса затрачивается некоторое время, называемое латентным периодом рефлекса, или временем рефлекса. Время рефлекса (tреф) складывается из ряда моментов: из латентного периода возбуждения рецептора (tрец), времени проведения ПД по афферентному пути (tаф)" центрального времени (tц), времени проведения ПД по эфферентному пути (tэф) и латентного периода ответа эффектора, например мышцы (tм):

tреф = tрец + tаф + tэф + tц + tм

В моносинаптических рефлексах типа коленного у человека tpеф измеряется долями секунды, большую часть tреф здесь составляют tаф , tэф и tм. В этих рефлексах tц не превышает 1,2 мс и в основном определяется синаптической задержкой (0,7 мс), так как при одновременной активации массы рецепторов и затем афферентов ВПСП в мотонейронах имеют сверхпороговую величину.

В полисинаптических рефлексах типа защитных при раздражении кожи время рефлекса больше. При умеренных раздражениях оно может измеряться секундами. Однако это замедление ответа определяется не столько числом синапсов в рефлекторной дуге, сколько тем, что при умеренных раздражениях кожи активируется небольшое число рецепторов, и их импульсы поначалу вызывают лишь пороговые ВПСП в соответствующих вставочных нейронах спинного мозга. При этом требуется некоторое время на то, чтобы в результате суммации последовательных ВПСП здесь был достигнут порог генерации ПД.

Рис. 1.47 Последействие спинномозгового рефлекса и один из механизмов этого феномена

а - стимул, например, электрический удар по рецепторам кожи (указан стрелкой), б - синхронный одиночный залп афферентных импульсов, в - типичный ответ интернейронов (длительный ВПСП, серия ПД), порождающий соответствующую реакцию мотонейронов, г - механический ответ мышцы с последействием.

Следует иметь в виду, что при одиночном раздражении одного рецептора кожи или мышцы и, соответственно, одного афферентного нейрона спинномозговой рефлекс, как правило, отсутствует. Известно, что синапс от одного афферентного волокна Iа (унитарный афферентный вход) на спинномозговом мотонейроне у позвоночных имеет низкий квантовый состав и, значит, ВПСП при этом является подпороговым.

Таким образом, для реализации спинномозгового рефлекса необходимы либо одновременное раздражение многих рецепторов, обеспечивающее пространственную суммацию ВПСП от конвергирующих входов (как при коленном рефлексе), либо, если раздражаемая группа рецепторов мала, длительное раздражение, обеспечивающее суммацию последовательных ВПСП (как в случае рефлекса с рецептора кожи).

При этом важно следующее правило: при равных афферентных входах (потоках возбуждающих сенсорных сигналов) возбудимость у мелких мотонейронов выше, чем у крупных. Это объясняется тем, что чем мельче мотонейрон, тем выше его входное сопротивление электрическому току и тем больше амплитуда ВПСП, порождаемого током активируемых постсинаптических рецепторов. По той же причине при постепенном усилении афферентного потока активизируются сначала мелкие, а затем крупные мотонейроны. Тормозные входы, наоборот, более эффективны в крупных мотонейронах, так как относительно слабые ВПСП легче шунтируются активным тормозным входом.

В высших отделах мозга, связанных с формированием ощущения, даже единичные активации одиночных кожных рецепторов, не вызывающие спинальных рефлексов, могут быть восприняты. Это объясняется, видимо, тем, что у восходящих коллатералей сенсорных нейронов терминали имеют более высокий квантовый состав передачи, а вставочные нейроны восходящих путей мелки, обнаруживают большой и длительный ВПСП, который порождает не одиночный ПД, а целую серию ПД, направляемых в высшие инстанции.

При усилении раздражения рецепторов кожи время защитного сгибательного рефлекса укорачивается. Это происходит из-за роста частоты сигналов (последовательной суммации) и увеличения числа активных рецепторов (пространственной суммации в центрах).

В случае условных рефлексов, реализуемых с участием высших центров, их время может быть удлинено (и сильно!) за счет срабатывания специального тормозного механизма в центрах (см. разд. 3.14.4).

В центральной части рефлекторной дуги ритм входных (афферентных) сигналов, как правило, трансформируется в иной ритм выходных сигналов. Это связано и с феноменами последовательной суммации ПСП, и с другими причинами, например с явлениями возвратного торможения мотонейронов через клетки Реншоу у позвоночных.

Рис. 1.48 Постактивационная (посттетаническая) потенциация в моносинаптической дуге спинного мозга позвоночного

А - схема опыта, Б - рефлекторные синхронные разряды мотонейронов (составные ПД вентрального корешка) в ответ на редкие раздражения дорсального корешка. Амплитуда этого ПД пропорциональна числу активируемых мотонейронов. После частого раздражения - тетанизации (начало и конец обозначены стрелками) - амплитуда ответов на продолжающиеся редкие раздражения значительное время резко повышена.

Сила рефлекторного ответа в конечном счете определяется числом активированных эффекторных нейронов (например, мотонейронов) и частотой их сигналов.

Сила рефлекса, как правило, растет с усилением раздражения рецепторов. Пределом этого роста является вовлечение в ответ мотонейронов в максимальном ритме, хотя предел обычно не достигается в связи с подключением других рецепторов (болевых) и возникновением тормозных влияний.

Полисинаптическим рефлексам свойственно последействие (рис. 1.47), т. е. продолжение ответа некоторое время после того, как внешнее раздражение прекращено. Последействие не связано с продолжающейся импульсацией рецепторов, так как оно возникает и при кратком электрическом раздражении центральных концов перерезанных афферентных волокон.

В основе последействия полисинаптического рефлекса лежат следующие причины: большая длительность ВПСП вставочных нейронов, порождающих не одиночный ПД, а их серию, которая растягивается на десятки и сотни миллисекунд, и дисперсия во времени сигналов, проходящих по параллельным цепочкам нейронов разной сложности и с разными скоростями срабатывания.

В случае очень длительных последействий у рефлексов высшего порядка, например у ориентировочных рефлексов на звуки с задержкой животного в позе прислушивания на секунды и минуты, можно в качестве причины такого последействия предполагать и циркуляцию импульсов в замкнутых нейронных цепях. У моносинаптических рефлексов последействия, как правило, нет. Это определяется и свойствами мотонейронов, и наличием их возвратного торможения.

Многие рефлекторные центры обладают свойством постактивационной потенциации, т. е. усиления ответов на одиночные тестирующие сенсорные сигналы в течение некоторого времени после окончания ритмической активности.

Этот феномен выявляется и в моносинаптической дуге коленного рефлекса у млекопитающих, особенно после длительного "отдыха" системы (рис. 1.48). Причина этой постактивационной (или, что то же, посттетанической) потенциации, длящейся несколько минут, лежит в синаптическом облегчении, видимо, отражающем накопление остаточного Са2+ в пресинаптических терминалях при ритмической активности. Гораздо более длительная постактивационная потенциация наблюдается в синапсах гиппокампа, где она, видимо, имеет более сложный механизм (см. разд. 3.8.1).

В центрах рефлексов может наблюдаться феномен габитуации - ослабления реакции, "привыкания" к раздражителю. Это может быть связано с уже рассмотренной выше синаптической депрессией.

В заключение необходимо указать, что центральным звеньям рефлекторных дуг, как правило, свойственна меньшая надежность функции, чем нервным проводникам. Рефлекторные центры более, нежели проводники, страдают от действия различных неблагоприятных факторов, в частности гипоксии и многих фармакологических агентов, например наркотиков. Особенно ранимы в этом отношении центры полисинаптических рефлексов. Это определяется свойствами синаптических аппаратов вставочных нейронов.

У высших млекопитающих (в том числе человека) ЦНС использует около 2% всего потребляемого организмом О2. Прекращение подачи О2 в мозг (при остановке кровотока и других расстройствах) на 10 с приводит у человека к потере сознания, а 4-6-минутная глубокая гипоксия (нехватка O2) вызывает гибель многих нейронов мозга.

Особая химическая "ранимость" клеток мозга объясняет существование специального защитного барьера между кровью и межклеточной жидкостью мозга - гематоэнцефалического барьера.

Этот барьер, сформированный главным образом относительно проницаемой стенкой мозговых капилляров, пропускает воду, ионы, глюкозу и аминокислоты, задерживая многие физиологически активные вещества (см. разд. 3.27). Однако в нем существуют особые участки, где хеморецепторы мозга получают прямую информацию о наличии в крови гормонов и других не проникающих через барьер веществ.

У беспозвоночных нервные ганглии также снабжены оболочками, выполняющими барьерные функции.

1.1.10. Элементы эволюции нервной системы

Предполагают, что исходной формой нервной системы всех животных была диффузная. Из этой формы в ходе эволюции вторичноротых сформировалась "спинная" трубчатая нервная система - спинной и головной мозг, а в ходе эволюции первичноротых, например, насекомых, - узловая - брюшная нервная цепочка с окологлоточным нервным кольцом (головным мозгом этих животных).

Основными направлениями эволюционного развития всех нервных систем, видимо, были централизация элементов, цефализация (развитие головного мозга, головных ганглиев) и общее увеличение числа нейронов и их синаптических связей.

По-видимому, параллельно с такой эволюцией структуры нервной системы шла дифференциация самих нервных элементов - формирование униполярных и мультиполярных нейронов из "недифференцированных" веретенообразных нервных клеток (сформировавшихся ранее из миоэпителиальных элементов).

Важное направление в эволюции нервных элементов - миелинизация нервных волокон у позвоночных и формирование гигантских нервных проводников у некоторых беспозвоночных (например, головоногих моллюсков). Эти изменения (особенно миелинизация) существенно повысили скорость нервной сигнализации. Вместе с тем молекулярные механизмы нервной системы - ионные каналы, медиаторы и их рецепторы, - как сейчас считают, были сформированы на каких-то более ранних стадиях филогенеза (возможно, на "донервных" стадиях), так как они практически не различаются у животных разного уровня развития.

В онтогенезе у позвоночных их нервная система развивается из эктодермы (дорсальной мозговой пластинки, формирующей нервную трубку). В онтогенезе у беспозвоночных нервная система развивается из эктодермы и энтодермы. Клетки-предшественники нейронов называются нейробластами. Их созревание связано с ростом отростков и установлением синаптических связей. При этом отростки находят соответствующие мишени путем хемотаксиса с помощью специальных вытянутых глиальных клеток, играющих роль направляющих структур.

Клетки-предшественники глии (глионов) называются спонгиобластами. Сформированные (зрелые) нейроны утрачивают способность к размножению; у большинства же глионов, напротив, эта способность остается. В нервной системе стареющих животных и человека наблюдается гибель части нейронов и усиленное размножение глиальных элементов. Однако неясно, является ли нарушение нейроглиального соотношения компенсаторным процессом или вариантом патологии.

1.2. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ МЫШЦ

Мышцы у всех высших животных являются важнейшими исполнительными (рабочими) органами - эффекторами. У позвоночных различают поперечнополосатые и гладкие мышцы (рис. 1.49).

Поперечнополосатые мышцы формируют двигательные аппараты скелета, глазодвигательный, жевательный и некоторые другие важные двигательные аппараты. К поперечнополосатым относится и мышца сердца. Поперечнополосатые мышцы человека и позвоночных животных (за исключением сердечной) полностью контролируются ЦНС, они лишены автоматизма, т. е. не способны работать без "приказа" из ЦНС. Их называют произвольной мускулатурой, имея в виду их подчинение воле у человека.

Гладкие мышцы позвоночных обслуживают внутренние органы. Они слабо контролируются ЦНС, обладают автоматизмом и собственной интрамуральной, или метасимпатической, нервной сетью, в значительной степени обеспечивающей их самоуправление. Гладкую мускулатуру (а также мышцу сердца) иногда называют непроизвольной, имея в виду ее неподчинение волевому контролю у человека.

У беспозвоночных животных также имеются поперечнополосатые и гладкие мышцы, но их свойства и отношения с ЦНС несколько иные.

Здесь более подробно будут рассмотрены свойства поперечнополосатых мышц скелета позвоночных, как наиболее изученного объекта; менее подробно - свойства сердечной и гладких мышц позвоночных, а также некоторых типов мышц беспозвоночных животных. Подробное описание последних приводится в специальных курсах сравнительной физиологии для университетов.

Рис. 1.49 Схема строения основных групп мышц у позвоночных животных

А - поперечнополосатые мышцы, состоящие из многоядерных клеток цилиндрической формы; В - сердечная мышца, клетки которой соединены между собой конец в конец с образованием щелевых контактов, позволяющих электрическому току поступать от одной клетки к другой; В - гладкая мышца, состоящая из клеток небольшого размера, веретенообразной формы, имеющих по одному ядру. Клетки соединены между собой поверхностями через щелевые контакты, образуя электрически объединенные группы. Иннервация их диффузная и осуществляется за счет высвобождения медиатора из расположенных вдоль расширений автономного нервного волокна. 1 - двигательная концевая пластинка, 2 - электрические соединения, 3 - расширения по ходу нерва.

1.2.1. Структура и иннервация поперечнополосатых мышц позвоночных животных

Поперечнополосатые мышцы скелета позвоночных состоят из множества отдельных мышечных волокон, которые расположены в общем соединительнотканном футляре и крепятся к сухожилиям, связанным со скелетом. В некоторых мышцах все волокна параллельны длинной оси мышцы - параллельно-волокнистый тип. В других мышцах они расположены косо, прикрепляясь с одной стороны к центральному сухожильному тяжу, с другой - к наружному сухожильному футляру. Такое строение на продольном срезе напоминает перо птицы - перистый тип (рис. 1.50).

Сила мышцы при прочих равных условиях пропорциональна числу волокон, иначе площади так называемого физиологического поперечного сечения мышцы, т. е. площади поверхности, пересекающей действующие мышечные волокна (конечно, с учетом снижения тяги при "косом" приложении силы). Каждое волокно скелетной мышцы - это тонкое (диаметром от 10 до 100 мкм),

Рис. 1.50 Архитектура параллельно-волокнистой (А) и перистой (Б) мышц

А - направление тяги волокон совпадает с длинной осью мышцы; Б - волокна идут под острым углом к длиннику мышцы.

вытянутое на значительную длину (до 2-3 см) многоядерное образование - симпласт, - возникающее в раннем онтогенезе из слияния клеток-миобластов.

Основной особенностью мышечного волокна является наличие в протоплазме (саркоплазме) массы тонких (диаметром порядка 1 мкм) нитей - миофибрилл, расположенных вдоль длинной оси волокна. Миофибриллы состоят из чередующихся светлых и темных участков - дисков, причем в массе соседних миофибрилл у поперечнополосатых волокон одноименные диски расположены на одном уровне (поперечном сечении). Последнее придает регулярную поперечную исчерченность (полосатость) всему мышечному волокну.

Комплекс из одного темного и двух прилежащих к нему половин светлых дисков, ограниченный тонкими Z-линиями (рис. 1.51), называют саркомером. Миофибриллы, точнее - их саркомеры, - это сократительный аппарат, мотор мышечного волокна.

Мембрана мышечного волокна - плазмалемма - сходна с нервной мембраной. Ее особенность состоит лишь в том, что она дает регулярные Т-образные впячивания (трубки диаметром 50 нм) приблизительно на границах саркомеров (у лягушек - на уровне Z-линии, у млекопитающих - на уровне границы А- и J-дисков). Впячивания плазмалеммы увеличивают ее площадь, а значит, общую электрическую емкость (См).

Внутри мышечного волокна между пучками миофибрилл параллельно плазмалемме располагаются системы трубочек так называемого саркоплазматического ретикулума (сети) (рис. 1.52). Каждая такая система трубочек- это

Рис. 1.51 Строение скелетного мышечного волокна позвоночных животных (объяснения в тексте)

Рис. 1.52 Саркоплазматический ретикулум и Т-система

1 - миофибриллы; 2 - поперечная трубочка; 3 - гликогеновые гранулы; 4 - продольные цистерны саркоплазматического ретикулума; 5 - наружные ("концевые") цистерны саркоплазматического ретикулума.

разветвленная, но замкнутая система, тесно прилегающая к миофибриллам и примыкающая своими слепыми концами (концевыми цистернами) к Т-образным впячиваниям плазмалеммы (Т-системе).

Т-система и саркоплазматический ретикулум - это аппараты, обеспечивающие передачу сигналов (возбуждения) с плазмалеммы на сократительный аппарат миофибрилл.

Иннервация поперечнополосатых мышечных волокон позвоночных осуществляется мотонейронами спинного мозга или мозгового ствола (рис. 1.53). Один мотонейрон коллатералями своего аксона иннервирует несколько мышечных волокон.

Комплекс, включающий один мотонейрон и иннервируемые мышечные волокна, называют двигательной, или нейромоторной, единицей (ДЕ или НМЕ).

Среднее число мышечных волокон, иннервируемых одним мотонейроном, характеризует среднюю величину ДЕ мышцы. Обратная ей величина называется плотностью иннервации.

Плотность иннервации велика (ДЕ мала) в мышцах, приспособленных, для "тонких" движений (мышцы пальцев, языка, наружные мышцы глаз). Наоборот, в мышцах, осуществляющих "грубые" движения (например, мышцах туловища), плотность иннервации мала (ДЕ велика).

Различают одиночный и множественный типы иннервации мышечных волокон. Чаще встречается одиночный тип иннервации, осуществляемый более или менее компактными моторными окончаниями (синапсами в виде кустика

Рис. 1.53 Мышечное волокно позвоночного животного А - мышечное веретено и сухожильный орган; В - детали строения мышечного веретена. Стрелками показано направление передачи нервных импульсов. 1 - нерв, 2 - мышца (экстрафузальные волокна), 3 - несократимый участок мышечного веретена, 4 - мышечное веретено, 5 - сухожилие, в - аннулоспиральные нервные окончания, 7 - капсула, заполненная лимфой, 8- интрафузальное мышечное волокно, 9- сократимый участок мышечного веретена, 10- сухожильный орган, 11 - сенсорный нейрон, отходящий от среднего участка веретена, 12- несократимый средний участок веретена, 13 - двигательное волокно, подходящее к сократимому концу мышечного веретена.

или "подошвы"). Обычно они формируются аксонами крупных мотонейронов. Мышечные волокна, имеющие такую моторную иннервацию, в ответ на нервные импульсы генерируют ПД, распространяющиеся по волокну. Их часто называют фазными и быстрыми, так как они производят быстрые сокращения.

Множественный тип иннервации волокон представлен в скелетной мускулатуре амфибий, а также во внешних глазных мышцах млекопитающих, где имеются также и одиночно иннервированные волокна. На каждом мышечном волокне при множественной иннервации располагается много моторных синапсов от одного или нескольких малых мотонейронов. Такие мышечные волокна (по функции тонические) реагируют на нервные импульсы только локальными постсинаптическими потенциалами (ПСП) - деполяризациями. Потенциалы действия в них не генерируются из-за отсутствия в их мембране потенциалозависимых Nа-каналов. Вместе с тем у этих волокон очень велико входное сопротивление, что обеспечивает и большую величину ВПСП, и электротоническое распространение деполяризации из синаптических районов по всему волокну, необходимое для повсеместного запуска сократительного акта. Сократительный акт здесь более медленный, чем в волокнах с одиночной иннервацией, поэтому такие волокна часто называют медленными.

Нервное волокно реагирует на раздражение по правилу "все или ничего", т. е. отвечает на все надпороговые раздражения стандартным ПД и не отвечает потенциалом действия на подпороговые раздражения. В силу этого обстоятельства и любая нейромоторная единица реагирует на раздражение одного ее нейро-аксона по правилу "все или ничего", т. е. отвечает стандартной электрической реакцией (ПД фазных мышечных волокон, ПСП медленных тонических мышечных волокон) и стандартным сокращением на сверхпороговые раздражения и не отвечает на подпороговые стимулы. Но электрическое раздражение нервного ствола (иннервирующего мышцу) самой скелетной мышцы в зависимости от силы стимулов вызывает мышечные реакции разной силы, что связано с разным количеством активируемых ДЕ или мышечных волокон. Более сильные стимулы активируют большее количество ДЕ (.или мышечных волокон).

Функциональная дифференцировка двигательных единиц позвоночных. В разных мышцах и даже в пределах одной мышцы у человека составляющие ее ДЕ могут отличаться друг от друга своим строением, обменом веществ и функциональными особенностями. Прежде всего ДЕ отличаются размерами: объемом сомы мотонейрона, толщиной его аксона и числом входящих в состав мышечных волокон. Большая ДЕ включает крупный ?-мотонейрон с толстым аксоном, образующим значительное число концевых веточек в мышце, иннервирующих большое количество мышечных волокон. Скорость проведения по аксону находится в прямой связи с его диаметром (см. 1.1.4). У малых мотонейронов скорость проведения ПД и частота импульсации меньше.

По функциональным характеристикам ДЕ разделяют на быстрые и медленные. Отмечается тесная корреляция между свойствами мотонейронов и иннервируемыми ими мышечными волокнами. Чем меньше тело мотонейрона, тем большим входным сопротивлением он обладает, тем выше его возбудимость и вовлекаемость в рефлекторные акты, и наоборот (принцип размерности Хеннемана). Медленные мотонейроны, как правило, низкопороговые, высоковозбудимые, т. к. это малые мотонейроны. Уже при реализации очень слабых статических сокращений мышц у медленных мотонейронов обнаружиается устойчивый уровень импульсации. По мере увеличения силы мышечного сокращения частота разрядов этих клеток меняется незначительно. Их называют малоутомляемыми, или неутомляемыми, мотонейронами, поскольку они способны поддерживать длительный разряд без заметного снижения частоты на протяжении длительных отрезков времени.

Соответственно, медленные мышечные волокна способны к выполнению длительной работы преимущественно аэробного характера. Они окружены богатой капиллярной сетью, позволяющей им получать обильное снабжение кислородом из крови. Повышенное содержание миоглобина, обусловливающего красный цвет этих волокон, облегчает транспорт кислорода внутри мышечных клеток к митохондриям. Их также много. Все эти факторы обусловливают использование медленными мышечными волокнами более эффективного аэробного окислительного пути энергопродукции и определяют их высокую выносливость.

Быстрые высокопороговые мотонейроны включаются в активность для обеспечения динамических и относительно больших по силе статических сокращений мышц, а также в начале любого сократительного процесса, чтобы увеличить скорость нарастания напряжения мышцы ("градиент силы"). Чем больше сила и скорость движений, тем значительнее участие быстрых ДЕ. Они относятся к утомляемым, т. к. не способны к длительному поддержанию относительно высокочастотного разряда.

Входящие в состав быстрых ДЕ мышечные волокна более толстые, содержат больше миофибрилл, обладают большей силой, чем медленные волокна. В них снижено содержание митохондрий, миоглобина и жиров, ниже активность окислительных ферментов, около них меньше сеть капилляров. Волокна этого типа (их еще называют белыми) обладают запасами гликогена, активность гликолитических ферментов в них высокая. Не обладая большой выносливостью, эти волокна более приспособлены для сильных, но относительно кратковременных сокращений, для выполнения работ большой мощности.

1.2.2. Механизм мышечного возбуждения

В поперечнополосатых волокнах скелетных мышц, как и в нервных волокнах, мембранный потенциал покоя (МПП) определяется электрохимическим градиентом ионов K+. Именно последний является причиной пассивного перемещения ионов К+ через мембрану. Но здесь в мышце проницаемость мембраны для ионов калия - PК примерно равна проницаемости для ионов хлора - PCl. Концентрационные градиенты К+ и С1 - выравниваются так, что

МПП = ЕК = 58 lg[K+]нар/(К+)вн ЕCl= 58 lg (Cl-)вн(Сl-)нар

Эта ситуация соответствует равновесию Доннана. В такой системе с двумя потенциалобразующими ионами изменение градиента для одного из них не приводит к ожидаемому изменению МПП до тех пор, пока не произойдет соответствующего изменения градиента у другого иона. Например, рост концентрации К+нар не снижает МПП до ожидаемого значения, пока градиент Сl- не упадет за счет его вхождения в волокно.

Ионный механизм ПД в фазных мышечных волокнах аналогичен тому, который описан для нервного волокна. Развитие ПД связано с входящим натриевым током, реполяризация - с выходящим калиевым током.

Однако силы токов здесь существенно больше, что соответствует большей величине емкости мембраны, разряжаемой и заряжаемой в процессе развития и компенсации ПД. Большей длительности ПД у фазных волокон соответствует и значительная продолжительность рефракторных фаз. С этим связана меньшая, чем у нервных волокон, лабильность. При длительности ПД в 2 мс и средней скорости распространения 3 мм/мс протяженность возбужденного участка на мембране волокна достигает б мм. Заметим, что у "тонических мышечных волокон", лишенных способности генерировать ПД, ПСП при малых интервалах между вызывающими их нервными импульсами способны суммироваться.

Суммарная электрическая активность скелетных мышц позвоночных формируется из электрических сигналов разнорасположенных в мышце волокон. В мышцах, состоящих из одиночно иннервированных фазных волокон (например, в портняжной мышце лягушки, в большинстве скелетных мышц млекопитающих) в электромиограмме (ЭМГ), снимаемой биполярно с помощью вкалываемых игольчатых электродов или электродов, накладываемых на кожу над мышцей, преобладают быстрые колебания двухфазной, реже многофазной формы. У здорового человека в покое, в расслабленной, незадействованной в поддержании тонуса мышце электрическая активность слаба. При небольшом напряжении, например, при поддержании позы, ДЕ совершенно асинхронно разряжаются с небольшой частотой (5-10 импульсов в секунду). Поэтому колебания в суммарной ЭМГ невелики, но относительно часты. Если, как это бывает при больших мышечных усилиях, активность единиц учащается (частота разрядов ДЕ повышается в среднем до 20-30 имп/с), но при этом синхронизируется, то суммарная частота колебаний в ЭМГ может существенно и не измениться или даже упасть, но амплитуда их возрастает. Этот рост амплитуды волн ЭМГ имеет те же причины, что и рост амплитуды составного ПД нерва при увеличении числа синхронно активных волокон (см. разд. 1.1.4). Суммарные, интерференционные ЭМГ, представляющие собой разноамплитудный частокол разрядов, анализируются по градациям амплитуды и частоты импульсов. При этом учитывается, что существует примерно линейная зависимость между амплитудой колебаний ЭМГ и развиваемой мышцей силой, ее функциональным состоянием. Регистрацию и анализ ЭМГ человека широко используют в физиологии труда и спорта, а также в невропатологии.

Помимо суммарных отведении применяют регистрацию ПД отдельных ДЕ с помощью вкалываемого в мышцу "концентрического" электрода с малой отводящей поверхностью (проволочка в игле для инъекций). Удается их отводить и накожными электродами. Сигналы ДЕ при этом имеют форму двух- или трехфазных колебаний стандартной амплитуды. Количество работающих ДЕ, характер их деятельности легко дискриминировать по амплитуде их разрядов.

При детальном анализе разрядов ДЕ показано, что они состоят из сложного паттерна (от англ. pattern - узор, рисунок), более частого вначале и затем постепенно урежающегося. Передняя

Рис. 1.54 Суммарные электромиограммы фазной (Б) и фазно-тонической (Г) мышц А, В - схемы регистрации электромиограмм: 1 - фазное волокно, 2 - тоническое волокно; объяснение см. в тексте.

часть разряда запускает сократительную реакцию мышечных волокон, затем данная ДЕ выключается, но зато включаются другие клетки в пуле (от англ. pool- совокупность, обьединение) ?-мотонейронов спинного мозга.

В тонических волокнах скелетных мышц амфибий и глазодвигательных мышц млекопитающих, имеющих полисинаптическую иннервацию, как уже отмечалось, ПКП (иначе ПСП) не порождают ПД. В суммарной ЭМГ мышцы, содержащей значительный процент тонических волокон, наблюдаются относительно медленные волны однофазной формы (той или иной амплитуды и полярности), следующие в разных ритмах, которые порождаются ПСП многочисленных синапсов (рис. 1.54).

1.2.3. Передача сигнала с плазмалеммы на сократительный аппарат миофибрилл

Сократительный аппарат скелетно-мышечного волокна приводится в активное состояние ионами Са2+.

Искусственное введение Са2+ в волокно тоже вызывает его сокращение. В покое концентрация ионов Са2+ в миоплазме весьма низка (10-8 моль/л), она значительно ниже порога для запуска сокращения (10-6 моль/л). В неповрежденное мышечное волокно этого типа даже при возбуждении внешний Са2+ входит в очень небольших количествах. Поэтому запуск сокращения здесь осуществляется за счет выброса Са2+ из его внутриклеточного депо - саркоплазматического ретикулума. Концентрация Са2+ в нем достигает 10-4 моль/л.

То, что при возбуждении мышечных волокон в их миоплазме резко возрастает концентрация Са2+, демонстрируют опыты с экворином (белком светящихся медуз, реагирующим на Са2+ свечением). Если экворин введен в миоплазму волокна, то при каждом возбуждении (сокращении) регистрируется вспышка свечения (рис. 1.55). Выброс Са2+ из саркоплазматического ретикулума в миоплазму, а за ним и длительное сокращение (контрактура) могут быть провоцированы некоторыми фармакологическими агентами, например кофеином.

Проницаемость мембраны саркоплазматического ретикулума для Са2+ в покое мала, а утечка Са2+ компенсируется постоянной работой кальциевого насоса саркоплазматического ретикулума и, по-видимому, задерживается электрической поляризацией его мембраны. Выход Са2+ по концентрационному градиенту осуществляется при активации мембраны ретикулума, открытии в ней Са-каналов. Активация мембраны ретикулума происходит при распространении ПД внешней мышечной мембраны (ПД) на поперечные трубочки.

Рис. 1.55 Соотношение во времени потенциала действия мышцы (1), роста концентрации Са2+ в саркоплазме (2) и сокращения (3) на примере портняжной мышцы лягушки (при ОС)

Концентрацию Са2+ определяли с помощью экворина.

Рис. 1.56 Потенциалы действия наружной мембраны мышечного волокна (1) и мембраны его поперечных трубочек (2)

А - в норме; Б - ПДм и отсутствие ПД трубочек после разрушения последних; В, Г - соответствующие схемы регистрации.

Потенциал действия поперечной трубочки (Т-системы), как полагают, действует петлей своего тока на мембрану саркоплазматического ретикулума через электрический синапс, формируемый T-системой и концевой цистерной ретикулума (рис. 1.56). Локальное электрическое раздражение T-системы приводит к сокращению, локализованному в прилежащих саркомерах.

Таким образом, запуск сократительного акта производится следующей цепочкой процессов: ПДм > ПДт-системы> активация мембраны саркоплазматического ретикулума > выход Са2+ в миоплазму > сокращение.

В мышцах, лишенных ПДм, активация саркоплазматического ретикулума осуществляется петлей тока ПСП. После сокращения ионы Са2+ быстро всасываются в ретикулум и наступают расслабление, покой и вместе с тем готовность механизмов к новой реакции.

ПД Т-системы мышечного волокна регистрируется внутриклеточным микроэлектродом как дополнительный низкий и растянутый во времени пик, расположенный сразу вслед за пиком ПДм. Функциональная мембранно-миофибриллярная (иначе электромеханическая) связь может быть нарушена. В частности, она нарушается при обработке мышцы гипертоническими растворами глицерина (400-800 ммоль/л) с последующей отмывкой нормальным раствором Рингера. В этой ситуации в связи с процессом вакуолизации Т-системы ликвидируются. При этом ПДм полностью сохраняются, но исчезают ПДт-системы и сократительные реакции в ответ на ПД поверхностной мембраны.

1.2.4. Структура саркомера и механизм сокращения мышечного волокна

Саркомер (повторяющийся сегмент миофибриллы) состоит из двух половин светлого, оптически изотропного диска (I) и одного темного, анизотропного (А) диска (см. рис. 1.51). Электронно-микроскопический и биохимический анализы показывают, что у позвоночных темный диск сформирован параллельным пучком толстых (диаметром порядка 10 нм) миозиновых нитей, имеющих длину около 1,6 мкм. Молекулярная масса белка миозина составляет 500 килодальтон (кДа). На нитях миозина расположены выступы - головки миозиновых молекул длиной 20 нм. В светлых дисках имеются тонкие нити (диаметром 5 нм, длиной 1 мкм), построенные из белка актина (молекулярная масса 42 кДа), а также тропомиозина и тропонина. В районе Z-линии, разграничивающей соседние саркомеры, пучок тонких нитей скреплен Z-мембраной.

Соотношение тонких и толстых нитей в саркомере составляет 2:1. Миозиновые и актиновые нити саркомера расположены так, что тонкие нити могут свободно входить между толстыми, т. е. "задвигаться" в А- диск, что и происходит при сокращении мышцы. В силу этого длина светлой части саркомера -I-диска - может быть разной: при пассивном растяжении мышцы она увеличивается до максимума, при сокращении может уменьшаться до нуля.

Рис. 1.57 Действие Ca2+ во время активации миофибриллы.

А - актиновая и миозиновая нити на продольном сечении волокна; Б - они же на поперечном сечении. 1- "шейка", 2- "головка", 3 - актиновый мономер, 4 - тропонин, 5 - тропомиозин, 6 - миозиновая нить.

Механизм сокращения состоит в перемещении (протягивании) тонких нитей вдоль толстых к центру саркомера за счет "гребных" движений головок миозина, периодически прикрепляющихся к тонким нитям, т. е. за счет поперечных актомиозиновых мостиков.

При исследовании движения мостиков методом дифракции рентгеновских лучей показано, что амплитуда этих движений составляет 20 нм, а частота - 5-50 колебаний/с. Каждый мостик то прикрепляется и тянет нить, то открепляется и "ждет" условий для нового прикрепления. Но огромное множество мостиков работает "вразнобой", и поэтому их общая тяга оказывается равномерной во времени. Разнообразные исследования привели к следующему представлению о механизме циклической работы миозинового мостика.

В покое мостик заряжен энергией (миозин фосфорилирован), но он не может соединиться с нитью актина, ибо между ними вклинена система из нити тропомиозина и глобулы тропонина (рис. 1.57).

При активации мышечного волокна и появлении в миоплазме ионов Са2+ (в присутствии АТФ) тропонин изменяет свою конформацию и отодвигает нить тропомиозина, открывая для миозиновой головки возможность соединения с актином. Соединение головки фосфорилированного миозина с актином приводит к резкому изменению конформации мостика (его "сгибанию") и перемещению нити актина на один шаг (20 нм) с последующим разрывом мостика. Энергию на этот акт дает распад макроергической фосфатной связи, включенной в фосфорилактомиозин.

После этого в силу падения локальной концентрации Са2+ и отсоединения его от тропонина тропомиозин снова блокирует актин, а миозин снова фосфорилируется за счет АТФ. Последний не только заряжает системы для дальнейшей работы, но и способствует временному разобщению нитей, т. е. пластифицирует мышцу, делает ее способной растягиваться под влиянием внешних сил. Полагают, что на одно рабочее движение одного мостика тратится одна молекула

Рис. 1.58 Влияние АТФ на изолированные актомиозиновые комплексы-нити

А - саркомер, Б - схема миофибриллы, Z - Z-линии; 1 - саркомер, 2 - поперечный мостик, 3 - миозин, 4 - актиновая нить, 5 - миозиновый стержень, 6 - "головка", 7- "шейка", 8 - миозиновая нить.

АТФ, причем роль АТФазы играет актомиозин (в присутствии ионов Mg2+ и Са2+). Всего при одиночном сокращении тратится 0,3 мкмоль АТФ на 1 г мышцы.

Необходимо еще раз подчеркнуть, что АТФ играет в мышечной работе двоякую роль: фосфорилируя миозин, он обеспечивает энергией сокращение, но, находясь в свободном состоянии, он обеспечивает и расслабление мышцы (ее пластификацию). При исчезновении АТФ из миоплазмы развивается непрерывное сокращение - контрактура.

Все эти феномены могут быть продемонстрированы и на изолированных актомиозиновых комплексах-нитях. Такие нити без АТФ твердеют (ригор), при добавлении АТФ - расслабляются, а при добавлении еще и Са2+ производят обратимое сокращение, аналогичное нормальному (рис. 1.58).

1.2.5. Механика мышцы

Различают два режима сократительной деятельности мышц: изотонический (когда мышца укорачивается при неизменном внутреннем напряжении, что, например, бывает при небольшой величине поднимаемого груза) и изометрический (при этом режиме мышца не укорачивается, а лишь развивает внутреннее напряжение, что бывает при ее закреплении с обоих концов и при нагрузке неподъемным грузом). Кроме того, различают два основных вида мышечных сокращений: одиночные и тетанические.

Одиночные сокращения (или напряжения) возникают при действии на мышцу одиночного нервного импульса или краткого толчка тока.

При этом в миоплазме мышцы происходит кратковременный подъем концентрации Са2+, сопровождаемый кратковременной работой - тягой мостиков, сменяющейся снова покоем. В изометрическом режиме одиночное напряжение начинается через 2 мс после пика ПД, причем напряжению предшествует краткое и незначительное так называемое латентное расслабление, создаваемое выходом Са2+ из саркоплазматического ретикулума, что приводит к потере ретикулумом тургора (от лат. turgeo - быть наполненным, набухшим).

(напряженности и эластичности ткани). В портняжной мышце лягушки одиночное напряжение достигает максимума за 0,15-0,20 с и далее спадает экспоненциально за 0,7-0,8 с. В изотоническом режиме одиночное сокращение портняжной мышцы лягушки имеет фазу подъема 0,05 с и фазу спада 0,05 с. Мышца укорачивается на 5-10% длины покоя.

Тетанические сокращения возникают при ритмической стимуляции моторного нерва или мышцы. При редкой стимуляции (около 15 стим/с) происходит зубчатый (неполный) тетанус, при более частой (выше 25 стим/с) - сплошной, или гладкий. При этом происходит слияние и наложение (суперпозиция) одиночных сокращений (напряжений).

Общая величина укорочения (и напряжения) в экспериментальных условиях растет, и тем больше, чем чаще нервная активация. Это продолжается до известных пределов, так как при чрезмерной частоте нервных импульсов развивается частичный блок в синапсе, так называемый пессимум (по Н. Е. Введенскому). Укорочение мышцы в состоянии оптимального тетануса составляет 20%.

Активность нервного ствола при его искусственной супрамаксимальной стимуляции-конечно, лишь модель работы пула мотонейронов. Обычный режим естественного сокращения мышечных волокон близок к зубчатому тетанусу. Однако такой режим функционирования единиц, составляющих ДЕ, не сказывается на сокращении целой мышцы; оно напоминает гладкий тетанус. Причина этого - асинхронность работы мотонейронов и обусловленная этим асинхронность сократительной реакции отдельных мышечных волокон.

Работа сократительного механизма (акто-миозиновых мостиков) в разных условиях. Сократительный аппарат миофибрилл подключен последовательно к эластическому элементу (сухожилию) и, кроме того, имеет параллельно включенный пластический вязкостный элемент (рис. 1.59). У покоящейся мышцы вязкость мала, а у возбужденной велика (зацепление мостиков).

Рис. 1.59 Электромеханическое сопряжение А - мышца (1) с грузом (2); Б - эквивалентная схема мышцы: 3 - эластический элемент (сухожилия и т. п.), 4 - сократительный элемент (система мостиков, тянущих нити), 5 - вязкий элемент.

В изометрическом режиме активности работа мостиков приводит лишь к растяжению и напряжению эластического элемента. Эта работа может быть изображена как ритмическое микроперемещение тонких нитей мостиками к центру саркомёра, каждый раз сопровождаемое возвратом в исходное состояние за счет эластической силы (рис. 1.60). Общая сила мышцы Fм при этом пропорциональна силе элементарного рывка (мостика) Fэ и числу работающих мостиков N при постоянной средней частоте их срабатывания: Fм = Fэ N. Зависимость Fм от числа работающих мостиков демонстрируется в опыте с оценкой Fм изометрических напряжений при разной исходной длине мышцы (саркомеров) I (рис. 1.61). Оказывается, что если мышца перерастянута так, что тонкие и толстые нити ее саркомеров не перекрываются, то Fм = 0. По мере приближения к натуральной длине покоя l0, при которой все головки миозиновых нитей могут контактировать с актиновыми нитями, Fм растет до максимума. Но при дальнейшем уменьшении I ввиду "заползания" тонких нитей в соседние саркомеры и уменьшения возможной амплитуды их перемещения, а значит, и снижения растяжения эластического элемента внешняя Fv падает снова.

Рис. 1.60 Соотношение сократительного, эластического и вязкого компонентов мышцы. А - расслабленное мышечное волокно с поляризованной клеточной мембраной: 1 - саркомер, 2 - клеточная мембрана, 3 - поперечная трубка, 4 - терминальная цистерна, 5 - продольная трубочка; Б - потенциал действия меняет полярность мембраны клетки и поперечных трубочек на противоположную; В - момент исчезновения потенциала действия; Г - временная последовательность событий при электромеханическом сопряжении от "латентного периода" до начала сокращения.

Рис. 1.61 Зависимость силы F максимального изометрического тетануса волокна от

заданной длины I саркомера (А) и объяснение этой зависимости разным количеством актомиозиновых мостиков, формирующихся при различной степени растяжения волокна и, соответственно, перекрытия толстых и

тонких нитей (Б)

Рис. 1.62 Соотношение между нагрузкой Р и скоростью v укорочения мышцы. (для руки человека) При данной мощности мышцы чем тяжелее поднимаемый груз, тем ниже скорость его подъема, т. е. укорочения мышцы (объяснение см. в тексте).

Рис. 1.63 Соотношение между силой изометрического сокращения и задаваемой длиной мышцы

Длина мышцы, см

А - схема опыта; Б - графическое отражение измеряемых соотношений: 1 - пассивное напряжение растягиваемой мышцы в покое; 2 - общая сила, развиваемая мышцей при максимальном тетанусе; а - предварительное растяжение; б - регистратор силы.

Сила мышцы и ее работа. Величина сокращения мышцы зависит от ее морфологических свойств и функционального состояния. Сила мышц, их способность к работе, скорость сокращения и расслабления, выносливость в большой мере определяются процентным соотношением двух типов волокон. При преобладании в мышце быстрых волокон - выше скорость сокращения и максимальная сила, развиваемая мышцей при быстром сокращении. Если больше медленных волокон, мышца выносливее, обладает способностью производить длительную работу.

Систематические интенсивные упражнения приводят к увеличению диаметра мышечных волокон за счет повышения количества протофибрилл - рабочая гипертрофия. Противоположным состоянием является атрофия мышц от бездеятельности. При старении быстрые волокна в мышцах гипотрофируются раньше, чем медленные. Это связывается со снижением двигательной активности пожилых людей, с уменьшением физических нагрузок большой интенсивности.

Выше уже отмечалось, что при прочих равных условиях сила мышцы определяется ее физиологическим поперечным сечением. Для сравнения силы разных мышц максимальный груз, который они в состоянии поднять, делят на площадь их физиологического поперечного сечения. Вычисленная таким образом сила (в кг/см2) для трехглавой мышцы плеча человека - 16,8, сгибателя плеча - 8,1, икроножной мышцы - 5,9, гладких мышц - 1. Подсчитано, что одиночное мышечное волокно способно развить напряжение 100-200 мг.

Сила скелетной мышцы определяется рядом центральных факторов. Во-первых, числом ДЕ, рекрутируемых в данный момент времени. Во-вторых, степенью синхронности работы этих ДЕ. Наконец, степенью задействования каждой ДЕ, т. е. интенсивностью импульсного потока, следующего по аксону к мышце. Степень доминирования каждого из этих факторов в ДЕ варьирует в конкретных ситуациях.

Внешняя механическая работа мышцы. (А) возможна только в изотоническом

режиме с грузом при условии, что вес груза Р < Fм. В этом случае сократительный аппарат сначала растягивает и напрягает эластический элемент - сухожилие, а затем поднимает подвешенный к нему груз Р.

При подъеме разных грузов на одну и ту же высоту от подпорки до упора, например, в условиях тетанической активации мышцы, чем больше груз, тем он медленнее поднимается (рис. 1.62), т. е. тем большее время тратится на эту работу. При постоянных средней частоте работы мостиков, Fэ и N это означает, естественно, и большую трату энергии, что соответствует и большей внешней механической работе. Внешняя механическая работа мышцы по подъему груза Р на высоту h, как уже отмечалось, исчисляется по формуле:

А = Ph = Р?l,

где AZ - укорочение мышцы. Заметим, что при Р = О А = 0 и что при Р ? P0, т. е. при неподвижности груза, А тоже равна нулю. Внешняя механическая работа мышцы максимальна при средних нагрузках. Это называют законом средних нагрузок.

Если мышца предварительно растянута, то ее пассивное напряжение добавляется к активному, возникающему при возбуждении, но последнее (по рассмотренным выше причинам) при чрезмерном растяжении падает до нуля (рис. 1.63).

1.2.6. Энергетика мышцы

Энергетические источники для сокращения и коэффициент полезного действия мышцы. Энергетическим источником для мышечного сокращения по существу является АТФ (рис. 1.64).

Источником энергии и материала для ресинтеза АТФ являются распад креатинфосфата, анаэробный гликолиз и окислительное фосфорилирование субстратов (в митохондриях).

Необходимо заметить, что и хемомеханическая реакция в системе актомио-зиновых мостиков, и все последующие процессы идут с потерей энергии в форме теплоты. Коэффициент полезного действия (КПД) мышцы как механической машины (здесь надо оговориться, что мышца не только механическая машина, но и основной обогреватель организма, поэтому ее тепловой выход не бесполезен) может быть вычислен по формуле:

КПД=A/(A+Q)

Тепловой выход мышцы (Q) сложен. Во-первых, существует выход теплоты при изометрическом напряжении мышцы, при задержке ее сокращения стопором. Этот выход (Q1) называют теплотой активации. Если на фоне этого состояния мышца с грузом освобождается от стопора и, сокращаясь, поднимает груз, то она выделяет дополнительную теплоту (Q2) - теплоту укорочения, пропорциональную механической работе (эффект Фенна). По-видимому, перемещение нитей с подключением в работу все новых (заряженных энергией) мостиков способствует высвобождению дополнительной энергии (и механической, и тепловой).

В условиях свободного подъема груза теплота активации (соответстствующая фазе напряжения сухожилия) и теплота укорочения сливаются, образуя так называемое начальное теплообразование. После сокращения (одиночного или краткого тетануса) в мышце возникает задержанное теплообразование, которое связано с процессами, обеспечивающими ресинтез АТФ, оно длится

Рис. 1.64 Энергетика мышцы А - отношения между АТФ, креатинфосфатом и процессом дыхания при сокращении мышцы: МК - молочная кислота, ПК - пировиноградная кислота, Кр - креатин, КрФ - креатинфосфат; Б - потребность в кислороде при физической работе. Показано соотношение между потреблением кислорода и созданием кислородной задолженности.

секунды и минуты. Если рассчитывать КПД мышцы по начальному теплообразованию, то он составит примерно 50-60% (для оптимальных условий стимуляции и нагрузки). Если же вести расчет КПД исходя из видов теплопродукции, связанных с данной механической работой, то КПД составит примерно 20-30% (КПД мышц млекопитающих падает при адаптации к холоду, что способствует усилению теплопродукции в организме).

Кислородная задолженность и утомление. Известно, что 1 моль АТФ дает 48 кДж энергии и что для ресинтеза 1 моля АТФ нужно 3 моля кислорода. В условиях срочной мышечной работы человека (бег на короткую дистанцию, прыжок, подъем штанги) запасов кислорода в организме не хватает для немедленного ресинтеза АТФ. Такая работа обеспечивается за счет мобилизации энергии анаэробного распада креатинфосфата и гликогена. В итоге в организме накапливается много недоокисленных продуктов (молочной кислоты и др.). Создается кислородная задолженность. Такой долг погашается после работы за счет автоматической мобилизации дыхания и кровообращения (одышка и усиленное сердцебиение после работы). Если же работа, несмотря на наличие кислородного долга, продолжается, то наступает тяжелое состояние (утомление), которое иногда прекращается при достаточной мобилизации дыхания и кровообращения (второе дыхание спортсменов).

В естественных условиях утомление развивается прежде всего как отказ от работы аппаратов ЦНС. При этом электрическое раздражение мышц выявляет их дееспособность. Но и изолированные мышцы, а также децентрализованные мышцы в организме при их прямой стимуляции или стимуляции соответствующего нерва работают не бесконечно. Они тоже утомляются. С разной скоростью утомляются так называемые быстрые и медленные мышцы, имеющие разный тип энергетического обеспечения. Волокна быстрых фазных мышц, например портняжной мышцы лягушки или длинного разгибателя пальцев крысы, богаты гликогеном, но имеют мало митохондрий и практически не содержат миоглобина (аналог гемоглобина крови, депонирующий кислород). Они работают на энергетической основе анаэробного цикла реакций, а значит, быстро, но недолго. Эти мышцы быстро утомляются. Волокна медленных мышц с одиночной иннервацией, генерирующих ПД, например камбаловидной мышцы крысы, наоборот, бедны гликогеном, но богаты митохондриями и миоглобином, придающим им красный цвет. Эти мышцы при работе

используют главным образом энергию аэробных реакций. Они особенно хорошо кровоснабжаются и могут работать долго без утомления.

Специальные тонические мышечные волокна, имеющие множественную иннервацию и работающие на основе низкочастотного локального возбуждения (ПСП), вообще слабы и, соответственно, тратят мало энергии. Поэтому при небольшом энергетическом обеспечении (в них относительно мало гликогена и митохондрий) они могут долго работать.

Утомление изолированных скелетных мышц, выражающееся в снижении их силы и далее в отказе от функции, имеет в качестве своей основной причины накопление в мышцах (внутри волокон в межклеточных щелях) ряда продуктов метаболизма, прежде всего молочной кислоты (L-лактата), а также НзР04. Эти вещества нарушают функции мышечных и нервных элементов и в особенности нервно-мышечную передачу. В свою очередь, накопление L-лактата (недоокисленного продукта) зависит от нехватки O2. Что касается энергетических ресурсов мышцы (гликогена, креатинфосфата), то они при обычных условиях утомления не исчерпываются.

1.2.7. Особенности мышцы сердца позвоночных животных

Сердце у позвоночных построено из вытянутых одноядерных мышечных клеток - кардиомиоцитов, обладающих поперечной исчерченностью. Таким образом, мышца сердца является поперечнополосатой.

Важная особенность строения мышцы сердца заключается в том, что кардиомиоциты связаны между собой низкоомными электрическими контактами - запирающими фасциями (нексусами). Таким образом, масса кардиомиоцитов в конечном счете образует функциональную единицу, что важно для выполнения сердцем функции насоса.

Электрическое раздражение любой точки сердца в силу этих связей вызывает электрическую и сократительную реакцию всех его мышечных клеток. Поэтому сердце (в отличие от скелетной мышцы, включающей много независимых ДЕ) отвечает на электрическое раздражение как единица по правилу "все или ничего".

В естественных условиях стимул к сокращению сердца возникает в самом сердце, точнее в специфических мышечных клетках синусно-предсердного (синусного) узла (у млекопитающих он находится в правом предсердии). В этих клетках строго периодически наблюдается спонтанная деполяризация (из-за роста PNа) приводящая к развитию ПД. Отсюда ПД распространяется по мышечным элементам предсердий и далее через мышечные клетки предсердно-желудочкового узла и пучка Гиса к мышце желудочка (подробнее см. разд. 8.1.3).

Потенциал действия кардиомиоцитов предсердий имеет большую длительность, чем в скелетно-мышечных волокнах. Но особенно длительны ПД в кардиомиоцитах желудочков сердца. У этих ПД проявляется обычный крутой подъем с овершутом, но затем обнаруживается плато (на уровне, близком к пику ПД). Длительность этого плато, например в мышце сердца собаки, составляет около 250 мс. Затем ПД быстро компенсируется (табл. 1.6).

Таблица 1.6

Величины мембранного потенциала покоя (МПП) и потенциала действия (ПД) в некоторых поперечно-полосатых мышечных волокнах позвоночных

Объект

МПП, мВ

Амплитуда.пд, мВ

tna, мс

Скелетно-мышечное волокно лягушки

-90

120

2,5

Мышечное волокно желудочка сердца собаки

-80

100

250,0

Ионный механизм ПД волокон сердца позвоночных состоит в быстрой активации деполяризующим стимулом натриевых и натрий-кальциевых каналов при параллельной инактивации части калиевых каналов (это особое свойство К-каналов данного объекта). Последующая инактивация каналов входящих токов (Na-Ca-каналов) происходит медленно. И поэтому активация части К-каналов здесь задержана на многие десятки (сотни) миллисекунд удерживающей деполяризацией. Лишь при достижении определенного МП начинается открытие массы К-каналов и спад (завершение) ПД. Такая организация ПД клеток желудочка сердца обеспечивает их относительно длительное сокращение (250-300 мс), что необходимо для выполнения функции нагнетательного насоса. Длительность ПД кардиомиоцитов определяет длительную абсолютную рефракторную фазу сердца.

Суммарная электрическая активность сердца позвоночных и человека представляет собой ритмическое повторение комплекса колебаний, включающего зубцы Р, Q, R, S, Т (см. разд. 8.3).

Электромеханическая связь в сердечно-мышечных элементах в общем подобна описанной в скелетных мышцах позвоночных. Особенность состоит лишь в том, что источником ионов Са2+ здесь отчасти является саркоплазматический ретикулум (развитый относительно слабо), остальной Са2+ поступает в возбужденные кардиомиоциты извне. Сократительный механизм сердечно-мышечных волокон позвоночных подобен скелетно-мышечному. Зависимость силы напряжения мышцы сердца от исходной длины ее волокон имеет тот же характер, что и в скелетной мышце (см. рис. 1.63).

Для желудочков сердца как нагнетательных насосов, открывающих выходные клапаны давлением на заключенную в полости желудочков кровь, важно, что их предварительное пассивное растяжение поступающей кровью усиливает общее напряжение при активном сокращении. На этой основе осуществляется саморегуляция сердечной функции - усиление выброса крови при усилении ее притока (закон Старлинга).

Сердечная мышца позвоночных работает автоматически, т. е. без приказов из ЦНС. Однако сердце имеет симпатическую (адренергическую), парасимпатическую (холинергическую) и местную метасимпатическую иннервацию, обеспечивающую центральный контроль ритма и силы сердечной деятельности. Подробности нервной регуляции сердца рассматриваются далее (см. разд. 9.4).

1.2.8. Общая физиология гладких мышц позвоночных животных

Гладкие мышцы позвоночных, формирующие мышечные слои стенок желудка, кишки, мочеточников, бронхов, кровеносных сосудов и других внутренних органов, построены из веретенообразных одноядерных мышечных клеток. Толщина этих клеток колеблется от 2 до 10 мкм, длина - от 50 до 400 мкм. Отдельные клетки в гладких мышцах связаны между собой низкоомными электрическими контактами - нексусами. В гладкомышечных клетках имеются такие же миофибриллы, как и в поперечнополосатых. Однако эти структуры расположены в гладкомышечной клетке нерегулярно, почему сама эта клетка (волокно) и не имеет поперечной исчерченности. Гладкие мышцы иннервируются симпатическими и парасимпатическими нервами, а также метасимпатической нервной сетью (см. разд. 5.4.3). Однако не все гладкомышечные клетки иннервированы; многие из них контролируются нервной системой не прямо, а косвенно через другие гладкомышечные клетки.

Сила сокращения гладких мышц позвоночных сравнима с силой сокращения (напряжения) поперечнополосатых мышц и равна 30-40 Н/см2, но скорость сокращения, как уже отмечалось, на 1-2 порядка ниже. Трата энергии гладкими мышцами (при той же силе напряжения) в 100-500 раз меньше, чем у поперечнополосатых мышц. Последнее, видимо, связано с особой организацией сократительного акта.

Мионевральная передача в гладких мышцах характеризуется рядом существенных особенностей. В большинстве случаев она двоякая - возбуждающая и тормозящая. Синаптические окончания формируют варикозные расширения около пучков мышечных клеток на различном, иногда значительном (до 1-2 мкм) расстоянии от них. По типу медиатора различаются два распространенных вида синаптической передачи - холинергическая (мускариновые рецепторы главным образом в пищеварительном тракте) и адренергическая (в мышцах мелких кровеносных сосудов - артерий и артериол). Имеются и другие виды передачи, где природа медиатора не идентифицирована, их называют "нехолинергической" и "неадренергической" нервно-мышечной передачей.

Сложность синаптической конструкции обусловливает трудности в трактовке потенциала, возникающего на иннервируемых клетках. В ответ на стимуляцию некоторых симпатических и парасимпатических нервов в мышечных клетках отводится возбуждающий синаптический потенциал (ВСП), представленный мускариновой холинергической (преимущественно пищеварительный канал), ?-адренергической (преимущественно кровеносные сосуды) передачей и передачей с неидентифицированным медиатором. В гладких мышцах пищеварительного тракта также отмечена передача возбуждения с метасимпатических (интрамуральных) нейронов, устойчивая к адрено- и холиноблокаторам. Медиатор этой передачи неизвестен.

Трудности идентификации медиаторов усугубляются еще и тем, что одно и то же соединение (например, норадреналин) может вызывать полярно противоположные эффекты в разных мышцах.

Ряд физиологически активных соединений (простагландины, гистамин, аденозин, серотонин, пептидные гормоны) оказывают сильное стимулирующее влияние на гладкие мышцы. Наряду с модулирующим действием на высвобождение медиатора, не исключено их прямое возбуждающее влияние на гладкомышечные клетки.

Тормозящая иннервация в гладких мышцах представлена адренергической (пищеварительный канал), М-холинергической симпатической передачей (некоторые кровеносные сосуды) и передачей с неидентифицированным передатчиком, которую часто называют "неадренергической". Электрическая стимуляция нервных волокон в ряде случаев вызывает появление тормозящих синаптических потенциалов (ТСП) в виде кратковременной гиперполяризации мембраны мышечных клеток. Вследствие малой плотности иннервации одиночные ТСП выражены слабо, и для вызова заметной гиперполяризации мембраны нужно использовать ритмическое раздражение нервных волокон с частотой не менее 5-10 имп/с.

Возможно, медиатором неадренергического торможения гладких мышц пищеварительного тракта является АТФ или его производные. Эта мионевральная передача эффективно и обратимо блокируется апамином - полипептидом из пчелиного яда. Однако это неконкурентное блокирование и происходит не на уровне рецепторов, а в калиевых каналах, реализующих возникновение ТСП.

1.2.9. Характеристика некоторых мышц беспозвоночных животных

У беспозвоночных, как и у позвоночных, существуют поперечнополосатые мышцы, управляющие скелетом (крыльями, конечностями), а также сердечная и гладкие мышцы, обеспечивающие работу соответствующих внутренних органов. У кольчатых червей и моллюсков имеется сходная с поперечнополосатой "косоисчерченная" мускулатура.

Поперечнополосатые мышцы скелета у беспозвоночных, например у членистоногих, как правило, имеют помимо моторной (возбуждающей) еще и тормозящую иннервацию. Моторная иннервация мышечного волокна здесь осуществляется с помощью множества синапсов одного мотонейрона. Более того, все волокна мышцы могут получать эту иннервацию от одного мотонейрона, т. е. быть одной нейромоторной единицей ("экономия" нервных элементов).

Иногда имеется два возбуждающих аксона (нейрона) - быстрый и медленный, различающиеся по силе действия и, соответственно, по скорости вызываемой мышечной реакции. Тормозная иннервация также осуществляется множеством синапсов одного нейрона.

Медиатором моторных нервов у раков и насекомых является L-глутамат, медиатором торможения - ГАМК.

В мышцах конечностей у ракообразных и насекомых электромеханическая связь и сократительный акт организованы в основном так же, как у позвоночных. Здесь при активности число одиночных сокращений равно числу моторных нервных импульсов (и числу ПД мышечного волокна). Отсюда название всех таких мышц - мышцы синхронного действия.

Наиболее быстрые летательные мышцы у некоторых насекомых (мухи, шмели, жуки) имеют особую организацию (их иногда называют фибриллярными, так как миофибриллы здесь чрезвычайно толсты).

Эти мышцы являются мышцами асинхронного действия. Они производят серию одиночных сокращений с очень высокой частотой (до 300 в 1 с), значительно (на порядок) превосходящей частоту порождающих их моторных нервных импульсов и мышечных ПД.

Сокращения относительно слабы (3 Н/см2) и имеют очень небольшую амплитуду (1-3% от длины покоя мышц). Они вызывают небольшие ритмические деформаций туловищного экзоскелета, что в силу механических связей туловища и крыльев приводит к махам крыльев с той же частотой. В силу такой непрямой (опосредованной) связи с крыльями мышцы асинхронного действия называют также мышцами непрямого действия.

По электрофизиологическим свойствам асинхронные мышцы принципиально не отличаются от синхронных. Их ПД, по-видимому, имеют натриевый механизм. Электромеханическая связь здесь осуществляется с помощью ионов Са2+ Но саркоплазматического ретикулума в асинхронных мышцах почти нет;

Са2+ поступает в возбужденное волокно извне, причем необходимая концентрация его удерживается в течение всего периода ритмической активности. Структура саркомеров асинхронных мышц сходна с описаниями обычных мышц. Особенность ее состоит лишь в том, что толстые миозиновые нити имеют соединение через эластический элемент (связку) с Z-мембраной. Это ограничивает колебания длины саркомеров и делает коротким их I- диск.

Тонкие (актиновые) нити здесь представлены в большем количестве (три тонких на одну толстую). Показано, что мостики между толстыми и тонкими нитями в покое асинхронной мышцы направлены перпендикулярно нитям, а при активации угол между мостиком и толстой нитью становится острым,

Рис. 1.65 Попеременная работа активизируемых асинхронных мышц-антагонистов (I, II) Упругие щелчки экзоскелета (III) попеременно создают условия растяжения, необходимые для тяги мостиков одной или другой мышц (объяснение см. в тексте).

направленным вершиной к центру саркомера. Предполагают, что это сгибание, или "толчок", множества мостиков порождает смещение тонких нитей относительно толстых (к центру саркомера). Сокращение мышцы, точнее ее одиночное напряжение (изометрический режим), и приводит к деформации экзоскелета и движению, например опусканию крыльев. При этом осуществляется переход упругих элементов экзоскелета из одного состояния в другое "щелчком".

Мышца оказывается освобожденной от сопротивления и укорачивается примерно на 20 нм (1% длины саркомера). Но в этой ситуации ее работа почему-то прекращается. Данный феномен (прекращение тяги

при снятии упругого сопротивления) воспроизводится и на изолированной мышце. Причина его не выяснена. На рис. 1.65 это явление изображено совершенно условно как "соскакивание" миозиновой головки с того участка двойной спирали актина, к которому возможно (или наиболее вероятно) прикрепление.

Дальнейшие события в естественной обстановке определяются тем, что при новом положении экзоскелета и крыльев до нужной длины растягивается асинхронная мышца-антагонист. Она тянет в свою сторону и переводит экзоскелет щелчком в исходное положение (поднимает крылья). При этом мышца-опускатель крыльев активно включается в работу, а ее антагонист инактивируется. Так, поочередно растягивая друг друга, эти мышцы, видимо, и создают высокочастотные ритмические сокращения и, соответственно, махи крыльев.

Асинхронные мышцы при активности потребляют значительное количество АТФ, О2 и существенно нагреваются (температура тела летящего насекомого может подняться до 40-42°С). При такой работе асинхронных мышц нервные импульсы и порождаемые ими мышечные ПД нужны лишь для того, чтобы создавать и поддерживать необходимую для сократительной активности концентрацию Са2+вн. По прекращении нервной стимуляции и, соответственно, мышечных ПД концентрация Са2+вн снижается и сократительная активность прекращается.

Есть сведения о том, что асинхронные мышцы (с частотой сокращений 100/с) имеются и у ракообразных. У позвоночных такие мышцы не описаны.

Из числа гладких мышц беспозвоночных животных особый интерес представляет запирательная мышца двустворчатых моллюсков. Эта мышца относится к так называемым парамиозиновым, так как в ней много белка парамиозина (он связан с миозином и формирует остов толстых нитей в мышечных" клетках). Взаимное расположение толстых и тонких нитей здесь беспорядочно. Мышца активируется холинергическим нервом и тормозится серотонинергическим. При действии возбуждающего нервного импульса мышца сокращается и далее остается в достигнутом "укороченном" состоянии неопределенно долгое время. Такой эффект обозначают как запирательное действие. Установлено, что сокращение мышцы инициируется ее потенциалом действия и входом Са2+ в волокно. Но запирательное действие не сопровождается ПД; потребление Од при нем в 11 раз ниже, чем при сокращении.

Природа запирательного действия не выяснена. Предполагают, что оно может быть связано либо с формированием "неразрывной" связи миозиновых головок с актиновыми нитями, либо с кристаллизацией парамиозина, либо, наконец, с комбинацией этих двух явлений. При запирательном действии Са2+ и АТФ, по-видимому, оказываются связанными. Действие тормозного нерва (медиатор - серотонин) снимает запирание и расслабляет мышцу.

1.2.10. Элементы эволюции мышц

Эволюцию мышц ранее рассматривали как переход от эпителиально-мышечных клеток (у древних кишечнополостных) к мускулатуре "гладкого типа", затем к поперечнополосатой - тонической и фазной. При этом допускалось, что контроль активности мышц со стороны ЦНС в эволюции нарастал и первичный мышечный автоматизм, свойственный низшим животным, сначала стал регулируемым со стороны ЦНС, а далее у локомоторных аппаратов высших животных сменился полным подчинением мышц нервным импульсам.

Однако в настоящее время такая простая схема эволюции мышечной иннервации не может считаться верной. Существуют некоторые факты, противоречащие данной схеме: 1) наличие миогенного ритма у наиболее быстрых так называемых асинхронных крыловых мышц насекомых; 2) наличие тонического типа мышечных волокон во внешних глазных мышцах млекопитающих, т. е. якобы "примитивного" варианта мышечных волокон у функционально важного двигательного аппарата высших представителей вторичноротых; 3) наличие свойственной развитым поперечнополосатым мышцам саркомерной организации миофибрилл в некоторых мышечных клетках примитивных животных, например медуз.

Есть основания предполагать, что эволюционными предками мышечных элементов действительно были эпителиальные или другие "немышечные" клетки. Здесь необходимо заметить, что во всех клетках немышечной специализации присутствуют миозин и актин, т. е. те материалы, из которых может быть создан специальный сократительный аппарат. По-видимому, основные формы мышечных клеток их сократительных аппаратов, а также основные варианты иннервации мышечных элементов возникли на ранних этапах эволюции многоклеточных организмов. В дальнейшем они использовались в готовом виде в тех или иных комбинациях. В позднейшей эволюции всех видов мускулатуры легко просматриваются усовершенствования на макроуровне архитектоники мышц, но не изменения элементов. (Напомним, что эволюционным продуктом некоторых мышечных клеток являются так называемые электрические органы рыб.) В онтогенезе позвоночных (и беспозвоночных) различные мышцы получаются из разных зачатков, например у позвоночных скелетные мышцы - из сомитов, гладкие мышцы - из мезенхимы, а мышцы радужки (определяющие размер зрачка) - из нервного зачатка.

1.2.11. Электрические органы рыб

Электрические органы рыб - это эффекторы, специально предназначенные природой для генерации электрических разрядов. Филогенетически - это производные мышц (иногда желез). Надо заметить, что уже в четко разделенной на сегменты-метамеры мускулатуре туловища рыбы при единообразной асимметричной их иннервации существует возможность для сложения электродвижущих сил этих сегментов по типу ЭДС последовательно соединенных элементов. Эти условия реализуются, если мышечные сегменты активируются синхронно

Рис. 1.66 Электрические импульсы, формируемые в электрических органах рыб

А - сложение ЭДС миотомов у обычных рыб; Б - работа электрического органа, состоящего из многих сотен электрических пластинок; В, Г - варианты электрических импульсов в электрических ячейках у разных рыб: / - электрический скат (тип "ПКП"), II - электрический угорь (тип локального ПД), III - нильский сом (тип проводящегося ПД, который охватывает сначала иннервированную, а далее противоположную поверхность ячейки).

(рис. 1.66). Многие рыбы используют эти сигналы для ориентации (улавливают их изменения своими электрорецепторами).

Специальные электрические органы рыб - это дальнейшее развитие указанного принципа последовательного соединения источников ЭДС. Элементом электрического органа является асимметрично иннервированная клетка. Один слой таких клеток формирует "электрическую пластинку". Стопка сотен и даже тысяч таких пластинок составляет электрический орган. Поскольку пластинки активируются нервами (через холинергические синапсы) асимметрично и соединены последовательно, то при одновременном срабатывании их ЭДС складываются. При этом получаются суммарные ЭДС в десятки, сотни и даже тысячу вольт!

У морских "электрических" рыб (скаты) пластинки электрического органа работают на основе процесса типа ПКП. При этом 1000 ячеек дают сигнал в виде гигантского ПКП с амплитудой, равной 60 В, и силой тока около 60 А (мощность тока в импульсе 3600 Вт). У пресноводных электрических рыб (электрический угорь) пластинки генерируют локальный ПД на одной своей стороне. При этом от нескольких тысяч ячеек получается суммарный сигнал в форме гигантского ПД с амплитудой 1200 В и силой тока 1,2 А. Относительно малая сила тока (мощность тока в импульсе 1440 Вт) здесь согласована с относительно высоким сопротивлением пресной воды.

Особый характер возбуждения наблюдается у электрических пластинок пресноводного нильского сома. В этих пластинках ПД возникают последовательно на двух их. сторонах. Поэтому суммарный "внешний" ПД имеет двухфазную форму (350 В; 0,1 А; мощность тока в импульсе равна 35 Вт). Электрические рыбы в нормальной для них среде не поражают своими разрядами самих себя. Последнее объясняется наличием каналов в телах рыб, шунтирующих их электрические органы, а также конфигурацией рабочего электрического поля.

1.2.12. Немышечные формы двигательной активности

Помимо рассматриваемых выше мышечных сокращений в организмах животных и человека существует множество других форм двигательной активности. Здесь кроме свойственных практически всем нормальным эукариотным клеткам внутриклеточных перемещений (сокращений митохондрий, движений рибосом, перемещений хромосом при митозе и мейозе) могут быть названы более мощные движения, перемещающие клетки в их среде или воздействующие на эту среду. Таковы амебоидные движения, т. е. движения с помощью

псевдоподий (ложноножек), жгутиков и ресничек. Эти формы движений наблюдаются у простейших (одноклеточных) организмов и у специализированных клеток многоклеточных животных.

Например, амебоидные движения, формирование ложноножки и перетекание протоплазмы в нее присущи амебам и лейкоцитам высших животных. Жгутиковые движения, т. е. движения специального выроста клетки - жгутика, служат для перемещения в пространстве у простейших (жгутиконосцев) и у сперматозоидов высших животных и человека.

Ресничные движения, т. е. движения специальных выростов клетки - ресничек, наблюдаются у инфузорий как средство их перемещения в среде, но оно имеет место и у клеток мерцательного эпителия пищевода лягушки, трахеи, бронхов и маточных (фаллопиевых) труб млекопитающих. Здесь это движение обеспечивает перемещение жидкости и твердых частиц в соответствующем направлении.

На рис. 1.67 показаны схемы ундулирующих движений жгутика (хвоста) сперматозоида и гребных движений реснички мерцательного эпителия. Гребное движение осуществляется распрямленной ресничкой, а возвратное - согнутой, что обеспечивает одностороннее перемещение клетки относительно среды или среды относительно закрепленной клетки и, таким образом, "обновление" околоклеточного пространства.

Амебоидные, жгутиковые и ресничные движения - это достаточно сложные и пока мало изученные процессы. По-видимому, их молекулярная основа подобна молекулярной основе мышечных сокращений. При всех этих движениях энергия извлекается из АТФ. Во всех случаях действуют специальные сократительные белки с АТФазной активностью, играют роль ионы Mg2+ и Са2+

При амебоидной локомоции лейкоцитов, видимо, работает примембранная сеть актомиозиноподобных микрофиламентов. Она обеспечивает изменения формы мембранного футляра клетки и перетекание ее протоплазмы в определенном направлении. Тот же механизм действует при эндоцитозе, обеспечивая впячивание мембраны.

При движениях жгутиков и ресничек работает их внутренний сократительный аппарат, представленный девятью парами периферических фибрилл и одной парой центральных. У периферических фибрилл имеются "ручки". Предполагают, что эти ручки, построенные из белка динеина (подобного миозину), играют ту же роль, что и миозиновые мостики в мышечном сокращении: они периодически прикрепляются к соседней фибрилле (ее актиноподобным участкам) и тянут ее, обеспечивая скольжение данной фибриллы относительно соседних. Энергию для этого движения дает АТФ. Без АТФ ни жгутики, ни реснички не работают. Но АТФ здесь, как и в мышце, играет, кроме того, роль пластификатора. Без АТФ реснички застывают в одном положении.

Существенную роль в этих движениях, например в движении ресничек, играют ионы Mg2+ и Са2+. Показано, что у простейших концентрации АТФрд и Mg2+ определяют частоту биения ресничек, тогда как концентрация Са2+ определяет направление эффективного удара реснички. Если [Са2+ < 10-7 моль/л, то реснички гребут к заднему концу тела, перемещая клетку вперед. Однако при воздействии неблагоприятных факторов среды, снижающих МПП и увеличивающих вход Са2+ в клетку, ситуация изменяется. При [Са2+] > 10-6 моль/л направление эффективного удара ресничек (удара выпрямленной ресничкой) извращается, и клетка производит попятное движение ("бегство"). При попадании в нормальную среду и откачивании избытка Са2+насосом мембраны возобновляется движение вперед.

Рис. 1.67 Движения жгутика (хвоста) сперматозоида (А) и реснички мерцательного эпителия (Б)

Рис. 1.68 Метахрональные волны биения ресничек, движущиеся вдоль ресничного ряда (картина фиксирована на коротком отрезке времени)

У клеток мерцательных эпителиев многоклеточных организмов реверсии направления эффективного удара нет, но при росте концентрации Са 2+ происходит остановка движения ресничек.

Важной чертой работы мерцательных эпителиев является согласованность, координированность движения ресничек в пласте клеток - метахрональные волны (рис. 1.68), что делает гребные движения ресничек высокоэффективными. Механизм этой координации остается неясным. По-видимому, она основывается на клеточных взаимодействиях в пласте мерцательного эпителия. Есть также данные о том, что на мерцательную активность влияют нейромедиаторы (ацетилхолин и др.). Их действие осуществляется, вероятно, через изменения кальциевой проницаемости клеток эпителия.

1.3. ФИЗИОЛОГИЯ СЕКРЕТОРНОЙ КЛЕТКИ

Секрецией называется комплекс процессов синтеза и/или выведения из клетки синтезированного продукта. Как механизм регуляции клеточного объема, осмотического давления и выведения компонентов метаболизма секреция характерна для клеток всех типов.

Эволюционно самый древний тип секреции - голокриновый - связан с разрушением клеточной мембраны (вследствие нерегулируемого роста осмотического давления) и выделением в окружающую среду всех веществ. Необходимость сохранения целостности клетки и, максимально, клеточной мембраны позднее привела к возникновению и других типов секреции. Однако голокриновая секреция сохраняется и у высших позвоночных (например, разрушение тромбоцитов в тромбоцитарно-фибриновой пробке). Из этого следует важный вывод: выделяемым из клетки секретом могут быть любые по химической природе вещества. Действительно, у одноклеточных и многоклеточных эукариот существует секреция белков, пептидов, углеводов, липидов, АТФ, ионов, газов, феромонов, воды, коллоидов, кислот, моноаминов, индоламинов, ацетилхолина и т. д. Специализированные для секреции больших объемов веществ клетки называются секреторными. Тип секрета, его объем и способ выведения обусловливают особенности структурной организации этой клетки (рис. 1.69).

К секреторным клеткам относят в первую очередь клетки экзо- и эндокринных желез, различные эпителиоциты, производные нейроэктодермы и гепатоциты. Существуют также переходные типы: например, миоэндокриноциты правого предсердия при поступлении венозной крови и растяжении его стенки секретируют ряд сердечных гормонов; или нейросекреторные клетки, которые при синаптической активации транспортируют и выделяют в кровь или синапс пептиды; нейроэпителиальные эндокринные клетки трахеи и кишки паракринно или через синаптоподобные контакты секретируют вещества белковопептидной природы (рис. 1.70, 1.71).

Рис. 1.69 Ацинарные секреторные клетки поджелудочной железы А - поперечный срез участка поджелудочной железы (по данным световой микроскопии), Б - один ацинус (группа клеток, секретирующих пищеварительные ферменты), В - одна ацинарная клетка; 1 - плазматическая мембрана, 2 - митохондрия (поставляет энергию в форме АТФ), 3 - аминокислоты поступают из крови в клетку через плазматическую мембрану в результате активного транспорта: к рибосомам их доставляет тРНК, 4 - ядро (содержит ДНК, кодирующую различные ферменты, образуемые клеткой); мРНК выходит из ядра, связывается с рибосомами и инициирует синтез белка, 5 - шероховатый эндоплазматический ретикулум (аминокислоты используются для синтеза белков, которые с помощью своих сигнальных последовательностей связываются с эндоплазматическим ретикулумом и проинкают в него), 6 - пузырьки, отделяющиеся от эндоплазматического ретикулума, переносят белки к аппарату Гольджи, 7 - белки проходят через аппарат Гольджи, 8 - секреторная гранула (пузырек Гольджи), отпочковывающаяся от аппарата Гольджи, 9 - зрелая секреторная гранула содержит концентрированные ферменты в неактивной форме ("зимогены"), 10- экзоцитоз(слияние секреторных гранул с плазматической мембраной и выделение зимогенов в выводной проток), 11 - неактивный фермент (зимоген), 12 - просвет выводного потока.

Рис. 1.70 Секреторная активность слюнной железы млекопитающих Ацинарные клетки осуществляют перенос электролитов из базальных участков в ацинус, а также выделяют путем экзоцитоза муцин и амилазу.

Рис. 1.71 Функциональная организация секреторных клеток трех типов

А - нейрон; Б - нейросекреторная клетка; В - обычная эндокринная клетка.

Рис. 1.72 Обобщенная схема организации нейросекреторной системы.

В одних случаях циркулирующий нейрогормон действует непосредственно на ткань-мишень, в других - активирует промежуточную эндокринную железу.

Ускоренная гидродинамика в узких трубках (отростках клеток, протоках желез, сосудах) обусловила одно из направлений эволюции секреторной клетки: от суженной "протоковой" части клетки (одноклеточная субэпителиальная железа ноги брюхоногих моллюсков) до появления многоклеточных желез с выводными протоками (молочные железы, семенники, поджелудочная железа) или без них (гипофиз, шишковидная и щитовидная железы), использующих кровеносные сосуды в качестве дополнительных или основных, соответственно, путей выведения и "созревания" сложного по составу секрета. Все это сочетается с другой эволюционной тенденцией: постепенным усложнением состава секрета и контроля секреторного процесса. Примером может служить организация нейросекреторной системы, в которой в одних случаях секретирующийся нейрогормон действует непосредственно на ткань, в других активирует промежуточную эндокринную железу (рис. 1.72).

Структуры секреторных клеток всех типов адаптированы к осуществлению трех этапов секреторного процесса: поступлению предшественников секрета, а также субстратов окисления и окислителей в клетку; экспрессии генов и синтезу компонентов секрета; невезикулярному и/или везикулярному выведению секрета из клетки.

1.3.1. Поступление предшественников секрета в клетку

Предшественники секретируемого вещества поступают в секреторную клетку благодаря специфическим и неспецифическим механизмам трансмембранного транспорта и эндоцитоза. Помимо потребностей секреторного процесса, эти механизмы в разной мере используются для регуляции объема клетки, осмотического давления, внутриклеточного рН и электрогенеза на уровне клеточных мембран.

Трансмембранный транспорт. В разных типах секреторных клеток природа секретируемого вещества обусловливает поступление в клетку определенных мономеров, субстратов окисления и окислителей и, соответственно, преобладание в клеточной мембране необходимых транспортеров. Глюкоза из-за повышенной гидрофильности молекулы переносится через мембрану с помощью специальных транспортеров Glut (Glucosa transporter).

Эти транспортеры различаются по числу молекул глюкозы, переносимых за один цикл, чувствительности к лиганду, активирующему их деятельность, и к Na+ Так, наиболее распространенный Glut-1 переносит за один рабочий цикл в клетку одну молекулу глюкозы или галактозы, маннозу, 2-деоксиглюкозу

или З-О-метилглюкозу по осмотическому градиенту, регулируя внутриклеточное осмотическое давление и энергетический метаболизм. Транспортер работает Nа+-независимо и активируется многими гормонами гипофиза с пролиферативной функцией. Инсулин-активируемый Glut-4 транспортирует 4 молекулы глюкозы, a Glut-5 переносит через мембрану фруктозу. В разных участках мембраны одной клетки могут встраиваться разные транспортеры гексоз.

Глюкоза может поступать в клетку и Na+-зависимо с помощью котранспортера Na+/глюкоза, а также через Na+/K+-АТФазу. Сопряженный транспорт натрия и глюкозы объясняется высокой осмофильностью обоих веществ, что позволяет с помощью котранспорта быстро гомеостатировать осмотическое давление в клетке, а для стабилизации этого параметра используется "осмонейтральный" транспорт веществ через Na+/K+-АТФазу.

Транспорт липидов внеклеточно осуществляется белками, в том числе и альбуминами. Через клеточную мембрану жирные кислоты могут поступать диффузионно ("flip-flop") (Буквально - сальто-мортале). При связывании альбумина с его рецептором, встроенным во внешнюю поверхность мембраны, разобщение жирных кислот и носителя облегчается, что способствует процессу пассивной диффузии (рис. 1.73).

Поступающие в цитоплазму жирные кислоты соединяются со специфичными для них транспортными белками. Последние также могут быть встроены в клеточную мембрану, облегчая сам процесс диффузии липидов передачей. Внутримембранные транспортеры быстро осуществляют трансмембранный перенос жирных кислот.

В цитоплазме многих типов секреторных клеток выделены специфические для разных классов липидов (фосфолипидов, ретиноидов и др.) транспортеры, переносящие их между разными компартментами (От англ. compartment - отделение, отсек)

Однако вопрос об участии таких транспортеров в переносе соответствующих липидов через клеточную мембрану в ряде случаев остается открытым. Известно, что липопротеины низкой плотности плазмы крови могут поступать в клетки эндотелия и путем рецепторного эндоцитоза (рис. 1.74).

Рис. 1.73 Системы трансмембранного переноса липидов

А - облегченная диффузия при взаимодействии носителя (альбумина - АЛБ) жирных кислот с его рецептором (Ралб) или (Б) с белком, связывающим жирные кислоты (ЖК-СБ); В - внутримембранный транспортер, связывающий внеклеточно носитель жирных кислот, а внутриклеточно - ЖК-СБ.

Рис. 1.74 Схема образования и судьбы секреторных гранул, согласно которой после образования в аппарате Гольджи секреторные гранулы (пузырьки) транспортируются к месту выделения

После экзоцитоза могут образовываться новые пузырьки путем эндоцитоза, возможно, за счет использования той же мембраны, из которой состояли первые пузырьки. 1 - аппарат Гольджи, 2 - цистерны Гольджи, 3 - конденсирующая вакуоль, 4 - секреторная гранула, 5 - экзоцитоз, в - эндоцитоз, 7 - окаймленные пузырьки, 8 - гладкие микропузырьки, 9- лизосома 10- гранулярный эндоплазматический ретикулум.

Рис. 1.75 Переносчики основных нейротрансмиттеров в мембране нейрона

Рис. 1.76 Механизм секреции электролитов клетками поджелудочной железы

Аминокислоты в соответствии с основной, кислотной или амфифильной структурой молекул транспортируются через мембрану специфическими типами транспортеров, работающими Nа+-зависимо или независимо, а также через поры некоторых помп. Так, представители ЕААС-1 (Exitatory Amine Acid Carrier-1) семейства высокоаффинных Na+/K+-зависимых транспортеров глутамина и аспарагина выделены в клеточной мембране нейронов, энтероцитов кишки, гепатоцитов, в сердце и легких. Сходные транспортеры для глутамина описаны в глиоцитах (GLAST, GLT-1). Другое суперсемейство для транспортеров нейтральных и двуосновных аминокислот включает Nа+/зависимые и Na+/-независимые переносчики. Одним из них является D2 для цистеина. Апо-липопротеин В-100 (ароВ-100) осуществляет транспорт основных аминокислот лизина и аргинина и других веществ. В поступлении в клетку пептидов, белков и других веществ участвуют различные АВС-АТФазы (ATP-Binding Cassette transporting proteins). В настоящее время у про- и эукариот описано более 100 АВС-помп, имеющих высококонсервативную доменную (От франц. domaine - владение, область, сфера).

организацию (области однородной среды, отличающиеся упорядоченностью в расположении или ориентации частиц) и большую гомологию молекулярных структур. Во многих случаях показано, что они сочетают свойства транспортера и канала, поскольку через образуемую субъединицами пору в клетку и из нее могут проходить различные вещества. В их числе Сl-, тяжелые металлы, сахара, антиканцерогены, олигопептиды и белки. Среди помп существует определенная "специализация": RING 4-11 осуществляет АТФ-зависимый транспорт пептидов, MDRP3 - наркотических веществ, MDRP1 - органических веществ и ионов хлора. В настоящее время эти транспортеры - предмет пристального внимания ученых, поскольку мутации генов некоторых из них приводят к тяжелым патологиям.

Специфические транспортеры трансмиттеров (медиаторов), обеспечивающие их возврат в пресинаптическое окончание нейрита, описаны для ГАМК, дофамина, норадреналина, серотонина (рис. 1.75). Локализованы они также в клеточной и везикулярных мембранах хромаффинных и других секреторных

клеток, где способствуют накоплению выводимых веществ в экзоцитозных пузырьках в обмен на выход Н+. Все они являются интегральными белками с 12 трансмембранными доменами и работают Na+- и С1--зависимо, что указывает на их осмочувствительность.

В целом направленность переноса органических веществ определяется трансмембранными электрохимическими градиентами Na+ (K+ у беспозвоночных) и Н+. На апикальной мембране поляризованных эпителиальных клеток градиент Na+ направленный в клетку, создается благодаря работе Nа+/К+-АТФаз базолатеральной мембраны, выводящих ионы. Затем включаются Na-зависимые вторичные транспортеры. Преобладание К-зависимого транспорта и электрогенеза у насекомых, по сравнению с преимущественно Na-зависимостью процессов у позвоночных, может иметь эволюционное значение в силу большей химической активности Na+ по сравнению с К+. Электрохимический градиент H+ на уровне плазмалеммы и внутриклеточных мембран фагоцитов, остеокластов и многих "богатых митохондриями" эпителиальных клеток животных создается Н+/АТФазами. Это способствует запуску различных транспортеров, в том числе и Nа+/независимых (рис. 1.76).

Эндоцитоз. В секреторную клетку вещества могут поступать одномоментно в больших, чем это могут обеспечить обменники, помпы и каналы, количествах, используя эндоцитоз. Известны два основных механизма эндоцитоза:

неспецифический жидкофазный и рецепторный.

Жидкофазный эндоцитоз представлен макро- и микропиноцитозом, усиленной диффузией. Наиболее часто жидкофазный эндоцитоз используется в условиях гиперосмолярности внеклеточной среды, вызывающей выход воды из клетки и значительное уменьшение ее объема. Поступление значимых объемов воды или осмотически активных веществ в процессе жидкофазного эндоцитоза можно рассматривать как механизм быстрой коррекции трансмембранного осмотического градиента (вплоть до изоосмотичности) и восстановления объёма клетки.

Рецепторный эндоцитоз регулируется преимущественно внеклеточным сигналом (лигандом) и имеет ряд отличий от жидкофазного эндоцитоза. Так, рецепторный эндоцитоз характеризуется селективностью веществ, поступающих в клетку, специфика которых определяется самой клеткой через синтезируемые в ней рецепторы клеточной мембраны. Кроме того, меньшие объемы веществ, поступающие в клетку, по сравнению, например, с макропиноцитозом, предопределяют большую роль направленной внутриклеточной сортировки входящих молекул и расширение круга их функций.

Различают следующие стадии рецепторного эндоцитоза: 1) связывание рецептора с лигандом; 2) образование "опушенных" клатриновых везикул; 3) ацидификация в эндосомах и преобразования лигандрецепторных комплексов;

4) сортировка эндоцитосом. Детально стадии рецепторного эндоцитоза были исследованы для рецепторов факторов роста, обладающих внутриклеточными доменами с протеинкиназной активностью. Считается, что только такие рецепторы, способные к аутофосфорилированию и фосфорилированию друг друга после связывания с молекулами лиганда (эпидермального фактора роста, например), участвуют в рецепторном эндоцитозе. Благодаря латеральной диффузии эти рецепторы скапливаются в складках клеточной мембраны, образуя рецепторные комплексы. Этим облегчается процесс их взаимного фосфорилирования после активации лигандом. Благодаря этому рецептор фосфорилирует по остаткам тирозина связанные с ним примембранные, эволюционно весьма консервативные, белки-адапторы (рис. 1.77). Последние фосфорилируют

Рис. 1.77 Образование эндоцитосомы

А - структура адаптера плазмалеммы (?- и ?-субъединицы тяжелой цепи). Б - интернализация лиганд-рецепторных комплексов с помощью адапторов и клатрина: 1 - рецептор, 2 - адаптер, 3 - клатрин. Заштрихованы субъединицы легкой цепи.

ассоциированные с ними молекулы клатрина, тяжелые цепи которого представляют собой треногу. Это позволяет клатрину одновременно быть связанным с белком-адаптером, с ГТФ/ГДФ-связывающим белком динамином и белком теплового шока hsp 70. Молекула динамина на N-конце имеет 4 сайта (от англ. site - участок), связывания ГТФ, а на С-терминале - 3 сайта с остатками пролина, которые связываются с микротрубочками цитоскелета. Это облегчает транспортировку образовавшейся эндоцитосомы в аппарат Гольджи или к ядру с помощью hsp 70, присоединяющемуся к N-ацетилгликозаминовому сайту клатрина. Примембранный ацидоз способствует сборке клатриновой сетки эндосомы и, тем самым, рецепторному эндоцитозу.

По мере продвижения эндоцитосомы в ее мембрану встраиваются другие мономерные ?-ГТФазы, обеспечивающие энергетику транспорта. Система за-кисления эндоцитосомы осуществляется Н+/АТФазой (в энтероцитах Н+-К+-АТФазой) и лизосомальной кислой фосфатазой, перешедшими в её мембрану с участком плазмалеммы. Поддерживает рН в эндосоме не ниже определенного уровня система буферирования, представленная встраивающимися в мембрану Ca+-Mg+-АТФазой и Са+-H+- обменником.

Ацидификация внеклеточного пространства у кавеолы является основным условием интернализации лиганд-рецепторных комплексов (и токсинов), а внутри эндоцитосомы - причиной их протеолиза. Возможны разные варианты в дальнейшем.

1. В ранних эндоцитосомах лиганд фрагментируется и поступает в цитоплазму, а рецептор возвращается в плазмалемму, где может подвергаться повторному эндоцитозу (ретроэндоцитоз) многократно, выполняя функцию шаттл-белка (от англ. - shuttle - челнок). Ретроэндоцитоз рецептора может сочетаться с транспортом целой молекулы лиганда в ядро в том случае, когда она имеет соответствующую сигнальную последовательность остатков аминокислот (например, пролактин в гепатоцитах).

2. При высокой концентрации лиганд-рецепторных комплексов лиганды в эндосоме также фрагментируются, а рецептор транспортируется к ядру, где способствует подавлению экспрессии собственного гена (генов), адаптируя число рецепторов к функциональному состоянию клетки.

3. В средних и, возможно, поздних эндоцитосомах, образующихся после слияния с лизосомами, протеолизу подвергаются и лиганд, и рецептор, - их фрагменты поступают в цитоплазму и/или ядро. Если слияние эндосомы с лизосомой произошло в аппарате Гольджи, тогда фрагменты лиганда могут использоваться в процессе сборки в цистернах Гольджи молекул секретируемого вещества и образования экзоцитозных везикул.

4. Эндоцитосома проходит путь от апикальной до базальной мембраны секреторной клетки (трансцитоз), лиганд-рецепторный комплекс протеолизу не подвергается, и лиганд выделяется. Возможен и ретроэндоцитоз такого комплекса без трансцитоза, тогда увеличивается доля примембранных эффектов.

Таким образом, для рецепторного эндоцитоза, в отличие от жидкофазного, регуляция внутриклеточного осмотического давления и объема клетки не является основной задачей.

Рецепторный эндоцитоз может способствовать ускорению и пролонгированию эффектов Внеклеточного лиганда на внутриклеточные структуры. Фрагменты лиганда могут использоваться для ускоренного синтеза секретируемого вещества или для интенсификации внутриклеточного метаболизма.

Регуляция и функции внутриклеточного рН. Значения внутриклеточного рН как интегрального показателя кислотно-щелочного равновесия играют большую роль в регуляции всех стадий секреторного процесса. Впервые зависимость внутриклеточного метаболизма и трансмембранного транспорта от градиента рН выявил Г. Сёренсен. Будучи специалистом в области электрохимии, он определил рН как отрицательный логарифм термодинамической активности протона: рН = -logH+. Г. Сёренсен впервые доказал, что рН отражает интегральную оценку обмена веществ и энергии в клетке. При этом кислоты и щелочи выступают в ролях соответственно доноров и акцепторов H+. В клетке чаще источником протона являются органические вещества (например, кислые аминокислоты, пептиды и белки). Разные клетки характеризуются специфическими базальными значениями рН. Так, в нейронах, в силу участия ионов щелочных металлов в электрогенезе, рН более щелочная (до 7,3), а в фагоцитирующих клетках - более кислая (до 6,5). В разных структурах одной клетки рН также может различаться: в большинстве клеток в митохондриях рН > 7, в аппарате Гольджи от 2 до 5, в лизосомах рН = 2, эндосомах рН =0,5-1,0 и фагосомах - 3-5 при рН > 5 для цитоплазмы. Поэтому органеллы с ацидозом рассматривают как депо Н+. Очевидно, что функциональное состояние клетки, в том числе и стадия секреторного процесса, могут обусловливать изменения рН и быть одновременно рН-зависимыми. На первой стадии секреторного процесса на значения рН может влиять трансмембранный транспорт воды и ионов.

Регуляция рН в секреторной клетке: транспорт воды. Направление трансмембранного транспорта воды (гидравлический градиент) противоположно подобному для осмотического градиента. Перенос молекул воды может быть диффузным или осуществляться через водные поры (каналы) с регулируемой проницаемостью для воды (рис. 1.78). Диффузия воды облегчена в участках клеточной мембраны, насыщенных анионными фосфолипидами, неполярные концы молекул которых расположены под углом друг к другу. Это увеличивает межмолекулярные пространства в мембране, через которые диффундирует вода.

Рис. 1.78 Движение воды и электролитов через межклеточное пространство

Водные поры образованы белками аквапоринами, образующими гомотетрамер с каналом в центре. Для аквапорина-2 в люминальной (от лат. lumen, luminis - свет, просвет)

(обращенной в полость органа) мембране эпителия мочевого пузыря амфибий и почечных канальцев млекопитающих показана способность связывать антидиуретический гормон (вазопрессин), что приводит к увеличению водной проницаемости и реабсорбции воды.

В мембране и по обе стороны от нее молекулы воды образуют гидратные оболочки ионов и органических молекул. Так, ионы натрия имеют три гидратные оболочки, хлора - две, а калия - одну, чем объясняется разная степень их влияния на внутриклеточные значения рН, осмотическое давление и соответствующие трансмембранные градиенты. Большая "гидратная агрессивность" ионов натрия, чем калия, определяет асимметрию их распределения по обе стороны клеточной мембраны: в клетке больше ионов калия, а во внеклеточном пространстве - натрия. Гидрофильные участки белков, пептидов и более сложных органических веществ также связывают воду. Однако в районе гидрофобных последовательностей молекул отталкиваемые молекулы воды образуют комплексы на определенном расстоянии от этого участка белка. В целом такой зеркальный "гидратный портрет-слепок" органической молекулы может играть важную роль в межмолекулярных взаимодействиях в мембране и примембранных пространствах, особенно в механизмах трансмембранного переноса по рН- и осмотическому градиентам.

Транспорт ионов: обменники, каналы, помпы. Частичный гидролиз воды в клетке с образованием Н+ и ОН- обусловливает влияние трансмембранного переноса воды на регуляцию рН цитоплазмы и, через протонирование и гидроксилирование органических молекул, на изменение свойств последних. Повышенная гидрофильность ряда катионов сопряжена также с их ролью в трансмембранном переносе протонов. Так, с помощью Na+/K+ обменника, изоформы которого присутствуют в мембранах клеток всех живых организмов, начиная с бактерий, осуществляется разнонаправленный перенос иона натрия в обмен на протон (рис. 1.79). Энергетически он возможен благодаря наличию концентрационного градиента ионов, поэтому зависит от потенциала мембраны. Однако сами обменники представляют собой неэлектрогенные переносчики. Постоянно активный, изменяя лишь число циклов в единицу времени, Na+/H+ обменник быстро корректирует величины рН и осмотического давления по обе стороны мембраны. У млекопитающих натрий в обменнике может быть заменен Са2+ или К+.

Для регуляции рН в секреторной клетке особое значение имеет Са2+ как основной буфер ацидоза. Поэтому обменники Ca2+/H+, Са2+/2Н+ наиболее распространены в мембранах органелл - депо H+. При защелачивании цитоплазмы H+ выкачивается из депо в обмен на Са2+. Таким образом они превращаются перманентно в депо для Са2+.

В регуляции трансмембранных градиентов рН участвуют также обменники (рис. 1.80), переносящие катионы в обмен на анион (Nа+/НСОз-, 2Cl-/Ca2+), катиона на катион (Na+/Ca2+) или аниона на анион (Сl-/НСОз-). Возможен и однонаправленный транспорт ионов (симпорт, или котранспорт). В секреторных клетках представлены котранспортеры 2Cl-/Na+/K+, Nа+/НСОз-, Nа+/глюкоза и Nа+/лактат. Подчеркнем, что в обоих случаях (симпорт или антипорт) движение ионов происходит по концентрационному градиенту, электронейтрально и АТФ-независимо.

Рис. 1.79 Транспортные процессы в проксимальном извитом канальце

Ионные насосы показаны кругами и сплошными стрелками, межклеточный транспорт - штриховыми стрелками, субстрат - S*.

Рис. 1.80 Секреция обкладочными клетками желудка соляной кислоты, с активным транспортом ионов H+ и Сl- через апикальную мембрану в просвет органа

Через каналы транспорт ионов осуществляется также по концентрационному градиенту и АТФ-независимо, но электрогенно. В секреторных клетках описано несколько типов катионных и анионных каналов, образуемых одним или несколькими интегральными белками, формирующими пору канала. Проницаемость каналов регулируется благодаря селективной (или смешанной) чувствительности этих белков к химическим, механическим факторам или к изменению потенциала мембраны.

К хемочувствительным относят ионные каналы, имеющие участки связывания гормонов или трансмиттеров (локализованные внеклеточно), H+ или Са2+ (внутриклеточно). Классическим примером является мономерный ГАМКa-рецептор клеточной мембраны, который после связывания молекулы ГАМК превращается в канал для С1-, входящего в клетку по концентрационному градиенту и гиперполяризующего мембрану. В мембране саркоплазматического ретикулума скелетных мышц локализован один из каналов для Са2+ обладающий рецепцией к риноидину. Для связывания лиганда белки канала должны предварительно связать ионы кальция. Этот риноидин- и кальций-чувствительный канал для Са2+ относится к широко представленной в секреторных клетках большой группе кальций-чувствительных ионных каналов для Na+, K+, Сl-, Са2+ Связывание ионов кальция в клетке определяет также роль белков этих ионных каналов в гомеостатировании внутриклеточного Са2+. Для рН-чувствительных ионных каналов характерно протонирование при внутриклеточном ацидозе участков молекул. Например, в этих услових запускается вход Na+ через Nа+/рН-чувствительные каналы, что способствует гомеостатированию рН цитоплазмы. Регуляция хемочувствительных ионных каналов может быть и опосредованной через структуры, активируемые связыванием рецептора с лигандом (например, ГТФ/ГДФ-связывающих белков).

Механочувствительные ионные каналы открываются при изменении степени натяжения клеточной мембраны. В секреторных клетках механочувствительные каналы для Са2+, Na+ Cl- участвуют в регуляции объема клетки

Рис. 1.81 Секреция НСl обкладочной клеткой желудка: ионы Н+ переносятся в просвет органа при участии (H+/K+ )-АТФазы, встроенной в мембрану щеточной каймы. Ионы Сl- также активно переносятся в просвет, а в клетку поступают в обмен на ионы НСО3;ионы. Н+ образуются из Н2СО3 и в меньшей степени, из воды

и секреции. Примером может служить секреция атриального натрийуретического гормона миоэндокриноцитами ушек правого предсердия млекопитающих при его растяжении венозной кровью.

Потенциал-чувствительные каналы для всех ионов имеют гомологичный четвертый внутримембранный домен (S4) интегрального белка канала, связанный с механизмом открывания его ворот. Для S4 характерно присутствие заряженных и незаряженных участков. Предполагается, что при деполяризации мембраны последние приобретают положительный заряд, что является критическим для открывания потенциалчувствительных каналов, участвующих в генезе потенциала действия и выведении секрета. Заметим, что разные подтипы каналов могут открываться при разных значениях потенциала мембраны. Например, медленные каналы для К+ открываются при критических для генерации ПД значениях деполяризационного потенциала, другие, также выходящие, открываются при максимальной следовой гиперполяризации мембраны и закрываются по достижении КУД. В клетках пейсмекерного типа (водители ритма сердца, ЦНС, нейросекреторные клетки) такие каналы обеспечивают спонтанную повторяющуюся генерацию ПД. Это весьма важно для выведения больших количеств секрета белково-пептидной природы при запуске механизма "стимул-секреция".

Химические факторы могут регулировать проницаемость и потенциал-чувствительных ионных каналов. Так, жирные кислоты, особенно ненасыщенные, снижают проницаемость деполяризующих потенциал-зависимых Na+- и Са2+ каналов и увеличивают - входящих и гиперполяризующих мембрану потенциал-чувствительных К+/каналов.

Движение ионов против градиента концентрации требует энергетических затрат, на которые идет энергия, выделяющаяся при расщеплении молекул АТФ. С этим связано наличие энзиматических свойств у молекул транспортеров или помп (рис. 1.81). Среди них наиболее известна Nа+/К+-АТФаза, относящаяся к ?/? гетеродимерным катион-обменным АТФазам (помпы Р-типа, как и Н+/К+-АТФаза). Она состоит из ?- и ?-субъединиц и обладает способностью присоединять и расщеплять АТФ, акцептировать и переносить катионы и ряд других веществ. На вынос 3Na+ из клетки и перенос 2K+ в клетку затрачивается 1 моль АТФ. Работая в базальном режиме, Nа+/К+-АТФаза поддерживает асимметрию катионов по обе стороны плазмалеммы. Когда она нарушается (например, во время генерации восходящей фазы ПД и следовой деполяризации), помпа активируется (в период следовой гиперполяризации) и восстанавливает соотношение катионов. В поляризованных секреторных клетках Nа+/Н+-обменник и Na+-каналы локализованы преимущественно в

Рис. 1.82 Зависимость пассивного переноса ионов от размера пор плотных контактов

апикальной мембране, а Na+/K+-АТФаза - в базальной. Это способствует поддержанию низкого уровня ионов натрия в клетке и, тем самым, созданию электрохимического градиента Na+ на апикальной мембране. В плазмалемме и в мембранах внутриклеточных структур секреторных клеток описаны и другие помпы:

Н+/К+-, Н+-, Ca2+-Mg2+-, 2H+/Ca2+- и I--АТФазы. Среди них наиболее эволюционно древней считается протонная помпа, которая у гриба нейроспоры выкачивает протон из клетки, создавая мембранный потенциал в 200 мВ. У галобактерий гомологом Н+-АТФазы является галофильный белок, гомологичный родопсину. Он также способствует выходу протонов. Протон-секретирующие клетки широко представлены у разных групп животных (рис. 1.82).

Для секреторной клетки описанные механизмы транспорта ионов имеют особое значение. Сопряженно с переносом в клетку натрия активируется перенос глюкозы и ряда аминокислот. Через пору, образуемую субъединицами Nа+/К+-АТФазы, в клетку поступают глюкоза, аминокислоты и до 40% всего объема кислорода, попадающего в клетку извне. Таким образом, предшественники-мономеры синтезируемого белка, субстрат окисления и окислитель, обеспечивающие энергетику синтеза и работу самой помпы, попадают в клетку сопряженно с транспортом ионов. Пассивный перенос через эпителий зависит также от размера пор плотных межклеточных контактов, который, например, уменьшается в направлении от проксимальных отделов кишки к дистальным, в связи с чем в том же направлении увеличиваются трансэпителиальная разность потенциалов и электрическое сопротивление (рис. 1.83). Очевидно, что деятельность определенных механизмов, регулирующих рН, обеспечивает локальные трансмембранные градиенты рН и определяет локальные же значения рН в том или ином участке цитоплазмы. В эпителиальных тканях большое значение имеет и трансэпителиальный градиент рН. Указанные градиенты рН влияют на трансмембранный, трансцеллюлярный и трансэпителиальный ток жидкости. Процессы протонирования, депротонирования, гидроксилирования белков внеклеточного матрикса, плазмалеммы и внутриклеточных белков отражают значение для функций секреторной клетки локальных изменений рН и трансмембранных градиентов. Изменяется активность ферментов и аффинность рецепторных доменов в составе внеклеточного матрикса. Нейтральные околоклеточные примембранные значения рН блокируют эндоцитоз и обрекают лиганд-рецепторные комплексы на долгое пребывание на уровне плазмалеммы. При рН < 5 наблюдаются деполяризация мембраны и эндоцитоз, а при рН > 5 гиперполяризация сопровождается сбрасыванием лиганд-рецепторных комплексов с клеточной поверхности.

Рис. 1.83 Структура обкладочной клетки в покое (А) и при стимуляции (Б)

Я - ядро, Р - гладкий плазматический ретикулум, М - митохондрия, К - внутриклеточный каналец, открывающийся в просвет железы, В - вакуоль.

Проницаемость ряда ионных каналов и, соответственно, мембранный потенциал также изменяются рН-зависимо и, с другой стороны, являются механизмом регуляции рН. Так, защелачивание внеклеточного примембранного пространства от 6,7 до 8,3 приводит к увеличению выхода Сl- из обкладочных клеток слизистой оболочки желудка в 5 раз. Обратный процесс (рН снижается от 7,9 до 6,7) приводит к модификации Са-каналов в Na-каналы. В седалищном нерве лягушки на восходящей фазе ПД, обусловленной лавинообразным входом Na+ развивается алкалоз(от позднелат. alkali - щелочь, от араб. al-gali -растительная зола и греч. -osis - суффикс, означающий "процесс", "болезнь"). рН от 6,7 возрастает до 8,3 к пику. Максимально открытые Nа+, каналы позволяют протонам входить по градиенту рН. На нисходящей фазе активируется Nа+/Н+обменник, также вносящий протоны. Поскольку алкалоз-зависимо открываются Cl-каналы в начале фазы следовой гиперполяризации, то вход протонов и анионов способствует компенсаторной нейтрализации вплоть до 6,2.

Активация Na+/K+-помпы благодаря входу глюкозы и кислорода стимулирует процессы окисления на этой стадии и восстановление энергетического потенциала. В окситоцинергических нейросекреторных клетках гипоталамуса выведение секрета сопряжено с большими энергетическими затратами: на фоне длительного Са-зависимого деполяризационного плато возникают высокочастотные "залповые" ПД, сменяющиеся длительной (до 20 с) следовой гиперполяризацией. Сходная картина электрогенеза характерна и для инсулин-секретирующих (?-клеток поджелудочной железы.

Внутриклеточный алкалоз стимулирует вход йодидов в фолликулярные клетки щитовидной железы с последующим синтезом йод-содержащих гормонов. Ацидоз, усиливая выход ионов кальция из внутриклеточных депо, активирует Са-зависимые процессы: сокращение, хемотаксисы, Са-зависимый экзоцитоз, клеточный цикл, адгезию. Известно, что увеличение внутриклеточного Са2+ стимулирует синтез основного Са-связывающего белка кальмодулина (СаМ). При увеличении рН на 0,5 синтез СаМ увеличивается под влиянием Са2+ в 5 раз. Поэтому комплексы Са-СаМ и H+ рассматриваются как сенсоры внутриклеточного рН и Са2+.

Регуляция внутриклеточного рН благодаря процессам трансмембранного транспорта воды, ионов, органических веществ, клеточного дыхания и метаболизма сопряжена с регуляцией осмотического давления и объема клетки, особенно секреторной.

Регуляция объема секреторной клетки. В эпителиальных, особенно поляризованных, клетках изоосмотичность цитоплазмы внеклеточной среды поддерживается благодаря равенству объемов и скоростей воды, поступающей в клетку через апикальную мембрану и покидающей ее через базальную. Нарушение этого равновесия может привести к увеличению или уменьшению объема клетки и изменению ее функций вплоть до гибели. Направление гидравлического градиента и объем свободной воды в клетке определяются концентрацией связывающих молекулы воды осмотически активных ионов (Na+, С-, K+, Са2+) и органических веществ, т. е. осмотическим градиентом. К органическим осмолитикам относятся: глюкоза, простые липиды и ненасыщеные жирные кислоты, полигидратные алкоголи, лактат, кислые и нейтральные аминокислоты и их нитрогенные растворы, пептиды и другие вещества, образующиеся в процессе транспорта, синтеза и метаболизма.

В роли "сенсоров" изменения объема клетки могут выступать: рост или уменьшение гидратации белков мембраны и цитоплазмы; растяжение или сжатие клеточной мембраны, вызывающее перестройки цитоскелета, активацию или ингибирование ассоциированных с мембраной энзимов (например, аденилатциклазы), транспортеров, рецепторов и ионных каналов; изменение градиентов ионов (ионной силы), осмотического давления и рН (осмохимическая сила); де- или гиперполяризация клеточной мембраны (рис. 1.84).

При возникновении трансмембранного осмотического градиента, приводящего к изменениям объема клетки, запускаются механизмы регуляции, направленные на достижение изоосмотичности вне- и внутриклеточных сред, что приводит к нормализации объема. Этой задаче служит перенос воды гидрофильными ионами (наиболее быстрый механизм регуляции I типа), а также компенсаторные (замедленные) изменения концентраций органических осмолитиков через их трансмембранный транспорт, метаболизм, эндо- или экзоцитоз (П типа). При этом механизмы регуляции объема клетки должны избегать "побочных" энергозатрат на электрогенез и рН-стабилизацию.

Оба типа регуляции используются при регулируемом уменьшении объема клетки (РУМО), раздувшейся в условиях гипоосмолярной среды из-за входа воды, и регулируемом увеличении (РУВО) объема клетки, сжавшейся в гиперосмолярной среде из-за потери воды. Рассмотрим особенности каждого из них.

Регулируемое увеличение объема клетки. По мере уменьшения размеров и гидратированности клетки срабатывают механизмы РУВО I, главным компонентом действия которых является вход Na+, CL- и K+. Трансмембранный перенос в клетку осмолитиков - предшественников секрета, эндоцитоз и

Рис. 1.84 Системы регулируемого уменьшения (РУМО I, РУМО II) и увеличения (РУВО I, II) объемов секреторной клетки

протеолиз содержимого эндосом способствуют увеличению внутриклеточного осмотического давления, удерживанию воды в клетке и восстановлению нормального объема.

При гиперосмолярности среды уменьшению объема клеток почечного эпителия позвоночных противодействует накопление сорбитола, глицерофосфата, бетаина, инозитола, таурина, глицина и глутамина. В церебральных нейронах млекопитающих объем и внутриклеточное осмотическое давление регулируются быстрым входом неорганических ионов и низкомолекулярных органических осмолитиков: холина, метиламинов, креатина, инозитола, таурина, нейтральных и анионных аминокислот, ГАМК. Сходные механизмы описаны и в эпителии жабер двустворчатых моллюсков.

Регулируемое уменьшение объема клетки. Механизмы РУМО I используются в эпителиальных клетках, подключая все более сложные варианты по мере увеличения объема. Различают Са-независимые системы РУВО I и Са-зависимые. Первые описаны для эпителия почечных канальцев и включаются через активацию переносчика K+/Cl-, который при нормальном объеме фосфорилирован и неактивен. Увеличение объема подавляет активность протеинкиназ и активирует дефосфорилазы с последующим дефосфорилированием и стимуляцией переносчика. Это стимулирует выход ионов, а вместе с ними воды. Увеличение концентрации Glu, Asp, синтеза фосфолипидов и гликогена (РУМО II) приводит к уменьшению осмотического градиента и нормализации объема клетки.

Са-зависимые системы РУМО I включают механочувствительные Са2+- и Са-чувствительные К+ и Сl--каналы: натяжение плазмалеммы при увеличении клеточного объема активирует первые. Через них в клетку поступает Са2+, который акцептируется белками Са-чувствительных каналов. Выходящие ионы К+ и Сl- выводят с собой воду, что нормализует объем.

Хлорный канал относится к типу максиСl--канала, время открытого состояния которого максимально по сравнению с другими типами хлорных каналов. Через него из клетки может выходить вода, продукты анаэробного гликолиза и НСОз-. Последовательность включения ионных токов обусловливает смену значений потенциала мембраны: первичная С2+-зависимая деполяризация сменяется K+ и Сl--зависимой гиперполяризацией. Показано, что при деполяризации в начале РУМО I макси С1--каналы инактивированы, а позже ненасыщенные жирные кислоты (факторы гиперполяризации) активируют их. В зависимости от степени увеличения объема клетки для их коррекции используются разные механизмы.

С локальной деполяризацией сопряжен эндоцитоз, а с гиперполяризацией - выведение экзоцитозом или транспортерами алифатических аминокислот, холина, миоинозитола, метиламинов, что снижает внутриклеточное осмотическое давление и поступление воды. Этот механизм РУМО II описан для нейронов головного мозга.

1.3.2. Выведение веществ из клетки

Выведение веществ из клетки представляет собой, с одной стороны, завершающую стадию секреторного процесса, с другой - механизм экстренного и эффективного уменьшения объема клетки, внутриклеточного осмотического давления и рН. Различают конститутивный и регулируемый экзоцитоз.

Конститутивный экзоцитоз осуществляется периодически, по мере накоплениях секрета, без видимого воздействия внеклеточных факторов, при колебаниях гидратированности клетки, без участия аппарата Гольджи и Са2+-независимо.

Регулируемый экзоцитоз отличается от предыдущего необходимостью для запуска внеклеточного воздействия и четкой стадийностью процесса. Каждая из стадий регулируется дифференцированно. Специфика экзоцитоза определяется химической природой выделяемого (-мых) вещества, невезикулярной или везикулярной формами его выведения.

Невезикулярный регулируемый экзоцитоз. Различают типы невезикулярного регулируемого экзоцитоза с частичной утратой клеточной мембраны и без нее. К первым относят апокриновый тип секреции, например, коллоидных белков, и лемокриновый (липидных капель). Апокриновый тип характеризуется тем, что синтез коллоидных белков в фолликулярных эпителиальных клетках щитовидной железы, клетках Сертоли семенников, в ацинусах слюнных желез, в желудке и кишке (муцины I, II) значительно увеличивает объем клеток, компенсируемых микроворсинками и складками апикальной мембраны. Часть секрета заполняет кончики микроворсинок, растягивает их мембрану, что активирует механочувствительные миниС1--каналы, ионы хлора выходят, деполяризуя плазмалемму. Это затем активирует более высокопороговые потенциалочувствительные максиСl--каналы и вместе с хлором через них выходят анионы N0з-, Вг- и вода. При таких же значениях МП открываются механо- и потенциалочувствительные К+-каналы. Выход ионов калия усиливает деполяризацию, вызванную работой максиСl--каналов. Это вызывает вход Са2+ через открывающиеся потенциалочувствительные Са2+-каналы и Са2+-зависимое сокращение актина и апокрина. Вследствие этого происходит отшнуровывание части микроворсинок с коллоидом, окруженным фрагментом клеточной мембраны.

При лемокриновой секреции липидная капля (например, молочного жира в эпителии молочной железы) подходит к плазмалемме и на расстоянии около 10 нм неполярные фосфолипиды мембраны и осмофильные поверхности капли слипаются под воздействием сил Ван-дер-Ваальса-Лондона, за этим следует облегание капли клеточной мембраной с последующим отшнуровыванием. В адипоцитах и стероидогенных клетках на поверхности липидных капель обнаружены фосфопротеины перлипины, присутствие которых критично для лемокриновой секреции.

Без утраты части плазмалеммы осуществляется экзоцитоз тех веществ, которые могут диффундировать через мембрану или же транспортироваться с помощью определенных переносчиков. К ним относятся газообразные секреты (O2, NO, NО2, CO, CO2 и др.), которые могут выделяться через поры ряда помп или диффузией по концентрационному градиенту. Протон-секретирующие клетки беспозвоночных и позвоночных животных используют ряд сходных обменников и Н+-АТФаз. Электролиты и вода, а также другие жидкости могут выделяться Са2+-зависимо и Са2+-независимо. Основные нейротрансмиттеры с помощью транспортеров могут не только накапливаться в клетках, но и секретироваться ими.

Для секреции кислот у позвоночных и некоторых беспозвоночных (например, одноклеточными железами подошвы ноги брюхоногих моллюсков) используются комплексы транспортеров и обменников с итоговым выведением воды и анионов. Так, секреция НС1 обеспечивается транспортером выхNa+/ выxK+/вx2Cl-, затем ионы хлора обмениваются на анион угольной кислоты (выхСl-/вхНСОз-), причем эти выходящие ионы хлора позже участвуют в синтезе НСl. В клетке угольный анион образует кислоту (Н2СОз), которая под действием карбоангидразы II распадается на H2O и СО2, а вода - на гидроксил и секретируемый протон, участвующий в синтезе НС1. Угольная кислота может также секретироваться в других клетках, для чего используются обменники Na+/H+ Сl-/НСОз-и НСОз--каналы.

Примембранный внеклеточный ацидоз приводит к активации протеаз, разрушающих соответствующие пептидные связи в рецепторе или прогормоне, синтезированных в клетке и встроенных в плазмалемму как интегральные белки. В результате этого происходит удаление с поверхности клетки гормона, активированного отделением от прогормона, "отработавших" лиганд-рецепторных комплексов или избыточных рецепторов.

Судьба последних в плазме крови может измениться: они акцептируют гормоны, транспортируют и защищают их от протеаз (например, соматотропин-связывающие белки).

Везикулярный экзоцитоз. Синтезированные в клетке белки и пептиды подвергаются двухэтапной сортировке. В цитоплазме она основана на присутствии в структуре молекулы сигнального "мотива" и соответствующего заряда: если на С-конце имеется последовательность аминокислотных остатков -Lys-Asp-Glu-Leu (KDEL-мотив) или -Lys-Lys-, то в поляризованной секреторной клетке молекула транспортируется от эндоплазматического ретикулума в cis-Гольджи;

если в N-терминале молекулы содержится сигнальный мотив в виде -Arg-Arg-, то белок переносится к плазмалемме и встраивается как трансмембранный с последующим невезикулярным экзоцитозом.

Сигнальные мотивы в молекуле белка обеспечивают связь его со специфическим внутриклеточным транспортером и молекулой-акцептором в той или иной мембране. Белки с дисульфидными мостиками, которые синтезируются на полирибосомах, транспортируются к участкам мембраны ретикулума, локализованным перед аппаратом Гольджи. Они обогащены анионными фосфолипидами, гликопротеинами и акцепторными белками. Это способствует попаданию синтезированной молекулы в cis-Гольджи, откуда она переносится с помощью специфических транспортеров в trans-Гольджи. Минуя ретикулум, в цистерны могут попадать эндоцитосомально-лизосомальные комплексы белков.

Формирование везикул при экзоцитозе начинается с сортировки и упаковки секреторных белков, обладающих четвертичной структурой. Для этого необходимо повышенное содержание Са2+, ацидоз (рН 4,5-5) и присутствие специфических для аппарата Гольджи кислых белков секрето- и хромогранинов. Секрето- и хромогранины облегчают сортировку и упаковку белков, акцептируя белковый продукт, а также протеазы. Последние в кислой среде trans-Гольджи, а затем в везикуле осуществляют протеолиз молекул прогормонов и самих гормонов. Такое превращение молекул показано в гепатоцитах для прогормона фактора роста нервов и в аденогипофизарных кортикотропоцитах - для проопиомеланокортина (предшественника кортикотропина) меланотропина и опиоидных пептидов. Это приводит к одновременному выделению из клетки при регулируемом экзоцитозе комплекса веществ: гормонов, хромогранина и их фрагментов. Кроме того, в везикуле содержатся нейтральные фосфолипиды и липиды, в том числе холестерин.

Следующие стадии процесса экзоцитоза включают: транспорт везикулы к плазмалемме, селективная адгаезия (прилипание) везикулы к определенному участку мембраны, слипание мембран везикулы и клетки, образование фузионной поры и выведение секрета во внеклеточное пространство. В реализации каждой стадии участвуют специфические белки, многие из них полифункциональны и активируются через фосфорилирование протеинкиназами А и С (соответственно цАМФ- и Са-зависимыми). Они встраиваются в мембрану везикулы по мере продвижения к плазмалемме.

Роль транспортера и энергетического донора играют ГТФазы, ближе к плазмалемме встраиваются Ras-подобные АТФазы, которые участвуют и в селективной поставке везикул к плазмалемме. Ацидоз в везикулах поддерживается встроенными в мембрану Н+-АТФазой и Н+/НСО3--обменником, закачивающими протон в органеллу.

По осмотическому градиенту в везикулу поступают вместе с водой ионы хлора, увеличивая размеры везикулы. Кроме того, буферирующий ацидоз ион Са2+ удаляется в цитоплазму Са2+/Мg2+-АТФазой и Са2+/2Н+-обменником. Это способствует увеличению концентрации Са2+ в околовезикулярном пространстве и запускает (через Са-связывающие белки) необходимые для экзоцитоза Са-зависимые процессы.

Очевидно, что выход кальция из внутриклеточных депо, представляющий собой один из основных внутриклеточных ритмов, и/или вход иона через каналы плазмалеммы при ее деполяризации, растяжении, лиганд-рецепторном связывании являются мощным и экзоцитоз-стимулирующими факторами. Поэтому белки, участвующие в конечных стадиях экзоцитоза, являются Са2+-связывающими или Са2+-каналами. Поскольку в образовании поры участвуют не только белки, но и фосфолипиды мембраны, по крайней мере один из белков (Ехо1/р14-3-3) обладает функциями фосфолипазы А2, гидролизующей анионные фосфолипиды.

Сборка комплекса установки начинается с входа Са2+ через канал, образованный аннексином, белком, обладающим свойствами АТФазы. Фузионная пора отличается от канала тем, что после образования она увеличивает свой диаметр вплоть до полного встраивания мембраны везикулы в плазмалемму. Через пору по осмотическому и рН-градиентам из околоклеточного пространства начинают поступать вода и Са2+, что быстро увеличивает объем везикулы и растягивает ее мембрану, вызывая затем сокращение везикулы с выбросом содержимого из клетки. В силу различия знака мембранного потенциала везикулы и плазмалеммы в точке установки сама адгезия вызывает генерацию спайкового разряда в возбудимых клетках, что способствует выравниванию потенциала между встроенным фрагментом бывшей везикулярной мембраны и соседними участками плазмалеммы.

В эндотелиальных клетках к апикальной мембране может поставляется цепочка везикул, взаимодействующих между собой, а последняя везикула - адгезировать к базолатеральной мембране, завершая таким образом формирование канала трансцитоза. В некоторых пресинаптических окончаниях везикулы образуют более сложные комплексы. Но в том и другом случае агрегирование везикул направлено на быстрое выделение из клетки больших количеств секрета.

В группах секреторных клеток синхронизация выведения веществ осуществляется благодаря синаптическим или щелевым контактам между клетками. Те и другие активируются потенциал- и Са-зависимо. Белки коннексины, образующие щелевой контакт, изменяют свою стереоструктуру при деполяризации и связывании кальция, т. е. представляют собой потенциал- и Са-чувствительный Са2+-канал, по которому ионы могут переходить от клетки к клетке, вовлекая их в экзоцитоз. Такие "кальциевые волны" описаны в костной ткани, в эндокриноцитах, эндотелии и энтероцитах. Особое значение они могут иметь в многоклеточных железах.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Всем живым клеткам свойственна способность активно реагировать на внешние воздействия. Реактивность (раздражимость) особенно отчетливо выражена у нервных, мышечных и железистых клеток. Их реакции проявляются в изменении электрического состояния, а также в сокращении (у мышечных) и секреции (у железистых клеток). Реактивность этих клеток лежит в основе функции нервной системы, двигательных аппаратов и желез организма животных и человека.

Возбудимость нервных и мышечных клеток, их способность генерировать потенциал действия связаны со свойствами их поверхностной мембраны, в которой имеются ионные каналы с потенциалозависимыми воротами. В покое мембрана этих клеток имеет закрытые каналы для Na+ и открытые - для К+. Непрерывная работа ионного насоса создает и поддерживает высокую концентрацию К+вн и низкую Na+BH. В этой ситуации небольшая утечка К+ наружу формирует поляризацию мембраны ("+" снаружи, "-" внутри). Это мембранный потенциал покоя (МПП).

При электрическом раздражении открываются каналы Na+ (в некоторых клетках - Са2+) и за счет их входа внутрь клетки поляризация мембраны извращается. Это потенциал действия (ПД). Его длительность составляет несколько миллисекунд.

Прекращение ПД связано с закрытием (инактивацией) Na-каналов и с открытием дополнительных каналов для K+, выход которого возвращает мембранный потенциал к исходной величине. Во время ПД электровозбудимость отсутствует (состояние рефрактерности). После ПД остается некоторый избыток Na+ в клетке, который устраняется работой ионного насоса, откачивающего из клетки Na+ в обмен на наружный К+.

Возникнув в какой-либо точке, ПД распространяется по нервному или мышечному волокну за счет раздражающего действия локального тока, возникающего между возбужденным и соседним участками. Скорость распространения возбуждения зависит от соотношения значения локального тока и электровозбудимости мембраны. Скорость эта тем больше, чем толще проводник (волокно). В миелинизированных нервных проводниках распространение ПД особенно быстро, так как в них ПД как бы прыгает от одного оголенного участка волокна (перехвата) к другому (сальтаторное проведение). В толстых миелинизированных волокнах скорость проведения достигает 100-120 м/с.

Контакты между нервными клетками и между нервными клетками и другими клетками-мишенями называют синапсами. Синапсы передают либо возбуждающий, либо тормозный сигнал. Существуют электрические синапсы, в которых сигнал передается локальным электрическим током. Большинство синапсов относится к химическому типу. В них сигнал передается в форме физиологически активного вещества - медиатора (трансмиттера). Это вещество синтезируется в "передающей" пресинаптической клетке, накапливается в ее нервных окончаниях, выбрасывается из них в синаптическую щель и воспринимается специфическими рецепторами постсинаптической клетки. Активация названных рецепторов либо прямо открывает ионные каналы, приводя к электрической реакции, либо воздействует на метаболизм клетки через специальные ферментные системы и вторичные передатчики (мессенджеры), что также может влиять на ионные каналы.

В возбуждающих синапсах рецепторы открывают каналы для Na+ или Са2+, что частично деполяризует мембрану и вызывает ПД (возбуждение).

В тормозных синапсах рецепторы открывают каналы для К+ или Сl-, движение которых по их градиентам нормализует или увеличивает МПП, т. е. тормозит, успокаивает клетку. Отработанный медиатор либо разрушается специальным ферментом, либо всасывается обратно в нервное окончание.

Нервные проводники осуществляют транспорт веществ. Этот процесс (аксонный транспорт) имеет скорость от 1-2 до 400 мм/сут. Аксонный транспорт (антероградный и ретроградный} важен для осуществления трофических процессов, а также для восполнения запасов квантов медиатора в нервном окончании. Через синапсы помимо описанных сигналов передаются трофические влияния (с помощью специальных агентов белковой природы). В трофике нервной системы, а также в обмене медиаторов и ионном гомеостазе тканей принимают участие глиалъные клетки.

В нервной системе животных и человека нейроны формируют нервные сети, обладающие рядом общих свойств {дивергенция и конвергенция нервных путей, связанные с ними пространственное облегчение и окклюзия; наличие ряда тормозных механизмов).

Основным вариантом реакции нервной сети на внешний стимул является рефлекс, представляющий собой возбуждение определенных рецепторов, афферентных нервных проводников, центра, эфферентных проводников и рабочего органа (эффектора). Взаимодействие (борьба) антагонистических рефлексов осуществляется с помощью реципрокного (сопряженного) торможения в центре.

Мышечные волокна помимо электрических реакций на нервные стимулы развивают сократительные ответы. Сокращения мышечных волокон представляют собой результат встречного движения толстых (миозиновых) и тонких (актиновых), нитей, расположенных в саркомерах миофибрилл. Это движение обеспечивается работой миозиновых мостиков, использующих энергию АТФ. В покое этот механизм не работает. Но при возбуждении, когда мышечный ПД провоцирует выброс Са2+ из саркоплазматического ретикулума, Са2+ снимает препятствие работе мостиков и сокращение начинается. Окончание сокращения обеспечивается обратным захватом Са2+ в саркоплазматический ретикулум.

Одиночный ПД обеспечивает одиночные сокращения, серия частых ПД - тетанус (как результат суперпозиции одиночных сокращений). Отмеченное правило применимо к большинству мышц позвоночных животных (хотя у гладких мышц есть особенности). Но в фибриллярных мышцах насекомых один ПД мышцы дает не одно, а множество очень быстрых сокращений. Этот "миогенный" ритм связан с тем, что названные мышцы, будучи возбужденными и, соответственно, сокращенными, мгновенно теряют напряжение (тягу), если освобождаются от "груза", и, наоборот, снова восстанавливают сокращения в ответ на нагрузку. В этих условиях при связи с упругим экзоскелетом насекомого возбужденные мышцы-антагонисты тянут попеременно, что и обеспечивает высокочастотные махи крыльев (при редких ПД мышц). Запирательные мышцы моллюсков в ответ на короткую серию нервных импульсов генерируют краткую пачку ПД и при этом производят очень длительное сокращение. Сократительные механизмы фибриллярных мышц и запирательных мускулов, по-видимому, отличаются от изученных в обычных мышцах.

Электрический механизм (работающий в нервных проводниках, в постсинаптических мембранах и в мышечных волокнах) имеет специальное и чрезвычайное развитие в электрических органах рыб, которые могут за счет последовательного соединения клеточных батарей генерировать импульсы напряжением до 500-1000 В.

Сократительные механизмы присущи не только мышцам. В сходной форме они существуют и действуют в примембранных структурах, жгутиках и ресничках, обеспечивающих двигательные функции у простейших, и у ряда специализированных клеток высших животных и человека.

Деятельность секреторных клеток, направленная на стабилизацию процессов обмена веществ и энергии, осмотического давления, рН и объема, сходна с подобной деятельностью у других клеток. Однако специфика секретируемого вещества (газы, жидкости, липиды, белки, моноамины и т. д.), интенсивность его синтеза и выведения определяют особенности клеточных структур и функций секреторных клеток. К ним относятся: большее разнообразие систем трансмембранного переноса веществ - предшественников секрета и выделения синтезированных продуктов; широкое использование гидрофильных ионов для регуляции осмотического давления , рН и объема секреторной клетки; усложнение систем внутриклеточной сортировки молекул и везикул (эндо-, пино-, фагосомальных и экзоцитозных); более полное использование изменений мембранного потенциала как инструмента быстрой регуляции всех стадий секреторного процесса.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Авдонин П. В., Ткачук В. А. Рецепторы и внутриклеточный кальций. М., 1994.

Бернштейн Н.А. Физиология движений и активность. М., 1990.

Гехт Б. М. Теоретическая и клиническая электромиография. Л., 1990.

Жуков Е. К. Очерки по нервно-мышечной физиологии. Л., 1969.

Ичас М. О природе живого: механизмы и смысл. М., 1994.

Катц Б. Нерв, мышца и синапс. М., 1968.

Крутецкая 3. И. Лонский А. В. Биофизика мембран. СПб., 1994.

Куффлер С., Николе Дж. От нейрона к мозгу. М., 1979.

Кэндел Э. Клеточные основы поведения. М., 1980.

Лапицкий В. П. Сравнительная физиология сократительного аппарата. СПб., 1998.

Милешковский Б. Ю. Ноздрачев А. Д. Торможение двигательной активности. Стволовые механизмы. СПб., 1998.,

Наследов Г. А. Тоническая мышечная система позвоночных. Л., 1981.

Ноздрачев А. Д., Янцев А. В. Автономная передача. СПб., 1995.

Общая физиология возбудимых мембран. Руководство по физиологии. М., 1975. Общая физиология нервной системы. Руководство по физиологии. Л., 1979.

Свидерский В. Л. Основы нейрофизиологии насекомых. Л., 1980.

Скок В. И., Шуба М. Ф. Нервно-мышечная физиология. Киев, 1986.

Уголев А. М. Эволюция пищеварения и принципы эволюции функций. Элементы современного функционализма. Л., 1985.

Угрюмое М. В. Механизмы нейроэндокринной регуляции. М., 1999.

Физиология животных. В 2 т. / Под ред. Р. Эккерта и др. М., 1992.

Физиология человека. В 2 т. / Под ред. В. М. Покровского, Г. Ф. Коротько. М., 1997.

Физиология человека. В 3 т. / Под ред. Р. Шмидта, Г. Тевса. М., 1996.

Хилл А. Механика мышечного сокращения. Старые и новые опыты. М., 1972.

Ходжкин А. Нервный импульс. М., 1965.

Шаповалов А. И. Механизмы синаптической передачи. Избранные труды. СПб., 1997.

Шеперд Г. Нейробиология. В 2 т. М., 1987.

Шмидт-Ниельсен К. Физиология животных. Приспособление и среда. В 2 кн. М., 1982.

Экклс Дж. Физиология синапсов. М., 1966.

2 РЕГУЛИРОВАНИЕ ЖИЗНЕННЫХ ФУНКЦИЙ ОРГАНИЗМА

ВЕХИ ИСТОРИИ

1637 - Р. Декарт (R. Descartes, Франция) сделал попытку проникнуть в сущность произвольных и непроизвольных движений. Дал первое описание рефлекса (но не использовал этого слова).

1784 - И. Прохазка (J. Prochaska, Чехия) развил представление о рефлексе (и предложил этот термин), рефлекторной дуге, нервной системе как посреднике между внешней средой и организмом.

1832 - М. Голл и И. Мюллер (М. Goll, J. Muller, Германия) изложили учение о рефлексе.

1855 - К. Бернар (С. Bernard, Франция) предположил, что железы выделяют в кровь "внутренние секреты", оказывающие действие на весь организм. В 1857 г. открыл существование постоянства внутренней среды организмов и ее значение для поддержания жизни.

1863 - И. М. Сеченов (Россия) в книге "Рефлексы головного мозга" распространил принцип рефлекторной реакции на психическую деятельность и поведение человека.

1897 - Ч. Шеррингтон (Ch. Sherrington, Великобритания) ввел понятие "синапс".

1902 - в докладе из лаборатории И. П. Павлова впервые заявлено о существовании условных рефлексов.

1902 - У. Бейлисс и Э. Старлинг (W. Bayliss, E. Starling, Великобритания) открыли секретин - первый из гормонов, и таким образом, основали эндокринологию. В 1905 г. по предложению У. Харди (W.Hardy, Великобритания) Старлинг назвал новую группу веществ "гормонами".

1906 - Ч. Шеррингтон разработал концепцию интегративных процессов в нервной системе.

1908 - И. И. Мечников (Россия) и П. Эрлих (Р. Ehrlich, Германия) - Нобелевская премия за создание теории иммунитета.

1923 - А. А. Ухтомский (СССР) создал учение о доминанте.

1928 - Э. Шаррер (E. Scharrer, Германия) ввел понятие "нейросекреторная клетка", но его взгляды получили признание только в 1960-е годы.

1929 - У. Кеннон (W. Cannon, США) ввел понятие о гомеостазе.

1930-е - П. К. Анохин (СССР) высказал идею об "акцепторе результата действия" и, таким образом, открыл существование обратной связи в физиологических процессах (но не использовал этого термина).

1931 - У. фон Эйлер и Дж. Гаддам (U. v. Euler, J. Gaddam, Швеция) открыли субстанцию Р - первый из регуляторных пептидов.

1932 - Ч. Шеррингтон и Э. Эдриан (E. Adrian, Великобритания) - Нобелевская премия за открытие роли рецепторов, чувствительных и двигательных нервов, передачи информации в виде электрических импульсов.

1936 - О. Лёви (О. Loewi, Австрия) и Г. Дейл (Н. Dale, Великобритания) - Нобелевская премия за открытие механизма синаптической передачи.

1936 - Г. Селье (Н. Selye, Канада) открыл феномен стресса и описал общий адаптационный синдром и болезни адаптации.

1941.- Н. А. Бернштейн (СССР) в трудах по физиологии движений предвосхитил некоторые последующие идеи кибернетики, создал схему рефлекторного кольца.

1947 - Б. Усай (В. Houssay, Аргентина) - Нобелевская премия за исследования гормонов передней доли гипофиза.

1948 - Н. Винер (N. Wiener, США) создал новую науку - кибернетику.

1949 - В. Хесс (W. Hess, Швейцария) - Нобелевская премия за открытие гипоталамических центров регуляции автономных функций.

1949 - в книге У. Кеннона и А. Розенблюта (A. Rosenblueth, Мексика) описан закон денервации, повышение чувствительности денервированных структур.

1950 - Э. Кендалл (Е. Kendall, США), Т. Рейхштейн (Т. Reichstein, Швейцария) и Ф. Хэнч (Ph. Hench, США) - Нобелевская премия за открытие кортикостероидов.

1955 - В. Дю Виньи (V. Du Vigneaud, США) - Нобелевская премия по химии за впервые осуществленный синтез пептидного гормона - окситоцина.

1971 - Э. Сазерленд (Е. Sutherland, США) - Нобелевская премия за открытие вторичных мессенджеров (посредников).

1977 - Р. Гиймен и Э. Шалли (R. Guillemin, A. Schally, США) - Нобелевская премия за открытие рилизинг-гормонов гипоталамуса.

1978 - А. Пирс (A. Pearse, Великобритания) открыл существование диффузной эндокринной системы (APUD-системы).

1979 - А. Кормак (A. Cormack, США) и Г. Хаунсфилд (G. Hounsfield, Великобритания) - Нобелевская премия за разработку метода компьютерной томографии.

1980 - А. Д. Ноздрачев (СССР) ввел понятие метасимпатическая нервная система (МНС) и определил ее роль в регуляции висцеральных функций.

1986 - С. Коэн (S. Cohen, США) и Р. Леви-Монтальчйни (R. Levi-Montalcini, Италия-США) - Нобелевская премия за открытие пептидных факторов роста.

Выживание организма в условиях непрерывно меняющейся среды обусловлено способностью живых систем сохранять свое стационарное состояние. Для обеспечения такого состояния у всех организмов - от простых до самых сложных - существуют различные анатомические, физиологические и поведенческие приспособления. Все они направлены на поддержание постоянства внутренней среды. Положение же о том, что именно постоянство внутренней среды определяет оптимальные условия для жизни и размножения организма, было высказано великим французским физиологом Клодом Бернаром в 1857 г.

Организм находится в состоянии непрерывного приспособления к условиям окружающей среды. Его существование было бы невозможно, если бы он не реагировал адекватным образом на недостаток кислорода или пищи, избыток углекислого газа или других многочисленных вредоносных агентов. Каждый животный организм представляет собой сложную обособленную систему, внутренние силы которой каждый момент, покуда она существует как таковая, уравновешиваются с внешними силами окружающей среды... Таким образом, вся жизнь от простейших до сложнейших организмов... есть длинный ряд все усложняющихся до высочайшей степени уравновешиваний внешней среды" (И. П. Павлов). Совокупность физиологических процессов, обеспечивающих это уравновешивание организма со средой, относится к явлениям регуляции. В основе явлений регуляции лежит взаимосвязь всех органов и функциональных систем организма между собой.

Для обеспечения относительно стабильной активности организма необходима регуляция систем его жизнеобеспечения на

Рис. 2.1 Система управления с обратной связью в биологических объектах - положительной (А) и отрицательной (Б)

Стрелками показаны направления воздействий.

всех уровнях - от молекулярного до организации и условиям жизни данного вида. В этом отношении млекопитающие лучше оснащены, нежели беспозвоночные или простейшие.

Существующие у живых организмов механизмы и способы регуляции функций имеют ряд принципиально общих черт с подобными устройствами в неживых системах, таких как машины. И у тех, и у других стабильность достигается благодаря существованию определенных форм управления. Эти формы управления Норберт Винер назвал в 1948 г. кибернетикой (от греч. kybernetike -искусство управления). Именно кибернетика занимается сейчас изучением общих закономерностей регулирования в живых и неживых системах.

Для объяснения механизмов, лежащих в основе функционирования биологических регуляторных систем, как правило, прибегают к привлечению математических моделей теории управления. Следовательно, прежде чем рассматривать процесс регулирования жизненных функций, необходимо в сугубо общих чертах ознакомиться с некоторыми положениями теории управления.

Как известно, живые системы рассматриваются как открытые системы. Для поддержания своего состояния они нуждаются в непрерывном обмене веществами с окружающим миром и находятся в динамическом равновесии с ним. Для этого необходим постоянный приток энергии. Равновесие устанавливается только после гибели организма, когда он становится термодинамически стабильным по отношению к среде.

В любой управляющей системе мерой эффективности является степень отклонения регулируемого параметра от оптимального (должного) уровня и скорость возвращения к этому уровню. Еще одним непременным условием работы любого механизма является свобода колебаний. Эти условия исключительно важны, так как именно колебания активируют систему управления и возвращают переменную к оптимальной величине. Такие системы, предусматривающие соединение компонентов, при котором выход регулируется входом, действуют по принципу обратной связи.

Принято рассматривать два вида обратной связи - отрицательную и положительную. В открытых живых системах более распространена первая. Принцип ее организации легко рассмотреть на примере поддержания постоянства температуры тела, регуляции артериального кровяного давления, регуляции напряжения кислорода, уровня кортикостероидов или других гормонов в крови. Остановимся на регуляции кортикостероидов надпочечником. В этом случае модулятор состоит из трех компонентов - детектора (гипоталамуса), регулятора (гипофиза) и эффектора (коры надпочечника). При нарушении равновесия системы возникает ряд последствий, которые приводят к устранению этого нарушения и к возвращению системы в исходное состояние (рис. 2.1).

В отличие от отрицательной, положительная обратная связь у биологических объектов встречается относительно редко. Связь эта приводит к нестабильности системы и экстремальным ситуациям, сопровождаясь такими последствиями, которые углубляют исходное состояние. Наличие положительной обратной связи легко рассмотреть на примере распространения нервного импульса по волокну. Как известно, деполяризация нейрона повышает проницаемость мембраны для Na+ Ионы Na+ входят в аксон через мембрану и углубляют деполяризацию. Деполяризация в свою очередь приводит к возникновению потенциала действия. Положительная обратная связь в этом случае играет роль усилителя ответа, величину которого ограничивают иные механизмы.

Рассмотренные механизмы обратной связи являются простейшими; реально в организме используются значительно более сложные регуляторные устройства, включающие дополнительные детекторы типа физиологических систем раннего предупреждения, или в случае отказа исполнительных структур включаются дополнительные эффекторы. Действуют эти системы связи на разных уровнях управления. Множественные детекторы и эффекторы обеспечивают дополнительную надежность регуляции таких исключительно важных показателей, как, например, артериальное давление.

2.1. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕГУЛЯТОРНЫХ МЕХАНИЗМОВ В ПРОЦЕССЕ ЭВОЛЮЦИИ

Древнейшая форма взаимодействия между клетками многоклеточных органов - химическое влияние, осуществляющееся посредством продуктов обмена веществ, которые выделяются в жидкости организма. В этом случае все многообразие физиологически активных соединений, образующихся в процессе жизнедеятельности органов, тканей и клеток, включая продукты распада белков, углекислый газ, электролиты и др., лежит в основе гуморальных механизмов связи между органами.

Межклеточное (креаторное) взаимодействие через микроокружение тканей - один из наиболее эволюционно старых способов регуляции в организме. Оно осуществляется макромолекулами, несущими информацию, необходимую для регулирования внутриклеточного синтеза определенных молекул белка для обеспечения дифференцировки, роста, развития и объединения клеток в ткани. К веществам, обеспечивающим такого рода местную гуморальную регуляцию, можно отнести кейлоны - белки или гликопротеиды, способствующие подавлению деления клеток и синтеза ДНК. Возможно, нарушение креаторных связей обусловливает патогенез опухолевого роста и других заболеваний.

Местные регуляторные эффекты метаболитов неспецифичны и сводятся к регуляции обменных процессов и функции органов - источников их возникновения. Так, избыток молочной и пировиноградной кислоты при интенсивной мышечной работе угнетает сократительную способность мышц и в то же время приводит к увеличению в них кровотока (рабочей гиперемии), интенсификации метаболизма этих недоокисленных продуктов.

Гуморальные связи, общие и для мира животных, и для растений, характеризуются рядом особенностей. Во-первых, относительно медленным распространением химического вещества. Во-вторых, отсутствием точного адреса, по которому следует соединение, поступающее в кровь, лимфу или тканевую жидкость. Его действие не локализовано, не ограничено определенным местом и, следовательно, диффузно. И наконец, в-третьих, малой надежностью связи, поскольку вещество высвобождается в малых количествах и обычно быстро разрушается или выводится из организма.

Кроме того, физиологически активные вещества, разносясь током крови по всему, организму, только в определенных местах, в результирующих органах или клетках-мишенях, вызывают целенаправленные специфические реакции при взаимодействии с эффекторами или соответствующими рецепторными образованиями.

В процессе эволюции животного мира механизмы гуморальной регуляции постепенно дополнялись более сложными и более совершенными механизмами нервной регуляции функций. Более того, по мере совершенствования живых систем гуморальные связи все более подчиняются нервному влиянию. Устанавливается фактически неразделимое взаимодействие, между гуморальными и нервными компонентами регуляторного процесса - единая система взаимосвязанных нейрогуморальных отношений.

Доминирование у высокоорганизованных существ нервных механизмов регуляции функций не означает редукции гуморальной системы связи. На следующем этапе развития живых существ появляются специальные органы - эндокринные железы, вырабатывающие гуморально действующие вещества - гормоны. Их действие зачастую весьма специализировано.

Доказано также, что в окончаниях нервных волокон, образующих синаптические контакты с мышцами или другими нервными клетками, высвобождаются посредники, переносчики нервного влияния, или медиаторы (трансмиттеры), которые действуют на специализированные системы рецепторов и тем самым осуществляют исполнительный акт. Влияние гуморальных веществ на клетки осуществляется и непосредственно на рецепторы, регулирующие проницаемость ионных каналов поверхностных мембран, и косвенно через ряд промежуточных инстанций, и, в частности, через образование циклических нуклеотидов (аденозин- или гуанидин-5 монофосфат) - внутриклеточных посредников.

Известны четыре системы вторичных посредников: 1 - аденилатциклаза - циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), 2 - гуанилатциклаза - циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ), 3 - фосфолипаза С - инозитолтрифосфат (ИФ), 4 - ионизированный кальций.

Нервная регуляция как высший этап развития приспособления организма к меняющимся условиям среды. В прошлом некоторые исследователи противопоставляли нервную регуляцию функций гуморальной. Сторонники гуморального направления игнорировали и сводили к минимуму роль нервных связей, в то время как представители нервной теории стремились опровергнуть наличие сколько-нибудь существенного химического взаимодействия между тканями организма. Современная физиология полностью отвергает противопоставление отдельных видов регуляции.

В многочисленных экспериментах показано, что разнообразные продукты обменных реакций могут действовать как раздражители не только непосредственно на мембраны клеток, но и на нервные окончания - хеморецепторы, вызывая рефлекторным путем определенные физиологические и биохимические сдвиги.

Так, многие передатчики нервного влияния - медиаторы, выполнив свою основную роль и избежав ферментативной инактивации или обратного захвата нервными окончаниями, попадают в кровь, осуществляя дистантное (немедиаторное) действие. Проникая через гистогематические барьеры, они поступают в органы и ткани и регулируют их жизнедеятельность. Состояние самой нервной системы зависит не только от информации из окружающей и внутренней среды, но и от снабжения кровью и от различных ингредиентов внутренней среды.

При этом имеет место теснейшая взаимосвязь и взаимообусловленность нервных и гуморальных процессов. Так, нейросекреторные клетки гипоталамических ядер являются местом трансформации нервных стимулов в гуморальные, а гуморальных в нервные. Помимо разнообразных медиаторов в мозгу синтезируются многочисленные пептиды и другие активные соединения, принимающие участие в регуляции деятельности головного и спинного мозга, а при поступлении в кровь - всего организма. Таким образом, и мозг тоже можно назвать эндокринной железой.

Физиологическая активность жидких сред организма обусловлена в значительной степени соотношением электролитов и микроэлементов, состоянием синтезирующих и расщепляющих ферментных систем, наличием активаторов и ингибиторов, образованием и распадом сложных белково-полисахаридных комплексов, связыванием и высвобождением субстратов несвязанных форм и т. д.

Важную роль в нейрогуморальной регуляции функций играют гормоны, разнообразные продукты промежуточного обмена, объединяемые под названием метаболиты, тканевые гормоны, гипоталамические нейрогормоны. Они меняют чувствительность клеток (количество и сродство рецепторов) к гуморальным и нервным влияниям, модулируют регуляторные сигналы за счет сдвигов проницаемости мембран, их электрических зарядов, рецепции, образования вторичных посредников, интенсивности энергетического метаболизма и кровоснабжения тканей. Образуясь в неспецифических клетках, большинство биологически активных веществ способно проникать из межклеточной среды в кровь и, таким образом, наряду с основным местным регуляторным влиянием оказывать региональные и даже генерализованные эффекты.

Какие же преимущества обеспечивает способ регуляции функций, осуществляемый с преимущественным участием нервного аппарата? В отличие от гуморальной связи нервная связь, во-первых, имеет точную направленность к определенному органу и даже группе клеток и, во-вторых, через нервные проводники связь осуществляется с гораздо большей скоростью, в сотни раз превышающей скорость распространения физиологически активных веществ. Наряду с кабельным способом управления по принципу "абонент-ответ", как на телефонной станции, центральный аппарат нервной системы с преобладающими интегративными промежуточными нейронами обеспечивает вероятностный принцип управления, гибко приспособленный к непрерывно меняющейся обстановке и обеспечивающий детермированные исполнительные реакции.

2.2. ХАРАКТЕРИСТИКА ГУМОРАЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ РЕГУЛЯЦИИ

В процессе эволюции при образовании многоклеточных организмов между отдельными клетками возникли функциональные связи; с усложнением их строения становились все более необходимыми механизмы, обеспечивающие взаимодействие между клетками.

Для осуществления коммуникации и координации между клетками, для поддержания стабильности внутренней среды организма - гомеостаза - и осуществления основных жизненных функций в эволюции возникли две основные системы - эндокринная и нервная, работающие во взаимодействии между собой при осуществлении интегративной деятельности.

Учение об эндокринной регуляции создано во второй половине XIX в. А. Бертольдом, Ш. Броун-Секаром и др. Эндокринная система осуществляет свое влияние" гуморально посредством ряда веществ с регуляторным действием - гормонов. Первый из гормонов - секретин был открыт У. Бейлиссом и Э. Старлингом в 1902 г. В 1905 г. У. Харди предложил термин "гормон"(от греч. hormao - приводить в движение, побуждать).

Гормоны обнаружены у растений и животных разных уровней развития, однако наибольшей сложности и многообразия система гормональной регуляции достигает у позвоночных животных.

Гормоны служат посредниками, которые вместе с нервной системой в составе единого интегративного регуляторного аппарата координируют самые разнообразные функции организма - метаболизм, размножение, иммунитет, сезонные циклы активности и т. д.

По химической природе гормоны разнообразны и относятся к двум основным группам: первая представлена стероидами, во вторую входят производные аминокислот, пептиды, белки.

Гормоны вырабатываются в специализированных органах - эндокринных железах, не имеющих выводных протоков (в отличие от зкзокринных желез), или в группах клеток с эндокринной функцией в пределах разных органов (например, в островковых клетках поджелудочной железы, в специализированных клетках гонад, вырабатывающих половые гормоны, и т. д.), а также в эндокринных клетках, встречающихся в слизистой оболочке кишки, в сердце и других органах. Большая часть эндокринных желез имеет эпителиальное происхождение.

Гормоны поступают во внутреннюю среду организма - кровь, лимфу и другие тканевые жидкости - и разносятся по всему организму. Регулирующий эффект они оказывают путем воздействия на рецепторы эффекторных органов- или тканей-мишеней, которое передается на сложные клеточные структуры - мембраны, ферментные системы (см. также разд. 2.2.4). На эти органы гормоны оказывают специфическое действие, которое не могут проявить другие вещества. При этом эффект вызывается во многих случаях при наличии гормона в чрезвычайно низких концентрациях - достаточно нескольких нано-, а иногда даже пикограммов вещества. В то же время клетки других тканей не реагируют на наличие гормона в циркулирующих жидкостях.

Таким образом, характерными особенностями гормонов являются их выработка в специализированных железистых клетках, выведение в циркулирующие жидкости организма, дистантное действие и способность к вызыванию специфической активности в низких концентрациях.

Существует и ряд других регуляторных веществ, которые иногда также относят к гормонам. Это так называемые гормоны местного действия, или тканевые гормоны, вырабатываемые паракринными клетками и обеспечивающие быструю регуляцию тканевых процессов. Эти вещества могут достигать своих органов-мишеней диффузией через тканевую жидкость, без переноса кровью. К этой группе относятся простагландины - соединения широкого спектра физиологического действия, вазоактивные кинины, некоторые биогенные амины, например, серотонин, гистамин и т. д.

Ведущую роль в координации и интеграции жизнедеятельности клеток, тканей, органов и организма в целом имеет централизованная система управления основными взаимосвязями, компонентами которой являются нервная и эндокринная системы.

2.2.1. Основные особенности эволюции гормональных регуляторных механизмов

В процессе эволюции, задолго до появления специализированных эндокринных желез, вырабатывающих гормоны, появилась способность нервных клеток продуцировать секрет, содержащий гормоны, которые поступают в гуморальную среду организма и оказывают регулирующее действие на ряд функций. Это явление было названо нейросекрецией. Гормоны, вырабатываемые нервными клетками, часто называют регуляторными пептидами, или нейрогормонами.

Медиаторы также являются продуктами нервных клеток и отличаются от нейрогормонов тем, что выделяются окончаниями аксонов в синаптическую щель. В настоящее время показано, что одни и те же вещества могут функционировать и в качестве медиатора, и в качестве гормона. Например, катехоламины - адреналин и норадреналин, вырабатываемые в мозговом веществе надпочечников, обычно именуются гормонами в связи с их функцией. Однако эти же вещества обнаруживаются в симпатических нервных окончаниях, и в этом случае они играют роль медиаторов (см. также разд. 5.2.2).

У беспозвоночных животных преобладающее множество гормонов вырабатывается клетками нервных ганглиев. Так, уже у кишечнополостных имеется примитивная нервная система; у гидры нервные клетки функционируют как нейросекреторные, и их гормоны регулируют развитие и рост.

У более высокоорганизованных беспозвоночных животных - у первичноротых (черви, моллюски) и вторичноротых (иглокожие, оболочники) - большое значение в регуляторных механизмах имеют нейросекреторные элементы и их гормоны, однако появляются также железы эпителиального происхождения. Весьма сложна система гормональной регуляции у насекомых, которая кроме нейросекреторных центров включает эндокринные железы первого порядка, регулируемые нейрогормонами, и эндокринные железы второго порядка, функция которых определяется гормонами эндокринных желез первого порядка; в свою очередь, их гормоны регулируют функцию органов и тканей-мишеней.

Нейросекреторные центры имеются в мозгу и у всех позвоночных животных; гормоны, вырабатываемые нейросекреторными клетками, оказывают широкое регулирующее влияние, и этот путь регуляции является наиболее древним.

В промежуточном мозгу, в гипоталамусе, всех позвоночных животных установлено наличие нейросекреторных клеток, гормоны которых либо оказывают специфическое регулирующее влияние непосредственно на органы- или ткани-мишени (антидиуретический гормон - АДГ, окситоцин и др., древний путь регуляции), либо воздействуют на эндокринные железы, в частности на гипофиз (гипоталамические рилизинг-гормоны), стимулируя синтез и секрецию соответствующих гормонов. Кроме рилизинг-гормонов (либерины) в гипоталамусе вырабатываются ингибирующие факторы (статины), которые совместно с либеринами регулируют функцию железистых клеток гипофиза. Эта система получила название гипоталамо-гипофизарной; в этом случае наиболее четко выражены органическая взаимосвязь и взаимодействие нервной и эндокринной систем.

Гормоны железистой части гипофиза, называемой аденогипофизом, оказывают влияние на эндокринные железы второго порядка, вырабатывающие свои гормоны, которые регулируют различные функции организма. Часть гормонов гипофиза оказывает непосредственное влияние на органы- и ткани-мишени. Кроме того, ряд эндокринных желез функционирует без регулирующего влияния гормонов гипофиза.

Среди регуляторных гипоталамических пептидов кроме упомянутых выше гормонов открыты эндорфины и энкефалины. Эти вещества, выполняют и медиаторную функцию, оказывают модулирующее влияние на ряд медиаторных систем. Некоторые из регуляторных гипоталамических пептидов обнаружены не только в нейронах головного мозга, но также в кишечнике, например соматостатин, субстанция Р, вазоактивный интестинальный полипептид (ВИП) и др. Они действуют как гормоны желудочно-кишечного тракта. Некоторые из этих пептидов, первоначально обнаруженные в желудочно-кишечном тракте, найдены в коре головного мозга, например, холецистокинин, влияющий на выделение жёлчи и секрецию панкреатического сока. Холецистокинин обнаружен в головном мозгу, где он участвует в регуляции пищевого поведения.

Таким образом, для ряда гормонов в настоящее время установлена множественная локализация биосинтеза.

Согласно гипотезе Пирса (1978), клетки, вырабатывающие эти пептиды, образуют так называемую диффузную эндокринную систему (APUD - англ.:Amine Precursors Uptake and Decarboxylation). Особенностями этих клеток являются высокое содержание аминов, способность к захвату их предшественников и последующему декарбоксилированию, а также способность вырабатывать биогенные амины и пептиды. Однако не все положения гипотезы Пирса находят подтверждение; в частности, не доказано происхождение всех элементов диффузной эндокринной системы из одних и тех же зачатков, как это предполагал автор.

При попытке объяснить обнаружение ряда веществ, определяемых у высших животных как гормоны, в различных системах организма, а также нахождение тех же или чрезвычайно близких по химической структуре веществ у многих беспозвоночных и даже у растений была высказана гипотеза о весьма раннем появлении в эволюции молекул, способных выполнять широкие регуляторные функции. Возможно, что первоначально возникли ферментные молекулы, которые на более поздних этапах эволюции превратились в гормоны. Так, например, стероидные гормоны обнаружены у растений и животных, причем животные синтезируют стероиды из холестерина. Однако не все стероиды, которые у высокоорганизованных животных стали выполнять функции гормонов, существовали на низших ступенях эволюции; часть из них создавалась по мере возникновения новых жизненных запросов в ходе дальнейшей эволюции из предшественников.

Многие пептидные гормоны также широко распространены и произошли от других белков, которые существовали на тех стадиях эволюции, когда еще не существовало эндокринной системы. Например, инсулин, продуцируемый бета-клетками поджелудочной железы у позвоночных, обнаруживается у них также в кишке и мозгу. Инсулин или инсулиноподобное вещество обнаружены в нервной системе ряда высокоорганизованных беспозвоночных (моллюсков, насекомых), а также у простейших (инфузорий) и даже у бактерий. По-видимому, предшественники полипептидных гормонов, из которых в процессе дальнейшей эволюции выработались современные гормоны, уже существовали у животных самых ранних ступеней эволюции. Многие вещества, которые в настоящее время относят к гормонам, возникли и у растений.

Возникновение эндокринных желез и эндокринной регуляторной системы, происшедшее независимо у беспозвоночных и позвоночных животных, явилось ароморфозом (по А. Н. Северцову) - эволюционным преобразованием строения и функций организмов, ведущим к морфофизиологическому прогрессу. Это дало преимущество данным группам в поддержании гомеостаза, повышении их адаптивных возможностей и имело значение для прогрессивной эволюции этих форм. Очевидно, здесь были использованы молекулы, которые существовали и имели широкие регуляторные функции, являясь ферментами, медиаторами и т. д. В эндокринной системе эти вещества стали выполнять функции гормонов.

На ранних этапах эволюции позвоночных многие гормоны обладают весьма широким и разнообразным спектром действия; у более высокоорганизованных позвоночных для ряда гормонов этот спектр более узок и специфичен (например, пролактин, кортикостероиды и др.; см. разд. 6.2). Постепенно происходит также все большая концентрация структур центральных и периферических отделов эндокринной системы. В пределах отдельных эндокринных желез наблюдается не только концентрация однородных элементов, но и объединение в одном органе различных железистых элементов, вырабатывающих разные гормоны. Такое объединение оказывается полезным для более эффективной работы железы.

2.2.2. Регуляция функций эндокринной системы

Гормоны функционируют в качестве элементов регулирующих цепей, поэтому существенно, чтобы они не накапливались в организме и их уровень строго регулировался. Накоплению гормонов препятствуют их инактивация в эффекторных органах (главным образом в печени) и последующее выведение с мочой. Действие многих гормонов может блокироваться благодаря секреции гормонов, обладающих антагонистическим эффектом. Процессы синтеза и секреции гормонов регулируются с помощью обратной связи, и этот вид управления может осуществляться на разных уровнях одновременно.

Для обеспечения гомеостаза и поддержания на оптимальном уровне всех параметров внутренней среды организма большое значение имеет включение в систему регуляции различных метаболитов (жирные кислоты, глюкоза, аминокислоты, ионы и т. д.). Так, например, ионы Са2+, поступающие в железы, выполняют роль регуляторов секреторного процесса; глюкоза стимулирует гликолиз и ингибирует образование неэстерифицированных жирных кислот. От ее уровня зависит секреция инсулина и т. д. Гормоны и продукты метаболизма могут подавлять выделение какого-либо гормона, действуя по принципу отрицательной обратной связи. Например, инсулин снижает концентрацию сахара в крови, а глюкагон, действуя как антагонист инсулина, повышает ее. Конечный результат определяется соотношением этих двух эффектов.

Существует также регуляция и после выделения гормона в кровь. Период полураспада (время, необходимое для расщепления половины имеющегося гормона) для многих гормонов составляет лишь несколько минут.

Как уже указывалось, функционирование эндокринной системы осуществляется в тесном взаимодействии и взаимовлиянии с нервной системой. Это положение легко прослеживается на примере гипоталамуса. Гипоталамус получает информацию из внешней и внутренней среды. Из внешней среды по сенсорным системам сигналы поступают в кору больших полушарий и другие отделы мозга. В переработанном виде они передаются в гипоталамус, который интегрирует всю информацию, получаемую из высших отделов мозга и непосредственно из внутренней среды. В результате этих сигналов в гипоталамусе вырабатываются регуляторные гормоны, включающиеся в общую систему эндокринной регуляции. Кроме того, гипоталамус контролирует деятельность симпатической и парасимпатической нервной системы и с их помощью регулирует деятельность периферических эндокринных желез и органов-мишеней.

2.2.3. Функциональное значение гормонов

Гормоны оказывают широкое регулирующее влияние на различные функции организма. Выделяют три основные функции гормонов - они обеспечивают: развитие организма; адаптацию физиологических систем (т. е. способность органов и тканей изменять активность в зависимости от потребности в ней); поддержание важнейших физиологических показателей на постоянном уровне (гомеостатическая функция).

Различные биохимические реакции могут протекать правильным образом лишь в присутствии одного или нескольких гормонов, хотя при увеличении их концентрации реакция не ускоряется. В этих случаях проявляется пермиссивное (разрешающее) действие гормона, т. е. сам гормон не влияет на данную систему, но обеспечивает возможность нормального действия другого гормона. Например, тироксин обладает пермиссивным действием по отношению к гормонам, регулирующим рост.

Еще одной важной особенностью действия некоторых гормонов является синергизм, т. е. усиление действия одного гормона под влиянием другого.

Рис. 2.2 Гормональные взаимодействия и механизм обратной связи в эндокринной системе. Сплошными стрелками обозначены стимулирующие воздействия, пунктирными - ингибирующие.

Гормоны являются элементами регуляторных систем (рис. 2.2). С этой точки зрения они разделяются на две группы. В одной, которая включает адреналин, норадреналин, альдостерон, АДГ и другие гормоны, скорость их секреции и концентрация в плазме претерпевают значительные колебания; при этом скорость секреции приспосабливается к меняющейся ситуации. Концентрации гормонов другой группы, например тироксина, в норме колеблются мало.

Гормон может действовать как контролирующий элемент, при этом скорость его секреции поддерживает определенные уровни показателей - концентрацию глюкозы в крови, осмотическое давление крови или другой физиологический параметр, который в норме сохраняется на постоянном уровне. Слежение за системой осуществляется специфическими рецепторами, которые направляют информацию об отклонениях регулируемого параметра от нужного значения в центральный контроллер (от англ. controller - регулятор) системы. Контроллер посылает сигнал в нервной или гормональной форме к эндокринной железе, в результате чего ее секреторная активность снижается или возрастает. Латентный период действия разных гормонов может составлять минуты и часы. В этих случаях постоянный уровень концентрации гормона необходим для правильного осуществления различных функций (пермиссивное действие).

2.2.4. Механизм действия гормонов

Действие гормонов основано на стимуляции или угнетении каталитической функции некоторых ферментов в клетках органов-мишеней. Это действие может достигаться путем активации или ингибирования уже имеющихся ферментов. Причем важная роль принадлежит циклическому аденозинмонофосфату (цАМФ), который является здесь вторичным посредником (роль первичного

Рис. 2.3 Механизм действия гормонов - белковых, полипептидных и производных аминокислот

посредника выполняет сам гормон). Возможно также увеличение концентрации ферментов за счет ускорения их биосинтеза путем активации генов.

Механизм действия гормонов пептидной и стероидной природы различен. Амины и пептидные гормоны не проникают внутрь клетки, а присоединяются на ее поверхности к специфическим рецепторам в клеточной мембране. Рецептор связан с ферментом аденилатциклазой. Комплекс гормона с рецептором активирует аденилатциклазу, которая расщепляет АТФ с образованием цАМФ. Действие цАМФ реализуется через сложную цепь реакций, ведущую к активации определенных ферментов путем их фосфорилирования, они и осуществляют конечный эффект гормона (рис. 2.3).

Рис. 2.4 Механизм действия стероидных гормонов

I - гормон проникает в клетку и связывается с рецептором в цитоплазме; II - рецептор транспортирует гормон в ядро;

III - гормон обратимо взаимодействует с ДНК хромосом; IV - гормон активирует ген, на котором образуется матричная (информационная) РНК (мРНК); V- мРНК выходит из ядра и инициирует синтез белка (обычно фермента) на рибосомах; фермент реализует конечный гормональный эффект; 1 - клеточная мембрана, 2 - гормон, 3 - рецептор, 4 - ядерная мембрана, 5 - ДНК, 6 - мРНК, 7 - рибосома, 8 - синтез белка (фермента).

Стероидные гормоны, а также Тз и Т4 (тироксин и трийодтиронин) растворимы в жирах, поэтому они проникают через клеточную мембрану. Гормон связывается с рецептором в цитоплазме. Образовавшийся гормон-рецепторный комплекс транспортируется в ядро клетки, где вступает в обратимое взаимодействие с ДНК и индуцирует синтез белка (фермента) или нескольких белков. Путем включения специфических генов на определенном участке ДНК одной из хромосом синтезируется матричная (информационная) РНК (мРНК), которая переходит из ядра в цитоплазму, присоединяется к рибосомам и индуцирует здесь синтез белка (рис. 2.4).

В отличие от пептидов, активирующих ферменты, стероидные гормоны вызывают синтез новых ферментных молекул. В связи с этим эффекты стероидных гормонов проявляются намного медленнее, чем действие пептидных гормонов, но длятся обычно дольше.

2.2.5. Классификация гормонов

На основании функциональных критериев различают три группы гормонов: 1) гормоны, которые оказывают влияние непосредственно на орган-мишень; эти гормоны называются эффекторнымщ 2) гормоны, основной функцией которых является регуляция синтеза и выделения эффекторных гормонов;

эти гормоны называют тропнымщ 3) гормоны, вырабатываемые нервными клетками и регулирующие синтез и выделение гормонов аденогипофиза; эти гормоны называются рилизинг-гормонами, или либеринами, если они стимулируют эти процессы, или ингибирующими гормонами, статинами, если они обладают противоположным действием. Тесная связь между ЦНС и эндокринной системой осуществляется в основном с помощью этих гормонов.

В сложной системе гормональной регуляции организма различают более или менее длинные цепи регуляции. Основная линия взаимодействий: ЦНС > гипоталамус > гипофиз > периферические эндокринные железы. Все элементы этой системы объединены обратными связями. Функция части эндокринных желез не находится под регулирующим влиянием гормонов аденогипофиза (например, паращитовидные железы, поджелудочная железа и др.).

2.3. ЕДИНСТВО НЕРВНЫХ И ГУМОРАЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ РЕГУЛЯЦИИ

Нейрогуморальная регуляция функций обеспечивает адаптационные реакции от субклеточных до поведенческих. Можно выделить два вида механизмов, лежащих в ее основе: жесткие (фиксированные) и гибкие (нефиксированные). В основе работы жестких механизмов регуляции лежат генетические программы, закрепленные в процессе эволюции, фенотипические влияния сказываются лишь на конкретных формах реализации этих программ.

Гибкие механизмы обеспечивают исполнение организмом сиюминутных задач и тут же перестают функционировать. Например, регуляция функционирования дыхательного центра (чередования вдоха и выдоха) определяется генотипическими механизмами, фенотипически же могут меняться длительность каждой фазы и амплитуда этих процессов в соответствии с сиюминутными потребностями организма. Нефиксированные механизмы нейрогуморальной регуляции функций осуществляются срочно создающимися нейронными ансамблями. При этом главным принципом объединения нейронов является доминанта, которая обеспечивает синхронизацию работы входящих в ансамбли нервных образований. Количество, функциональная и структурная принадлежность нейронов, входящих в это объединение, определяются конкретными задачами регуляции, а также кинетикой формирования и осуществления программы.

Вычленяют три вида регулирующих влияний: пусковые, вызывающие деятельность регулируемой структуры или прекращающие ее; адаптационные, влияющие на выраженность реакции и соотношение отдельных ее компонентов при осуществлении функции; наконец, так называемые влияния готовности, формирующие состояние готовности регулируемых образований.

Составная часть рассматриваемой проблемы - нейротрофические влияния. В настоящее время общепризнано, что трофическая функция свойственна всем нервным проводникам. Присуща она и симпатическим нервам в отношении утомленной скелетной мышцы. Однако ее реализация происходит не вследствие прямого действия этих нервов на мышцу, а опосредованно через систему кровообращения. В исследованиях механизмов трофических влияний двигательных нервов на поперечнополосатую мышцу удалось показать, что хотя импульсные (медиаторные) и неимпульсные влияния тесно связаны, ведущее значение имеют последние. Однако химическая природа нейрофических соединений (трофогенов), приносимых к мышце аксоплазматическим транспортом из сомы, неясна.

В качестве нейросекреторной клетки можно рассматривать и моторный нейрон, который передает мышечной клетке долгосрочную информацию, необходимую для поддержания ее структуры и функции. Факт, что многие свойства мышечных клеток регулируют посредством этого механизма, был подтвержден перестройкой различных свойств быстрых и медленных мышц, происходящей после перекрестной реиннервации. Это было показано прежде всего для сократительных свойств мышц, которые изменились в соответствии с новой, "чужой" иннервацией. Можно предполагать, что аналогичные общие закономерности существуют также и в межнейронных отношениях. Эта точка зрения подкрепляется сведениями о последующих событиях в нейронах после аксотомии (перерезки аксонов) конвергирующих на них нервов.

Участие нейротрофических механизмов предполагают при нервных травмах и восстановлении после них, в компенсаторных реакциях нервной системы, в процессах памяти и пластичности, в период старения и при некоторых нервных и мышечных заболеваниях. Ряд заключений о причинах нервной травмы был сделан в опытах с временным прекращением проводимости, а также плазматического тока (посредством действия цитостатика) при сохранении целостности аксонов. После таких повреждений был сделан вывод, что анатомическая непрерывность нерва, а не импульсная активность препятствует атрофии и фибрилляции мышцы.

2.3.1. Саморегуляция функций организма

Саморегуляция физиологических функций - основной механизм поддержания жизнедеятельности организма на относительно постоянном уровне. Саморегуляция, возникнув в процессе эволюции как результат приспособления к воздействиям окружающей среды, присуща всем формам жизнедеятельности. В ходе естественного отбора в процессе приспособления к среде организмами были выработаны общие регуляторные механизмы различной физиологической природы (нейрогуморальные, эндокринные, иммунологические и др.), направленные на достижение и поддержание относительного постоянства внутренней среды.

Способность поддерживать относительное постоянство внутренней среды появляется на сравнительно высоких ступенях развития мира животных. Так, уже у хрящевых рыб концентрация солей в крови и тканях независима от ее изменения во внешней водной среде. У ганоидных и костистых рыб также поддерживаются многие константы внутренней среды.

У человека и высокоорганизованных животных гомеостатические механизмы достигли высокой степени развития. Относительное постоянство внутренней среды у них поддерживается нервно-гуморальными физиологическими механизмами, регулирующими деятельность сердечно-сосудистой и дыхательной систем, желудочно-кишечного тракта, почек и потовых желез, которые обеспечивают удаление из организма продуктов обмена веществ.

К наиболее совершенным гомеостатическим механизмам у высших животных и человека относятся процессы терморегуляции. Определенные признаки терморегуляции наблюдаются уже у животных с непостоянной температурой тела, пойкилотермных (холоднокровных) животных, температура тела которых в большинстве случаев следует за изменениями температуры внешней среды не совсем пассивно. Однако о действительной терморегуляции можно говорить только по отношению к гомойотермным (теплокровным) животным. Постоянство температуры тела настолько велико, что в норме ее отклонение в "ядре тела" не превышает нескольких десятых градуса при самых резких колебаниях температуры внешней среды. В поддержании нормальной температуры тела участвует большое число сложных процессов регуляции, часть которых в настоящее время изучена.

Особое значение для организма имеет постоянство состава крови. Хорошо известна устойчивость ее активной реакции (рН), осмотического давления, содержания глюкозы, соотношения электролитов (натрия, калия, кальция, хлора, магния, фосфора) и т. д. Например, рН крови, как правило, не выходит за пределы 7,35-7,47. Даже резкие нарушения кислотно-щелочного обмена с патологическим накоплением кислот в тканевой жидкости, например, при диабетическом ацидозе, очень мало сказываются на активной реакции крови.

Множество отдельных механизмов, регулирующих внутри- и внесистемные взаимоотношения, оказывает в ряде случаев взаимопротивоположные (антагонистические) воздействия, уравновешивающие друг друга. Это приводит к установлению подвижного физиологического фона и позволяет живой системе поддерживать относительное динамическое постоянство, несмотря на изменения в окружающей среде и сдвиги, возникающие в процессе жизнедеятельности организма.

Гомеостаз и гомеостатическая регуляция. Среди целостных реакций организма, определяющих само его существование, поддержанию постоянства внутренней среды принадлежит особая роль.

Понятие гомеостаз (от греч. homoios - подобный, схожий, и stasis - стояние, неподвижность) (гомеостазис) впервые было введено в 1929 г. Уолтером Кенноном, творчески развившим идеи К. Бернара о динамическом характере постоянства внутренней среды. Этот термин У. Кеннон употреблял в двух смыслах: как постоянство внутренней среды организма, обеспечиваемое деятельностью ряда физиологических процессов, и как совокупность последних. Современные определения гомеостаза включают оба аспекта.

Под внутренней средой У. Кеннон понимал кровь, лимфу и тканевую жидкость. Основные параметры, характеризующие внутреннюю среду, были названы гомеостатическими константами. В качестве примера назовем концентрацию глюкозы, натрия и других ионов, величину мембранного потенциала, значения артериального и осмотического давления, напряжения газов крови, температуры. Они различаются по диапазону варьирования, т. е. норме реакции, определяемой генотипом. Чем уже диапазон варьирования константы, тем более значимы ее изменения для гомеостаза и тем большее число физиологических систем участвует в ее регуляции. Примером могут послужить рН жидкостных сред и температура тела у теплокровных. Гомеостатические константы с более широкой нормой реакции расширяют адаптивные возможности организма. В каждый данный момент гомеостатическая регуляция направлена преимущественно на достижение оптимального уровня той константы, которая максимально отклонилась от своего среднего значения.

Границы гомеостаза могут быть жесткими и пластичными, меняться в зависимости от индивидуальных, возрастных, половых, социальных и других условий. Жесткие константы, (например, осмотическое давление крови) допускают лишь незначительные отклонения от своего уровня, пластичные константы (например, уровень кровяного давления или питательных веществ в крови) варьируют в довольно большом диапазоне и в течение длительного времени. Значительная вариабельность уровня кровяного давления, свойственная здоровому человеку в норме, имеет определенный физиологический смысл. Так, повысившееся кровяное давление в результате физической нагрузки или эмоционального сдвига улучшает кровоснабжение многих органов и тканей. Вместе с тем длительное повышение кровяного давления приводит к нарушениям кровоснабжения - кровоизлияниям, таким как инфаркты и инсульты.

Любые физиологические, физические, химические или эмоциональные воздействия (будь то температура воздуха, изменение атмосферного давления, обычная терапевтическая процедура или волнение, радость, печаль, горе, прием лекарства и т. д.) могут явиться поводом к выходу организма из состояния динамического равновесия, в котором он пребывает. Таким образом, любое воздействие может оказаться "отклоняющим", или "возмущающим". Рассмотрим достаточно простой пример. Углеводы служат важнейшим источником энергии для организма. В результате распада и главным образом "сгорания" в кислороде молекулы углеводов, богатые энергией, постепенно превращаются в молекулы конечных продуктов - воды и двуокиси углерода, обладающих малым запасом энергии. Энергия, высвобождающаяся при этом, идет на покрытие энергетических потребностей клеток организма. Ни одна клетка, ни один орган не могут существовать даже кратковременно без расходования энергии и потребления "горючего" в виде углеводов.

Наиболее чувствительны к недостатку снабжения "горючим" нервные и мышечные клетки. Особенно нервные, так как они обладают незначительными запасами в виде гликогена и даже малое и кратковременное снижение уровня сахара в крови (гипогликемия) приводит к тяжелым функциональным расстройствам, вызывающим угрожающие явления в состоянии всего организма. Функции нервных образований всецело зависят от содержания сахара в крови. В крови здорового человека находится 44,4-66,6 мМ сахара в виде глюкозы.

Обращает внимание строгое постоянство уровня сахара в крови, что, по-видимому, наиболее благоприятно для протекания процессов жизнедеятельности и обмена веществ. Оно обеспечивается благодаря очень точно поддерживаемому балансу между потреблением сахара и его поступлением в кровь. Существует не менее семи-восьми механизмов, поддерживающих этот баланс. Центральную роль здесь играет печень.

Потребление сахара крови особенно возрастает при повышенной мышечной деятельности. Можно было бы ожидать, что при этом уровень сахара в крови резко понизится и наступит опасное состояние, называемое гипогликемией. Однако этого не происходит: в печени как в депо углеводов гликоген распадается до стадии глюкозы, которая и обеспечивает замену сахара в крови. Можно было бы ожидать также и контрастного явления: после приема пищи, богатой углеводами, последние, всасываясь в тонкой кишке, в большом количестве поступают в кровь, что должно было бы привести к значительному и стойкому повышению уровня сахара в крови. Но и этого не наблюдается.

Это обусловлено тем фактом, что оттекающая от кишки, обогащенная сахаром кровь поступает в общий кровоток не сразу, а проходит сначала по воротной вене через печень. В клетках печени глюкоза венозной крови поглощается, образуется гликоген, так что содержание сахара в крови, поступающего из печени в общий кровоток, сохраняется приблизительно на нормальном уровне. При употреблении очень большого количества сахара наблюдается лишь небольшое и кратковременное увеличение содержания его в крови, так называемая алиментарная гипергликемия. В этой ситуации вследствие превышения "почечного порога" для глюкозы ее избыток удаляется с мочой.

Какие же адекватные раздражители возбуждают и приводят в действие механизмы регулирования уровня сахара в крови? Последние могут, очевидно, вступать в действие только в ответ на определенные возмущающие стимулы. Можно с уверенностью утверждать, что таким стимулом является сам уровень сахара в крови, изменения которого обусловливают и определяют регуляторную деятельность организма. Эта деятельность осуществляется в тех случаях, когда уровень сахара в крови становится выше или ниже нормы. Вступление в действие регуляторных механизмов вызывается изменением той величины, постоянство и регулирование которой необходимы организму. Этот факт свидетельствует о наличии здесь обратной связи, аналогичной техническому замкнутому контуру регулирования. В самом деле, изменение уровня сахар в крови вызывает противоположные возмущению регулирующие действия. Последние вызывают новые изменения уровня сахара крови; их сдвиги приводят в свою очередь к новым поправкам и т. д.

Применяя техническую терминологию, можно подчеркнуть, что цепь регулирования уровня сахара в крови представляет собой "систему с переходным и передаточным запаздыванием". Необходимым условием всякого регулирования является непрерывное измерение подлежащей регулированию величины с помощью рецепторного измерительного устройства. Полагают, что рецепторы периферии (печени, поджелудочной железы), как и сахарочувствительные клетки центров (гипоталамуса), формируют афферентный поток сигналов, преобразуемый в промежуточном мозге и гипофизе в эфферентные посылы, исходящие из центров и несущие приказы исполнительным механизмам. Исключительно важную роль в регуляции уровня сахара в крови играют гормоны коры надпочечников (глюкокортикоиды), их мозгового вещества (адреналин), а также поджелудочной железы (инсулин и глюкагон) и щитовидной железы (тироксин) (см. гл. 6).

Закончив краткое рассмотрение углеводной регуляции, вернемся снова к фундаментальному физиологическому закону - гомеостазу. Любое раздражение, особенно стресс, ведет к возникновению сложного комплекса реакций, основная цель которых приспособить организм к изменившимся условиям, предотвратить или сгладить возможный сдвиг во внутренней среде, в состоянии и деятельности органов, физиологических систем, организма в целом.

Для развития организма постоянно необходимо дополнительное количество энергии и пластических веществ, которое не может приобрести полностью уравновешенная гомеостатическая система. Иначе для реализации программы развития организма необходимо нарушение стабильности, нарушение гомеостаза. Таким образом, наряду с законом сохранения гомеостаза в развивающейся системе должен соблюдаться и другой закон - закон отклонения гомеостаза.

Законы гомеостатической регуляции. Изменения гомеостатических констант под влиянием воздействующих факторов должны устраняться системой

механизмов гомеостатического регулирования. Закономерности самих изменений гомеостатических констант описываются несколькими правилами.

Выведенное на основе экспериментальной и клинической практики правило фона гласит: "Направленность и величина изменения гомеостатической константы под влиянием воздействующего фактора зависят от ее исходных (фоновых) значений". В качестве примера можно привести изменения терморегуляции у человека, выходящего из холодного помещения (+12,6 °С), где он озяб, на улицу (-15,6°С) и вновь возвращающегося в ту же комнату. При выходе человека на улицу терморегуляция уменьшается теплоотдача за счет вазоконстрикции кожных сосудов, усиливаются сократительный термогенез, катаболические процессы в печени, пищеварительном тракте, увеличивается просвет сосудов во внутренних органах возрастает тонус скелетных и гладких мышц. На фоне увеличенного термогенеза и уменьшенной теплоотдачи, адаптированных к -15,6°С, возврат в помещение (+12,6 °С) вызывает первоначальное ощущение перегрева и способствует запуску реакций противоположной направленности с последующей адаптацией терморегуляции к новому температурному режиму окружающей среды. Следовательно, гомеостатическая регуляция, направленная на стабилизацию температуры тела человека, меняется и в зависимости от фона может осуществляться разными механизмами.

Другая особенность гомеостатической регуляции сформулирована в виде правила гиперкомпенсации: "Регуляция сдвигов гомеостатических констант носит гиперкомпенсаторный характер". Говоря иными словами, новое значение гомеостатической константы, достигнутое в результате гомеостатирования, не идентично фоновому, а превышает его. Это соответствует определению гомеостаза как динамического относительного постоянства внутренней среды.

На клеточном уровне закон гиперкомпенсации можно иллюстрировать изменениями мембранного потенциала возбудимой клетки: на смену спайку с характерными для него деполяризационным сдвигом мембранного потенциала и защелачиванием цитоплазмы приходит следовая гиперполяризация. Она представляет собой гиперкомпенсаторные сдвиги мембранного потенциала (более отрицательные значения, чем у потенциала покоя) и рН примембранной цитоплазмы (ацидоз превышает фоновый).

Типы гомеостатической регуляции. Различаются по условиям запуска соответствующих механизмов. Так, в приведенных выше примерах имеет место гомеостатическая регуляция по отклонению, когда само изменение величины константы вызывает запуск гомеостатических механизмов регулирования. Этот тип регуляции характерен для тех случаев, когда воздействующий фактор является новым для организма. По мере повторения воздействия и запоминания его параметров наблюдается появление гиперкомпенсаторых изменений гомеостатических констант, опережающих их первичные сдвиги. Подобная опережающая гомеостатическая регуляция имеет энергосберегающее значение.

Опережающая гомеостатическая регуляция может стать причиной извращения знака первичной реакции. Например, было показано, что употребление алкоголя впервые вызывает у человека первичную реакцию снижения температуры тела (регуляция по отклонению), тогда как при повторных применениях - ее повышение (опережающая регуляция). Аналогично первичный электрошок вызывает .тахикардию, а при повторных применениях - брадикардию. Этот же тип опережающей гомеостатической регуляции лежит в основе повышения толерантности к фармакологическим агентам при их многократных введениях. Он используется при обучении пациентов и экспериментальных животных регулированию собственного системного артериального давления.

Не всегда опережающая гомеостатическая регуляция связана с обучением в онтогенезе. Генетически закрепленная память способствует включению опережающего гомеостатирования до наступления запредельных или близких к ним сдвигов констант. Это видно на примере поискового пищевого поведения (гомеостатирующее поведение по А. Д. Слониму), которое запускается прежде, чем уровень глюкозы в крови уменьшится до критических значений. В контроле опережающего гомеостатирования, связанного с врожденной и приобретенной памятью, значительная роль принадлежит циркадным ритмам активности нейроэндокринной системы организма, определяемым соотношением периодов света и темноты, магнитным полем Земли, периодами солнечной активности, лунными циклами и др.

На разных уровнях реализации механизмов гомеостатирования соотношение между гомеостатической регуляцией двух типов может различаться. Так, на субклеточном и клеточном уровнях преобладает регуляция по отклонению, обусловливая последовательную смену реакций фосфорилирования - дефосфорилированием, катаболизма - анаболизмом, эндоцитоза - экзоцитозом, открытого состояния ионного канала закрытым и т. п. В целом обеспечивается гомеостатирование внутриклеточного рН, осмотического давления и объема клетки. На уровнях системной регуляции значений основных гомеостатических констант оба типа регуляции равноправны, тогда как на уровне организма преобладает опережающая. Все уровни регуляции взаимосвязаны, причем их иерархия определяется порогом чувствительности к изменениям регулируемой гомеостатической константы и возможностями ее регуляции на данном уровне.

Для большинства уровней регуляции значений каждой константы характерна взаимозамещаемость гомеостатических механизмов и многоконтурность регуляторных воздействий. Так, умение регулировать уровень собственного артериального давления при гипотонии можно выработать несколькими способами: внушением, воспоминанием об эмоционально напряженной ситуации, повышением тонуса определенных скелетных мышц или специальными упражнениями, а также задержкой дыхания. С каждым из них связаны различные нейрогормональные механизмы регуляции артериального давления, действующие на разные компоненты сердечно-сосудистой системы и контролирующие ее центры через запуск соответствующих реакций. Этим достигается надежность и гибкость гомеостатической регуляции значений данной константы. Следует подчеркнуть, что в живом организме никогда не происходит селективной регуляции какой-либо одной константы, поскольку константы взаимосвязаны. Она приводит к минимизации энергетических затрат на решение таких комплексных задач, как выработка и сохранение оптимального режима взаимодействия физиологических систем или организма со средой в изменившихся условиях, поддержание определенных уровней стационарного состояния и сохранение целостности организма.

Закрепившееся в процессе эволюционного развития состояние гомеостаза позволяет организму приспосабливаться к условиям окружающего мира. Адаптация при этом может быть оптимальной, неоптимальной и даже вредной, связанной с нарушением жизнедеятельности. Живая система способна перестраиваться, переходить на новый гомеостатический уровень, активизируя при этом одни регулирующие системы и тормозя другие.

Адаптация к стрессорным факторам осуществляется на всех уровнях организации начиная с клеточного, однако для реализации гомеостатической защитной реакции у высших животных имеется специализированная адаптационная система. Основными компонентами этой системы являются:

кора надпочечников, вырабатывающая гормон защиты - кортизол; гипофиз, который высвобождает кортикотропин, регулирующий продукцию кортизола;

и, наконец, гипоталамус, контролирующий секрецию кортикотропина, а также другие отделы ЦНС (см. разд. 6.2).

2.3.2. Обратная связь как один из ведущих механизмов в регуляции функций организма

Процесс саморегуляции постоянно сохраняет циклический характер и осуществляется на основе правила: какое-либо отклонение от константного уровня любого жизненного фактора служит толчком к немедленной мобилизации аппаратов, вновь восстанавливающих этот постоянный уровень.

По своей природе физиологическая саморегуляция является автоматическим процессом. Факторы, отклоняющие константу, и силы, ее восстанавливающие, всегда находятся в определенных количественных соотношениях. В этом физиологическая саморегуляция тесно соприкасается с закономерностями, сформулированными кибернетикой, теоретическим стержнем которой является автоматическая регуляция заданного фактора при помощи замкнутого контура с обратной связью. Наличие обратной связи уменьшает влияние изменений параметров системы на работу ее в целом, обеспечивает также ее стабилизацию и устойчивость, улучшает переходные процессы, обеспечивает повышение ее помехоустойчивости.

Рис. 2.5 Гомеостатическая система управления. Стрелками показаны направления воздействий.

Как уже указывалось, связь выхода системы с ее входом через усилительное звено с положительным коэффициентом усиления - положительная обратная связь, с отрицательным усилением - отрицательная обратная связь (рис. 2.5). Положительная обратная связь повышает коэффициент усиления и обеспечивает возможность управления значительными потоками энергии, затрачивая при этом малые энергетические ресурсы. Заметим, однако, что в биологических системах положительная обратная связь реализуется в основном в патологических ситуациях. Отрицательная обратная связь обычно улучшает устойчивость системы, т. е. ее свойство возвращаться к первоначальному состоянию после прекращения влияния внешнего возмущения. Требование устойчивости - одно из основных требований для системы управления, так как устойчивость определяет, как правило, работоспособность всей системы.

Обратные связи в организме обычно иерархичны, накладываются одна на другую и дублируют друг друга. Их можно делить по разным категориям, например, по постоянной времени - на быстродействующую нервную и более медленную гуморальную и т. д. Например, ту же систему регулирования сахара в крови следует рассматривать как многоконтурную.

В 30-е гг. советский биолог М. М. Завадовский на основании изучения гуморальных механизмов регуляции в растущем организме выдвинул общебиологический принцип регуляции процессов развития и гомеостаза "плюс - минус взаимодействие". Сущность этой концепции сводится к следующему. Если между двумя органами (процессами) имеется непосредственная связь, причем первый орган (процесс) стимулирует второй, то второй тормозит первый, и наоборот. В сущности, речь идет о механизме обратной связи. При этом прямая и обратная связи между органами и процессами имеют противоположные знаки: плюс-минус, минус-плюс. Такого типа связи обеспечивают животному и человеку свойства саморегулирующейся системы с высокой степенью устойчивости.

В ходе исследования роли афферентной информации в осуществлении локомоторных актов Н. А. Бернштейн выдвинул идею о сенсорных коррекциях, в соответствии с которой непрерывное участие потока афферентной сигнализации контрольного или коррекционного значения является необходимым компонентом двигательных реакций. Каждый случай упорядоченного реагирования представляет собой непрерывный циклический процесс взаимодействия организма с меняющимися условиями окружающей или внутренней среды. При этом огромную роль играет контролирующая коррекционная афферентация.

Другой советский физиолог, П. К. Анохин, еще в 30-е гг. и, пожалуй, впервые четко обосновал понятие обратной, или санкционирующей, афферентации, т. е. обязательной при любом действии импульсации, которая идет от рецепторов в ЦНС и информирует о результатах произведенного действия, соответствующего или не соответствующего намеченной цели. При дальнейшей разработке механизма последний получил название акцептора результата действия.

Примеров осуществления обратных связей в организме множество. Рассмотрим лишь некоторые процессы регулирования в нервной системе. Распространение нервных влияний отдаленно напоминает железнодорожное движение от одной станции до другой. Грузооборот станции определяется в основном не ее величиной, количеством помещений и т. д., а густотой и пропускной способностью ее линий связи с другими станциями. Аналогичным образом и в нервной системе упор в регуляции зачастую делается на доклеточное звено - синаптический аппарат. Подобно семафорам и стрелкам, перед которыми часто останавливается движение, в нервной системе осуществляется пресинаптическое регулирование. Суть его заключается в том, что импульсы возбуждения, бегущие по одним волокнам, благодаря специализированному промежуточному нейрону затрудняют распространение таких же импульсов по другим нервным волокнам и "поезд останавливается перед семафором".

В центральной нервной системе существует еще один вид регуляции, пожалуй, наиболее изученный, осуществляемый на выходе рефлекторной дуги, -

возвратное торможение. В этом случае импульсы, распространяющиеся от моторной клетки к мышцам, частично возвращаются в спинной мозг и через специализированный промежуточный нейрон - клетку Реншоу - уменьшают активность тех же или других моторных нейронов, десинхронизируя их деятельность. В результате этого мышечные волокна сокращаются не одновременно, что обеспечивает плавность мышечных движений. Пример с мотонейронами спинного мозга, возможно, самый яркий, но вообще подобные способы саморегуляции рефлекторной деятельности по типу отрицательной обратной связи широко распространены в ЦНС.

Значение механизмов обратной связи в поддержании гомеостаза чрезвычайно велико. Так, поддержание константного уровня кровяного давления всегда является следствием взаимодействия двух сил: нарушающей этот уровень и восстанавливающей его. В результате увеличенной импульсации из барорецептивных областей (главным образом синокаротидной зоны) снижается тонус вазомоторных симпатических нервов и повышенное кровяное давление нормализуется. Депрессорные реакции в норме оказываются сильнее прессорных реакций.

Увеличение содержания в крови катехоламинов - адреналина и норадреналина - при их инъекции или при естественной реакции организма на внешнее воздействие приводит к активации периферических эффекторных образований, тем самым имитируя возбуждение симпатического отдела нервной системы, но при этом препятствует дальнейшему высвобождению и синтезу таких соединений.

2.3.3. Рефлекторный принцип регуляции функций

В основе представлений о нейрогуморальной регуляции функций лежит учение о рефлексе. Рефлексом называют любую ответную реакцию организма, осуществляющуюся с участием нервной системы.

Структурной основой осуществления таких реакций является рефлекторная дуга, включающая пять звеньев: рецепторы, воспринимающие воздействие раздражителей; афферентные нейроны, связывающие своими отростками рецепторы с центрами нервной системы и обеспечивающие центростремительное проведение сигнала; промежуточные, или вставочные, нейроны, представляющие собой центральную часть рефлекторной дуги, или нервный центр; эфферентные нейроны, по аксонам которых происходит центробежное проведение сигналов к периферическим органам и тканям: эффекторы, или исполнительные органы (поперечнополосатые скелетные или гладкие мышцы внутренних органов, железы), осуществляющие соответствующую рефлекторную деятельность.

Во всех учебниках утверждается, что замыкательное звено рефлекторной цепи - центральная нервная система. Это в подавляющем числе случаев так, однако в недавнем прошлом в ряде отечественных и зарубежных лабораторий описаны и местные рефлексы, замыкающиеся в периферических автономных ганглиях. Именно они во многом восстанавливают и обеспечивают функции децентрализованных или пересаженных внутренних органов.

Разбирая структуру рефлекторной дуги, надо иметь в виду, что она является замкнутой. Поступая в кровь, физиологически активные вещества (прежде всего медиаторы и гормоны) составляют в определенных условиях гуморальное звено рефлекторной дуги. Они передают в спинной и головной мозг соответствующую информацию, под влиянием которой возникает поток нервных импульсов из ЦНС в эффекторные органы.

Классическая рефлекторная дуга, таким образом, усложняется, превращаясь в многозвенное кольцо, в котором нервное звено сменяется гуморальным, а гуморальное - .нервным.

Определенные рефлекторные реакции могут включать различное количество рецепторов, афферентных и эфферентных нейронов и сложные процессы взаимодействия возбудительных и тормозных процессов в центрах нервной системы. Области тела, в пределах которых расположены специализированные рецепторы, раздражение которых обусловливает строго определенные рефлексы, получили название рефлексогенных зон, или рецептивных полей.

Афферентный путь проведения информации от рецепторов в ЦНС обычно включает в себя биполярный нейрон спинальных ганглиев. Помимо этого пути чувствительными проводниками могут служить вегетативные нейроны - клетки Догеля II типа, способные образовывать релейные соединения на различных уровнях нервной системы.

В отличие от редких случаев, отмеченных для соматических нервных образований (регуляция деятельности скелетных мышц), для всех вегетативных рефлексов характерна полисинаптичность рефлекторной дуги. Структурная и функциональная организация нервных центров наиболее изучена на уровне спинного и продолговатого мозга. Надсегментарные рефлекторные процессы, довлеющие над ними и вовлекающие миллионы и миллиарды нейронов разной морфологической, физиологической и химической природы, изучены гораздо хуже. Необходимо учитывать, что нервные импульсы при всяком рефлекторном акте способны широко распространяться в центральной нервной системе по многочисленным проводящим путям, включая стохастически функционирующие интернейроны.

Благодаря иррадиации возбуждения в ЦНС через один афферентный вход воздействие может распространиться на значительное число эфферентных нейронов. Взаимоотношения между рефлексами - содружественные и антагонистические, их цепной характер - предмет особого подробного рассмотрения. Не менее подробного освещения заслуживают и процессы интеграции, синтеза разнородных по своей природе возбуждений в ЦНС.

Особое внимание должен привлечь феномен доминанты, сформулированный академиком А. А. Ухтомским как временно господствующая рефлекторная система, направляющая работу нервных центров в данный момент. Интимные механизмы доминанты не определены, феноменология же ее вполне конкретна. Предварительно подготовленное импульсами своей рефлекторной дуги, подкрепленное в результате суммации влияниями из постороннего источника, возникающее в доминантном очаге возбуждение тормозит прочие рефлексы на очередные раздражители.

В развитии рефлекторной теории чрезвычайно важный вклад был сделан И. М. Сеченовым, распространившим понятие рефлекторных актов на все характеристики поведения человека, в том числе и на его психические проявления. Однако упрощенное понимание рефлекса как механизма, заканчивающегося унитарным рефлекторным действием, по существу "останавливало" понимание динамики развития поведения организма и не полностью раскрывало приспособительное значение рефлексов. Учение об условном рефлексе И. П. Павлова позволило сделать существенный шаг вперед в развитии рефлекторной теории и познании механизма рефлекторного действия. Ниже рассмотрены общие понятия о системах.

Конкретным аппаратом саморегуляции функций организма является функциональная система, представляющая обширное взаимодействие центральных и периферических образований, составляющих совокупно действующий комплекс с определенными физиологическими свойствами. Такой аппарат может включать в себя различные анатомические образования, комбинации гуморальных веществ, объединенных взаимозависимостью и соучастием в каких-либо приспособительных реакциях организма.

Каждая функциональная система, по определению П. К. Анохина, представляет собой до некоторой степени замкнутую систему благодаря тому, что позднее назвали "обратной связью", осуществляемой с периферических исполнительных органов. Таким образом, каждая функциональная система имеет определенный комплекс афферентных посылов, который через акцептор действия определяет выполнение функции. Так, при дыхательном акте афферентные импульсы следуют от диафрагмы, трахеи, легких, межреберных мышц. Несмотря на их различное происхождение, эти влияния интегрируются в центральной нервной системе путем временных и тонких соотношений между ними.

В организме существуют и регуляторные системы, работающие не по принципу рассогласования, а с учетом оценки величины поступающего сигнала, который нарушает состояние системы. Толчком к их деятельности служит отклонение от заданной величины не на выходе, а на входе системы, т. е. действие на систему раздражителей, отличающихся от заданных параметров. На входе этого регулятора "по возмущению" имеются устройства, которые улавливают и оценивают величину поступающего сигнала, нарушающего состояние системы. Если эта величина превышает допустимую и способна вызвать нежелательные отклонения в состоянии системы, то возникают команды, обеспечивающие нейтрализацию влияния этих сигналов и сохранение стабильного состояния системы. В этой ситуации происходит не восстановление уже нарушенного состояния системы, а предупреждение возможности таких нарушений.

Пример пресинаптического торможения в нервной системе приводился, но надо иметь в виду, что оно является только частным проявлением пресинаптического регулирования. Пресинаптические терминали с их богатым рецепторным аппаратом во многих случаях являются ареной действия гуморальных веществ, в результате чего и осуществляется коррекция синаптического процесса и рефлекторной дуги в целом.

В регуляторных, защитных, компенсаторных - любых физиологических реакциях имеет место взаимодействие обоих принципов и обоих механизмов регуляции, функционирующих на входе и выходе системы.

Для любой функциональной системы необходимо получение информации о ее состоянии, о величине поступающих сигналов и возникающих при этом сдвигах в ее деятельности. Необходим аппарат сличения параметров этих сдвигов или параметров поступающих сигналов с величиной наличных и нормальных для данной системы параметров. 'Конечно, необходим аппарат, формирующий команды, предотвращающие эти сдвиги. Действие этих команд осуществляется путем нормализации уже возникших отклонений и предупреждением нежелательных эффектов возмущающего входного сигнала посредством уменьшения силы сигнала, снижения чувствительности системы к данному возмущающему действию или предотвращения его.

Абсолютным условием саморегуляторных приспособлений организма является наличие следующих факторов, придающих функциональной системе определенную направленность действия.

1. Достигаемый в результате регуляции приспособительный эффект или константа жизненно необходимы для организма. Такие жизненно важные константы определяются генотипически. Функциональная особенность каждой саморегуляции зависит от того, насколько она податлива действию внешних и внутренних факторов, ее отклоняющих. Пример "жесткой" функциональной, системы (осмотическое давление крови) и "пластичной" (уровень кровяного давления) уже приводился.

2. Саморегуляция - циклический, фазовый процесс, разыгрывающийся на вполне конкретном аппарате структур и механизмов, составляющих в совокупности функциональную систему. Все саморегуляторные приспособления диктуются фактом отклонения конечного приспособительного эффекта или несоответствия силы входного возмущающего сигнала потребностям системы.

3. Одним из обязательных условий саморегуляции является информация о конечном приспособительном эффекте в центральные регулирующие аппараты организма, так же как и нивелирование нежелательных или чрезмерных влияний "на входе" системы.

4. В зависимости от широты охвата органов и систем типы саморегуляции могут быть различными по характеру. Одни из них осуществляются с помощью аппаратов функциональных систем, компоненты которых не выходят за пределы организма и потому конечный приспособительный эффект достигается на основе внутренних циклов организма. К этой категории регуляций относится уже упоминавшийся контроль уровня сахара в крови.

Примером работы функциональных систем с обширным комплексом внешних факторов является саморегуляция количества питательных веществ, находящихся в кровяном русле. Они служат источником обмена веществ в тканях, и потому их истощение является непрерывным процессом, отражающим трату энергии организмом. Специфический рецепторный аппарат этой достаточно пластичной константы, по-видимому, расположен в латеральной области гипоталамуса. Уменьшение уровня питательных веществ ведет к активации гипоталамических образований, вовлечению в реакцию подкорковых, и корковых центров, что проявляется в возникновении объективного ощущения голода. Параллельно организуются специфические поведенческие акты, которые в целом получили название пищедобывательного поведения. После добычи пищи, ее переработки в желудочно-кишечном тракте, всасывания в кровь, концентрация питательных веществ в ней повышается и этим самым снижается возбужденное состояние пищевых центров гипоталамуса.

5. В случае экстремального воздействия на организм саморегулирующиеся системы формируют защитно-приспособительные акции, сохраняют постоянство конечного приспособительного эффекта и в сумме подчиняются ряду общих законов развития. Среди этих законов важнейшим является тот, который определяет соотношение воздействующего и защитного эффектов. В условиях нормального протекания саморегулирующихся процессов сила максимально возможного защитного приспособления организма всегда должна быть большей, чем выраженность максимально возможного отклонения данного приспособительного конечного эффекта от константного уровня.

Например, как бы ни было высоко кровяное давление, количество возникающих на периферии депрессорных влияний в сумме должно быть более сильным, чем те факторы, которые отклоняют уровень кровяного давления. В этом и состоит причина того, что в норме, несмотря на эпизодические подъемы кровяного давления, оно непременно возвращается к исходному уровню, обеспечивая оптимальное снабжение органов кровью.

Не менее важным свойством саморегулирующихся систем является опережающая мобилизация тех нервных импульсаций, которые возникают в рецепторах приспособительного эффекта. Мобилизация защитных приспособлений организма происходит в значительно большей степени, чем нарастание отклоняющих факторов. Отмеченная закономерность приводит к тому, что с каждым новым этапом нарастания отклонения происходит несоответственно высокая мобилизация обратной информации в центральную нервную систему. Способность саморегулирующихся функциональных систем сопротивляться отклонениям с помощью прогрессирующей мобилизации защитных приспособлений с повышающейся силой охраняет жизненно важные константы, делает маловероятными отклонения от нормы.

2.4. ОБЩИЕ ЧЕРТЫ КОМПЕНСАТОРНО-ПРИСПОСОБИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ ОРГАНИЗМА

Компенсаторные реакции - первичные адаптивные сдвиги, направленные на устранение или ослабление нарушенной структуры или функций живых систем, вызванных повреждающими или экстремальными воздействиями среды. Компенсаторные механизмы - динамичные, быстро возникающие физиологические средства аварийного обеспечения, развивающиеся на различных уровнях - от молекулярного до организма в целом. Эти механизмы мобилизуются при попадании организма в неадекватные условия и постепенно затухают в ходе развития адаптационного процесса.

В широком смысле компенсация нарушенных функций (полная или частичная, завершенная или временная) всегда является "физиологической мерой организма", направленной на восстановление его рабочих констант. Оценивая физиологическое содержание всех видов нарушенных функций организма (перенапряжение, болезнь, травма и т. д.), можно сделать заключение, что компенсация во многом является универсальным процессом и отличается лишь в отдельных случаях нарушения физиологических систем специфическими и количественными признаками (быстротой включения компенсаторных механизмов, широтой вовлекаемых резервных механизмов, степенью участия коры головного мозга и пр.).

В дидактических целях иногда выделяют внутриклеточные, тканевые, органные, системные и межсистемные Компенсаторные реакции. Однако в целом организме эти процессы на более низком уровне организации зачастую развертываются на основе ограниченного числа общих стандартных механизмов и интегрированы межсистемными компенсаторными реакциями.

В организме, представляющем собой единую гомеостатическую систему, в результате непрерывного нейрогуморального взаимодействия компонентов этой системы формируется их функциональная сопряженность. В том случае, если функциональный дефект выражен сильно и не может быть компенсирован на местном уровне перестройкой активности поврежденной структурой, тогда компенсаторная реакция приобретает генерализованный характер, охватывает многие системы организма и на всех уровнях их организации. Она начинается с осуществления срочных, а затем более долговременных компенсаторных реакций.

Механизмы компенсаций являются составной частью резервных и защитных сил организма, формируют надежность живых систем, т. е. их способность выполнять определенные функции (безотказную работу) в течение некоторого времени. Надежность, как и определяющие ее факторы, совершенствуется в процессе онтогенеза. На основе компенсаторных механизмов формируются условнорефлекторные реакции на обстановку, а также функциональные системы, обеспечивающие организму необходимую резистентность и целенаправленное поведение в неадекватных условиях. Вместе со специфическими компенсаторно-приспособительными реакциями в организме складываются и неспецифические. Осуществление компенсации нарушенных функций, свойство надежности физиологических систем обеспечивается рядом правил:

1. Правило исходного состояния (фона) постулирует зависимость направленности и величины эффекта регулирующего воздействия от исходного значения метаболизма и функции регулирующей системы. Если перед действием регулирующего сигнала обмен веществ и функция системы снижены, то регулятор вызывает максимальный эффект. И наоборот, при активированном состоянии объекта в ответ на стимулирующий регуляторный сигнал отмечается слабый эффект или его отсутствие.

2. Правило компенсаторной клеточной регенерации и гиперплазии ткани представляет собой реализацию общебиологической способности тканей к росту и диффёренцировке. Эта способность зависит от соотношения ряда факторов, в частности, гормонов-регуляторов и ингибиторов клеточного роста в микросреде клеток. К числу регуляторов относятся инсулин, соматотропин, тиреоидные и, возможно, другие гормоны, а также полипептидные ростовые факторы клеточного происхождения: фактор роста нервов, эпидермиса, фибробластов, тромбоцитарный и трансформирующий факторы роста. В реализации процессов регенерации и гиперплазии играют роль также и ростовые ингибиторы, к числу которых относят простагландины, циклические нуклеотиды и кейлоны.

3. Правило избыточности. Он связан с существованием гораздо большего, чем необходимо для осуществления функции, числа элементов. Притом выявляется не только структурная, но и функциональная информационная избыточность. В технических системах с возрастанием количества элементов снижается надежность их функционирования. С усложнением живых систем, напротив, надежность работы возрастает в связи с улучшением механизмов их регулирования.

4. Правило дублирования в системах регулирования проявляется не только присутствием в организме одинаковых структур, например, парных органов (почки, легкие, надпочечники), но и существованием многочисленных структур с одинаковой функцией (клетки разных тканей, нейроны мозга, нефроны почек и др.). Особенно демонстративны примеры дублирования в работе ЦНС. Экспериментальные данные свидетельствуют, что имеется выраженный динамизм мобилизации определенных структур мозга при получении одного и того же эффекта. Различные нейронные ансамбли ЦНС могут участвовать в реализации не одного, а нескольких механизмов системной деятельности. Степень участия той или иной ансамблевой структуры на каждом из этапов осуществления системных процессов является различной, изменчивой по мере образования и закрепления адаптивных навыков.

Способность мозга к компенсации нарушенных функций не является жестко регламентированной, неизменной. Она предполагает достаточно длительную перестройку предшествующих отношений между центром и периферией, замену их новыми функциональными отношениями на основе длительной тренировки, упражнения.

Вклад различных отделов мозга в компенсацию функций организма не одинаков. Решающее значение в осуществлении приспособительных перестроек имеет кора больших полушарий мозга. Если у животных, достигших предела компенсации после предшествующих различных нарушений деятельности внутренних органов, удалить кору больших полушарий, то у них наблюдается вторичная длительная декомпенсация функций, приобретающая в ряде случаев характер необратимых нарушений. Удаление высшего отдела мозга у животных с последующим повреждением других отделов ЦНС превращало их в глубоких инвалидов, и компенсации функций у них не наступало. Компенсаторные возможности изменяются в ходе постнатального онтогенеза: у молодых животных при тех же видах оперативного вмешательства, что и у взрослых, они намного выше.

Еще один пример: роль множества параллельно действующих контуров регуляции висцеральных органов. Надежности работы, резистентности внутренних органов при патологии способствуют особенности их сложной автономной (вегетативной) иннервации, и прежде всего, наличие внутриорганных метасимпатических рефлекторных дуг (см. главу 5). Установлены многозвенные и многоэтажные цепные реакции, морфологическим субстратом осуществления которых являются кольцевые взаимосвязи внутренних органов, сосудов, желез внутренней секреции. Так, целая гамма периферических рефлексов (пусковых, стимулирующих и тормозящих корригирующих) отмечена во взаимоотношениях кишки, желудка, жёлчного пузыря, мочевыводящих путей.

5. Правило резервирования функций связан с существованием в системе "дежурных" и "резервных" элементов, способных переходить от покоя к деятельности. Чаще всего это происходит при интенсификации функционирования. Например, для увеличения силы мышечного сокращения мобилизуются дополнительные двигательные единицы из числа молчавших ?-мотонейронов спинного мозга. Вовлечение резервных элементов особенно важно при повреждениях функциональной системы. Зачастую это обеспечивает сохранение функции.

6. Правило периодичности функционирования составляющих элементов определяет особенности поведения системы в состоянии покоя. В тканях происходит смена открывающихся и закрытых капилляров, в легких - вентилируемых альвеол, в мозговых центрах - активных нейронов и т. д. Выявлена вероятность (стохастичность) нейрональной активности, особенно в высших отделах мозга. Вариабельность реакций нейронов не является помехой в деятельности ЦНС, она обеспечивает высокую функциональную надежность, детерминизм работы центров, обусловленный вероятным способом участия нейронов в ансамблях мозга. Таким образом, функциональными элементами центров ЦНС служат не отдельные клетки, а нейронные ансамбли, реализующие свои функции статистически, и участие отдельных нейронов в каждом таком ансамбле не фиксированное, а в той или иной степени вероятностное. Именно это обстоятельство обеспечивает большие регуляторные возможности ЦНС, ее потенциальные способности к компенсации нарушенных функций.

7. Правило взаимозаменяемости и смены функций обеспечивает возможность достижения компенсации при нарушении одной из функций за счет активности другой. Это можно проиллюстрировать хорошо изученной системой кардио-респираторного сопряжения. При затруднениях внешнего дыхания усиливается работа сердечно-сосудистой системы, активируется эритропоэз, и все это обеспечивает достаточную доставку кислорода тканям.

8. Правило усиления в системах регуляции и прогрессивной мобилизации запасных приспособительных механизмов с использованием многоконтурного воздействия на измененный параметр, что приводит к минимизации энергетических затрат на приспособительные процессы. Использование в живых системах незначительных сигналов для получения мощного эффекта хорошо известно. Так, в системе гормональной регуляции используется каскадный процесс:

либерины и статины гипоталамуса - тропные гормоны гипофиза - гормоны рабочих желез.

9. Правило повышения чувствительности денервированных (децентрализованных) структур проявляется в увеличении реактивности образований, лишенных нервного влияния. По-видимому, это реализуется за счет расселения субсинаптических рецепторов в более обширные области постсинаптической мембраны, увеличения их числа и сродства к гуморальным влияниям. Этот принцип проявляется в частичном восстановлении функций децентрализованных внутренних органов, в частности, за счет усиления замыкательных свойств внутри- и внеорганных автономных (вегетативных) рефлекторных дуг. Повышенная чувствительность после децентрализации и денервации, характерная для всех возбудимых тканей, представляет собой одно из проявлений выпадения трофической функции нервной системы. Вероятно, то, что называется сенситизацией, стабилизацией, или повышенной чувствительностью, представляет собой истинную чувствительность клеток, обычно маскируемую нервными влияниями.

2.4.1. Общий адаптационный синдром

Адаптация является совокупностью физиологических реакций, обеспечивающих приспособление строения и функций организма или его органа к изменению окружающей среды с включением стресс-реализующей системы (прежде всего гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой и адреналовой). В концентрированном виде концепция неспецифических реакций организма на сильное воздействие нашла воплощение в понятии "общий адаптационный синдром" (Г. Селье).

Прослеженные закономерности появления защитных реакций после воздействия стрессорного фактора позволили выделить три фазы общего адаптационного синдрома: реакцию тревоги - "аварийная фаза", переход к устойчивой адаптации и повышенной резистентности (сопротивляемости, устойчивости). Если раздражитель продолжает действовать, то может произойти истощение защитных ресурсов, заканчивающееся болезнью и гибелью. Этот последний этап многие рассматривают как завершающий период общего адаптационного синдрома - фазу истощения, или дезадаптации.

В первую "аварийную" фазу для осуществления компенсаторных реакций развивается мобилизация защитных сил, происходит вовлечение висцеральных систем разного назначения: кровообращения, дыхания и симпато-адреналовой системы. Возникают существенные сдвиги метаболизма, носящие катаболический характер, обеспечивающие организм необходимой энергией, как бы в предвидении грядущих в скором времени новых функциональных затрат. Происходит усиление активности липаз и увеличение интенсивности свободно-радикального окисления липидов клеточных мембран ряда органов. Адаптация в эту стадию реализуется "с хода", но оказывается несовершенной. Интенсивная активность систем жизнеобеспечения протекает некоординированно, с элементами хаотичности, ответные реакции генерализованы, неэкономны и часто превышают потребный для данных условий уровень. Число измененных показателей в деятельности различных систем неоправданно велико. Тканевые процессы и, тем более, молекулярные явления в мембранах клеток в эту стадию направленно не изменяются, т. к. для их перестройки требуется более значительное время.

Переходный к устойчивой адаптации период характеризуется выраженной стабилизацией состояния висцеральных систем, формированием межсистемных связей, способствующих адаптации. В ходе этого периода приспособительные реакции организма постепенно переключаются на более глубокий тканевой уровень. Гормональный фон видоизменяется, усиливают свое действие гормоны коры надпочечников - "гормоны адаптации". По мере проявления анаболической фазы стресс-реакции в клетках органов, осуществляющих долговременную компенсацию дефектов, происходит усиленный синтез нуклеиновых кислот и белков, наблюдается их компенсаторная гипертрофия.

Организм не может длительное время находиться в состоянии тревоги, и если он выживает, наступает фаза устойчивой адаптации, или резистентности. Она и является собственно адаптационной реакцией и характеризуется новым сбалансированным уровнем деятельности функциональных систем, а также тканевых, клеточных и мембранных структур, перестроившихся благодаря эндогенным механизмам и активации вспомогательных систем. Основными особенностями этой фазы являются:

1) мобилизация энергетических ресурсов;

2) повышенный синтез нуклеиновых кислот, структурных и ферментативных белков;

3) мобилизация иммунной системы после предшествовавшей иммунодепрессии;

4) избирательное обеспечение пластическими и энергетическими материалами тех органов и систем, которые играют ведущую роль в осуществлении адаптации.

Фаза стойкой адаптации связана с постоянным напряжением управляющих механизмов, и хотя они более или менее скоординированы и минимизированы, их бесконечное функционирование невозможно. Несмотря на экономичность - выключение "лишних" реакций, а, следовательно, и излишней траты энергии - переключение организма на новый уровень резистентности не дается даром, а протекает при определенном напряжении, что принято называть "ценой адаптации".

Формирование устойчивой адаптации осуществляется при потенцирующем участии стресс-реакции, которая благодаря действию стресс-гормонов играет важную роль на этапе перехода срочной адаптации в долговременную. Устойчивая долговременная адаптация к одному фактору нередко защищает организм от действия многих других факторов. Это явление получило название "перекрестный защитный эффект адаптации". Например, тренировка к гипоксии повышает резистентность к большим мышечным нагрузкам и, наоборот, постоянные мышечные тренировки вызывают эффект устойчивости к гипоксии. На формирование адаптации большое влияние оказывает и режим воздействия стрессорного фактора на организм.

Адаптация происходит быстрее, если стрессор действует не в виде непрерывного фактора, а дискретно. Прерывистый характер воздействия используется в практике при выработке адаптации к мышечным нагрузкам, гипоксии, холоду и др.

Общий адаптационный синдром является следствием функционального напряжения стресс-реализующей системы. Она проявляется активацией ядер гипоталамуса, нейросекреторные клетки которого усиливают секрецию либеринов. Они, в свою очередь, стимулируют выработку аденогипофизом кортикотропина и других тропных гормонов, возрастает поступление в кровь кортикостероидов и катехоламинов из надпочечников. Эта группа гормонов стимулирует секрецию тиреоидных и паратиреоидных гормонов, глюкагона, соматотропина, тирокальцитонина, фермента ренина, угнетая выработку инсулина и половых гормонов.

Повреждающие факторы активируют также и механизмы стресс-лимитирующих систем, ограничивающие выраженность стресс-реакции. К наиболее изученным стресс-лимитирующим системам, препятствующим развитию избыточно выраженной стресс-реакции, относятся: ГАМК-ергическая, бензадиазепиновая, опиоидергическая, простагландиновая, серотонинергическая и антиоксидантная.

Известны и некоторые способы коррекции адаптивно-компенсаторных реакций организма. Их сложный и многокомпонентный характер определяет многообразие используемых приемов и препаратов. Для профилактики и лечения повреждающих эффектов стресса обычно используются: препараты общеукрепляющего действия - адаптогены, витамины, препараты посредников и метаболитов стресс-лимитирующих систем, препараты вилочковой железы. Для развития антистрессовой устойчивости доказана высокая эффективность дозированно возрастающих стрессорных факторов, например, разных модификаций ритмической гипоксической тренировки. В последнее время широкое распространение получил метод транскраниальной электростимуляции, вызывающий мобилизацию эндогенных опиоидных пептидов. Можно полагать, что подобного же эффекта достигали еще в древности, используя приемы акупунктуры. Наконец, для мобилизации развития общего адаптационного синдрома прибегают к использованию препаратов кортикотропина, кортикостероидов и др.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Организм постоянно приспосабливается к изменяющимся условиям окружающей среды. Процесс приспособления обеспечивает совокупность физиологических процессов. В основе их регуляции лежит взаимосвязь всех органов и функциональных систем организма, что обеспечивает согласованные ответные реакции.

В процессе эволюции наиболее древней формой взаимодействия между клетками является гуморальная - посредством веществ, выделяющихся в жидкости организма. В дальнейшем возникли эндокринные клетки и железы, которые вырабатывают гормоны, оказывающие влияние на функции организма. Произошло развитие механизмов нервной регуляции функций, обеспечивающей точную направленность и быстрое действие, скорость которого значительно выше, чем действие гормонов.

Взаимодействие нервной и гормональной систем создает единый интегративный механизм и обеспечивает осуществление всех функций организма, его приспособление в условиях изменяющейся внешней и внутренней среды. Нервные клетки способны продуцировать секрет, который содержит гормоны, поступающие во внутреннюю среду и регулирующие функции организма; это явление называется нейросекрецией. У беспозвоночных животных вначале преобладающее большинство гормонов вырабатываются клетками нервных ганглиев; затем развиваются железы эпителиального происхождения, которые приобретают высокую степень специализации.

У всех позвоночных животных в гипоталамусе существуют нейросекреторные центры, которые вырабатывают гормоны, оказывающие влияние непосредственно на органы- или ткани-мишени (антидиуретический гормон, или вазопрессин, окситоцин и др.) либо действующие на гипофиз и регулирующие функцию его клеток (гипоталамические рилизинг- и ингибирующие гормоны). Гормоны аденогипофиза стимулируют действие эндокринных желез, вырабатывающих собственные гормоны, или оказывают непосредственное влияние на ряд органов и тканей.

Медиаторы тоже являются продуктами нервных клеток и выделяются окончаниями аксонов в синаптическую щель. Показано, что одни и те же вещества могут функционировать в качестве медиатора и гормона (например, катехоламины). Для ряда гормонов в настоящее время установлена множественная локализация биосинтеза, например ряд гормонов желудочно-кишечного тракта обнаруживается в мозгу, например, холецистокинин - панкреозимин, бомбезин, субстанция Р, нейротензин и другие гормоны. Вещества, которые известны у позвоночных как гормоны, найдены также у многих беспозвоночных животных и у растений. Предполагают, что в эволюции .рано возникли молекулы, способные выполнять широкие регуляторные функции; это были ферменты, медиаторы. В дальнейшем часть из них стала выполнять функции гормонов. Возникновение эндокринных желез, очевидно, произошло на более поздних этапах эволюции.

В настоящее время у позвоночных животных основная линия взаимодействия такова: ЦНС > гипоталамус > периферические эндокринные железы >ткани. Все элементы этой системы объединены обратными связями, осуществляющимися на разных уровнях. Гипоталамус интегрирует всю информацию, получаемую от высших отделов мозга и от внутренней среды, и передает свои влияния эндокринной системе, таким образом наиболее тесно осуществляется взаимодействие нервной и эндокринной систем.

Основным механизмом поддержания жизнедеятельности организма на относительно постоянном уровне (гомеостаз) является саморегуляция физиологических функций, осуществляющаяся на основе единства гуморальных и нервных механизмов регуляции. У высших животных и человека гомеостаз поддерживается более строго, чем у низших животных. Это позволило довести до высокой степени совершенства структуру и функции ЦНС, однако увеличило расход энергии на гомеостатирование организма. Так, например у млекопитающих и птиц была создана система терморегуляции, отсутствующая у представителей других классов и типов, поддерживающая температуру тела с точностью до нескольких десятых градуса Цельсия. Физиологическая саморегуляция функций является автоматическим процессом. Значение механизмов обратной связи в поддержании гомеостаза чрезвычайно велико.

В регуляции функций большое значение имеет также рефлекторный принцип. Основой осуществления рефлекторных реакций является рефлекторная дуга, включающая пять основных звеньев. В ряде случаев поступающие в кровь физиологически активные вещества (медиаторы и гормоны) составляют гуморальное звено рефлекторной дуги. В регуляции функций большое значение имеет также феномен доминанты - временно господствующая рефлекторная система, направляющая работу нервных центров в определенный период.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Ананин В. Ф. Биорегуляция человека. В 10 т. М., 1994.

Анохин П. К. Узловые вопросы теории функциональной системы. М., 1980.

Бакл Дж. Гормоны животных. М., 1986.

Држевецкая И. А. Основы физиологии обмена веществ и эндокринной системы. М., 1994.

Дильман В. М. Большие биологические часы: Введение в интегративную медицину. М., 1986.

Заварзин А. А., Харазова А. Д., Молитвин М. Н. Биология клетки. Общая цитология. СПб., 1992.

Кассиль Г. Н. Внутренняя среда организма. М., 1983.

Новосельцев В. Н. Теория управления и биосистемы. СПб., 1994.

Ноздрачев А. Д. Физиология вегетативной нервной системы. Л., 1983.

Ноздрачев А. Д., Чернышева М. П. Висцеральные рефлексы. Л., 1989.

Потемкин В. В. Эндокринология. М., 1986.

Розен В. Б. Основы эндокринологии. М., 1980.

Селье Г. Очерки об адаптационном синдроме. М., I960.

Селье Г. Стресс без дистресса. М., 1982.

Телемедицина. Новые информационные технологии на пороге XXI века / Под ред. Р. М. Юсупова,

Р. И. Полонникова. СПб., 1998.

Ткачук В. А. Введение в молекулярную эндокринологию. М., 1983.

Филаретов А. А., Подвигина Т. Т., Филаретова Л. П. Адаптация как функция гипофизарно-адренокортикальной системы. СПб., 1994.

Харди Р. Гомеостаз. М., 1986.

Чернышева М. П. Гормоны животных: Введение в физиологическую эндокринологию. СПб., 1995.

Юсупов Р. М., Заболотский В. П. Научно-методические основы информатизации. СПб., 2000.

Яковлев Г. М., Новиков В. С., Хавинсон В. X. Резистентность, стресс, регуляция. Л., 1990.

3 ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

ВЕХИ ИСТОРИИ

VI в. до н. э. - Пифагор Самосский (Др. Греция) считал мозг средоточием психической деятельности. V-IV вв. до н. э. - Гиппократ (Др. Греция) описал четыре типа темперамента. V-I вв. до н. э. - Демокрит (Др. Греция) и Лукреций (Др. Рим) считали мозг седалищем души. IV в. до н. э. - Аристотель (Др. Греция) создал известный труд по психологии - трактат "О душе".

1012-1024 - Авиценна (Абу Али ибн Сина, Центральная Азия, Иран) в "Каноне врачебной науки" дал описание нервов черепномозговых и спинномозговых, чувствительных и двигательных. Считал мозг местом пребывания душевной силы и источником ее действия.

1637 - Р. Декарт (R. Descartes, Франция) дал первое описание двигательного рефлекса.

1784 - И. Прохаска (J. Prochaska, Чехия) развил представление о рефлексе и предложил этот термин. Описал рефлекторную дугу.

1811 и 1822 - Ч. Белл (Ch. Bell, Великобритания) и Ф. Мажанди (F. Magendie, Франция) открыли порядок распределения чувствительных и двигательных нервных волокон между дорсальными и вентральными корешками спинного мозга (закон Белла-Мажанди).

1832 - М. Голл и И. Мюллер (М. Goll, J. Muller, Германия) изложили учение о рефлексе.

1838 - Т. Шванн (Th. Schwann, Германия) описал строение оболочки нервного волокна (шванновская оболочка).

1856 - Р. Вирхов (R. Virchow, Германия) - открыл нейроглию.

1863 - И. М. Сеченов (Россия) в работе "Рефлексы головного мозга" описал явление центрального торможения и распространил принцип рефлекторной реакции на психическую деятельность и поведение человека.

1865 - О. Дейтерс (О. Deiters, Германия) описал отростки нейронов - аксон и дендриты.

1874 - В. А. Бец (Россия) описал гигантские пирамидные клетки в коре больших полушарий головного мозга, непосредственно управляющие мотонейронами скелетных мышц.

1874 - В. Вундт (W. Wundt, Германия) основал первую лабораторию экспериментальной психологии, ввел психометрию - количественный метод изучения психики.

1885 - П. Эрлих (Р. Ehrlich, Германия) впервые высказал мысль о существовании барьера между кровью и мозгом.

1891 - Г. Вальдейер (Н. Waldeyer, Германия) заявил о применимости клеточной теории к нервной системе и предложил термин "нейрон".

1895 - 3. Фрейд (Z. Freud, Австро-Венгрия) заложил основы психоанализа.

1897 - Ч. Шеррингтон (Ch. Sherrington, Великобритания) ввел понятие "синапс".

1902 - в докладе из лаборатории И. П. Павлова впервые заявлено об открытии условных рефлексов.

1905 - А. Бине и Т. Симон (A. Binet, Th. Simon, Франция) создали первый тест для оценки интеллекта (впоследствии IQ - "коэффициент интеллектуальности").

1906 - К. Гольджи (С. Golgi, Италия) и С. Рамон-и-Кахаль (S. Ramon у Cajal, Испания) - Нобелевская премия за доказательство клеточного строения нервной системы.

1909 - К. Бродман (К. Brodmann, Германия) описал в коре больших полушарий головного мозга 11 областей, включающих в себя 52 цитоархитектонических поля.

1921 - К. Юнг (К. Jung, Швейцария) в основу типологии характеров положил доминирующую психическую функцию индивида. Ввел понятия об интра- и экстраверсии.

1923 - А. А. Ухтомский (СССР) создал учение о доминанте.

1924 - Р. Магнус и А. Де Клейн (R. Magnus, A. De Kleijn, Нидерланды) ввели понятие о статических и статокинетических рефлексах ствола мозга.

1925 - В. Правдич-Неминский (СССР) зарегистрировал электрические процессы в мозгу животного. 1929 - Л. С. Штерн (СССР) ввела понятие о гистогематических барьерах.

1929 - Г. Бергер (Н. Berger, Германия) зарегистрировал электрические процессы в мозгу человека.

1920-1930-е - Л. С. Выготский (СССР) исследовал развитие мышления и речи.

1932 - Ч. Шеррингтон и Э. Эдриан (Е. Adrian, Великобритания) - Нобелевская премия за открытие роли рецепторов нервов, передачи информации в виде электрических импульсов.

1936 - О. Лёви (О. Loewi, Австрия) и Г. Дейл (Н. Dale, Великобритания) - Нобелевская премия за открытие механизма синаптической передачи.

1937 - Дж. Папес (J. Papez, США) описал функции "круга Папеса", включающего в себя гиппокамп, маммилярное тело, часть таламуса, кору поясной извилины и другие структуры мозга.

1938 - К. Хейманс (С. Heymans, Бельгия) - Нобелевская премия за открытие роли синусного и аортального механизмов в регуляции дыхания.

1930-е - У. Пенфилд (W. Penfield, Канада) обнаружил правильную пространственную проекцию скелетных мышц на двигательную область коры больших полушарий головного мозга.

1938 - Б. Скиннер (В. Skinner, США) предложил камеру для выработки инструментальных рефлексов у крыс (камера Скиннера).

1941 - Н. А. Бернштейн (СССР) в трудах по физиологии движений создал схему рефлекторного кольца.

1943 - Д. Ллойд (D. Lloyd, Великобритания) установил, что рефлекс на растяжение скелетной мышцы является моносинаптическим.

1944 - Г. Мэгун (Н. Magoun, США) установил, что электрическое раздражение ретикулярной формации ствола мозга может либо активировать, либо тормозить двигательные рефлексы.

1944 - Дж. Эрлангер и Г. Гассер (J. Erianger, Н. Gasser, США) - Нобелевская премия за открытие функциональных различий между нервными волокнами различных типов.

1949- В. Хесс (W. Hess, Швейцария)- Нобелевская премия за открытие гипоталамических центров регуляции вегетативных функций.

1950 - У. Пенфилд обнаружил соматотопическую локализацию моторных функций в коре больших полушарий головного мозга.

1952 - П. Маклин (Р. MacLean, США) развил идеи Папеса и ввел понятие "лимбическая система".

1957 - В. Маунткасл (V. Mountcastle, США) показал, что соматосенсорная кора больших полушарий головного мозга организована в элементарные функциональные единицы - колонки.

1957 - Ч. Осгуд (Ch. Osgood, США) разработал метод семантического дифференциала.

1963 - Дж. Эклс (J. Eccles, Австралия), А. Ходжкин (A. Hodgkin, Великобритания) и А. Хаксли (A. Huxley, Великобритания) - Нобелевская премия за открытие ионных механизмов передачи возбуждения по нервному волокну.

1965 - Э. Хеннеман (Е. Henneman, ФРГ) описал законы вовлечения в возбуждение мотонейронов двигательных ядер в зависимости от их размеров и возбудимости.

1960-е - А. Р. Лурия (СССР) применил психологические методы для анализа поражений мозга.

1970 - Б. Кац (В. Katz, Великобритания), У. фон Эйлер (U. v. Euler, Швеция) и Дж. Аксельрод (J. Axelrod, США) - Нобелевская премия за открытие роли норадреналина в синаптической передаче.

1970 - Р. Гранит (R. Granit, Швеция) опубликовал классическую монографию о физиологических механизмах регуляции движений.

1973 - К. фон Фриш (К. v. Frisch, ФРГ), К. Лоренц (К. Lorenz, Австрия) и Н. Тинберген (N. Tinbergen, Великобритания) - Нобелевская премия за создание этологии (науки о поведении).

1975 - Дж. Хьюз и Г. Костерлиц (J. Huges, H. Kosterlitz, Великобритания) обнаружили в мозгу энкефалины - медиаторы опиоидной системы.

1977 - Р. Гиймен и Э. Шалли (R. Guillemin, A. Schally, США) - Нобелевская премия за открытие тиролиберина - первого из рилизинг-факторов гипоталамуса.

1977 - Р. Ялоу ( R. Yalow, США) - Нобелевская премия за развитие методов радиоиммунологического исследования (RIA) пептидных гормонов.

1979 - А. Кормак (A. Cormack, США) и Г. Хаунсфилд (G. Hounsfield, Великобритания) - Нобелевская премия за разработку метода компьютерной томографии.

1981 - Р. Сперри (R. Sperry, США) - Нобелевская премия за открытие функциональной специализации полушарий мозга.

2000 - А. Карлссон (A. Carlsson, Швеция), П. Грингард и Э. Кэндел (Р. Greengard, Е. Kandel, СИТА) - Нобелевская премия за открытия в области передачи сигналов в нервной системе.

3.1. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

Появление многоклеточных организмов явилось первичным стимулом для дифференциации систем связи, которые обеспечивают целостность реакций организма, взаимодействие между его тканями и органами. Это взаимодействие может осуществляться гуморальным путем посредством поступления гормонов и продуктов метаболизма в кровь, лимфу и тканевую жидкость и за счет функции нервной системы, которая обеспечивает быструю передачу возбуждения, адресованного к вполне определенным мишеням.

3.1.1. Нервная система беспозвоночных животных

Нервная система как специализированная система интеграции на пути структурного и функционального развития проходит через несколько этапов, которые у первично- и вторичноротых животных могут характеризоваться чертами параллелизма и филогенетической пластичностью выбора.

Среди беспозвоночных наиболее примитивный тип нервной системы в виде диффузной нервной сети встречается у кишечнополостных (см. рис. 1.2). Их нервная сеть представляет собой скопление мультиполярных и биполярных нейронов, отростки которых могут перекрещиваться, прилегать друг к другу и лишены функциональной дифференциации на аксоны и дендриты. Диффузная нервная сеть не разделена на центральный и периферический отделы и может быть локализована в эктодерме и энтодерме.

Эпидермальные нервные сплетения, напоминающие нервные сети кишечнополостных, могут быть обнаружены и у более высоко организованных беспозвоночных (плоские и кольчатые черви), однако здесь они занимают подчиненное положение по отношению к ЦНС, которая выделяется как самостоятельный отдел.

В качестве примера такой централизации и концентрации нервных элементов можно привести ортогональную (от греч. orthogonios - прямоугольный) нервную систему плоских червей. Ортогон высших турбеллярий представляет собой упорядоченную структуру, которая состоит из ассоциативных и двигательных клеток, формирующих вместе несколько пар продольных тяжей, или стволов, соединенных большим числом поперечных и кольцевых комиссуральных стволов. Концентрация нервных элементов сопровождается их погружением в глубь тела.

Плоские черви являются билатерально симметричными животными с четко выраженной продольной осью тела. Движение свободноживущих форм осуществляется преимущественно в сторону головного конца, где концентрируются рецепторы, сигнализирующие о приближении источника раздражения. К числу таких рецепторов турбеллярий относятся пигментные глазки, обонятельные ямки, статоцист, чувствительные клетки покровов (см. разд. 4.2.1 и 4.5), наличие которых способствует концентрации нервной ткани на переднем конце тела. Этот процесс приводит к формированию головного ганглия, который, по меткому выражению Ч. Шеррингтона, можно рассматривать как ганглиозную надстройку над системами рецепции на расстоянии.

Ганглионизация нервных элементов получает дальнейшее развитие у высших беспозвоночных, кольчатых червей, моллюсков и членистоногих. У большинства кольчатых червей брюшные стволы ганглионизированы таким образом, что в каждом сегменте тела формируется по одной паре ганглиев, соединенных коннективами с другой парой, расположенной в соседнем сегменте.

Ганглии одного сегмента у примитивных аннелид соединены между собой поперечными комиссурами, и это приводит к образованию лестничной нервной системы. В более продвинутых отрядах кольчатых червей наблюдается тенденция к сближению брюшных стволов вплоть до полного слияния ганглиев правой и левой сторон и перехода от лестничной цепочечной нервной системе. Идентичный, цепочечный тип строения нервной системы существует у членистоногих с различной выраженностью концентрации нервных элементов, которая может осуществляться не только за счет слияния соседних ганглиев одного сегмента, но и при слиянии последовательных ганглиев различных сегментов.

Эволюция нервной системы беспозвоночных идет не только по пути концентрации нервных элементов, но и в направлении усложнения структурных взаимоотношений в пределах ганглиев. Не случайно брюшную нервную цепочку сравнивают со спинным мозгом позвоночных животных. Как и в спинном мозгу, в ганглиях обнаруживается поверхностное расположение проводящих путей, дифференциация нейропиля на моторную, чувствительную и ассоциативные области. Это сходство, являющееся примером параллелелизма в эволюции тканевых структур, не исключает, однако, своеобразия анатомической организации. Так, например, расположение туловищного мозга кольчатых червей и членистоногих на брюшной стороне тела обусловило локализацию моторного нейропиля на дорсальной стороне ганглия, а не на вентральной, как это имеет место у позвоночных животных.

Процесс ганглионизации у беспозвоночных может привести к формированию нервной системы разбросанно-узлового типа, которая встречается у моллюсков. В пределах этого многочисленного типа имеются филогенетически примитивные формы с нервной системой, сопоставимой с ортогоном плоских червей (боконервные моллюски), и продвинутые классы (головоногие моллюски), у которых слившиеся ганглии формируют дифференцированный на отделы мозг, защищенный гематоэнцефалическим барьером (см. разд. 3.27).

Прогрессивное развитие мозга у головоногих моллюсков и насекомых создает предпосылку для возникновения своеобразной иерархии командных систем управления поведением. Низший уровень интеграции в сегментарных ганглиях насекомых и в подглоточной массе мозга моллюсков служит основой для автономной деятельности и координации элементарных двигательных актов. В то же время мозг представляет собой следующий, более высокий уровень интеграции, где могут осуществляться межанализаторный синтез и оценка биологической значимости информации. На основе этих процессов формируются нисходящие команды, обеспечивающие вариантность запуска нейронов сегментарных центров. Очевидно, взаимодействие двух уровней интеграции лежит в основе пластичности поведения высших беспозвоночных, включающего врожденные и приобретенные реакции.

В целом, говоря об эволюции нервной системы беспозвоночных, было бы упрощением представлять ее как линейный процесс. Факты, полученные в нейроонтогенетических исследованиях беспозвоночных, позволяют допустить множественное (полигёнетическое) происхождение нервной ткани беспозвоночных. Следовательно, эволюция нервной системы беспозвоночных могла идти широким фронтом от нескольких источников с изначальным многообразием.

На ранних этапах филогенетического развития сформировался второй ствол эволюционного древа, который дал начало иглокожим и хордовым. Основным критерием для выделения типа хордовых является наличие хорды, глоточных жаберных щелей и дорсального нервного тяжа - нервной трубки, представляющей собой производное наружного зародышевого листка эктодермы. Трубчатый тип нервной системы позвоночных по основным принципам организации отличен от ганглионарного, или узлового, типа нервной системы высших беспозвоночных .

3.1.2. Нервная система позвоночных животных

Нервная система позвоночных закладывается в виде сплошной нервной трубки, которая в процессе онто- и филогенеза дифференцируется на различные отделы и является также источником периферических симпатических, парасимпатических и метасимпатических нервных узлов. У наиболее древних хордовых (бесчерепных) головной мозг отсутствует, и нервная трубка представлена в малодифференцированном состоянии.

Согласно представлениям Л. А. Орбели, С. Херрика, А. И. Карамяна, этот критический этап развития центральной нервной системы обозначается как спинальный. Нервная трубка современного бесчерепного (ланцетника), как и спинной мозг более высокоорганизованных позвоночных, имеет метамерное строение и состоит из 62-64 сегментов, в центре которых проходит спинномозговой канал. От каждого сегмента отходят брюшные (двигательные) и спинные (чувствительные) корешки, которые не образуют смешанных нервов, а идут в виде отдельных стволов. В головных и хвостовых отделах нервной трубки локализованы гигантские клетки Родэ, толстые аксоны которых образуют проводниковый аппарат. С клетками Родэ связаны светочувствительные глазки Гесса, возбуждение которых вызывает отрицательный фототаксис (см. разд. 4.8.3).

В головной части нервной трубки ланцетника находятся крупные ганглиозные клетки Овсянникова, имеющие синаптические контакты с биполярными чувствительными клетками обонятельной ямки. В последнее время в головной части нервной трубки идентифицированы нейросекреторные клетки, напоминающие гипофизарную систему высших позвоночных. Однако анализ восприятия и простых форм обучения ланцетника показывает, что на данном этапе развития ЦНС функционирует по принципу эквипотенциальности, и утверждение о специфике головного отдела нервной трубки не имеет достаточных оснований.

В ходе дальнейшей эволюции наблюдается перемещение некоторых функций и систем интеграции из спинного мозга в головной - процесс энцефализации, который был рассмотрен выше на примере беспозвоночных животных. В период филогенетического развития от уровня бесчерепных до уровня круглоротых формируется головной мозг как надстройка над системами дистантной рецепции.

Исследование ЦНС современных круглоротых показывает, что их головной мозг в зачаточном состоянии содержит все основные структурные элементы. Развитие вестибулолатеральной системы, связанной с полукружными каналами и рецепторами боковой линии, возникновение ядер блуждающего нерва и дыхательного центра создают основу для формирования заднего мозга.

Развитие дистантной зрительной рецепции дает толчок к закладке среднего мозга. На дорсальной поверхности нервной трубки развивается зрительный рефлекторный центр - крыша среднего мозга, куда приходят волокна зрительного нерва. И наконец, развитие обонятельных рецепторов способствует формированию переднего, или конечного, мозга, к которому примыкает слаборазвитый промежуточный мозг.

Указанная выше направленность процесса энцефализации согласуется с ходом онтогенетического развития мозга у круглоротых. В процессе эмбриогенеза головные отделы нервной трубки дают начало трем мозговым пузырям. Из переднего пузыря формируется конечный и промежуточный мозг, средний пузырь дифференцируется в средний мозг, а из заднего пузыря образуются продолговатый мозг и мозжечок. Сходный план онтогенетического развития мозга сохраняется и у других классов позвоночных.

Нейрофизиологические исследования мозга круглоротых показывают, что его главный интегративный уровень сосредоточен в среднем и продолговатом мозгу, т. е. на данном этапе развития ЦНС доминирует бульбомезенцефальная система интеграции, пришедшая на смену спинальной.

Передний мозг круглоротых длительное время считали чисто обонятельным. Однако исследования недавнего времени показали, что обонятельные входы в передний мозг не являются единственными, а дополняются сенсорными входами других модальностей. Очевидно, уже на ранних этапах филогенеза позвоночных передний мозг начинает участвовать в переработке информации и управлении поведением. Вместе с тем энцефализация как магистральное направление развития мозга не исключает эволюционных преобразований в спинном мозгу круглоротых. В отличие от бесчерепных нейроны кожной чувствительности выделяются из спинного мозга и концентрируются в спинномозговой ганглий. Наблюдается совершенствование проводниковой части спинного мозга. Проводящие волокна боковых столбов имеют контакты с мощной дендритной сетью мотонейронов. Формируются нисходящие связи головного мозга со спинным через мюллеровские волокна - гигантские аксоны клеток, лежащих в среднем и продолговатом мозгу.

Появление более сложных форм двигательного поведения у позвоночных сопряжено с совершенствованием организации спинного мозга. Так, например, переход от стереотипных ундулирующих движений круглоротых к локомоции с помощью плавников у хрящевых рыб (акулы, скаты) связан с разделением кожной и мышечно-суставной (проприоцептивной) чувствительности (см. разд. 4.3). В спинальных ганглиях появляются специализированные нейроны для выполнения этих функций.

В эфферентной части спинного мозга хрящевых рыб также наблюдаются прогрессивные преобразования. Укорачивается путь моторных аксонов внутри спинного мозга, происходит дальнейшая дифференциация его проводящих путей. Восходящие пути боковых столбов у хрящевых рыб доходят до продолговатого мозга и мозжечка. Вместе с тем восходящие пути задних столбов спинного мозга еще не дифференцированы и состоят из коротких звеньев.

Нисходящие пути спинного мозга у хрящевых рыб представлены развитым ретикулярно-спинномозговым путем и путями, соединяющими вестибулолатеральную систему и мозжечок со спинным мозгом (преддверно-спинномозговой и мозжечково-спинномозговой пути).

Одновременно в продолговатом мозгу наблюдается усложнение системы ядер вестибулолатеральной зоны. Этот процесс сопряжен с дальнейшей дифференциацией органов боковой линии и с появлением в лабиринте третьего (наружного) полукружного канала в дополнение к переднему и заднему.

Развитие общей двигательной координации у хрящевых связано с интенсивным развитием мозжечка (рис. 3.1). Массивный мозжечок акулы имеет двусторонние связи со спинным, продолговатым мозгом и покрышкой среднего мозга. Функционально он разделяется на части: старый мозжечок (археоцеребеллум), связанный с вестибулолатеральной системой, и древний мозжечок (палеоцеребеллум), включенный в систему анализа проприоцептивной чувствительности. Существенным моментом структурной организации мозжечка хрящевых рыб является его многослойность. В сером веществе мозжечка акулы идентифицированы молекулярный слой, слой клеток Пуркинье и зернистый слой.

Другой многослойной структурой стволовой части мозга хрящевых рыб является крыша среднего мозга, куда подходят афференты различных модальностей (зрительные, соматические). Сама морфологическая организация среднего мозга свидетельствует о его важной роли в интегративных процессах на данном уровне филогенетического развития.

В промежуточном мозгу хрящевых рыб происходит дифференциация гипоталамуса, который является наиболее древним образованием этой части мозга. Гипоталамус имеет связи с конечным мозгом. Сам конечный мозг разрастается и состоит из обонятельных луковиц и парных полушарий. В полушариях у акул находятся зачатки старой коры (археокортекса) и древней коры (палеокортекса).

Палеокортекс, тесно связанный с обонятельными луковицами, служит главным образом для восприятия обонятельных стимулов. Археокортекс, или гиппокампальная кора, предназначен для более сложной обработки обонятельной информации. Вместе с тем электрофизиологические исследования показали, что обонятельные проекции занимают только часть полушарий переднего мозга. Кроме обонятельной здесь обнаружено представительство зрительной и соматической сенсорных систем. Очевидно, старая и древняя кора может участвовать в регуляции поисковых, пищевых, половых и оборонительных рефлексов у хрящевых рыб, многие из которых являются активными хищниками.

Таким образом, у хрящевых рыб складываются основные черты ихтиопсидного типа организации мозга. Его отличительной чертой является присутствие надсегментарного аппарата интеграции, координирующего работу моторных центров и организующего поведение. Эти интегративные функции осуществляют средний мозг и мозжечок, что позволяет говорить о мезэнцефалоцеребеллярной системе интеграции на данном этапе филогенетического развития нервной системы. Конечный мозг участвует в регуляции функций нижележащих отделов.

Переход позвоночных от водного к наземному образу жизни связан с целым рядом перестроек в ЦНС. Так, например, у амфибий в спинном мозгу появляется два утолщения, соответствующих тазовому и грудному поясам конечностей. В спинальных ганглиях вместо биполярных чувствительных нейронов сосредоточиваются униполярные с Т-образно ветвящимся отростком, обеспечивающие высокую скорость проведения возбуждения без участия клеточного тела. На периферии в коже земноводных формируются специализированные рецепторы и рецепторные поля, обеспечивающие дискриминационную чувствительность. В мозговом стволе также происходят структурные изменения в связи с перераспределением функциональной значимости различных отделов. В продолговатом мозгу наблюдаются редукция ядер боковой линии и формирование улиткового слухового ядра, осуществляющего анализ информации от примитивного органа слуха (см. разд. 4.6).

По сравнению с рыбами у амфибий, имеющих довольно стереотипную локомоцию, наблюдается значительная редукция объема мозжечка. Средний мозг, так же как и у рыб, представляет собой многослойную структуру, в которой наряду с ростральными холмиками - ведущим отделом интеграции зрительного анализатора - имеются дополнительные бугорки - предшественники каудальных холмиков пластинки крыши.

Наиболее существенные в эволюционном плане изменения происходят в промежуточном мозгу амфибий. Здесь обособляется таламус (зрительный бугор), дифференцируются структурированные ядра (наружное коленчатое тело) и восходящие пути, связывающие зрительный бугор с корой (таламокортикальный путь).

В полушариях переднего мозга происходит дальнейшая дифференциация зачатков старой и древней коры. В старой коре (археокортексе) обнаруживаются звездчатые и пирамидные клетки. В промежутке между старой и древней корой появляется полоска плаща, которая является предтечей новой коры (неокортекса).

В целом развитие переднего мозга создает предпосылки для перехода от свойственной рыбам мезэнцефалоцеребреллярной системы интеграции к диэнцефалотелэнцефалъной, где ведущим отделом становится передний мозг, а

таламус промежуточного мозга превращается в коллектор всех афферентных сигналов. В полной мере эта система интеграции представлена в зауропсидном типе мозга у рептилий и знаменует собой следующий этап морфофункциональной эволюции мозга.

Развитие таламокортикальной системы связей у рептилий приводит к формированию новых проводящих путей, как бы подтягивающихся к филогенетически молодым формациям мозга.

В боковых столбах спинного мозга рептилий обособляется восходящий спинно-таламический путь, который проводит к головному мозгу информацию о температурной и болевой чувствительности. Здесь же в боковых столбах формируется новый нисходящий путь - красно-ядерно-спинномозговой (Монакова). Он связывает мотонейроны спинного мозга с красным ядром среднего мозга, которое включено в древнюю экстрапирамидную систему двигательной регуляции. Эта многозвенная система объединяет влияние переднего мозга, мозжечка, ретикулярной формации ствола, ядер вестибулярного комплекса и координирует двигательную активность. У рептилий, как истинно наземных животных, возрастает роль зрительной и акустической информации, возникает необходимость сопоставления этой информации с обонятельной и вкусовой. В соответствии с этими биологическими изменениями в стволовой части мозга рептилий происходит целый ряд структурных изменений. В продолговатом мозгу дифференцируются слуховые ядра, помимо улиткового ядра появляется угловое, связанное со средним мозгом. В среднем мозгу двухолмие преобразуется в четверохолмие, в ростральных холмах которого находятся акустические центры.

Наблюдается дальнейшая дифференциация связей крыши среднего мозга с таламусом, который является как бы преддверия входа в кору всех восходящих сенсорных путей. В самом таламусе происходит дальнейшее обособление ядерных структур и установление между ними специализированных связей.

Рис. 3.1 Головной мозг позвоночных животных

А - рыба, Б - лягушка, В - птица, Г - человек. Римскими цифрами обозначены черепные нервы.

Конечный мозг рептилий может иметь два типа организации: кортикальный и стриатальный. Кортикальный тип организации, свойственный современным черепахам, характеризуется преимущественным развитием полушарий переднего мозга и параллельным развитием новых отделов мозжечка. В дальнейшем это направление эволюции мозга сохраняется у млекопитающих.

Стриатальный тип организации, характерный для современных ящериц, отличается доминирующим развитием находящихся в глубине полушарий базальных ядер, в частности полосатого тела. По этому пути далее идет развитие головного мозга у птиц. Представляет интерес, что в полосатом теле у птиц имеются клеточные объединения, или ассоциации нейронов (от трех до десяти), разделенные олигодендроглией. Нейроны таких ассоциаций получают одинаковую афферентацию, и это делает их сходными с нейронами, объединенными в вертикальные колонки в новой коре млекопитающих. В то же время в полосатом теле млекопитающих идентичные ассоциации не описаны. Очевидно, это является примером конвергентной эволюции, когда сходные образования развились независимо у различных животных.

У млекопитающих развитие переднего мозга сопровождалось бурным ростом новой коры, находящейся в тесной функциональной связи с таламусом промежуточного мозга (см. рис. 3.1). В коре закладываются эфферентные пирамидные клетки, посылающие свои длинные аксоны к мотонейронам спинного мозга.

Таким образом, наряду с многозвенной экстрапирамидной системой появляются прямые пирамидные пути, которые обеспечивают непосредственный контроль над двигательными актами. Корковая регуляция движений у млекопитающих приводит к развитию филогенетически наиболее молодой части мозжечка - передней части задних долей полушарий, или неоцеребеллума. Неоцеребеллум приобретает двусторонние связи с новой корой.

Рост новой коры у млекопитающих происходит настолько интенсивно, что старая и древняя кора оттесняются в медиальном направлении к мозговой перегородке. Бурный рост коры компенсируется формированием складчатости. У наиболее низко организованных однопроходных (утконос) на поверхности полушария закладываются первые две постоянные борозды, остальная же поверхность остается гладкой (лиссэнцефалический тип коры).

Как показали нейрофизиологические исследования, мозг однопроходных и сумчатых млекопитающих лишен еще соединяющего полушария мозолистого тела и характеризуется перекрытием сенсорных проекций в новой коре. Четкая локализация моторных, зрительных и слуховых проекций здесь отсутствует.

У плацентарных, млекопитающих (насекомоядных и грызунов) отмечается развитие более четкой локализации проекционных зон в коре. Наряду с проекционными зонами в новой коре формируются ассоциативные зоны, однако границы первых и вторых могут перекрываться. Мозг насекомоядных и грызунов характеризуется наличием мозолистого тела и дальнейшим увеличением общей площади новой коры, развитием борозд и извилин (гирэнцефалический тип коры).

В процессе параллельно-адаптивной эволюции у хищных млекопитающих появляются теменные и лобные ассоциативные поля, ответственные за оценку биологически значимой информации, мотивацию поведения и программирование сложных поведенческих актов. Наблюдается дальнейшее развитие складчатости новой коры.

И наконец, приматы демонстрируют наиболее высокий уровень организации коры головного мозга. Кора приматов характеризуется шестислойностью, отсутствием перекрытия ассоциативных и проекционных зон. У приматов формируются связи между фронтальными и теменными ассоциативными полями и, таким образом, возникает целостная интегративная система больших полушарий.

В целом, прослеживая основные этапы эволюции мозга позвоночных, следует отметить, что его развитие не сводилось просто к линейному увеличению размеров. В различных эволюционных линиях позвоночных могли иметь место независимые процессы увеличения размеров и усложнения цитоархитектоники различных отделов мозга. Примером тому может служить сравнение стриатального и кортикального типов организации переднего мозга позвоночных.

В процессе развития наблюдается тенденция к перемещению ведущих интегративных центров мозга в ростральном направлении от среднего мозга и мозжечка к переднему мозгу, но эту тенденцию нельзя абсолютизировать, так как мозг - это целостная система, в которой стволовые части играют важную функциональную роль на всех этапах филогенетического развития позвоночных. Кроме того, начиная с круглоротых, в переднем мозгу обнаруживаются проекции различных сенсорных модальностей, что говорит об участии этого отдела мозга в управлении поведением уже на ранних стадиях эволюции позвоночных.

3.2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ КООРДИНАЦИОННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

Интегративная деятельность ЦНС сводится к соподчинению и объединению всех функциональных элементов организма в целостную систему, обладающую определенной направленностью действия. В осуществлении интегративной функции принимают участие различные уровни организации ЦНС.

3.2.1. Интегративная и координационная деятельность нервной клетки

Элементарной единицей ЦНС является нейрон (нервная клетка, нейроцит), клеточная мембрана которого представляет поле, на котором происходит интеграция синоптических влияний. Этот первый уровень интеграции осуществляется в результате взаимодействия возбуждающих (ВПСП) и тормозных (ТПСП) постсинаптических потенциалов, которые генерируются при активации синаптических входов нейрона. В том случае, если возбуждающие и тормозные входы активируются одновременно, происходит суммация синаптических потенциалов противоположной полярности и мембранный потенциал в меньшей степени приближается к критическому уровню деполяризации (КУД), при котором в низкопороговой зоне клетки возникает потенциал действия. В некоторых случаях снижение амплитуды ВПСП может происходить без возникновения ТПСП, только за счет шунтирующего закорачивающего действия мембранных каналов, ответственных за генерацию ТПСП.

Таким образом, конвергенция возбуждающих и тормозных входов на мембране нейрона определяет частоту генерируемых им импульсных разрядов и выступает в качестве универсального фактора интегративной деятельности нервной клетки (см. разд. 1.1.8).

Координационная деятельность нейронов и слагаемых из них элементарных нервных сетей (второй уровень интеграции) обусловлена спецификой морфологических отношений в ЦНС. Довольно часто наблюдается такое явление, когда одно пресинаптическое волокно многократно ветвится и образует синаптические контакты сразу со многими нейронами (рис. 3.2). Это явление

Рис. 3.2 Дивергенция (А), конвергенция (Б), окклюзия (В), временная (Г) и пространственная (Д) суммация в локальных нейронных цепях (объяснение см. в тексте)

называется дивергенцией и обнаруживается практически во всех отделах ЦНС: в организации афферентного входа спинного мозга, в вегетативных ганглиях, в головном мозгу. Функционально принцип дивергенции лежит в основе иррадиации возбуждения в рефлекторных дугах, проявляющейся в том, что раздражение одного афферентного волокна может вызвать генерализованную реакцию за счет возбуждения многих вставочных и моторных нейронов.

3.2.2. Принцип общего конечного пути

В структурной организации нервных сетей встречается такая ситуация, когда на одном нейроне сходятся несколько афферентных терминалей из других отделов ЦНС (рис. 3.2). Это явление принято называть конвергенцией в нейронных связях. Так, например, к одному мотонейрону подходит около 6000 коллатералей аксонов первичных афферентов, спинальных интернейронов, нисходящих путей из стволовой части мозга и коры. Все эти терминальные окончания образуют на мотонейроне возбуждающие и тормозные синапсы и формируют своеобразную "воронку", суженная часть которой представляет общий моторный выход. Данная воронка является анатомическим образованием, определяющим один из механизмов координационной функции спинного мозга (рис. 3.3).

Суть этого механизма была раскрыта английским физиологом Ч. Шеррингтоном, который сформулировал принцип общего конечного пути. По Ч. Шеррингтону, количественное преобладание чувствительных и других приходящих волокон над двигательными создает неизбежное столкновение импульсов в общем конечном пути, которым являются группа мотонейронов и иннервируемые ими мышцы. В результате этого столкновения достигается торможение всех возможных степеней свободы двигательного аппарата, кроме одной, в направлении которой протекает рефлекторная реакция, вызванная максимальной стимуляцией одного из афферентных входов.

Рассмотрим случай с одновременным раздражением рецептивных полей чесательного и сгибательного рефлексов, которые реализуются идентичными группами мышц. Импульсы, идущие от этих рецептивных полей, приходят к одной и той же группе мотонейронов, и здесь в узком месте воронки за счет интеграции синаптических влияний осуществляется выбор в пользу сгибательного рефлекса, вызванного более сильным болевым раздражением. Принцип общего конечного пути, как один из принципов координации, действителен не только для спинного мозга, он применим для любого этажа ЦНС, в том числе для моторной коры.

Рис. 3.3 Нейронный субстрат общего конечного пути автономной нервной системы

3.2.3. Временная и пространственная суммация. Окклюзия

Конвергенция лежит в основе таких физиологических феноменов, как временная и пространственная суммация. В том случае, если два подпороговых раздражителя, приходящие к нейрону через афферентный вход (см. рис. 3.2), следуют друг за другом с малым временным интервалом, имеет место суммация вызванных этими раздражителями ВПСП, и суммарный ВПСП достигает порогового уровня, достаточного для генерации импульсной активности. Данный процесс способствует усилению поступающих к нейрону слабых сигналов и определяется как временная суммация. Вместе с тем синаптическая активация нейрона может осуществляться через два раздельных входа, конвергирующих на эту клетку. Одновременная стимуляция этих входов подпороговыми раздражителями также может привести к суммации ВПСП, возникающих в двух пространственно разделенных зонах клеточной мембраны. В данном случае происходит пространственная суммация, которая, так же как и временная, может вызывать длительную деполяризацию клеточной мембраны и генерацию ритмической импульсной активности на фоне этой деполяризации.

Однако возможна и такая ситуация, когда при одновременной стимуляции двух входов возбуждение нейрона и соответствующий ему рефлекторный ответ будут меньше алгебраической суммы ответов при раздельной стимуляции этих входов. Причину явления можно уяснить из рис. 3.2. При раздельной стимуляции двух входов мотонейрон б будет возбуждаться дважды: сначала совместно с нейроном а и затем совместно с нейроном б. При одновременной стимуляции двух входов нейрон б будет возбуждаться только один раз и, соответственно, рефлекторный ответ будет меньше алгебраической суммы ответов при раздельной стимуляции. Этот физиологический феномен, связанный с наличием дополнительного общего пути для двух входов, получил название окклюзии.

Как уже отмечалось (см. разд. 1.1.8), локальные нейронные сети могут усиливать слабые сигналы по механизму положительной обратной связи за счет циклической реверберации возбуждения в цепи нейронов. Другой возможный механизм усиления создается за счет синоптической потенциации (облегчения) при ритмических раздражениях пресинаптических входов. Потенциация выражается в увеличении амплитуды ВПСП во время (тетаническая потенциация) и после (посттетаническая потенциация) ритмического раздражения пресинаптического аксона с довольно высокой частотой (100-200 имп/с).

Это явление имеет гомосинаптическую природу, т. е. возникает в том случае, когда ритмическое раздражение и пробный импульс (вызывающий ВПСП) поступают к нейрону по одним и тем же афферентным волокнам. Синаптическая потенциация при ритмических раздражениях может быть обусловлена: 1) повышением потенциала покоя мембраны пресинаптического аксона, ростом амплитуды потенциала действия и, как следствие, высвобождением большего количества медиатора из пресинаптической терминали; 2) мобилизацией готового к выделению медиатора; 3) возрастанием внутриклеточной концентрации ионов Са2+, который входит в пресинаптическую терминаль во время потенциала действия.

3.2.4. Торможение

Координирующая функция локальных нейронных сетей помимо усиления может выражаться и в ослаблении слишком интенсивной активности нейронов за счет их торможения. Торможение, как особый нервный процесс, характеризуется отсутствием способности к активному распространению по нервной клетке и может быть представлено двумя формами - первичным и вторичным торможением.

Рис. 3.4 Реципрокное (А), пресинаптическое (Б) и возвратное (В) торможение в локальных нейронных цепях спинного мозга

1 - мотонейрон, 2 - тормозный интернейрон, 3 - афферентные терминали.

Первичное торможение обусловлено наличием специфических тормозных структур и развивается первично без предварительного возбуждения. Примером первичного торможения является так называемое реципрокное торможение мыщц-антагонистов, обнаруженное в спинальных рефлекторных дугах (рис. 3.4). Суть явления состоит в том, что если активируются проприорецепторы мышцы-сгибателя, то они через первичные афференты одновременно возбуждают мотонейрон данной мышцы-сгибателя и через коллатераль афферентного волокна - тормозный вставочный нейрон. Возбуждение вставочного нейрона приводит к постсинаптическому торможению мотонейрона антагонистической мышцы-разгибателя, на теле которого аксон тормозного интернейрона формирует специализированные тормозные синапсы. Реципрокное торможение играет важную роль в автоматической координации двигательных актов.

Другим примером первичного торможения является открытое Б. Реншоу возвратное торможение (рис. 3.4). Оно осуществляется в нейронной цепи, которая состоит из мотонейрона и вставочного тормозного нейрона - клетки Реншоу. Импульсы от возбужденного мотонейрона через отходящие от его аксона возвратные коллатерали активируют клетку Реншоу, которая в свою очередь вызывает торможение разрядов данного мотонейрона. Это торможение реализуется за счет функции тормозных синапсов, которые клетка Реншоу образует на теле активирующего ее мотонейрона. Таким образом, из двух нейронов формируется контур с отрицательной обратной связью, позволяющий стабилизировать частоту разрядов моторной клетки и подавить идущую к мышцам избыточную импульсацию.

В ряде случаев клетки Реншоу формируют тормозные синапсы не только на активирующих их мотонейронах, но и на соседних мотонейронах со сходными функциями. Осуществляемое через эту систему торможение окружающих клеток называется латеральным.

Торможение по принципу отрицательной обратной связи встречается не только на выходе, но и на входе моторных центров спинного мозга. Явление подобного рода описано в моносинаптических соединениях афферентных волокон со спинальными мотонейронами, торможение которых при данной ситуации не связано с изменениями в постсинаптической мембране. Последнее обстоятельство позволило определить эту форму торможения как пресинаптическое. Оно обусловлено наличием вставочных тормозных нейронов, к которым подходят коллатерали афферентных волокон (рис. 3.4). В свою очередь, вставочные нейроны формируют аксо-аксональные синапсы на афферентных терминалях, являющихся пресинаптическими по отношению к мотонейронам. В случае избыточного притока сенсорной информации с периферии происходит активация тормозных интернейронов, которые через аксо-аксональные синапсы вызывают деполяризацию афферентных терминалей и, таким образом, уменьшают количество выделяемого из них медиатора, а следовательно, и эффективность синаптической передачи. Электрофизиологическим показателем этого процесса является снижение амплитуды регистрируемых от мотонейрона ВПСП. Вместе с тем никаких признаков изменений ионной проницаемости или генерации ТПСП в мотонейронах не наблюдается.

Вопрос о механизмах пресинаптического торможения является довольно сложным. По-видимому, медиатором в тормозном аксо-аксональном синапсе является ГАМК, которая вызывает деполяризацию афферентных терминалей за счет увеличения проницаемости их мембраны для ионов Сl- . Деполяризация снижает амплитуду потенциалов действия в афферентных волокнах и тем самым уменьшает квантовый выброс медиатора в синапсе. Другой возможной причиной деполяризации терминалей может быть повышение наружной концентрации ионов K+ при длительной активации афферентных входов. Следует отметить, что феномен пресинаптического торможения обнаружен не только в спинном мозгу, но и в других отделах ЦНС.

В рассказе о координирующей роли торможения в локальных нейронных цепях, следует упомянуть еще об одной форме торможения - вторичном торможении, которое возникает без участия специализированных тормозных структур как следствие избыточной активации возбуждающих входов нейрона. Эту форму торможения определяют как торможение Введенского (пессимум), который открыл его в 1886 г. при исследовании нервно-мышечного препарата.

Торможение Введенского играет предохранительную роль и возникает при чрезмерной активации центральных нейронов в полисинаптических рефлекторных дугах. Оно выражается в стойкой деполяризации клеточной мембраны, превышающей критический уровень и вызывающей инактивацию Na-каналов, ответственных за генерацию потенциалов действия. Таким образом, процессы торможения в локальных нейронных сетях уменьшают избыточную активность и участвуют в поддержании оптимальных режимов импульсной активности нервных клеток.

3.2.5. Принцип доминанты

При объединении нескольких локальных сетей формируются нервные центры, которые представляют собой комплекс элементов, необходимых и достаточных для осуществления определенного рефлекса или более сложного поведенческого акта. В свою очередь, нервные центры, расположенные в различных отделах мозга, могут кооперироваться в так называемые распределенные системы, которые координируют "деятельность организма в целом. Эти системы имеют иерархическую структуру и представляют собой следующий, более высокий интегративный уровень ЦНС, деятельность которого базируется на некоторых общих принципах работы нервных центров. Одним из таких принципов является открытый А. А. Ухтомским принцип доминанты.

Под доминантой А. А. Ухтомский понимал господствующий очаг возбуждения, предопределяющий характер текущих реакций центров в данный момент. Такой господствующий, или доминантный, центр может возникнуть в различных этажах ЦНС при достаточно длительном действии гуморальных или рефлекторных раздражителей и характеризуется: 1) наличием повышенной возбудимости; 2) инерционностью, обусловленной длительными следовыми процессами; 3) способностью к суммации и сопряженному торможению других центров, функционально несовместимых с деятельностью центров доминантного очага. В целом доминанта как состояние характеризуется своей направленностью и создает определенный вектор поведения.

Указанные выше черты доминанты можно проследить на примере обнимательного рефлекса у лягушек, который возникает в период спаривания в результате гормональных воздействий. Легчайшее прикосновение к "брачным" мозолям на больших пальцах передних конечностей самца тотчас вызывает обнимательный рефлекс, что свидетельствует о наличии повышенной возбудимости флексорных (сгибательных) центров конечностей. Раздражение кожи механическими, химическими или электрическими стимулами приводит к усилению рефлекса, что является показателем суммации посторонних раздражителей. И наконец, высокий порог, необходимый для вызова защитных реакций, указывает на сопряженное торможение других центров.

Рассматривая доминанту как общий принцип работы нервных центров, А. А. Ухтомский считал, что она связана с возбуждением целого созвездия, или констелляции нервных центров, которые временно кооперируются при выполнении биологически важной функции. Это созвездие создает динамический функциональный орган, сообщающий организму единство действия в данный момент. Формирование констелляции нервных центров, согласно А. А. Ухтомскому, может происходить за счет импульсных взаимодействий и сонастраивания работающих центров на единый ритм активности (усвоение ритма).

Сформулированный А. А. Ухтомским в 1923 г. принцип доминанты не является архаизмом, так как современная физиология накопила много фактов, свидетельствующих о правильности основных положений этой теории.

Сегодня не вызывает сомнения возможность повышения возбудимости центров под влиянием рефлекторных и гуморальных воздействий. В некоторых участках мозга (латеральный и передний гипоталамус, предоптическая область) обнаружены центральные рецепторы, реагирующие на содержание в крови питательных веществ, половых гормонов и других факторов. Возбуждение этих рецепторов может стать источником так называемых мотиваций (пищевой, половой и т. п.) и привести к формированию доминантных состояний соответствующих нервных центров.

Согласно современным представлениям (функциональная система Анохина), любой поведенческий акт, в том числе и условный рефлекс, начинается с анализа и синтеза афферентной информации, которые включают в себя доминирующее мотивационное возбуждение, устраняющее избыточные степени свободы.

Доминирующий очаг возбуждения может возникнуть не только за счет гуморальных воздействий, но и под влиянием нервных сигналов, изменяющих возбудимость центральных нейронов. Это хорошо иллюстрируется моделью корковой доминанты путем поляризации анодом слабого постоянного тока сенсомоторной коры кролика в месте представительства одной из конечностей. Нейроны, расположенные в области такого искусственно созданного доминантного очага, обладают способностью суммировать возбуждение, вызванное посторонним, ранее индифферентным раздражителем, и увеличивать частоту своих импульсных разрядов в ответ на световые и звуковые стимулы. В результате индифферентные раздражители на фоне изменяющей возбудимость анодной поляризации начинают вызывать движения соответствующей конечности. Таким образом, анодная поляризация, которая является эквивалентом достаточно долгой нервной сигнализации, формирует доминантное состояние нервного центра, которое может поддерживаться довольно длительное время.

Эта инерционность доминанты, как уже отмечалось выше, обусловлена длительными следовыми процессами, механизмы которых детально освещены современной физиологией. В естественных условиях длительное следовое возбуждение может быть обусловлено: 1) суммацией ВПСП, вызванных приходящими к нейронам подпороговыми нервными импульсами; 2) синаптической потенциацией (облегчением) при ритмическом раздражении пресинаптических входов; 3) изменением концентрации ионов К+ в синаптической щели, который как деполяризатор усиливает вхождение ионов Са2+ в пресинаптическое окончание; 4) метаболическими следами, связанными с влиянием медиаторов на циклазные системы постсинаптических клеток; 5) циклическими связями в ЦНС, способными обеспечить следовую самостимуляцию центров.

Следует отметить, что способность к длительному хранению следовых процессов выражена по-разному в различных отделах мозга. Так, например, если в спинальных центрах постсинаптическая потенциация длится минуты, то в центрах гиппокампа она сохраняется часы и даже сутки. Очевидно, такие специализированные блоки памяти, как гиппокамп, могут быть не только участниками доминантных констелляций, но и хранителями следовых процессов от пережитых доминант, представляющих собой системную реакцию мозга.

Доминантное состояние как системная реакция наряду с суммацией посторонних раздражении предполагает сопряженное торможение конкурирующих центров. Феномен сопряженного торможения продемонстрирован во многих отделах ЦНС, где оно связано с наличием коллатералей сенсорных нейронов и специализированных вставочных нейронов. В качестве примера можно привести сопряженное торможение между отдельными колонками (модулями) сенсо-моторной коры (см. разд. 3.10.3), которое определяет степень вовлечения того или иного структурного модуля в распределенную систему. Сама гипотеза колончатой организации коры больших полушарий и объединения групп модулей была выдвинута В. Маунткаслом (1957), который представлял головной мозг как распределенную систему нейронных модулей, связанных между собой многократно и очень сложно. Информация распространяется по такой системе по многим разным путям, и доминирование того или иного из модулей составляет динамическое и изменчивое свойство системы.

При всей привлекательности такого подхода к пониманию функций мозга его нельзя признать оригинальным, так как еще в 1923 г. А. А. Ухтомским было сформулировано представление о динамическом функциональном органе как о временной кооперации нервных центров, сообщающей организму единство действия.

3.3. СПИННОЙ МОЗГ

Спинной мозг (рис. 3.5.) является филогенетически наиболее древним отделом ЦНС. В примитивной форме у ланцетника он представляет собой трубку, идущую вдоль всего тела. От спинного мозга отходят вентральные (передние, или двигательные) и дорсальные (задние, или чувствительные) корешки (рис. 3.6).

У ланцетника спинномозговых узлов (спинальных ганглиев) еще нет, чувствительные клетки рассеяны по ходу нервов или лежат в дорсальных отделах спинного мозга. У круглоротых уже намечается разделение спинного мозга на серое вещество, содержащее клетки и составляющее центральную часть, и окружающее его белое вещество из продольно идущих безмякотных волокон. Появляются и спинномозговые узлы. Они лежат на дорсальных корешках и состоят из биполярных чувствительных нейронов.

Более сложно устроен спинной мозг круглоротых. В связи с тем что у них происходит миелинизация нервных волокон, серое и белое вещество приобретают четкие границы. В сером веществе возникают вентральные и дорсальные рога, в белом веществе - вентральные и латеральные канатики. Вентральный и дорсальный корешки сливаются и дают начало смешанному нерву. Таким образом, спинной мозг круглоротых является прототипом спинного мозга высших позвоночных.

С появлением конечностей у амфибий возникают шейное и поясничное утолщения спинного мозга, в передних рогах серого вещества выделяются медиальная и латеральная группы клеток, образуются нисходящие и восходящие пути.

Рис. 3.5 Спинной мозг лягушки (А) и человека (Б) с вентральной стороны

1 - носовой мешок, 2 - головной мозг, 3 - глаз, 4 - зрительный тракт, 5 - продолговатый мозг, 6 - спинной мозг, 7 - плечевой нерв, 8 - вегетативный ствол, 9 - спинальный ганглий, 10 - седалищный нерв, 11 - обонятельная луковица, 12 - лобная доля, 13 - височная доля, 14 - 1-й шейный нерв, 15 - мозжечок, 16 - плечевое сплетение, 17 - 1-й грудной нерв, 18 -спинальный ганглий, 19 - 1-й поясничный нерв, 20 - поясничное сплетение, 21 - 1-й крестцовый нерв, 22- копчиковый нерв, 23-концевая нить, 24 - соединительные ветви, 25 - чревный нерв, 26 - симпатический ствол, 27 - симпатический ганглий, 28 - нижний шейный симпатический ганглий, 29 - средний шейный симпатический ганглий, 30 - затылочная доля, 31 - верхний шейный симпатический ганглий.

Рис. 3.6 Спинной мозг и его взаимосвязь с периферическими нервными волокнами- чувствительным, двигательным.

1 - серое вещество, 2 - белое вещество, 3 - дорсальный (задний) корешок, 4 - спинальный ганглий, 5 - рецептор, 6 - эффектор, 7 - вентральный (передний) корешок, 8 - интернейрон. Стрелками показано направление распространения возбуждения.

Дальнейшая дифференцировка клеточно-волоконных структур происходит у рептилий и птиц. У них получают развитие восходящие пути, лежащие в центральном и боковом канатиках, сформированы дорсальный чувствительный путь и нисходящие связи. Происходит также дифференциация ассоциативных клеток, возникновение межсегментарных комиссуральных связей. У птиц хорошо развиты связи спинного мозга с вестибулярным аппаратом и мозжечком.

Еще большая дифференцированность серого и белого вещества наблюдается у млекопитающих. В дорсальных рогах появляются студенистое вещество и грудное ядро, в вентральных - отчетливо выделяются клеточные группы, возрастает число волокон в дорсальных и вентральных канатиках, появляется новый восходящий путь от шейных сегментов к оливам.

В организации спинного мозга млекопитающих существуют особенности, связанные с видовой принадлежностью животных. Спинной мозг у них имеет разную длину, разное количество сегментов, неодинаковую выраженность утолщений и пр. Все это зависит от числа позвонков, наличия хвоста, функции конечностей.

При изучении деятельности спинного мозга необходимо учитывать, что тело позвоночных животных и человека может быть разделено на пояса, или сегменты. Сегменты, получающие чувствительные волокна от одной отдельной пары дорсальных корешков, образуют метамер. Кожная область, в которой распределяются эти чувствительные волокна, называется дерматомом (рис. 3.7).

Рис. 3.7 Распределение дерматомов (областей чувствительной иннервации) на поверхности тела

Буквы соответствуют отделам спинного мозга: С - шейному, Т - грудному, L - поясничному и S - крестцовому; цифрами показаны номера сегментов. От каждого участка кожи, обозначенного одинаковыми символами, чувствительные волокна отходят в один сегмент спинного мозга, например, чувствительность кожи в области СЗ шеи обеспечивается 3-м шейным сегментом, область L5 на голени - 5-м поясничным сегментом.

Рис. 3.8 Позвоночный столб, спинной мозг и пограничный симпатический ствол

1 - симпатический ствол, 2 - симпатический ганглий, 3 - спинномозговой нерв, 4 - межпозвоночный диск, 5 - позвонок, 6 - остистные отростки позвонков, 7 - соединительнотканные оболочки, 8 - вентральный корешок, 9 - спинальный ганглий, 10 - дорсальный корешок, 11 - спинной мозг.

В процессе эволюции тело позвоночных изменило строение, в итоге возникли существенные отступления от идеальной метамерии. Например, у ланцетника метамерия делит длину тела на неодинаковые отрезки. Перестройку метамеров вызвало появление плавников у рыб. Метамерность особенно усложнилась в связи с развитием конечностей и приобрела сложную форму для рук и ног человека (рис. 3.7, 3.9).

Спинной мозг человека состоит из следующих сегментов (обозначаются латинскими буквами): 8 шейных -C(I-8) 12 грудных - Т(1-12), 5 поясничных - L(1-5), 5 крестцовых - S(1-5), 3 копчиковых - Со(1-3). Общее количество сегментов соответствует числу метамеров тела, однако каждый метамер получает иннервацию от двух-трех лежащих рядом сегментов. В сегментах спинного мозга заканчиваются отростки подавляющего большинства чувствительных нейронов тела, вступающие в составе дорсальных корешков. В спинном мозгу также начинаются почти все эфферентные нервы организма: двигательные (за исключением иннервирующих мышцы головы), все симпатические и часть парасимпатических. Они следуют в составе дорсальных и вентральных корешков (рис. 3.8).

Если у лягушки перерезать справа дорсальные, а слева вентральные корешки пояснично-крестцовых сегментов, то правая лапка полностью теряет чувствительность, но может совершать движения. Левая, наоборот, сохранит чувствительность, но окажется не способной к двигательным реакциям. Это явление было открыто независимо друг от друга Ч. Беллом (1811) и Ф. Мажанди (1822) и получило название закона Белла-Мажанди.

Характерной особенностью является соотношение волокон, входящих через дорсальные и выходящих через вентральные корешки. У кошки, например,

Рис.3.9 Схема метамерности тела в процессе эволюции. А- правильная последовательность расположения метамеров (теоретически возможный случаи для позвоночных); Б - нарушение правильной метамерности тела рыб в связи с образованием плавников; В - то же у человека в связи с образованием конечностей; F - сегменты головы; С - сегменты шеи; Т - грудные сегменты; L - поясничные сегменты; S - крестцовые сегменты.

дорсальный корешок поясничного сегмента содержит около 12 000 волокон, тогда как вентральный - 6000. Следовательно, один и тот же двигательный нейрон является общим конечным путем для импульсов, поступивших от разных рецепторов и конкурирующих за общий конечный путь. Несмотря на такую организацию, степень интегративной деятельности спинного мозга ограничена по сравнению с другими вышележащими отделами ЦНС.

Классическими методами изучения функций спинного мозга являются перерезки или разрушения его структур с последующей оценкой нарушения функций. Большое развитие получило применение электрофизиологических методов, включающих регистрацию суммарных электрических процессов, вне- и внутриклеточные методы регистрации активности отдельных клеток.

3.3.1. Нейронные структуры и их свойства

Тела чувствительных клеток вынесены за пределы спинного мозга. Часть из них располагается в спинномозговых узлах (спинальных ганглиях) (рис. 3.10, 3.11). Это тела соматических афферентов, иннервирующих в основном скелетные мышцы. Другие находятся в экстра- и интрамуральных ганглиях автономной нервной системы и обеспечивают чувствительность только внутренних органов.

Чувствительные клетки имеют один отросток, который вскоре после отхождения от тела клетки делится на две ветви (псевдоуниполярный нейрон). Одна из них проводит возбуждение от рецепторов к телу клетки, другая - от тела

Рис.3.10 Схема поперечного разреза спинного мозга и спинального ганглия.1,2 - рефлекторные пути сознательных проприоцептивных ощущений и осязания, 3,4 - рефлекторные пути проприоцептивных импульсов, 5 - рефлекторные пути температурной и болевой чувствительности, 6 - задний собственный пучок, 7 - боковой собственный пучок, 8 - передний собственный пучок, 9 - задний спинно-мозжечковый путь, 10 - передний спинно-мозжечковый путь, 11 - спинно-таламический путь, 12 - тонкий пучок, 13 - клиновидный пучок, 14 - красно-ядерно-спинномозговой путь, 15 - таламо-спинномозговой путь, 16 - преддверно-спинномозговой путь, 17 - ретикулярно-спинномозговой путь, 18 - покрышечно-спинномозговой путь, 19 - латеральный корково-спинномозговой (пирамидный) путь, 20 - передний корково-спинномозговой (пирамидный) путь, 21 - собственное ядро заднего рога, 22 - грудной столб (ядро), 23, 24 - промежуточное (серое) вещество, 25 - боковой промежуточный столб, 26 - ядра переднего рога.

Рис. 3.11 Строение спинального ганглия.А - продольный разрез ганглия и корешков; Б - ультраструктурная организация псевдоуниполярного нейропита и его микроокружения; 1 - дорсальный корешок; 2 - ганглий; 3 - псевдоуниполярные нейроциты; 4 - нервные волокна; 5 - соединительнотканная капсула; 6 - вентральный корешок; 7 - Т-образное разветвление отростка; 8 - мантийные глиоциты; 9 - бааальная мембрана; 10 - гемокапилляры; 11 - миелиновые и безмиелиновые нервные волокна.

Рис. 3.12 Мотонейрон спинного мозга позвоночных. Указаны функции разных его частей

нервной клетки к нейронам спинного или головного мозга. Распространение возбуждения из одной ветви в другую может происходить без участия тела клетки.

Нервные волокна чувствительных клеток по скорости проведения возбуждения и диаметру классифицируют на А-, В- и С-группы. Толстые миелинизированные А-волокна с диаметром от 3 до 22 мкм и скоростью проведения возбуждения от 5 до 120 м/с разбиваются еще на подгруппы: а - волокна от мышечных рецепторов, Р - от тактильных рецепторов и барорецепторов, 8 - от терморецепторов, механорецепторов, болевых рецепторов. К волокнам группы В относят миелиновые отростки средней толщины со скоростью проведения возбуждения 3-14 м/с. По ним в основном передается ощущение боли. К афферентным волокнам типа С относится большинство безмиелиновых волокон толщиной не более 2 мкм и скоростью проведения 0,5-2 м/с. Это волокна от болевых, хемо- и некоторых механорецепторов.

Сам спинной мозг в целом содержит, например, у человека примерно 13 млн. нейронов. Из их общего числа только около 3% составляют эфферентные, двигательные, или моторные, нейроны (рис. 3.12), а остальные 97% приходятся на долю вставочных, или интернейронов. Двигательные нейроны являются выходными клетками спинного мозга. Среди них различают ?- и ?-мотонейроны, a также преганглионарные нейроны автономной нервной системы.

?-Мотонейроны осуществляют передачу скелетным мышечным волокнам сигналов, выработанных в спинном мозгу. Аксоны каждого мотонейрона многократно делятся, и, таким образом, каждый из них охватывает своими терминалями до сотни мышечных волокон, образуя в совокупности с ними двигательную единицу. В свою очередь, несколько мотонейронов, иннервирующих ,одну и ту же мышцу, образуют мотонейронный пул. В его состав могут входить мотонейроны нескольких соседних сегментов. В связи с тем, что возбудимость / мотонейронов пула неодинакова, при слабых раздражениях возбуждается только часть из них. Это влечет за собой соответственно сокращение лишь части мышечных волокон. Другие моторные единицы, для которых это раздражение является подпороговым, тоже реагируют, хотя их реакция выражается лишь в деполяризации мембраны и повышении возбудимости. С усилением раздражения они еще больше вовлекаются в реакцию, и, таким образом, все двигательные единицы пула участвуют в рефлекторном ответе.

Максимальная частота воспроизведения ПД в ?-мотонейроне не превышает 200-300 имп/с. Вслед за ПД, амплитуда которого составляет 80-100 мВ, возникает следовая гиперполяризация длительностью от 50 до 150 мс. По частоте импульсации и выраженности следовой гиперполяризации мотонейроны разделяют на две группы: фазические и тонические. Особенности их возбуждения коррелируют с функциональными свойствами иннервируемых мышц. Фазическими мотонейронами иннервируются более быстрые, "белые" мышцы, тоническими - более медленные, "красные" (см. разд. 1.2.1).

В организации функции ?-мотонейронов важным звеном является наличие системы отрицательной обратной связи, образованной аксонными коллатералями и специальными тормозными вставочными нейронами - клетками Реншоу. Своими возвратными тормозными влияниями они могут охватывать большие группы мотонейронов, обеспечивая, таким образом, интеграцию процессов возбуждения и торможения.

?- Мотонейроны, иннервируют интрафузальные (внутриверетенные) мышечные волокна. Они разряжаются с более низкой частотой, и следовая гиперполяризация у них выражена слабее, чем у ?-мотонейронов. Их функциональное значение сводится к сокращению интрафузальных мышечных волокон, не приводящему, однако, к появлению двигательного ответа. Возбуждение этих волокон сопровождается изменением чувствительности их рецепторов к сокращению или расслаблению экстрафузальных мышечных волокон.

Нейроны автономной нервной системы составляют особую группу клеток. Тела симпатических нейронов, аксоны которых являются преганглионарными волокнами, располагаются в боковом промежуточном столбе спинного мозга (см. разд. 5.1.2). По своим свойствам они относятся к группе В-волокон. Характерной особенностью их функционирования является низкая частота свойственной им постоянной тонической импульсной активности. Одни из этих волокон участвуют в поддержании сосудистого тонуса, другие - обеспечивают регуляцию висцеральных эффекторных структур (гладкой мускулатуры пищеварительной системы, железистых клеток).

Тела парасимпатических нейронов образуют крестцовые парасимпатические ядра. Они располагаются в сером веществе крестцовых сегментов спинного мозга. Для многих из них характерна фоновая импульсная активность, частота которой возрастает по мере повышения давления в мочевом пузыре. При раздражении висцеральных тазовых афферентных волокон в эфферентных клетках регистрируется вызванный разряд, характеризующийся чрезвычайно большим латентным периодом.

К вставочным, или интернейронам, спинного мозга относятся нервные клетки, аксоны которых не выходят за его пределы. В зависимости от хода отростков различают собственно спинальные и проекционные. Спинальные интернейроны ветвятся в пределах нескольких смежных сегментов, образуя внутрисегментарные и межсегментарные связи. Наряду с ними существуют интернейроны, аксоны которых проходят через несколько сегментов или даже из одного отдела спинного мозга в другой. Их аксоны образуют собственные пучки спинного мозга.

К проекционным интернейронам относятся клетки, длинные аксоны которых формируют восходящие пути спинного мозга. На каждом интернейроне расположено в среднем около 500 синапсов. Синаптические влияния в них опосредуются через ВПСП и ТПСП, суммация которых и достижение критического уровня приводят к возникновению распространяющегося ПД.

Дорсальную часть дорсального рога спинного мозга занимает характерное скопление нервных клеток, образующих густое сплетение. Эта область получила название студенистого (роландова) вещества. У позвоночных животных и человека послойное рассмотрение клеточной архитектуры серого вещества спинного мозга показало существование последовательно расположенных слоев, или пластин, состоящих из однотипных клеток. Согласно Рекседу (Rexed), все серое вещество разделяется на 10 таких пластин (рис. 3.13).

Рис. 3.13 Послойная топография серого вещества спинного мозга по Рекседу

Из них первая - дорсальная, содержит преимущественно нейроны, аксоны которых дают начало спинно-таламическому пути. На самих нейронах оканчиваются первичных афференты и аксоны проприоспинальных нейронов. Вторая и третья пластины образуют названное выше студенистое вещество. Здесь выделяются

два вида нейронов с многочисленным дендритным ветвлением - мелкие и крупные. Аксоны этих клеток в большинстве оканчиваются здесь же в студенистом веществе, хотя некоторые из них проецируются на дорсолатеральный собственный пучок спинного мозга. Четвертая пластина локализуется в центре дорсального рога. Составляющие ее клетки получают синаптический приток от нейронов студенистого тела и первичных чувствительных нейронов, аксоны же проецируются в таламус и боковое шейное ядро. Пятая и шестая пластины представлены конгломератом разнообразных вставочных нейронов, получающих синаптический приток от волокон дорсальных корешков, а также и от нисходящих путей - в основном кортиково-спинномозгового и красноядерно-спинномозгового путей. Седьмая и восьмая пластины являются местом положения проприоспинальных вставочных нейронов с длинными аксонами. На этих интернейронах оканчиваются аксоны проприорецепторов и проприоспинальных нейронов, а также волокна преддверно-спинномозгового и ретикулярно-спинномозгового путей. Девятая пластина является местом сосредоточения ?- и ?-мотонейронов. Этой зоны достигают пресинаптические структуры первичных афферентов от мышечных рецепторов растяжения. Сюда приходят также окончания волокон нисходящих трактов, аксоны возбуждающих и тормозящих интернейронов. Наконец, десятая пластина. Она окружает спинномозговой канал и характеризуется наряду с присутствием нервных клеток еще и наличием значительного количества глиальных и комиссуральных волокон.

3.3.2. Рефлекторная функция спинного мозга

Важную роль в развитии представлений о рефлекторной деятельности спинного мозга сыграли открытия и обобщения английского физиолога Ч. Шеррингтона.

Объем функций, осуществляемых спинным мозгом, чрезвычайно велик. В нем находятся центры: всех двигательных рефлексов (за исключением мышц головы); всех рефлексов мочеполовой системы и прямой кишки; рефлексов, обеспечивающих терморегуляцию; регулирующих метаболизм тканей; большинства сосудистых рефлексов; сокращения диафрагмы и др. В естественных условиях эти рефлексы всегда испытывают влияние высших отделов головного мозга.

Степень проявления рефлексов зависит от того, сохраняются ли связи структур спинного мозга со структурами головного мозга. После децеребрации (удаления головного мозга) или спинализации (отделения спинного мозга от головного посредством перерезки) исчезают многие сложные формы активности, создаваемые спинным мозгом. При этом определенное значение принадлежит уровню организации подопытного животного. Например, спинальная лягушка, представитель низших позвоночных, может сидеть и вырываться, когда ее схватывают. Спинальная же собака сама не может ни стоять, ни ходить. Это объясняется тем, что разобщение спинного мозга и вышележащих структур нарушает рефлекторные дуги, ответственные за осуществление определенных реакций. При этом, в частности, исчезают периодические разряды дыхательных мышц, обеспечивающие дыхательные движения, пропадают тонические разряды симпатических нейронов, поддерживающих сосудистый тонус и, соответственно, артериальное давление.

Как правило, рефлексы спинальных животных являются координированными. Возбуждение у них каждой группы рецепторов сопровождается своим специфическим ответом. Например, механическое раздражение кожи стопы у лягушки вызывает сгибание раздражаемой конечности и разгибание другой. Раздражение рецепторов мочевого пузыря и прямой кишки сопровождается рефлекторным сокращением их мускулатуры.

В связи с отсутствием тонических влияний структур головного мозга изменяется функциональное состояние и самих спинномозговых нейронных систем. К числу таких нарушений относится прекращение сложных локомоторных актов типа шагания. Характерно, что исчезновение этих актов после спинализации удается восстановить введением животному веществ, способствующих выделению медиаторов синаптическими окончаниями перерезанных путей.

Рис. 3.14 Внутрисегментарные связи сенсорного волокна от болевого рецептора кожи стопы

Р - мотонейроны разгибателей; С - мотонейроны сгибателей.

В зависимости от числа нейронов, участвующих в проведении возбуждения, рефлекторные дуги спинного мозга делятся на моносинаптические и полисинаптические.

Моносинаптическая дуга состоит из чувствительного нейрона с рецепторами мышечных веретен и эффекторного нейрона, оканчивающегося на мышечных волокнах. Классическим примером моносинаптической дуги может служить рефлекторная дуга коленного рефлекса, в которой возбуждение от рецептора до эффектора проходит всего за 0,5-1,0 мс, т. е. время, необходимое для прохождения возбуждения всего лишь через один синапс.

В полисинаптической дуге на пути возбуждения от рецептора к эффектору помимо чувствительного и эффекторного нейрона находятся еще вставочные нейроны (рис. 3.14). Таким образом, возбуждение в этой дуге проходит не через один, а через несколько синапсов, определяющих время латентного периода ответа и суммарной синаптической задержки. При осуществлении рефлекторных реакций

Рис. 3.15 Рефлексы, спинного мозга

А - коленный; Б - ахиллов; В - подошвенный; Г - сгибательно-локтевой; Д - разгибательно-локтевой; Е - брюшной.

Таблица 3.1

Соматические спинномозговые рефлексы человека

Название рефлекса

Применяемое раздражение

Характер рефлекторной реакции

Локализация нейронов, участвующих в рефлексе

Сухожильные проприорецептивные рефлексы:

сгибательно-локтевой (бицепс-рефлекс)

Удар молоточком по сухожилию двуглавой мышцы плеча (рука слегка согнута в локте)

Сокращение двуглавой мышцы плеча и сгибание руки

V-VI шейные сегменты спинного мозга

коленный

Удар молоточком по сухожилию четырехглавой мышцы бедра ниже надколенника

Сокращение четырехглавой мышцы бедра и разгибание голени

II-IV поясничные сегменты

ахиллов

Удар по ахиллову сухожилию

Подошвенное сгибание стопы

1-11 крестцовые сегменты

Брюшные рефлексы:

Штриховое раздражение кожи:

Сокращение соответствующих участков брюшной мускулатуры

верхний

параллельно нижним ребрам

VIII-IX грудные сегменты

средний

на уровне пупка (горизонтально)

IX-XII грудные сегменты

нижний

параллельно паховой складке

I-II поясничные сегменты

Кремастерный яичковый рефлекс

Штриховое раздражение внутренней поверхности бедра

Сокращение мышцы, поднимающей яичко

I-II поясничные сегменты

Анальный рефлекс

Штрих или укол вблизи заднего прохода

Сокращение наружного сфинктера прямой кишки

IV-V крестцовые сегменты

Подошвенный рефлекс

Слабое штриховое раздражение подошвы

Сгибание пальцев и стопы

I-II крестцовые сегменты

Сильное раздражение подошвы

Разгибание пальцев и сгибание ноги

в моно- и полисинаптических дугах вовлекаются также координирующие рефлекс многочисленные интернейроны. Подобный анализ периферических воздействий, а также надсегментарный контроль за рефлекторной деятельностью спинного мозга происходит с помощью длинных многоэтажных рефлекторных дуг. Их центры локализованы в подкорковых областях и коре головного мозга.

К числу рефлексов спинного мозга (рис. 3.15, табл. 3.1) относятся защитные рефлексы, рефлексы на растяжение, мышц-антагонистов, висцеромоторные, вегетативные рефлексы. Эта классификация весьма условна, и весь ее смысл в том, что она указывает на многообразие рефлекторных ответов. Даже у спинального животного трудно встретить рефлексы, которые относились бы только к одной из названных групп.

Раздражение в виде укола кожи стопы вызывает у лягушки защитный рефлекс - либо отдергивание лапки при легком уколе, либо вовлечение в реакцию другой лапки и отодвигание от источника при более сильном воздействии, наконец, убегание животного при значительном болевом раздражении, когда в возбуждение вовлекаются многие структуры нервной системы.

Рефлексы растяжения проявляются укорочением мышцы в ответ на ее растяжение (рис. 3.16). Основными рецепторами в этом случае служат нервно-мышечные веретена, афферентным звеном - чувствительные волокна соматических нервов и дорсальных корешков спинного мозга. Эти рефлекторные дуги чаще всего замыкаются в спинном мозге. Начало и конец рефлекторной дуги связаны с мышцей. Рефлексы наиболее выражены в мышцах-разгибателях. Для того чтобы организм мог противостоять силе земного притяжения, эти мышцы должны находиться в состоянии тонического напряжения. Биологическое значение этих рефлексов состоит в том, что они участвуют в сохранении статики и положения тела, регулируя степень сокращения мышцы в соответствии с действующими на нее раздражениями. Особое значение этот вид рефлексов имеет у копытных животных, хотя и у человека они хорошо развиты.

Рис. 3.16 Дуга рефлекса растяжения и реципрокного торможения мышц-антагонистов С - мотонейроны сгибателей коленного сустава; Р - мотонейроны разгибателей коленного сустава. 1 - волокна Iа, 2 - двигательные аксоны, 3 - концевые пластинки, 4 - сгибатель, 5 - разгибатель.

Рефлексы мышц-антагонистов (рис. 3.17) лежат в основе локомоторных актов и характеризуются тем, что при возбуждении мотонейронов сгибателей одновременно происходит торможение мотонейронов мыщц-разгибателей. При этом в конечности другой стороны наблюдаются обратные явления. В целом это создает правильное чередование противоположных по функциональному значению мышечных сокращений. Механизм, обусловливающий такое чередование активности различных двигательных ядер, например при ходьбе, локализуется в интернейронном аппарате спинного мозга. Вместе с тем для его активации необходимо поступление тонического нисходящего сигнала из двигательных центров головного мозга.

Висцеромоторные рефлексы возникают при возбуждении афферентных волокон внутренних органов и характеризуются появлением двигательных реакций мышц грудной и брюшной стенки, мышц-разгибателей спины. Возникновение этих рефлексов связано с существованием конвергенции висцеральных и соматических афферентных волокон к одним и тем же интернейронам спинного мозга.

Вегетативные рефлексы заключаются, во-первых, в появлении полисинаптических разрядов в преганглионарных симпатических волокнах в ответ на возбуждение

Рис. 3.17 Нервные пути сгибательного и разгибательного рефлекса

С - ипсилатеральные сгибательные мотонейроны; Р - ипсилатеральные разгибательные мотонейроны. 1 - белое вещество, 2 - разгибатель, 3 - сгибатель.

Рис. 3.18 Соединение кожных и висцеральных афферентное в спинном мозге

I - кожа, 2 - механорецепторы, 3 - нисходящие пути, 4 - тормозный нейрон, 5 - дорсальный столб, 6 - поясничный отдел, 7 - грудной отдел, 8 - шейный отдел, 9 - вентролатеральный канатик, 10 - дорсальный корешок,

II - вентральный корешок, 12 - проприоспинальный путь, 13 - двигательные аксоны, 14 - симпатические аксоны, 15 - вентральный рог, 16 - внутренности, 17 - висперопепторы, 18 - мышца, 19 - проприопепторы, 20 - дорсальный рог, 21 - терморецепторы, 22 - ноцицепторы.

симпатических и соматических чувствительных клеток (рис. 3.18), во-вторых, в возникновении рефлекторных реакций парасимпатических нейронов в ответ на раздражение чувствительных путей (более подробно эти реакции рассмотрены в разд. 5.3).

Наряду с выполнением собственных рефлекторных реакций нейронные структуры спинного мозга служат аппаратом для реализации большого числа сложных процессов, осуществляемых различными отделами головного мозга. Это управление может быть прямым, когда нисходящие пути непосредственно связаны с мотонейронами спинного мозга, и непрямым через интернейроны образующие короткие межсегментарные связи. Свойства последних и особенности связей с нисходящими волокнами и моторными нейронами создают возможность к интеграции поступающих сигналов, их переработке и пространственному перераспределению.

3.3.3. Проводниковые функции спинного мозга

Помимо рефлекторной деятельности еще одной важной функцией спинного мозга является проведение импульсов. Оно осуществляется белым веществом, состоящим из нервных волокон.

В результате эволюционного развития простая рефлекторная дуга, лежащая в основе функции нервной системы, усложняется, и в каждой ее части вместо одного нейрона возникают цепи нервных клеток, аксоны которых образуют проводящие пути. Под проводящими путями принято понимать группы

Таблица 3.2

Основные проводящие пути спинного мозга

Проводящие пути

Столбы спинного мозга

Физиологическое значение

А. Восходящие (чувствительные) пути

1. Тонкий пучок (пучок Голля)

Дорсальные

Тактильная чувствительность, чувства положения тела, пассивных движений тела,

2.Клиновидный (пучок Бурдаха)

"

Тоже

3. Дорсолатеральный

Боковые

Пути болевой и температурной чувствительности

4. Дорсальный спинно-мозжечковый путь (пучок Флексига)

"

Импульсы от проприоцепторов мышц, сухожилий, связок; чувство давления и прикосновения из кожи

5. Вентральный спинно-мозжечковый путь (пучок Говерса)

"

Тоже

таламический путь

"

Болевая и температурная чувствительность

7. Спинно-тектальный путь

таламический путь

"

Сенсорные пути зрительно-двигательных рефлексов (?) и болевой чувствительности (?)

Вентральные

Тактильная чувствительность

1. Латеральный корково-спинномозговой (пирамидный) путь

Боковые

Импульсы к скелетным мышцам. Произвольные движения

2. Красноядерно-спинномозговой (Монакова) путь

"

Импульсы, поддерживающие тонус скелетных мышц

спинномозговой путь

"

позы и равновесия тела

4. Оливоспинномозговой (Гельвёга) путь '

"

Функция неизвестна. Возможно, он участвует в осуществлении таламоспинальных рефлексов

5. Ретикулярно-спинномозговой путь

Вентральные

Импульсы, поддерживающие тонус скелетных мышц, регулирующие состояние спинальных вегетативных центров и чувствительность мышечных веретен проприорецепторов скелетных мышц

6. Вентральный преддверно-спинномозговой путь

"

Импульсы, обеспечивающие поддержание позы и равновесия тела

7. Тектоспинальный (покрышечно-спинномозговой) путь

"

Импульсы, обеспечивающие осуществление зрительных и слуховых двигательных рефлексов

8. Вентральный корково-спинномозговой (пирамидный) путь

Вентральные

Импульсы к скелетным мышцам, произвольные движения

нервных волокон, характеризующиеся общностью строения и функций. Они связывают различные отделы спинного мозга или спинной и головной мозг (табл. 3.2). Все нервные волокна одного пути начинаются от однородных нейронов и заканчиваются на нейронах, выполняющих одинаковую функцию.

В соответствии с функциональными особенностями различают ассоциативные, комиссуральные и проекционные (афферентные и эфферентные) нервные волокна. Ассоциативные волокна, или пучки осуществляют односторонние связи между отдельными частями спинного мозга. Связывая разные сегменты, они образуют собственные пучки, являющиеся частью сегментарного аппарата спинного мозга. Комиссуральные волокна соединяют функционально однородные противоположные участки разных отделов спинного мозга. Проекционные волокна связывают спинной мозг с вышележащими отделами. Эти волокна образуют основные проводящие пути, которые представлены восходящими (центростремительными, афферентными, чувствительными) и нисходящими (центробежными, эфферентными, двигательными) путями.

Восходящие проводящие пути. Несут импульсы от рецепторов, воспринимающих информацию из внешнего мира и внутренней среды организма. В зависимости от вида чувствительности, которую они проводят, их делят на пути экстеро-, проприо- и интероцептивной чувствительности. Нисходящие пути передают импульсы от структур головного мозга к двигательным ядрам, осуществляющим ответные реакции на внешние и внутренние раздражения.

Основными восходящими путями спинного мозга являются тонкий пучок, клиновидный пучок, латеральный и вентральный спинно-таламические пути, дорсальный и вентральный спинно-мозжечковые пути (рис. 3.19).

Тонкий пучок (Голля) и клиновидный пучок (Бурдаха) составляют задние канатики спинного мозга. Эти пучки волокон являются отростками чувствительных клеток спинальных ганглиев, проводящих возбуждение от проприорецепторов мышц, сухожилий, частично тактильных рецепторов кожи, висцерорецепторов. Волокна тонкого и клиновидного пучков - миелинизированные, они проводят возбуждение со скоростью 60-100 м/с. Короткие аксоны обоих пучков устанавливают синаптические связи с мотонейронами и интернейронами своего сегмента, длинные же направляются в продолговатый мозг. По пути они отдают большое число ветвей к нейронам вышележащих сегментов спинного мозга, образуя, таким образом, межсегментарные связи.

По волокнам тонкого пучка проводится возбуждение от каудальной части тела и тазовых конечностей, по волокнам клиновидного пучка - от краниальной части тела и грудных конечностей. В спинном мозгу оба этих пути идут, не прерываясь и не перекрещиваясь, и оканчиваются в продолговатом мозгу у одноименных ядер, где образуют синаптическое переключение на второй нейрон. Отростки второго нейрона направляются к специфическим ядрам таламуса противоположной стороны, образуя тем самым своеобразный перекрест. Здесь они переключаются уже на третий нейрон, аксоны которого достигают нейронов IV слоя коры больших полушарий.

Считают, что по этой системе проводится информация тонко дифференцированной чувствительности, позволяющая определить локализацию, контур периферического раздражения, а также его изменения во времени.

По латеральному спинно-таламическому пути проводится болевая и температурная чувствительность, по вентральному спинно-таламическому - тактильная. Существуют сведения, что по этим путям возможна также передача возбуждения от проприо- и висцероцепторов. Скорость проведения возбуждения в волокнах составляет 1-30 м/с. Спинно-таламические пути прерываются

Рис. 3.19 Локализация основных восходящих путей в белом веществе спинного мозга

1- тонкий пучок (Голля), 2- клиновидный пучок (Бурдаха), 3 - дорсолатеральный, 4 - дорсальный спинномозжечковый, 5 - вентральный спинномозжечковый (Говерса), 6 - дорсальный спинио-таламический.

Рис. 3.20 Локализация основных нисходящих путей спинного мозга 1 - латеральный корково-спинномозговой (пирамидный),

2 - красноядерно-спинномозговой (Монакова), 3 - дорсальный преддверно-спинномозговой, 4 - оливоспинномозговой (Гельвега), 5 - вентральный преддверно-спинномозговой, 6 - покрышечно-спинномозговой, 7 - вентральный корково-спинномозговой (пирамидный).

и перекрещиваются либо на уровне сегмента, в который они только что вступили, либо вначале проходят несколько сегментов по своей стороне, а затем переходят на противоположную. Отсюда идут волокна, оканчивающиеся в таламусе. Там они образуют синапсы на нервных клетках, аксоны которых направляются в кору больших полушарий.

Полагают, что по системе волокон этих путей в основном передается информация о качественной природе раздражителей.

Дорсальный спинно-мозжечковый путь, или пучок Флексига - филогенетически это наиболее древний чувствительный путь спинного мозга. Местом расположения нервных клеток, аксоны которых образуют волокна этого пути, является основание дорсального рога спинного мозга. Не перекрещиваясь, путь достигает мозжечка, где каждое волокно занимает определенную область. Скорость проведения по волокнам спинно-мозжечкового пути около 110 м/с. По ним проводится информация от рецепторов мышц и связок конечностей. Наибольшего развития этот путь достигает у копытных животных.

Вентральный спинно-мозжечковый путь, или пучок Говерса, также образуется аксонами интернейронов противоположной стороны спинного мозга. Через продолговатый мозг и ножки мозжечка волокна направляются к коре мозжечка, где занимают обширные площади. Импульсы со скоростью проведения до 120 м/с идут от сухожильных, кожных и висцерорецепторов. Они участвуют в поддержании тонуса мышц для выполнения движений и сохранения позы.

Нисходящие проводящие пути. Эти пути (рис. 3.20) связывают высшие отделы ЦНС с эффекторными нейронами спинного мозга. Основными из них являются пирамидный, красноядерно-спинномозговой и ретикулярно-спинномозговой пути.

Пирамидный путь образован аксонами клеток двигательной зоны коры больших полушарий. Направляясь к продолговатому мозгу, эти аксоны отдают большое число коллатералей структурам промежуточного, среднего, продолговатого мозга и ретикулярной формации. В нижней части продолговатого мозга большая часть волокон пирамидного пути переходит на противоположную сторону (перекрест пирамид), образуя латеральный пирамидный путь. В спинном

мозгу он располагается в боковом канатике. Другая часть волокон идет, не перекрещиваясь, до спинного мозга и только на уровне сегмента, в котором оканчивается, переходит на противоположную сторону. Это прямой вентральный пирамидный путь. Оба заканчиваются на мотонейронах передних рогов серого вещества спинного мозга. Состав волокон этого пути неоднороден, в нем представлены миелинизированные и немиелинизированные волокна разного диаметра со скоростями проведения возбуждения от 1 до 100 м/с.

Основной функцией пирамидных путей является передача импульсов для выполнения произвольных движений. Надежность в осуществлении этой функции повышается благодаря дублированию связи головного мозга со спинным посредством двух путей - перекрещенного и прямого. В эволюционном ряду пирамидный тракт развивался параллельно с развитием коры больших полушарий и достиг наибольшего совершенства у человека.

Красноядерно-спинномозговой путь (Монакова) образован аксонами клеток красного ядра среднего мозга. Выйдя из ядра, волокна полностью переходят на противоположную сторону. Часть из них направляется в мозжечок и ретикулярную формацию, другие - в спинной мозг. В спинном мозгу волокна располагаются в боковых столбах перед перекрещенным пирамидным путем и оканчиваются на интернейронах соответствующих сегментов. Красноядерно-спинномозговой путь несет импульсы от мозжечка, ядра вестибулярного нерва, полосатого тела.

Основное назначение красноядерно-спинномозгового пути - управление тонусом мышц и непроизвольной координацией движений. В процессе эволюции этот путь возник рано. Большое значение он имеет у животных, слабее развит у человека.

Преддверно-спинномозговой путь образован волокнами, которые являются отростками клеток латерального пред дверного ядра (ядра Дейтерса), лежащего в продолговатом мозгу. Этот тракт имеет наиболее древнее эволюционное происхождение. По нему передаются импульсы от вестибулярного аппарата и мозжечка к мотонейронам вентральных рогов спинного мозга, регулирующие тонус мускулатуры, согласованность движений, равновесие. При нарушении целостности этого пути наблюдаются расстройства координации движений и ориентации в пространстве.

В спинном мозгу помимо основных длинных имеются и короткие нисходящие пути, соединяющие между собой его отдельные сегменты.

3.4. ПРОДОЛГОВАТЫЙ МОЗГ И МОСТ

3.4.1. Строение продолговатого мозга и моста

Продолговатый мозг и мост (варолиев мост) представляют собой отдел головного мозга, который является непосредственным продолжением спинного мозга. Серое вещество спинного мозга переходит в серое вещество продолговатого мозга и сохраняет черты сегментарного строения. Однако основная часть серого вещества распределена по всему объему заднего мозга в виде обособленных ядер, разделенных белым веществом.

В продолговатом мозгу симметрично заложены ядра четырех последних пар черепных нервов, осуществляющих афферентную и эфферентную иннервацию головы и внутренних органов. В самой нижней части ромбовидной ямки располагается двигательное ядро подъязычного нерва (XII пара), иннервирующего мышцы языка. Двигательное ядро добавочного нерва (XI пара) является

Рис. 3.21 Расположение ядер черепных нервов в стволовой части мозга

1 - добавочный нерв, 2 - подъязычный, 3 - преддверно-улитковый, 4 - отводящий, 5 - блоковый, 6 - глазодвигательный, 7 - тройничный, 8 - лицевой, 9 - языкоглоточный, 10 - блуждающий нерв.

продолжением заднебокового отдела вентрального рога спинного мозга и связано с иннервацией мышц шеи (рис. 3.21).

Довольно поверхностно лежит группа ядер блуждающего нерва (X пара), который является смешанным т. е. одновременно участвует в вегетативной, двигательной и чувствительной иннервации. Соответственно функции блуждающему нерву принадлежат три ядра. Вегетативное парасимпатическое ядро блуждающего нерва дает парасимпатические волокна, идущие к гортани, пищеводу, сердцу, желудку, тонкой кишке, пищеварительным железам (см. разд. 5.3). Чувствительные волокна блуждающего нерва от многих внутренних органов в продолговатом мозгу образуют одиночный путь (солитарныи тракт) и заканчиваются в чувствительном ядре одиночного пути. Третье ядро блуждающего нерва - соматическое, двигательное - лежит глубже в латеральном отделе продолговатого мозга и носит название двойного. Нейроны этого ядра рефлекторно регулируют последовательность сокращения мышц глотки и гортани при дыхании.

Языкоглоточный нерв (IX пара), так же как и блуждающий, содержит двигательные, чувствительные и вегетативные волокна. Двигательные волокна участвуют в иннервации мышц ротовой полости и глотки. Чувствительные волокна от вкусовых почек задней трети языка, слизистой оболочки глотки входят вместе с волокнами блуждающего нерва в одиночный путь. Отростки нейронов, формирующих вегетативное ядро языкоглоточного нерва, идут к парасимпатическим ганглиям, которые связаны с иннервацией секреторного аппарата слюнных желез.

На границе продолговатого мозга и моста располагаются ядра преддверно-улиткового, или слухового, нерва (VIII пара). Этот нерв состоит из двух частей:

улитковой и пред дверной. Волокна улитковой части, или собственно слухового нерва, представляют собой аксоны клеток лежащего в улитке спирального узла. Эти волокна оканчиваются в улитковых ядрах (рис. 3.21).

Волокна преддверной части формируются аксонами клеток узла преддверия, локализованного на дне внутреннего слухового прохода. Эти волокна заканчиваются в трех вестибулярных ядрах моста: медиальном (ядре Швальбе), латеральном (ядре Дейтерса) и верхнем (ядре Бехтерева). Отростки нейронов второго порядка из этих ядер направляются к ядру шатра мозжечка. Из латерального вестибулярного ядра, которое можно отнести к надсегментарным образованиям, начинается преддверно-спинномозговой путь, идущий в спинной мозг.

В латеральном отделе ретикулярной формации моста расположено ядро лицевого нерва (VII пара). Этот нерв является смешанным. Афферентные чувствительные волокна лицевого нерва передают информацию от вкусовых рецепторов передней части языка. Вегетативные волокна участвуют в иннервации подчелюстных и подъязычных слюнных желез. Эфферентные волокна лицевого нерва имеют концевые разветвления в мимической мускулатуре лица.

Ядро отводящего нерва (VI пара) заложено поверхностно в задней половине моста. Моторные волокна этого нерва иннервируют мышцы, двигающие глазное яблоко, чувствительные волокна связаны с проприоцепторами этих мышц.

И наконец, последняя пара черепных нервов, относящаяся к заднему мозгу, - это тройничный нерв (V пара). Этот нерв смешанный и обладает двигательными и чувствительными ядрами. Двигательное ядро тройничного нерва расположено в верхнем отделе покрышки моста. Нейроны этого ядра участвуют в иннервации жевательных мышц, мышцы нёбной занавески и мышцы, напрягающей барабанную перепонку. Длинное, простирающееся через весь мост чувствительное ядро спинномозгового пути тройничного нерва содержит клетки, к которым подходят афферентные аксоны от рецепторов кожи лица, слизистой оболочки носа, зубов, надкостницы костей черепа (см. рис. 3.21).

В сером веществе продолговатого мозга расположены ядра чувствительных путей задних столбов спинного мозга. Это тонкое и клиновидное ядра (ядра одноименных пучков), являющихся путями, которые проводят информацию от тактильных и проприоцепторов, сигнализирующих о положении тела в пространстве. Кроме того, внутри заднего мозга расположено заднее ядро трапециевидного тела (верхнее оливное ядро), включенное в восходящий путь, который передает акустическую информацию (см. разд. 4.5.3). По латеральной поверхности продолговатого мозга располагается продолжение боковых столбов спинного мозга.

Центральная часть продолговатого мозга занята ретикулярной, или сетевидной, формацией (веществом), которая представляет собой скопление нервных клеток, напоминающее по принципу организации нервные сети кишечнополостных. Ретикулярные нейроны распределяются и диффузно, и группируются в ядрах, среди которых можно выделить наиболее крупные: гигантоклеточное ретикулярное, мелкоклеточное ретикулярное, латеральное ретикулярное ядро на уровне продолговатого мозга, каудальное, вентрикулярное и оральное ретикулярные ядра - на уровне моста. По цитоархитектоническим особенностям в ретикулярной формации продолговатого мозга выделяют медиальную часть с множеством нейронов крупного размера и латеральную, включающую в себя более мелкие элементы. По своей топографии ретикулярная формация ствола мозга является структурой, расположенной на пути всех входных и выходных систем мозга.

К дендритам и соме ретикулярных нейронов подходят коллатерали от аксонов сенсорных восходящих путей, локализованных в центральной и латеральной частях ствола мозга. С другой стороны к нейронам ретикулярной формации подходят коллатерали нисходящих моторных путей, идущих из переднего мозга. От нейронов гигантоклеточного и каудального ретикулярного ядра начинается нисходящий ретикулярно-спинномозговой путь, устанавливающий прямые связи с мотонейронами спинного мозга. Ретикулярная формация имеет связи с ядрами черепных нервов, с мозжечком, промежуточным мозгом и через последний - с корой больших полушарий.

Таким образом, богатство связей ретикулярной формации свидетельствует о том, что она является надсегментарной структурой, приспособленной к регуляции деятельности различных отделов центральной нервной системы.

3.4.2. Рефлексы продолговатого мозга

Продолговатый мозг является жизненно важным отделом нервной системы, где замыкаются дуги целого ряда соматических и вегетативных рефлексов. При участии ядер продолговатого мозга осуществляются цепные рефлексы, связанные с жеванием и проглатыванием пищи. Так, например, при акте жевания координированная деятельность жевательных мышц, языка, щек, нёба и дна полости рта обеспечивается функцией моторных ядер тройничного и подъязычного нервов. Когда пищевой комок касается нёба, основания языка или задней стенки глотки, возникает цепной рефлекс глотания. От рецепторов задней трети языка, слизистой оболочки глотки возбуждение по чувствительным волокнам языкоглоточного нерва поступает в продолговатый мозг к центру глотательного рефлекса. Из этого центра запрограммированные в нервной системе моторные команды по двигательным волокнам подъязычных, тройничных, языкоглоточных и блуждающих нервов идут к мышцам полости рта, глотки, гортани и пищевода. В результате координированной деятельности этих мышц совершается акт глотания с одновременным перекрытием входов в носоглотку и гортань.

С функцией пищеварительного тракта связаны многие вегетативные рефлексы заднего мозга. К их числу относится, например рефлекторная регуляция секреции слюнных желез, которая осуществляется с участием ядер лицевого и языкоглоточного нервов, содержащих парасимпатические нейроны. Вегетативное, парасимпатическое ядро блуждающего нерва включено в систему рефлекторной регуляции дыхания, деятельности сердца и тонуса сосудов.

Целая группа рефлексов заднего мозга направлена на поддержание позного тонуса. В зависимости от источника рецепторных воздействий тонические рефлексы подразделяются на шейные и вестибулярные, или лабиринтные.

Шейные тонические рефлексы запускаются при возбуждении проприоцепторов мышц шеи. Впервые они описаны голландским физиологом Р. Магнусом на кошках с перерезанным на уровне шатра мозжечка стволом мозга (см. разд. 3.5.2). В чистом виде шейные .рефлексы можно наблюдать при разрушении вестибулярного аппарата, дающего дополнительную информацию о положении головы в пространстве. Как показали опыты Р. Магнуса, запрокидывание головы кошки назад в сагиттальной плоскости вызывает возрастание тонуса мышц-разгибателей передних конечностей и одновременно ослабление экстензорного тонуса задних (рис. 3.22). Напротив, наклон головы вниз вызывает обратный процесс, когда тонус разгибателей передних конечностей снижается, а задних - возрастает. Нарушение равновесия за счет поворота головы вправо или влево относительно продольной оси вызывает компенсаторное усиление тонуса разгибателей тех конечностей, в сторону которых повернута голова. Это так называемый рефлекс вращения по Магнусу.

Эффекторным звеном шейных рефлексов могут быть не только мышцы конечностей, но и глазная мускулатура. Рефлекторные влияния на глазные мышцы обеспечивают компенсаторную установку глазных яблок при изменении положения головы. Любое отклонение головы вызывает движение глазных яблок в противоположном направлении, и таким образом рефлекторно сохраняется правильная зрительная ориентация животного.

Все шейные рефлексы являются полисинаптическими. Импульсы от проприоцепторов шейных мышц идут в соответствующие центры продолговатого мозга, а оттуда нисходящие команды поступают или к мотонейронам спинного мозга, или к двигательному ядру отводящего нерва и производят определенное влияние на позный тонус и на глазную мускулатуру.

Рис. 3.22 Позные рефлексы децеребрированного животного

А - децеребрационная ригидность; Б, В, Г - шейные тонические рефлексы по Магнусу;

объяснение см. в тексте.

Вестибулярные рефлексы неразрывно связаны с шейными тоническими рефлексами и в естественных условиях дополняют их. Вестибулярные рефлексы не зависят от положения головы относительно туловища и в чистом виде могут быть получены при фиксации головы по отношению к туловищу или при выключении проприоцепторов шейных мышц новокаиновой блокадой.

Вестибулярные рефлексы, согласно классификации Магнуса, подразделяются на статические и статокинетические. Статические рефлексы связаны главным образом с возбуждением рецепторов преддверия перепончатого лабиринта и обеспечивают поддержание позы и равновесия тела при самых разнообразных его статических положениях в пространстве. Так, например, если кошку с фиксированной относительно туловища головой поворачивать в пространстве, то в зависимости от положения головы будет наблюдаться различное распределение позного тонуса. В том случае, когда угол между плоскостью горизонта и плоскостью ротовой щели животного составляет 45°, разгибательные мышцы напрягаются максимально. Если же указанный угол равен 135°, наблюдается наименьшее значение тонуса разгибателей.. Между крайними положениями имеется ряд постепенных переходов в степени развития экстензорного тонуса. Это пример тонического вестибулярного рефлекса положения, который осуществляется при участии нейронов латерального вестибулярного ядра (Дейтерса) и идущего от него в спинной мозг преддверно-спинномозгового пути.

К числу статических вестибулярных рефлексов относят рефлексы выпрямления, направленные на переход животного из неестественной позы в обычное для него положение. В качестве наглядного примера можно привести переворачивание кошки в воздухе при падении спиной вниз. За очень короткое время падения животное успевает занять нормальное по отношению к гравитационному полю положение и упасть сразу на все четыре лапы. В процессе переворачивания выпрямительные рефлексы совершаются в определенной последовательности. Сначала за счет вестибулярного выпрямительного рефлекса восстанавливается нормальное положение головы - мордой вниз. Затем изменение положения головы возбуждает проприоцепторы шейных мышц и они запускают шейный выпрямительный рефлекс, в результате которого вслед за головой туловище также возвращается в нормальное положение.

Таким образом, в естественных условиях вестибулярные рефлексы выпрямления дополняются шейными, причем ведущую роль в их осуществлении играет положение головы, где расположены дистантные рецепторы.

Следующая группа вестибулярных рефлексов - статокинетические - характеризуется тем, что она направлена на поддержание позы при изменении скорости движения животного. Эти рефлексы связаны с возбуждением рецепторов полукружных каналов, которое имеет место при наличии в каналах тока эндолимфы. Обычно направленность статокинетического рефлекса зависит от того, какой полукружный канал раздражается при ускорении. Например, при замедлении поступательного движения возбуждаются рецепторы сагиттального канала и, соответственно, рефлекторные изменения мышечного тонуса будут наклонять туловище вперед, как бы сохраняя равномерное движение.

Ускорение при вращении тела в горизонтальной плоскости возбуждает рецепторы горизонтального полукружного канала и вызывает рефлекторную реакцию глазодвигательного аппарата - горизонтальный нистагм. Суть этой реакции состоит в том, что в момент ускорения вращения глаза движутся в сторону, противоположную направлению вращения. Затем, достигнув крайнего отклонения, глаза быстро перемещаются обратно в направлении вращения и таким образом в поле зрения попадает другой участок пространства. Нистагм способствует сохранению нормальной зрительной ориентации и обычно используется в диагностических целях для проверки нормального функционирования вестибулярного аппарата. Плоскость нистагма совпадает с плоскостью ускорения, в связи с чем кроме горизонтального нистагма можно встретить вертикальный, диагональный и круговой нистагмы (см. разд. 4.8.4).

К числу статокинетических вестибулярных рефлексов относятся также и так называемые лифтные рефлексы, которые проявляются в увеличении тонуса мышц разгибателей при линейном ускорении вверх и в повышении тонуса сгибателей при линейном ускорении вниз.

3.4.3. Функции ретикулярной формации стволовой части мозга

В ретикулярной формации продолговатого мозга сосредоточены центры, играющие важную роль в регуляции висцеральных функций. Это в первую очередь дыхательный центр, локализованный в медиальной части ретикулярной формации продолговатого мозга. Еще в прошлом столетии было установлено, что повреждение каудальной части дна IV желудочка приводит к остановке дыхания (укол Флуранса). Позднее Н. А. Миславский (1885) выделил в дыхательном центре две функционально различные части: инспираторную и экспираторную (или вдыхательную и выдыхательную). Использование методов микростимуляции и микроэлектродной регистрации активности одиночных нейронов позволило уточнить представления о локализации частей дыхательного центра.

Установлено, что инспираторная часть расположена более вентрально, чем экспираторная. Активность одиночных нейронов дыхательного центра может коррелировать с фазами дыхательного цикла. Этот признак позволяет выделить инспираторные нейроны, которые генерируют потенциалы действия в начальную фазу вдоха, и экспираторные нейроны, разряд которых приурочен к фазе выдоха. Наибольшее скопление инспираторных нейронов обнаружено около одиночного (солитарного) пути. В области двойного ядра локализованы инспираторные и экспираторные нейроны. Определенная мозаичность - в расположении дыхательных нейронов свидетельствует о том, что деление дыхательного центра на две части - вдыхательную и выдыхательную - более справедливо в функциональном смысле, чем в анатомическом (см. разд. 9.4.1).

Отличительной чертой нейронов дыхательного центра является способность к автоматизму. Даже при отсутствии афферентных воздействий активность этих нейронов характеризуется периодичностью, которая определяется спецификой ионных механизмов их клеточной мембраны. Периодичность разрядов дыхательных нейронов может быть обусловлена также наличием взаимных тормозных связей между инспираторными и экспираторными нейронами. Тормозные связи создают реципрокность разрядов дыхательных нейронов, когда появление активности инспираторных нейронов сопровождается торможением разрядов экспираторных и наоборот. В результате реципрокного взаимодействия дыхательных нейронов происходит смена фаз дыхательного цикла.

Вместе с тем смена фаз дыхательного цикла может осуществляться рефлекторно за счет афферентных влияний, которые модулируют дыхательную ритмику. При интенсивном вдохе и растяжении легочной ткани импульсы от механорецепторов легких по афферентным волокнам блуждающего нерва приходят в дыхательный центр и вызывают рефлекторное торможение инспираторных нейронов, одновременно возбуждая экспираторные (рефлекс Геринга-Брейера). Импульсы от экспираторных нейронов по ретикулярно-спинномозговому пути достигают исполнительных моторных центров спинного мозга и стимулируют начало выдоха.

Периодичность в работе дыхательного центра продолговатого мозга может обеспечиваться также за счет регулирующих влияний со стороны пневмотаксического центра. Этот центр находится в области моста и также состоит из двух типов нейронов - инспираторных и экспираторных, которые не имеют жесткой приуроченности своих разрядов к фазам дыхательного цикла. Пневмотаксический центр как регулятор периодически затормаживает инспираторную часть дыхательного центра и стимулирует экспираторные нейроны, осуществляя таким образом прекращение вдоха и начало выдоха.

В регуляции функций дыхательного центра могут принимать участие и более высокие этажи головного мозга. Так, например, эмоциональные реакции человека связаны с изменением периодичности в работе дыхательного центра, вызванным импульсацией промежуточного мозга и лимбической коры. Установлено, что электрическое раздражение орбитальной коры может вызвать полную остановку дыхания у человека. Регулирующие воздействия головного мозга обеспечивают произвольную регуляцию дыхания, его коррекцию при разнообразных изменениях жизнедеятельности.

Таким образом, регуляция дыхательной функции осуществляется иерархической системой нервных центров, расположенных на разных этажах нервной системы и связанных единством действия.

Другим жизненно важным центром ретикулярной формации продолговатого мозга является сосудодвигательный центр, локализация которого впервые была определена Ф. В. Овсянниковым (1871). Сосудодвигательный, или вазомоторный, центр занимает обширную область продолговатого мозга, простираясь в дорсолатеральном направлении от дна IV желудочка до пирамид (см. разд. 5.5.2). Перерезка спинного мозга на уровне шейных позвонков вызывает у спинальных животных резкое снижение сосудистого тонуса и нарушение регуляторных реакций, связанных с изменением просвета вен и артерий.

Локальная стимуляция ростральных частей сосудодвигательного центра вызывает увеличение сосудистого тонуса, повышение кровяного давления и тахикардию. Стимуляция каудального отдела сосудистого центра, напротив, вызывает расширение сосудов, падение кровяного давления и брадикардию.

Микроэлектродная регистрация электрической активности одиночных нейронов сосудистого центра показала наличие нервных клеток, изменяющих свою фоновую активность синхронно с флуктуациями артериального давления. Среди них можно выделить нейроны, частота разрядов которых возрастает при повышении артериального давления, нейроны, частота фоновой активности которых, напротив, снижается при увеличении артериального давления, и, наконец, нейроны, частота импульсации которых меняется в соответствии с рабочим циклом сердца. Свойства нейронов сосудистого центра менее изучены, чем у нейронов дыхательного центра. Пока неясно, можно ли дифференцировать сосудодвигательные нейроны на "сосудосуживающие" и "сосудорасширяющие". Нерешенным остается также вопрос о наличии тормозного взаимодействия между нейронами сосудодвигательного центра.

Функциональная организация сосудодвигательного центра имеет определенную специфику в плане проекций его нисходящих путей. Эфферентные волокна от его нейронов спускаются в грудной отдел спинного мозга, но заканчиваются там не на мотонейронах, как в случае нисходящих систем дыхательного центра, а на преганглионарных нейронах симпатической нервной системы.

Таким образом, сосудистый тонус регулируется не антагонистическими нисходящими воздействиями, а только одной симпатической сосудосуживающей системой. Активное состояние этой системы вызывает вазоконстрикцию, а торможение - вазодилатацию (см. разд. 5.4, 8.6). Исключение из этого принципа составляют только некоторые сосуды, имеющие двойную иннервацию - симпатическую и парасимпатическую (сосуды половых органов и слюнных желез).

Рефлекторные влияния на нейроны сосудодвигательного центра осуществляются при возбуждении хемо- и механорецепторов, локализованных в сосудистой стенке. Афферентные волокна от этих рецепторов в составе блуждающего и языкоглоточного нервов достигают продолговатого мозга. Возбуждение механорецепторов дуги аорты, каротидного синуса при повышении артериального давления вызывает торможение активности сосудодвигательного центра и, как следствие, рефлекторное снижение сосудистого тонуса (рефлексы Людвига-Циона, Геринга, Бейнбриджа). Напротив, при повышении давления в системе полых вен наблюдается усиление активности сосудистого центра и вазоконстрикторный эффект. Тонус сосудистого центра может изменяться и При возбуждении хеморецепторов сосудистой стенки, возникающем при изменениях химического состава крови.

Следует отметить, что деятельность сосудодвигательного центра сочетается с функцией моторного ядра блуждающего нерва - двойного ядра, снижающего в норме частоту сердечных сокращений. В связи с этим при вазоконстрикторном эффекте одновременно увеличивается частота сердечных сокращений и, наоборот, при вазодилатации наблюдается замедление сердечной ритмики.

Для ретикулярной формации стволовой части мозга характерны не только вегетативные регулирующие функции, но и участие в нисходящем контроле деятельности двигательных центров спинного мозга.

В 1862 г. И. М. Сеченов установил угнетение спинальных рефлексов при раздражении стволовой части мозга. Это было открытием центрального торможения и одновременно открытием ретикулоспинальной системы. Однако механизм этого тормозного процесса удалось раскрыть только в 50-е гг. нашего столетия после работ американского нейрофизиолога Г. Мегуна, показавшего, что локальное электрическое раздражение гигантоклеточного ядра ретикулярной формации продолговатого мозга вызывает неспецифическое торможение сгибательных и разгибательных спинальных рефлексов. Эти неспецифические супраспинальные влияния по ретикулярно-спинномозговому пути достигают мотонейронов спинного мозга и увеличивают порог и скрытый период их ответов на рефлекторные воздействия. Дальнейшие исследования показали, что нисходящие влияния ретикулярной формации могут реализовываться не только за счет постсинаптического торможения мотонейронов, но и за счет возникновения длительных тормозных постсинаптических потенциалов в промежуточных нейронах, а также за счет воздействия ретикулоспинальных волокон на терминали афферентных волокон, входящих в спинной мозг.

Таким образом, ослабление рефлекторной деятельности достигается за счет прямого действия на мотонейроны и за счет определенного ослабления сенсорного входа в спинной мозг.

В ходе экспериментов с локальной стимуляцией ретикулярной формации выяснилось наличие зон, дающих эффект противоположной полярности, т. е. облегчающее влияние на спинномозговые рефлексы. Так, например, электрическое раздражение латеральных зон ретикулярной формации моста снижает порог и укорачивает скрытый период спинальных рефлексов. При стимуляции медиальных ядер ретикулярной формации заднего мозга в мотонейронах мышц-сгибателей кошки регистрируются коротколатентные возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП).

Данный факт свидетельствует о наличии (помимо диффузных неспецифических ретикулоспинальных проекций) моносинаптических нисходящих путей специфического действия, которые участвуют в нисходящем контроле деятельности спинного мозга.

Следовательно, ретикулярная формация как один из двигательных центров стволовой части мозга может выступать не только в роли регулятора возбудимости спинальных мотонейронов, но и принимать участие в процессах, связанных с поддержанием позы и организацией целенаправленных движений.

Благодаря работам Г. Мегуна и Дж. Моруцци наряду с неспецифическими нисходящими влияниями ретикулярной формации ствола были открыты ее восходящие, активирующие влияния на кору головного мозга. Если через хронически вживленные электроды раздражать центральные части ретикулярной формации ствола, то кошка, находящаяся в сонном состоянии, пробуждается и у нее появляется ориентировочная реакция. Эта поведенческая реакция пробуждения сопровождается характерными изменениями частотного спектра электроэнцефалограммы, переходом от регулярных, высоковольтных колебаний ?-ритма к низковольтным колебаниям. (?-ритма (см. разд. 3.11.1). Данная электроэнцефалографическая реакция получила название реакции десинхронизации. Она имеет генерализованный характер и регистрируется от обширных областей коры головного мозга.

В остром опыте перерезка стволовой части мозга на уровне среднего мозга и, таким образом, разрушение восходящих путей от ретикулярной формации ствола переводят животное в сноподобное коматозное состояние (спящий мозг, по Бремеру) с соответствующими изменениями характера электроэнцефалограммы.

Приведенные выше экспериментальные факты послужили основанием для заключения, что ретикулярная формация является структурой, отвечающей за состояние бодрствования, структурой, формирующей восходящую активирующую ретикулярную систему, которая поддерживает на определенном уровне возбудимость промежуточного мозга и коры больших полушарий. Согласно современным представлениям, переход коры к активному состоянию связан

Рис. 3.23 Афферентные и эфферентные связи ретикулярной формации стволовой части мозга

с колебаниями количества восходящих сигналов от ретикулярной формации ствола. Количество этих сигналов зависит от поступления в ретикулярную формацию сенсорных импульсов по коллатералям специфических афферентных восходящих путей. Практически к ретикулярной формации приходит информация от всех органов чувств по коллатералям от спинно-ретикулярного пути, проприоспинальных путей, афферентных черепных нервов, от таламуса и гипоталамуса, от моторных и сенсорных областей коры (рис. 3.23).

Микроэлектродная регистрация электрической активности нейронов ретикулярной формации показала, что большинство из них являются полисенсорными, т. е. отвечают на раздражение различных модальностей (световых, звуковых, тактильных и т. д.). Ретикулярные нейроны имеют большие рецептивные поля, большой скрытый период и слабую воспроизводимость реакции. Эти свойства противоположны свойствам нейронов специфических ядер и позволяют отнести ретикулярные нейроны к категории неспецифических. Равным образом восходящие пути ретикулярной формации в отличие от классических специфических чувствительных проекций получили название неспецифических проекций.

Восходящие влияния ретикулярной формации высокочувствительны к действию различных фармакологических анестезирующих препаратов и так называемых успокаивающих средств (аминазин, серпазил, резерпин и др.).

Использование электрофизиологических и гистофлюоресцентных методов позволило установить медиаторную специфичность нейронов ретикулярной формации продолговатого мозга, моста и среднего мозга. Так, например, была изучена локализация монаминовых нейронов, которые начинают флюоресцировать после обработки микросрезов стволовой части мозга в парах формальдегида. Оказалось, что самая значительная группа адренергических клеток находится в одной из областей моста, называемой "голубоватое (место) пятно". Аксоны нейронов этой области проходят в среднем переднемозговом пучке и имеют терминальные окончания в различных отделах головного мозга: мозжечке, гипоталамусе, лимбической системе, коре больших полушарий.

Тела серотонинергических нейронов расположены преимущественно в срединной области мозгового ствола - в составе дорсального и медиального ядер шва продолговатого мозга, среднего мозга и моста. Восходящие аксоны этих нейронов идут в гипоталамус, базальные ганглии, лимбическую систему, кору больших полушарий.

В настоящее время накоплен значительный фактический материал, свидетельствующий о разнонаправленности влияний этих двух моноаминергических систем на возбудимость различных отделов головного мозга. Серотониновая система индуцирует сон и имеет непосредственное отношение к регуляции его медленноволновой фазы. Недостаток серотонина в мозгу вызывает вынужденное бодрствование. Катехоламиновая система голубоватого места, напротив стимулирует пробуждение и играет ведущую роль в регуляции парадоксальной фазы сна. При повреждении голубоватого пятна и, соответственно, недостатке норадреналина животные спят намного дольше, нежели обычно.

Реципрокность моноаминергических систем проявляется не только в процессах регуляции сна, но и в воздействии на эмоциональную сферу организма. Например, повышение концентрации мозгового норадреналина влечет за собой усиление стрессорного состояния животных, которое может быть снято (купировано) введением исходного продукта синтеза серотонина - 5-окситриптофана. Равным образом разрушение ядер шва, где синтезируется серотонин, усиливает агрессивность подопытных крыс.

Разнонаправленные влияния моноаминергических систем мозга имеют место и в отношении регуляции двигательной активности (серотониновая система ее снижает), и в процессах формирования сложных форм поведения (выработка условных рефлексов). Это свидетельствует о модулирующей функции данных систем, которые имеют обширные связи с различными отделами головного мозга.

Другие медиаторные системы в составе ретикулярной формации стволовой части мозга представлены холинергическими нейронами, а также сопутствующими им глицинергическими клетками, которые чаще всего выполняют функции тормозных интернейронов.

Следует отметить, что в составе восходящих путей ретикулярной формации имеются активирующие и дезактивирующие группы. По данным Дж. Моруцци, раздражение некоторых участков ретикулярной формации заднего мозга может вызвать у животного глубокий сон и появление ?-ритма в электроэнцефалограмме. Вероятно, реципрокный принцип организации восходящих и нисходящих проекций является общим для всей системы ретикулярной формации.

3.5. СРЕДНИЙ МОЗГ

Средний мозг расположен кпереди от мозжечка и моста в виде толстостенной массы, пронизанной узким центральным каналом (водопровод мозга), соединяющим полость III желудочка мозга (в промежуточном мозгу) с IV желудочком (в продолговатом мозгу). В процессе эмбрионального развития средний мозг формируется из среднего мозгового пузыря, боковые выпячивания которого перемещаются латерально и образуют сетчатку глаза, которая структурно и функционально представляет собой вынесенный на периферию нервный центр среднего мозга.

3.5.1. Морфофункциональная организация среднего мозга

На поперечном срезе (рис. 3.24) дорсальная поверхность среднего мозга занята пластинкой крыши, часто называемой пластинкой четверохолмия, или четверохолмием, состоящей из двух пар возвышений: верхних и нижних. Верхние холмики (двухолмие) играют роль зрительного подкоркового центра и служат местом переключения зрительных путей, идущих к латеральным коленчатым телам промежуточного мозга. У низших позвоночных (рыб и амфибий) ростральные (верхние) холмики достигают очень больших размеров и выполняют роль высшего зрительного центра, так как здесь заканчивается большая часть волокон зрительного тракта.

У птиц и рептилий в среднем мозгу от зрительных путей ответвляются немногочисленные коллатерали, идущие к латеральным коленчатым телам промежуточного мозга. Наконец, у млекопитающих большинство путей зрительного тракта заканчивается на нейронах коленчатых тел и только часть из них заходит в ростральные холмики.

Рис. 3.24 Средний мозг А - поперечный разрез; Б-продольный разрез; 1-5 - волокна: 1 - передние корково-мостовые, 2 - корково-ядерные, 3 - латеральные корково-спинномозговые, 4 - передние корково-спинномозговые, 5 - задние корково-мостовые, 6-водопровод среднего мозга, 7 - каудальный холмик, 8 - ретикулярная формация, 9 - медиальная петля, 10- латеральная петля, 11- черное вещество, 12 - красное ядро.

Нижние (каудальные) холмики (двухолмие) в процессе филогенетического развития формируются у наземных животных (рептилий и птиц) в связи с развитием органа слуха и служат местом переключения слуховых путей, а также афферентных волокон от вестибулярных рецепторов. Каудальные (нижние) холмики выполняют функцию подкоркового слухового центра.

Пластинка крыши и лежащие вентральное клеточные слои вплоть до водопровода среднего мозга формируют так называемую крышу среднего мозга, или тектальную область, которая обладает довольно сложной цитоархитектоникой. Большие нейроны веретенообразной формы расположены здесь слоями, общее число которых достигает 14. Ветвящиеся дендриты и мощные аксоны этих клеток ориентированы в вертикальной плоскости по отношению к поверхности мозга. Аксоны тектальных нейронов идут к ретикулярной формации, к двигательным ядрам стволовой части мозга и в спинной мозг, формируя покрышечно-спинномозговой путь. Таким образом, сама структура крыши среднего мозга создает предпосылку для его участия в анализе сенсорной информации и в регуляции движений.

Данные, полученные при регистрации импульсной активности тектальных нейронов, позволяют дифференцировать их на группы по способности реагировать на различные параметры сенсорных раздражении (смена света и темноты, перемещение светового источника). Эфферентные воздействия тектальных нейронов реализуются в форме ряда жизненно важных безусловных рефлексов. К числу таких рефлексов можно отнести сторожевой рефлекс при внезапной подаче светового или звукового раздражителей - рефлекс, вызывающий усиление тонуса мышц сгибателей. В пластинке крыши осуществляются замыкание ориентировочных, зрительных и слуховых рефлексов (поворот головы к источнику раздражения, рефлекторная установка на звук внешнего уха), оборонительных рефлексов. Все эти автоматические реакции относятся к категории генетически запрограммированных реакций организма, важных для сохранения вида.

В координации движений участвуют и другие структуры среднего мозга. нейтральнее водопровода среднего мозга в виде двух толстых валиков расположены ножки мозга, которые, расходясь кпереди, вступают в полушария конечного мозга. На поперечном срезе ножки мозга разделяются пигментированной прослойкой на две части: покрышку среднего мозга (тегментум) и основание ножек мозга.

Пигментированная прослойка состоит из нейронов, богатых пигментом меланином, и носит название черного вещества (Земмерринга). Это филогенетически древнее образование относится к экстрапирамидной системе регуляции двигательной активности и функционально связано с лежащими в основании полушарий переднего мозга базальными ядрами (ганглиями) - полосатым телом и бледным шаром (см. разд. 3.9).

В 60-е гг. нашего столетия было установлено, что нейроны черного вещества имеют дофаминергическую природу, т. е. способны синтезировать медиатор катехоламинового ряда - дофамин. Аксоны этих нейронов подходят к полосатому телу, также содержащему в значительном количестве дофамин. Дальнейшие исследования показали, что повреждение черного вещества, вызывающее дегенерацию дофаминергических путей к полосатому телу, связано с тяжелым неврологическим заболеванием - дрожательным параличом (болезнью Паркинсона).

Паркинсонизм проявляется в нарушении тонких содружественных движений, функций мимической мускулатуры и в появлении непроизвольных мышечных сокращений, или тремора. Этот болезненный синдром может быть снят при введении L-диоксифениланина - вещества, из которого синтезируется дофамин в организме. Таким образом, восполняя дефицит медиатора, стало возможно купировать неврологическое заболевание и вместе с тем привести фактические доказательства роли черного вещества среднего мозга в сенсомоторной координации движений.

В покрышке среднего мозга залегают различные функционально значимые ядра. Наиболее крупным из них является парное красное ядро (Штиллинга), представляющее собой удлиненное образование, которое расположено между черным веществом и окружающим водопровод среднего мозга центральным серым веществом. Красные ядра являются важным промежуточным центром проводящих путей стволовой части мозга. В них заканчиваются волокна экстрапирамидной системы, идущие от базальных ядер конечного мозга, а также волокна, идущие из мозжечка.

Аксоны крупноклеточной части красного ядра дают начало нисходящему красноядерно-спинномозговому пути (Монакова), заканчивающемуся на мотонейронах передних рогов спинного мозга. Этот тракт является конечным звеном древней экстрапирамидной системы, объединяющей влияния переднего мозга, мозжечка, вестибулярных ядер и координирующей работу двигательного аппарата.

Часть аксонов клеток, локализованных в красном ядре, заканчивается на нейронах ретикулярной формации среднего мозга. Она расположена несколько дорсальное красного ядра и представляет собой продолжение ретикулярной формации заднего мозга. Наряду с активирующей функцией, механизм которой разбирался в предыдущем разделе, ретикулярная формация среднего мозга играет важную роль в регуляции работы глазодвигательного аппарата.

В рефлекторной регуляции глазных движений принимают также участие двигательные ядра глазодвигательного (III пара) и блокового (IV пара) черепных нервов, расположенные в покрышке под дном водопровода среднего мозга. Кпереди от ядра глазодвигательного нерва лежит добавочное ядро глазодвигательного нерва (ядро Даркшевича), от которого начинается медиальный продольный пучок среднего мозга, связывающий между собой ядра глазодвигательного, блокового и находящегося в заднем мозгу отводящего нервов, образуя из них единую функциональную систему, регулирующую сочетанные движения глаз.

Под ядром глазодвигательного нерва лежит непарное вегетативное парасимпатическое ядро глазодвигательного нерва (Якубовича, или Вестфаля-Эдингера), нейроны которого посылают отростки в периферический ресничный ганглий (см. разд. 5.1.2). Постганглионарные нейроны ресничного ганглия иннервируют мышцы радужной оболочки, регулирующей диаметр зрачка, и мышцы ресничного тела, изменяющие кривизну хрусталика. Рефлекторные воздействия нейронов ресничного ганглия находятся в соответствии с деятельностью соматических глазодвигательных ядер. Как правило, кривизна хрусталика изменяется сопряженно с изменением угла сведения глазных осей.

Средний мозг является не только местом замыкания многих жизненно важных рефлексов, но и выполняет существенную проводниковую функцию. Отделенное от покрышки черным веществом основание ножек мозга состоит исключительно из нисходящих путей, соединяющих кору больших полушарий с мостом и спинным мозгом. В их числе находятся оба пирамидных тракта, по которым распространяются прямые влияния коры на мотонейроны спинного мозга.

3.5.2. Участие среднего мозга в регуляции движений и позного тонуса

Среднему мозгу принадлежит важная роль в регуляции глазных движений. Двигательный аппарат глаза состоит из шести наружных глазных мышц, которые иннервируются тремя черепными нервами (см. разд. 4.8.4). Нейроны ядра глазодвигательного нерва иннервируют медиальную, нижнюю и верхнюю прямые мышцы глаза, нижнюю косую, а также мышцу, поднимающую верхнее веко. Блоковый нерв иннервирует верхнюю косую мышцу, а отводящий нерв - латеральную прямую мышцу глаза. С помощью этого двигательного аппарата глаза могут производить горизонтальные, вертикальные и вращательные движения. При свободном рассматривании предметов, при чтении наши глаза совершают быстрые микросаккады (микроскачки), из одной точки фиксации в другую. Микросаккады чередуются периодами фиксации глаза, продолжающимися от 0,15 до 2 с.

Горизонтальные движения глаза зависят от содружественной работы латеральной и медиальной прямых мышц глаза. Нейрофизиологическими исследованиями установлено, что степень возбуждения мотонейронов, локализованных в ядрах отводящего и глазодвигательного нервов, идущих к этим мышцам, контролируется центрами ретикулярной формации моста. В этих центрах обнаружены нейроны, которые характеризуются повышением частоты своей импульсной активности перед началом каждой горизонтальной микросаккады. Другая группа нейронов, напротив, прерывает свои импульсные разряды до и во время саккад.

Очевидно, характер разрядов нейронов ретикулярного центра определяет его активирующие или, наоборот, тормозные управляющие воздействия на мотонейроны отводящего и глазодвигательного нервов в соответствии с принципом антагонистической иннервации. Аналогичным образом при вертикальных движениях глаза также наблюдается антагонистическое взаимодействие между двумя другими группами глазных мышц. При движении глаза по вертикали вверх сокращаются нижняя косая и верхняя прямая мышцы (глазодвигательный нерв) и одновременно расслабляются верхняя косая (блоковый нерв) и нижняя прямая (глазодвигательный нерв) мышцы глаза.

В данном случае возбудимость соответствующих моторных центров регулируется группой нейронов ретикулярной формации среднего мозга, локализованной под ростральными холмиками пластинки крыши. В этой области также обнаружены ретикулярные нейроны, увеличивающие частоту своих импульсных разрядов перед началом вертикальных микросаккад. Поражение ретикулярной формации среднего мозга при патологических процессах парализует вертикальные движения глаз.

Таким образом, ретикулярная формация среднего мозга играет важную роль в координации сокращений глазных мышц. Она получает афферентные входы от ростральных холмиков пластинки крыши, мозжечка, вестибулярных ядер, зрительных областей коры полушарий головного мозга. Поступающие по этим входам сигналы интегрируются центрами ретикулярной формации и служат для рефлекторного изменения работы глазодвигательного аппарата при внезапном появлении движущихся объектов, при изменении положения головы, при произвольных движениях глаз и т. д. По отношению к моторным центрам в ядрах черепных нервов ретикулярная формация выступает как более высокий уровень регуляции глазных движений, осуществляемой за счет возбуждающих и тормозных влияний.

Одной из структур, ответственных за надсегментарный контроль позного тонуса, является красное ядро среднего мозга. Будучи составной частью организующей движения экстрапирамидной системы, красное ядро получает входы от моторной коры, ядер мозжечка, черного вещества среднего мозга и дает начало красноядерно-спинномозговому пути, который как общий путь обеспечивает регуляцию тонуса скелетных мышц.

Локальное электрическое раздражение крупноклеточной части красного ядра или самого красноядерно-спинномозгового пути вызывает возбуждение ?- и ?-мотонейронов мышц-сгибателей и одновременно торможение мотонейронов разгибателей. В этом отношении влияние красного ядра противоположно эффекту от раздражения преддверно-спинномозгового пути, который начинается от латерального преддверного ядра (ЛПЯ). Преддверно-спинномозговой путь оказывает возбуждающее действие на ?- и ?-мотонейроны разгибателей и тормозное - на мотонейроны сгибателей.

Существует точка зрения, что красное ядро и ЛПЯ оказывают друг на друга тормозное воздействие, которое в норме снижает тонус антигравитационных разгибательных мышц. О наличии такого взаимодействия свидетельствует классический опыт Ч. Шеррингтона с перерезкой стволовой части мозга. Если перерезку произвести на уровне переднего края ростральных холмиков и таким образом отделить красное ядро от заднего мозга, где локализовано ЛПЯ, то у кошки развивается децеребрационная ригидность.

Это состояние характеризуется резким повышением тонуса мышц-разгибателей конечностей, спины и хвоста (опистотонус). Оперированное животное, поставленное на лапы, сохраняет стоячее положение, так как сгибания в суставах не происходит (см. рис. 3.22). Если плоскость перерезки сдвинуть вперед и сохранить связь красного ядра с задним мозгом, то состояния децеребрационной ригидности не возникает. Децеребрационная ригидность устраняется при коагуляции ЛПЯ или при повторной перерезке стволовой части мозга каудальнее зоны расположения вестибулярных ядер.

Все эти факты указывают на то, что основной причиной децеребрационной ригидности является снятие при перерезке тормозных влияний со стороны красного ядра на ЛПЯ. При этом начинает преобладать действие ЛПЯ, которое, как известно, возбуждает мотонейроны мышц-разгибателей.

По представлениям Ч. Шеррингтона, красное Ядро является не только источником, но и посредником в регуляции разгибательных рефлексов, передавая тормозные влияния со стороны мозжечка и моторных областей коры. Удаление мозжечка или моторной коры сопровождается усилением тонуса разгибательных мышц.

Децеребрационная ригидность- рефлекторное состояние, оно поддерживается сенсорными сигналами от проприоцепторов мышц. Если перерезать дорсальные (чувствительные) корешки спинного мозга, то спазматическое сокращение разгибательных мышц исчезает. Очевидно, в естественных условиях красное ядро регулирует протекание проприоцептивных рефлексов спинного мозга, подчиняя их рефлексам более высокого порядка. Одним из путей этой регуляции является изменение возбудимости ?-мотонейронов, контролирующих чувствительность проприоцепторов мышц. Другой путь состоит в непосредственном воздействии на ?-мотонейроны мышц-разгибателей.

3.6. МОЗЖЕЧОК

Мозжечок как надсегментарная структура появляется на ранних этапах филогенеза позвоночных, причем степень его развития у различных животных определяется экологией и сложностью локомоции.

3.6.1. Структурная организация и связи мозжечка

У млекопитающих мозжечок - крупный вырост моста, состоящий из двух полушарий и непарного отдела - червя. Со стволовой частью мозга мозжечок соединяется тремя парами ножек. Самые толстые средние ножки как бы охватывают продолговатый мозг и, расширяясь, переходят в мост. Ростральные ножки начинаются в зубчатых ядрах мозжечка (см. ниже) и направляются к пластинке крыши среднего мозга. Третья пара ножек (каудальная) спускается вниз, сливаясь с продолговатым мозгом. Афферентные волокна, приходящие в мозжечок, преимущественно входят в состав средних и каудальных ножек, тогда как эфферентные собраны главным образом в ростральных ножках мозжечка.

Вся поверхность мозжечка разделяется глубокими бороздами на доли. В свою очередь, каждая доля параллельными бороздками разделяется на извилины;группы извилин формируют дольки мозжечка. Каждую дольку обозначают как классическим названием (язычок, центральная, вершина и т. д.), так и латинской нумерацией (I-Х) в соответствии с принятой номенклатурой (рис. 3.25).

Согласно О. Ларселу, всю поверхность мозжечка можно разделить на отделы в зависимости от характера поступающих афферентных путей и филогенетического возраста структурных образований. Наиболее изолированная клочково-узелковая доля (X) составляет древнюю часть мозжечка (палеоцеребеллум), гомологичный мозжечку круглоротых. Здесь заканчиваются проекции от вестибулярных ядер продолговатого мозга. Следующий отдел - старая часть мозжечка, или археоцеребеллум, - включает в себя участки червя, соответствующие ростральной доле, а также пирамиду, язычок и околоклочок. В палеоцеребеллуме находятся проекции восходящих спинно-мозжечковых путей, несущих информацию от мышечных рецепторов. И наконец, третий отдел - новая часть мозжечка, или неоцеребеллум, - состоит из появляющихся у млекопитающих полушарий и участков червя, которые расположены каудальнее первой щели. К неоцеребеллуму по путям, переключающимся в ядрах моста, поступает афферентная импульсация от обширных областей коры больших полушарий (лобных, теменных, височных и затылочных долей).

Полушария и червь мозжечка состоят из лежащего на периферии серого вещества - коры. - и расположенного глубже белого вещества - мозгового тела, в котором заложены скопления нервных клеток, образующие ядра мозжечка. Кора мозжечка представлена тремя слоями, каждый из которых имеет определенный набор клеточных элементов. Самый поверхностный слой - молекулярный - состоит из параллельных волокон и разветвлений дендритов и аксонов нейронов нижележащих слоев. В нижней части молекулярного слоя расположены тела корзинчатых нейронов, аксоны которых оплетают тела и начальные сегменты аксонов клеток Пуркинье (грушевидных нейронов) (рис. 3.25). Здесь же в молекулярном слое имеется некоторое количество звездчатых клеток.

Вентральное молекулярного слоя находится слой грушевидных нейронов, в котором сосредоточены тела клеток Пуркинье (рис. 3.25). Эти крупные клетки ориентированы вертикально по отношению к поверхности коры мозжечка. .Их дендриты поднимаются вверх и широко ветвятся в молекулярном слое. Дендриты клеток Пуркинье содержат множество шипиков, на которых образуют синапсы параллельные волокна молекулярного слоя. Аксоны клеток Пуркинье спускаются к ядрам мозжечка. Часть из них заканчивается на вестибулярных ядрах. Практически аксоны клеток Пуркинье представляют собой единственный выход из коры мозжечка.

Под ганглиозным слоем лежит зернистый слой, который содержит большое число тел клеток-зерен, или гранулярных клеток. По некоторым подсчетам их число может достигать 10 млрд. Аксоны клеток-зерен поднимаются вертикально вверх, в молекулярный слой и там Т-образно ветвятся. Ветви идут параллельно поверхности коры и образуют синапсы на дендритах других клеток. Здесь же в гранулярном слое лежат клетки Гольджи, аксоны которых подходят к клеткам-зернам.

Афферентный вход к нейронному аппарату коры осуществляется по трем системам нервных волокон. Это, во-первых, лазающие, или ползучие, волокна, идущие из нижних олив продолговатого мозга. Нижняя олива получает афференты от нескольких восходящих путей спинного мозга и из центров головного мозга. Лазающие волокна широко ветвятся и подобно лианам оплетают дендриты клеток Пуркинье, формируя на них синапсы. Вторая система афферентных

Рис. 3.25 Морфофункциональная организация мозжечка

А - отделы и доли мозжечка; Б - расположение связей в коре мозжечка: I-X - доли мозжечка по номенклатуре Ларсела; 1 - ростральная доля, 2 - каудальная доля, 3 - околоклочок, 4 - клочково-узелковая доля, 5 - корзинчатая клетка, 6 - клетка Пуркинье, 7 - лазающее волокно, 8 - клетка-зерно, 9 -клетка внутримозжечкового ядра, 10 - клетка Гольджи, 11 - мшистое волокно; на рис. А черным цветом обозначены структуры древней части мозжечка, серым - старой части, светлым - новой части мозжечка.

волокон - это моховидные, или мшистые, волокна, идущие от ядер моста и оканчивающиеся на клетках-зернах. Мшистые волокна многократно ветвятся и образуют синапсы на множестве клеток коры мозжечка. И наконец, третья система афферентных волокон - это также широко ветвящиеся адренергические волокна, поступающие в кору мозжечка из голубоватого пятна в среднем мозгу. Оно представляет собой скопление из нескольких нейронов, аксоны которых способны диффузно выбрасывать норадреналин в межклеточное пространство. Вероятно, эти нейроны выполняют нейромодуляторную функцию и могут изменять возбудимость нейронов, локализованных в коре мозжечка.

Нейрофизиологические исследования Дж. Эклса показали, что корзинчатые и звездчатые клетки, которые заканчиваются синапсами на клетках Пуркинье, вызывают в них тормозные постсинаптические потенциалы (ТПСП) и подавление импульсной активности. Клетки Гольджи тормозят клетки-зерна по принципу обратной связи (рис. 3.25).

Таким образом, большинство связей, опосредованных интернейронами коры мозжечка, являются тормозными. Исключение составляют только клетки-зерна, которые возбуждаются от моховидных волокон и сами через Т-образно ветвящиеся аксоны активируют все остальные интернейроны коры мозжечка. Однако конечный эффект этой активации опять-таки сводится к торможению.

Клетки Пуркинье, которые представляют собой выход функциональной системы, могут возбуждаться прямо через лазащие волокна и опосредованно через моховидные волокна и клетки-зерна. Возникающие под действием этого возбуждения разряды клеток Пуркинье, согласно электрофизиологическим данным, вызывают в конечном счете торможение нейронов ядер мозжечка. Эти факты свидетельствуют о том, что деятельность всей нейрональной системы коры мозжечка сводится к торможению ядер, над которыми кора надстроена. Очевидно, механизм этого торможения можно представить следующим образом.

В покое клетки Пуркинье обладают фоновой электрической активностью, которая вызывает тоническое торможение нейронов в ядрах мозжечка. Возбуждение клеток Пуркинье через систему лазащих или моховидных волокон приводит к увеличению частоты импульсных разрядов этих нейронов и, как следствие, к усилению торможения ядер мозжечка. Напротив, торможение клеток Пуркинье, вызванное звездчатыми или корзинчатыми клетками, сопровождается растормаживанием нейронов в ядрах мозжечка. Сами же ядра мозжечка, обладающие постоянной тонической активностью, через нисходящие пути регулируют уровень возбудимости центров спинного мозга и мышечный тонус.

Согласно гипотезе, высказанной Дж. Эклсом, большое количество тормозных нейронов в коре мозжечка предотвращает длительную циркуляцию возбуждения по нейронным цепям. Любой возбуждающий импульс, приходя в кору мозжечка, превращается в торможение примерно за 100 мс. Так происходит как бы автоматическое стирание предшествующей информации, которое позволяет коре мозжечка участвовать в регуляции быстрых движений.

В белом веществе мозжечка сконцентрированы три пары ядер. В белом веществе червя близко к срединной плоскости находится ядро шатра (Кёлликера). Нейроны этого ядра посылают свои отростки к ЛПЯ и к ретикулярной формации продолговатого мозга и моста, где берет свое начало ретикулярно-спинномозговой путь. Латеральное ядра шатра находятся вставочные, или промежуточные, ядра, которые у человека разделяется на латеральное (пробковидное) и медиальное (шаровидное) вставочные ядра мозжечка.

От вставочного ядра аксоны идут в средний мозг к красному ядру. Менее развитый афферентный путь от вставочного ядра идет в промежуточный мозг к вентролатеральному ядру таламуса (см. разд. 3.7.2) - и оттуда к двигательной коре. Латеральное всех ядер лежит наиболее крупное латеральное (зубчатое) ядро мозжечка, от которого мощные пучки волокон направляются к вентролатеральному ядру таламуса, и далее аксоны нейронов второго порядка проецируются в моторные зоны коры.

К нейронам мозжечковых ядер подходят аксоны клеток Пуркинье. Установлено, что клетки Пуркинье червя образуют прямые связи с ЛПЯ. Это позволяет иногда относить ЛПЯ к внутримозжечковым ядрам по функциональному принципу.

Существует определенная топография связей коры мозжечка с его ядрами. Согласно классификации Бродала, кору мозжечка млекопитающих можно разделить на три продольные зоны: медиальную червячную зону, от которой аксоны клеток Пуркинье проецируются на ядро шатра, промежуточную зону коры, связанную со вставочным ядром, и латеральную зону коры полушарий, дающую проекции к латеральному ядру. Эта классификация, в основу которой положены эфферентные связи мозжечка, свидетельствует о том, что латеральные отделы мозжечка через зубчатое ядро связаны с более высокими уровнями головного мозга.

В целом мозжечок имеет обширные эфферентные связи со всеми двигательными системами стволовой части мозга: кортикоспинальной, руброспинальной, ретикулоспинальной и вестибулоспинальной. Не менее разнообразными являются и афферентные входы мозжечка.

Афферентная информация в мозжечок от спинного мозга приходит по спинно-мозжечковым путям (дорсальному и вентральному), ростральному спинно-мозжечковому и клиновидно-мозжечковому путям, по спинно-оливо-мозжечковым путям. Кора больших полушарий также посылает афферентные пути в мозжечок, среди которых наиболее важными являются корково-ретикулярно-мозжечковый и корково-мосто-мозжечковый пути.

3.6.2. Функции мозжечка

Мозжечок как надсегментарный орган, входящий в систему регуляции движений, выполняет следующие важные функции:

1) регуляция позы и мышечного тонуса;

2) сенсомоторная координация позных и целенаправленных движений;

3) координация быстрых целенаправленных движений, осуществляемых по команде из больших полушарий. Эти функции мозжечка наиболее удобно разбирать в соответствии с топической классификацей его отделов, основанной на характере эфферентных связей.

Медиальная червячная зона мозжечка в наибольшей степени связана с реализацией первой функции, т. е. с управлением тонусом, позой и равновесием тела. В эту зону коры мозжечка, а также в клочково-узелковую долю палеоцеребеллума поступает афферентная информация, сигнализирующая о позе и состоянии локомоторного аппарата. После обработки этой информации из коры мозжечка через ядро шатра корригирующие команды направляются к ЛПЯ, к ретикулярной формации ствола и оттуда к спинальным центрам по ретикулярно- и преддверно-спинномозговым путям.

Таким образом, вся система работает по принципу обратной связи и обеспечивает срочную регуляцию антигравитационного тонуса.

Удаление червячной зоны мозжечка вызывает растормаживание ЛПЯ и как результат - усиление тонуса разгибателей животного в состоянии децеребрационной ригидности. Электрическое раздражение червячной зоны, напротив, приводит к ослаблению тонуса мышц разгибателей за счет активации тормозных влияний мозжечка на ЛПЯ.

Промежуточная зона коры мозжечка, связанная со вставочным ядром (или шаровидным и пробковидным), так же как и предыдущая зона, имеет афферентные входы от спинномозговых путей. Однако кроме того, через ядра моста промежуточная зона коры мозжечка получает информацию от двигательной области коры больших полушарий. Эта информация поступает через коллатерали корково-спинномозгового пути и сигнализирует о готовящемся целенаправленном движении. Сопоставление приходящей по этим двум путям информации позволяет промежуточной зоне мозжечка участвовать в координации целенаправленных движений с рефлексами поддержания позы, в выборе позы оптимальной для выполнения движения. Нисходящие команды от промежуточной зоны коры мозжечка через вставочное ядро идут к красному ядру и далее по красноядерно-спинномозговому пути к моторным центрам спинного мозга.

Как уже отмечалось, латеральная, филогенетически наиболее молодая, кора полушарий мозжечка дает эфферентные проекции к зубчатому ядру. Эта латеральная зона через корково-мосто-мозжечковый путь получает афферентный вход от различных ассоциативных зон коры больших полушарий. По этим афферентным путям в кору полушарий мозжечка поступает информация о замысле движения. В полушариях и зубчатом ядре мозжечка эта информация преобразуется в программу движения, которая по мозжечково-таламо-корковому пути поступает в двигательные зоны коры больших полушарий. В дальнейшем двигательный акт реализуется за счет нисходящих команд, идущих от двигательной коры в спинной мозг по корково-спинномозговому пути. Кроме того, от зубчатого ядра мозжечка через красное ядро могут распространяться прямые нисходящие воздействия к спинальным центрам.

Эта сложная система регуляции движений с наличием обратных связей между мозжечком и корой больших полушарий позволяет полушариям мозжечка участвовать в организации быстрых целенаправленных движений, протекающих без учета информации, идущей от восходящих сенсорных путей спинного мозга. Такие движения могут встретиться в спортивной практике, при игре на музыкальных инструментах и при некоторых других видах деятельности.

Экспериментальные исследования функций мозжечка показали, что этот отдел головного мозга участвует не только в регуляции движений, но и включен в систему контроля висцеральных функций. Л. А. Орбели было установлено, что раздражение мозжечка вызывает целый ряд вегетативных рефлексов, таких, например, как расширение зрачков, повышение артериального давления и т. д. Удалению мозжечка сопутствуют нарушения сердечнососудистой деятельности, дыхания, моторной и секреторной функций желудочно-кишечного тракта. Электрофизиологическими методами в мозжечке обнаружены висцеральные проекции внутренних органов. Так, например, при раздражении интероцепторов в коре мозжечка регистрируются вызванные потенциалы.

Все эти экспериментальные факты позволили Л. А. Орбели считать мозжечок млекопитающих не только регулятором моторной деятельности, но и адаптационно-трофическим органом, который определяет возбудимость вегетативных и соматических центров. Однако до сих пор остается неясным вопрос о том, какое место занимает мозжечок в иерархии структур, регулирующих висцеральные функции. По всей вероятности, модулирующие влияния мозжечка могут быть опосредованы связями с ретикулярной формацией ствола и гипоталамусом, который является главным подкорковым центром регуляции висцеральных функций.

Основные функции мозжечка определяют и характер патологических симптомов при нарушении его деятельности. Согласно классическим представлениям Л. Лючиани, сформулированным еще в конце XIX века, при частичном и общем поражении мозжечка наблюдаются симптомы: атония, астения и астазия.

Атония характеризуется ослаблением мышечного тонуса. У собак и кошек после удаления мозжечка наблюдается начальное повышение тонуса мышц-разгибателей, причем животные находятся в позе, сходной с состоянием децеребрационной ригидности. Однако через несколько суток после операции у животных гипертонус разгибателей сменяется гипотонией. Аналогичная операция у приматов сразу вызывает падение мышечного тонуса и как следствие неспособность поддерживать определенную позу. Обычно атония сопровождается астенией, которая характеризуется слабостью и быстрой утомляемостью мышц. Очевидно, атония и астения связаны в первую очередь с выпадением функции мозжечка контролировать познотонические рефлексы.

Третий симптом, описанный Л. Лючиани, - астазия - проявляется в способности мышц производить колебательные и дрожательные движения. Мышечный тремор особенно выражен в начале и конце движения, что в значительной мере препятствует завершению целенаправленного движения. Этот симптом вызывается нарушением сенсомоторной координации позных и целенаправленных движений.

Более поздние исследования, проведенные на млекопитающих, показали, что удаление мозжечка пагубно сказывается на выполнении произвольных движений. При этом более всего страдают содружественные движения - появляются симптомы асинергии. В результате асинергии происходит как бы распад программы движения и целостное движение теперь состоит не из одновременных содружественных актов, а из последовательности ряда простых движений. Так, например, касание рукой кончика носа мозжечковый больной осуществляет в три приема. Асинергия сочетается с дисметрией, или утратой соразмерности движения. Движения становятся преувеличенно размашистыми и теряют свою точность, в результате чего цель достигается только после многократных ошибок. У мозжечковых больных деформируется походка- атаксия. Атаксическая походка характеризуется широко расставленными ногами и избыточными движениями, из-за которых больного как пьяного "бросает" из стороны в сторону.

Нарушение координации быстрых целенаправленных движений при удалении или травмах мозжечка может вызвать адиадохокинез - неспособность выполнять быструю последовательность противоположных движений, например сгибание и разгибание пальцев.

Следует отметить, что у млекопитающих, перенесших травму мозжечка, со временем наступает довольно эффективная компенсация его функций. По всей вероятности, эта компенсация осуществляется за счет коры больших полушарий, которая обладает двусторонними связями с мозжечком. Этот факт свидетельствует о высокой пластичности мозговых систем регуляции движений.

3.7. ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ МОЗГ

3.7.1. Структура промежуточного мозга

Промежуточный мозг в процессе эмбриогенеза развивается из переднего мозгового пузыря и образует стенки III желудочка. Топографически и функционально промежуточный мозг подразделяется на эпиталамус, таламус и гипоталамус.

Эпиталамус (надталамическая область), или надбугорье, состоит из поводка и железы внутренней секреции - шишковидного тела (эпифиза), которые формируют верхнюю стенку III желудочка. Таламус (От греч. thalamos - покой, опочивальня), или зрительный бугор, представляет собой состоящее из скопления серого вещества объемистое тело яйцевидной формы. Нижней и латеральной поверхностью таламус сращен с соседними частями мозга. Медиальная поверхность зрительного бугра образует боковую стенку полости III желудочка. Таламус является крупным подкорковым образованием, через которое в кору больших полушарий проходят разнообразные афферентные пути.

Дно III желудочка формирует группа структур, которые объединяют под названием гипоталамуса (подбугорья). Гипоталамус содержит большое количество ядер и является центром регуляции висцеральных функций организма (см. разд. 3.7.3).

3.7.2. Морфофункциональная организация таламуса

Нервные клетки таламуса группируются в большое количество ядер (до 40), которые топографически разделяют на переднюю, заднюю, срединную, медиальную и латеральную группы. По функции таламические ядра можно дифференцировать на специфические, неспецифические, ассоциативные и моторные.

В специфических, или проекционных, ядрах таламуса происходит синаптическое переключение сенсорной информации с аксонов восходящих афферентных путей на следующие, конечные нейроны, отростки которых идут в соответствующие сенсорные проекционные области коры больших полушарий. Повреждение специфических ядер приводит к необратимому выпадению определенных видов чувствительности. Эти экспериментальные факты свидетельствуют о том, что специфические ядра являются передаточной станцией на пути афферентных импульсов от периферических рецепторов к коре больших полушарий.

Среди основных проекционных ядер таламуса можно выделить заднее вентральное ядро, которое является специфическим ядром соматосенсорной системы. Оно разделяется на две части - заднелатеральное вентральное ядро, к которому подходят восходящие волокна спинно-таламического тракта и системы медиальной петли, несущие информацию от кожных рецепторов туловища, проприоцепторов мышц и суставного аппарата, и заднемедиальное вентральное ядро, к которому подходят соответствующие пути от ядер тройничного нерва, осуществляющего иннервацию лицевой части головы.

Микроэлектродные исследования нейронов заднего вентрального (вентро-базального) комплекса показали, что данное ядро, как и прочие специфические ядра, организовано по топическому принципу. Суть этого принципа состоит в том, что каждый нейрон активируется раздражением рецепторов определенного участка кожи, причем смежные участки туловища проецируются на смежные части вентробазального комплекса.

Специфичность данных нейронов проявляется также в том, что каждый из них возбуждается одним типом рецепторов. Соматотопический принцип организации сохраняется и на более высоком Уровне в соматосенсорной проекционной области коры больших полушарий (постцентральная извилина), с которой задний вентральный комплекс связан восходящими и нисходящими путями.

Специфическим ядром зрительной сенсорной системы является латеральное коленчатое тело (ЛКТ), составляющее вместе с медиальным коленчатым телом метаталамус и имеющее прямые связи с затылочными (зрительными) проекционными областями коры больших полушарий.

ЛКТ имеет слоистую структуру и организовано также по топическому принципу. Аксоны, идущие в ЛКТ из зрительного тракта, 'распределяются в нем с поразительной четкостью: три слоя ЛКТ связаны с ипсилатеральным (расположенном на той же стороне) глазом, а три остальные - с контрлатеральным. В каждом из слоев ЛКТ аксоны зрительного тракта вступают в синаптический контакт с четко ограниченными группами клеток. Нейроны ЛКТ обладают концентрическими рецептивными полями, центр и периферия которых антагонистичны и по-разному реагируют на изменение освещенности. Рецептивное поле нейрона ЛКТ представляет собой концентрически организованную совокупность рецепторов сетчатки, имеющую либо возбуждающий (при включении света) центр и периферическую тормозную часть, либо, напротив, тормозный центр и возбуждающую данный нейрон ЛКТ периферическую область.

Такая организация рецепторного поля позволяет нейронам ЛКТ хорошо реагировать на контраст при определении границы между темным и светлым и на суммарную яркость светового стимула.

У млекопитающих некоторые нейроны ЛКТ обладают цветоспецифичными рецепторными полями и могут возбуждаться или, наоборот, тормозиться в зависимости от длины волны светового стимула. Таким образом, нейроны ЛКТ, так же как и нейроны сетчатки, принимают участие в анализе зрительной информации. Об этом же свидетельствует наличие тормозных процессов в нейронах ЛКТ, субстратом которых являются цепи отрицательной обратной связи, образованные возвратными коллатералями аксонов этих клеток и промежуточными нейронами, имеющими тормозные окончания. По всей вероятности, возникающие в нейронах ЛКТ тормозные постсинаптические потенциалы служат для подавления следовых эффектов и всех побочных воздействий, которые мешают передаче сигнала через данный канал.

Восходящие пути слуховой системы, идущие из каудальных холмиков и по волокнам латеральной петли, проецируются в специфическое таламическое ядро - медиальное коленчатое тело (МКТ), от которого начинается путь, достигающий первичной слуховой коры в верхней части височных долей.

Медиальное коленчатое тело состоит из мелкоклеточной и крупноклеточной частей и обладает тонотопической специализацией своих нейронов. Так, например, нервные клетки мелкоклеточной части МКТ имеют довольно узкую настройку на восприятие звуков различной высоты и принимают участие в анализе и передаче акустической информации.

Таким образом, таламус является посредником, в котором сходятся все раздражения от внешнего мира (кроме запахов) и, видоизменяясь здесь, направляются к подкорковым и корковым центрам.

В специфические ядра таламуса проецируются афференты не только от экстероцепторов и рецепторов двигательного аппарата. Электрофизиологические исследования показали, что в заднем вентральном комплексе таламуса имеются области проекций блуждающего и чревного нервов, чувствительные волокна которых несут информацию от интероцепторов. В то же время таламус, как надсегментарный центр рефлекторной деятельности, имеет связи

Рис. 3.26 Проекции специфических (а) и неспецифических (б) ядер таламуса в кору больших полушарий

1 - сенсорные афферентные пути, 2 - ретикулярно-таламические пути, 3 - проекционная зона коры, 4 - ассоциативная зона коры.

с гипоталамусом, где сосредоточены главные вегетативные центры. Эти связи характерны для передних ядер таламуса и создают материальную предпосылку для участия этой структуры в системе регуляции висцеральных функций организма.

Следующую функциональную группу ядер таламуса составляют так называемые ассоциативные ядра. В отличие от специфических ядер они не могут быть отнесены к какой-либо одной сенсорной системе и получают афферентные импульсы от специфических проекционных ядер. Три ядра этой группы имеют связи с главными ассоциативными областями коры: ядро подушки связано с ассоциативной зоной теменной и височной коры, заднее латеральное ядро - с теменной корой, дорсальное медиальное ядро - с лобной долей. Четвертое ядро - переднее - имеет связи с лимбической корой больших полушарий. По-видимому, ассоциативные ядра участвуют в высших интегративных процессах, однако их функция изучена еще недостаточно.

К моторным ядрам таламуса относится вентролатеральное ядро, которое имеет вход от мозжечка и базальных ганглиев и одновременно дает

проекции в моторную зону коры больших полушарий. Это ядро включено в систему регуляции движений, и, как показал материал клиники, разрушение некоторых его участков ослабляет симптомокомплекс болезни Паркинсона.

Наконец, последнюю большую группу ядер таламуса образуют неспецифические ядра, которые функционально связаны с ретикулярной формацией ствола. К числу этих ядер относится медианная и внутрипластинчатая группы ядер таламуса, которые получают афферентные входы от волокон, восходящих из ретикулярной формации и, кроме того, имеет двусторонние связи со специфическими ядрами таламуса. В отличие от специфических ядер с локальными проекциями в коре филогенетически более древние неспецифические ядра обнаруживают диффузные проекции во все области коры (рис. 3.26). Этой структурной особенностью обусловлены их название и функция, которая состоит в регуляции возбудимости и электрической активности корковых нейронов.

Доказательства влияния неспецифических ядер таламуса на кору впервые были получены американскими исследователями Э. Демпси и Р. Моррисоном в 1942 г. Они показали, что при электрическом раздражении неспецифических ядер с ритмом 6-12 имп/с почти на всей поверхности коры ипсилатерального полушария регистрируются постепенно увеличивающиеся по амплитуде негативные волны, очень сходные с ?-ритмом электроэнцефалограммы. Эти негативные волны появляются с латентным периодом 25 мс и более на 2-3-й стимул, достигают максимальной амплитуды на 5-6-й стимул, а затем начинают постепенно уменьшаться вплоть до полного исчезновения. Если раздражение продолжается, то негативные волны появляются вновь в такой же последовательности. Эта электрофизиологическая реакция была названа рекрутирующим ответом, или реакцией вовлечения.

В отличие от первичных ответов, которые регистрируют при раздражении специфических ядер, реакция вовлечения характеризуется большим латентным периодом, нарастанием и снижением амплитуды и отсутствием локальности или диффузностью вне связи с какой-либо специфической областью коры.

Дальнейший анализ этого электрофизиологического феномена показал, что периодическое увеличение и уменьшение негативных волн реакции вовлечения обусловлено лучшей или худшей синхронизацией активности таламических и корковых нейронов, а также суммацией постсинаптических потенциалов в большем или меньшем количестве нейронов. Уровень синхронизации может определяться динамикой возбуждающих и тормозных процессов при таламо-кортикальных циклических взаимодействиях.

Наличие этих взаимодействий используют для объяснения природы ритмической активности коры больших полушарий и, в частности, происхождения ?-ритма электроэнцефалограммы (см. разд. 3.11.1).

При сопоставлении функций специфических и неспецифических ядер таламуса возникает резонный вопрос о взаимодействии этих двух систем, которые могут влиять на одни и те же нейроны коры больших полушарий. Как показали электрофизиологические исследования, восходящие влияния неспецифических ядер таламуса проявляются не в вызове разряда коркового нейрона, а в изменении его возбудимости. Неспецифические влияния из таламуса, повышая возбудимость корковых нейронов, облегчают их деятельность, при этом ответы корковых нейронов на импульсы, приходящие из специфических проекционных ядер, усиливаются. Вместе с тем неспецифические влияния могут иметь и противоположный знак и обнаруживать угнетающее действие на разряды корковых нейронов.

Существует точка зрения, что неспецифические ядра включены в восходящую активирующую систему и являются посредниками между корой и ретикулярной формацией ствола, которая получает информацию от всех органов чувств. Таким образом, неспецифические ядра передают активирующие влияния ретикулярной формации и участвуют в поддержании оптимального тонуса коры. Однако эта точка зрения не является общепризнанной, и некоторые исследователи рассматривают ретикулярную формацию и неспецифические ядра таламуса как две раздельные системы, контролирующие возбудимость корковых нейронов.

Было бы упрощением рассматривать таламокортикальные взаимодействия, как односторонние. Кора, в свою очередь, может оказывать тормозные и облегчающие влияния на таламические ядра. Эти влияния могут распространяться на специфические ядра по прямым кортикоталамическим путям и на неспецифические через кортикоретикулоталамические связи. Так, например, раздражение сенсомоторной зоны коры угнетает на длительное время возникновение реакции вовлечения. Эти факты свидетельствуют о наличии между таламусом и корой больших полушарий двусторонних циклических связей, которые играют важную роль в интегративной деятельности мозга. Не случайно таламокортикальная система связана с регуляцией таких физиологически важных состояний, как смена сна и бодрствования, сохранение сознания, развитие процессов внутреннего торможения.

3.7.3. Гипоталамус

Гипоталамус - филогенетически старый отдел промежуточного мозга, который играет важную роль в поддержании постоянства внутренней среды и обеспечении интеграции функций автономной, эндокринной, соматической систем. Этот небольшой по объему, но важный по функциям отдел лежит на дне и по бокам III желудочка, вентральное таламуса. Он включает в себя такие анатомические структуры, как серый бугор, воронку, которая заканчивается

Рис. 3.27 Расположение основных ядерных групп гипоталамуса 1 - паравентрикулярное ядро, 2 - спайка, 3 - свод, 4 - мозолистое тело, 5 - таламус, 6 - шишковидное тело, 7 - водопровод, 8 - средний мозг, в - заднее ядро, 10 - сосцевидное тело, 11 - дорсомедиальное ядро, 12 - латеральное ядро, 13 - вентромедиальное ядро, 14 - нейрогипофиз, 16 - аденогипофиз, 16 - зрительный перекрест, 17 - супраоптическое ядро.

гипофизом, и сосцевидные, или мамиллярные, тела. Верхнюю границу гипоталамуса формируют конечная пластинка и зрительный перекрест (рис. 3.27). Сбоку гипоталамус ограничен зрительным трактом и внутренней капсулой, а сзади примыкает к среднему мозгу.

В нейрональной сети гипоталамуса можно выделить несколько десятков ядер, которые топографически подразделяются на пять групп. Предоптическая группа, наиболее близкая к конечному мозгу, состоит из перивентрикулярного, медиального и латерального предоптических ядер. Передняя группа включает супрахиазматическое, супраоптическое и паравентрикулярное ядра. Отростки нейронов двух последних четко отграниченных ядер идут к задней доле гипофиза - нейрогипофизу. Средняя группа ядер гипоталамуса образована вентромедиальным и дорсомедиальным ядрами. В состав наружной группы входят латеральное гипоталамическое и серобугорное ядра. И наконец, задняя группа сформирована из заднего гипоталамического ядра, перифорникального ядра и нескольких ядер сосцевидного тела.

Большинство ядер гипоталамуса имеют плохо очерченные границы и, за малым исключением (супраоптическое и паравентрикулярное ядра), их трудно рассматривать как центры с узкой локализацией специфических функций. Более перспективным является деление гипоталамуса на области и зоны, обладающие определенной функциональной спецификой. Так, например, некоторые ядра предоптической и передней групп объединяются в гипофизотропную область, нейроны которой продуцируют так называемые рилизинг-факторы, (либерины) и ингибирующие факторы (статины), регулирующие деятельность передней доли гипофиза - аденогипофиза.

Срединная группа ядер формирует медиальный гипоталамус, где имеются своеобразные нейроны-датчики, реагирующие на различные изменения внутренней среды организма (температуру крови, водно-электролитный состав плазмы, содержание гормонов в крови). Посредством нервных и гуморальных механизмов медиальный гипоталамус управляет деятельностью гипофиза.

Латеральный гипоталамус представляет собой безъядерную зону, в которой сосредоточены проводниковые элементы (медиальный пучок переднего мозга), формирующие пути к верхним и нижним отделам стволовой части мозга. Нервные клетки в латеральном гипоталамусе расположены диффузно. В целом гипоталамус как важный интегративный центр имеет богатые афферентные и эфферентные связи с различными отделами мозга.

Через систему волокон дорсального продольного пучка (Шютца) гипоталамус получает афферентный вход от ретикулярной формации среднего мозга. Параллельно этому каналу афферентные импульсы от среднего мозга могут поступать в гипоталамус по сосцевидно-покрышечному пучку. Гипоталамус обладает двусторонними связями с таламусом и через передние таламические ядра - с корой больших полушарий. Афферентный вход от лимбической системы мозга осуществляется через медиальный пучок конечного мозга, проходящий в латеральном гипоталамусе.

Паллидо-гипоталамический путь связывает гипоталамус с базальными ганглиями переднего мозга. Кроме того, афферентные входы гипоталамуса дополняются непрямыми мозжечково-гипоталамическими и ваго-супраоптическими связями. Наличие последних подтверждается и электрофизиологическими данными о представительстве в гипоталамусе висцеральной афферентации, приходящей по чувствительным волокнам блуждающего и чревных нервов.

Основные эфферентные связи гипоталамуса с вегетативными и соматическими ядрами головного и спинного мозга осуществляются через полисинаптические пути ретикулярной формации ствола.

Эти пути дополняются короткими эфферентными путями, идущими в таламус и через его посредство далее в кору больших полушарий. В системе мозгового свода проходят эфферентные волокна от гипоталамуса в лимбическую кору. Через сосцевидно-покрышечный пучок эфферентная импульсация от гипоталамуса может достигать среднего мозга. Особо выделяется мощный пучок нисходящих волокон, идущих от супраоптического ядра гипоталамуса в нейрогипофиз.

Таким образом, сама структурная организация гипоталамуса свидетельствует о функциональной значимости этого отдела головного мозга. Вместе с тем эта организация настолько сложна, что в вопросе об основных принципах ее построения еще остается много загадочного.

3.7.4. Роль гипоталамуса в регуляции вегетативных функций

Исследование вегетативных и соматических реакций, вызванных локальным электрическим раздражением различных областей гипоталамуса, позволило В. Гессу (1954) выделить в этом отделе мозга две функционально дифференцированные зоны. Раздражение одной из них - задней и латеральной областей гипоталамуса - вызывает типичные симпатические эффекты', расширение зрачков, подъем кровяного давления, увеличение частоты сердечных сокращений, прекращение перистальтики кишечника и т. д. Разрушение данной зоны, напротив, приводило к длительному снижению тонуса симпатической нервной системы и контрастному изменению всех перечисленных выше показателей. Гесс назвал область заднего гипоталамуса эрготропной и допустил, что здесь локализованы высшие центры симпатической нервной системы.

Другая зона, охватывающая предоптическую и переднюю области гипоталамуса, получила название трофотропной, так как при ее раздражении наблюдались все признаки общего возбуждения парасимпатической нервной системы, сопровождавшиеся реакциями, направленными на восстановление и сохранение резервов организма.

Однако дальнейшие исследования показали, что гипотеза о наличии двух антагонистических зон гипоталамуса является слишком обобщенной и не может объяснить различные функции этого Отдела мозга. Так были получены факты, противоречащие узкой локализации симпатических и парасимпатических центров в гипоталамусе. Оказалось, что сосудосуживающий эффект может быть получен при раздражении и задней, и передней областей гипоталамуса и, следовательно, симпатические нейроны присутствуют в этих обеих областях. Равным образом клетки, которые активируют постганглионарные холинергические сосудорасширяющие нейроны, тоже довольно широко распространены в пределах гипоталамуса (см. разд. 5.5.3).

Детальное исследование изменений в сердечно-сосудистой системе показало, что локальное раздражение определенных отделов гипоталамуса сопровождается диаметрально противоположными изменениями кровотока в "ядре" и "оболочке" тела. Например, при увеличении кровотока в скелетных мышцах может наблюдаться его снижение в сосудах кожи и органах брюшной полости. При раздражении гипоталамуса возможны не только вегетативные реакции, но и целый ряд соматических эффектов, таких как изменение позы или увеличение частоты дыхания.

Эти факты свидетельствуют о том, что гипоталамус вряд ли является статическим и локальным объединением эрготропной и трофотропной зон. Предпочтительнее представлять себе гипоталамус как важный интегративный центр автономных, соматических и эндокринных функций, который отвечает за реализацию сложных гомеостатических реакций и входит в иерархически организованную систему отделов головного мозга, регулирующих висцеральные функции.

Системность гомеостатических реакций можно продемонстрировать опять-таки на примере регуляции гемодинамики. Известно, что саморегуляция сосудистого тонуса осуществляется за счет функции сосудистого центра продолговатого мозга, который работает как следящая система. Этот уровень интеграции достаточен для осуществления простых рефлекторных реакций в ответ на информацию от баро- и механорецепторов сосудистого русла. Вместе с тем более сложные вазомоторные реакции, связанные, например, с терморегуляцией или локомоторными актами, реализуются с участием гипоталамуса, который связан с сосудистым центром и с сосудодвигательными нейронами спинного мозга.

В то же время сам гипоталамус имеет связи с корой головного мозга, представляющей еще более высокий уровень интеграции. Такие связи обнаружены, например, между корой и латеральной областью гипоталамуса, отвечающей за приспособительные реакции сосудистой системы при физической нагрузке. Очевидно, по этим путям распространяются модулирующие влияния коры на деятельность гипоталамуса.

Таким образом, в регуляцию вегетативных реакций вовлекается целая система центров, представленных на всех уровнях головного мозга. Гипоталамус является одним из уровней данной системы, и это во многом определяет сложность и адаптивный характер регулируемых им вегетативных реакций.

3.7.5. Терморегуляционная функция гипоталамуса

Целый ряд экспериментальных и клинических данных указывает на то, что гипоталамус является интегративным центром терморегуляции (см. разд. 10.4.5). Так, например, перерезка стволовой части мозга у кошки на уровне верхней границы среднего мозга нарушает терморегуляцию и превращает теплокровное животное в холоднокровное. Локальное раздражение задних отделов гипоталамуса показало, что здесь находятся структуры, регулирующие процесс теплопродукции. Эффект от раздражения проявляется в интенсификации обменных процессов, увеличении частоты сердечных сокращений и появлении дрожания скелетной мускулатуры. Разрушение задних отделов гипоталамуса вызывает подавление теплопродукции и снижение температуры тела.

Передние отделы гипоталамуса, в частности паравентрикулярные ядра, ответственны за интеграцию процессов теплоотдачи. Раздражение этой области вызывает расширение кожных сосудов, усиление потоотделения" интенсификацию дыхания. Повреждение переднего гипоталамуса сопровождается нарушением теплоотдачи и повышением температуры организма - гипертермией. При регистрации электрической активности одиночных клеток в переднем гипоталамусе были обнаружены так называемые тепловые нейроны, у которых локальное нагревание вызывает увеличение частоты импульсной активности. Как правило, усиление разрядов этих нейронов предшествует комплексу реакций, увеличивающих теплоотдачу.

Тепловые нейроны переднего гипоталамуса могут быть отнесены к категории внутренних терморецепторов, которые в естественных условиях реагируют на температуру крови и вместе с кожными терморецепторами рефлекторно возбуждают эфферентные нейроны гипоталамуса, контролирующие теплоотдачу на периферии.

3.7.6. Участие гипоталамуса в регуляции поведенческих реакций

Локальные электрические раздражения определенных зон гипоталамуса могут вызывать направленные на выживание особи поведенческие комплексы, которые включают моторные, вегетативные и гормональные компоненты. Так, в заднем гипоталамусе обнаружена область, электрическая стимуляция которой вызывает комплекс реакций, характерных для пищевого поведения: поиск пищи, обильное слюноотделение, усиленная моторика и кровоснабжение кишки, снижение мышечного кровотока.

Показано, что повреждение небольшого участка в латеральном гипоталамусе ведет к полному отказу от пищи (афагия) и воды (адипсия), истощению и гибели животного. Эта зона названа "зоной голода".

Разрушение вентромедиальных ядер гипоталамуса, наоборот, вызывает чрезмерное потребление пищи (гиперфагию) и ожирение. Здесь локализован "центр насыщения", нейроны которого, по всей вероятности, обладают прямой химической чувствительностью к составу крови, зависимому от периодичности питания. Нейроны центра насыщения по мере потребления пищи активируются и через внутригипоталамические тормозные связи подавляют функции центра голода, что" как следствие, вызывает устранение комплекса реакций, связанных с пищевым поведением.

Эта привлекательная гипотеза в целом еще не получила экспериментального подтверждения, так как тормозные взаимодействия между центрами не идентифицированы, да и само понятие центров голода и насыщения является скорее абстрактным, нежели соотнесенным с представлением о четко очерченных анатомических структурах.

Дело в том, что области гипоталамуса, связанные с конкретными поведенческими реакциями, широко перекрываются и зачастую их удаление вызывает содружественные нарушения общего поведения животных. Например, разрушение латерального гипоталамуса помимо афагии ведет еще и к снижению двигательной активности животных, угнетению эмоций, ослаблению устойчивости к стрессу. Эти факты объясняются тем, что при повреждении латерального гипоталамуса нарушаются функции не только одной изолированной системы. Как известно, через латеральный гипоталамус проходят волокна мощного медиального пучка конечного мозга, который связывает между собой базальные отделы переднего мозга, гипоталамус и покрышку среднего мозга. Сюда же от стволовой части мозга подходят восходящие дофаминергические и норадренергические пути, поражение которых вызывает комплекс нарушений, сходных с теми, которые возникают при повреждении латерального гипоталамуса.

Таким образом, латеральный гипоталамус является общим путем, в котором сходятся воздействия разнообразных интегративных систем мозга, и нет ничего удивительного в том, что его повреждение вызывает комплексные нарушения поведенческих реакций.

В связи с этим следует отметить, что в медиальном пучке конечного мозга, так же как и в заднем гипоталамусе, обнаружены зоны, связанные с регуляцией полового поведения. Показано, что крысы с хронически вживленными в эти зоны электродами довольно быстро обучались нажимать на рычаг, который включает электрическое раздражение их собственного мозга. Такое производимое по собственному почину раздражение действует как "вознаграждение". Если животным предоставлялся свободный выбор, то голодные крысы гораздо быстрее устремлялись к рычагу самостимуляции, чем к лежащей рядом пище. Максимальная частота самораздражения достигала 5000 нажатий рычага за 1 ч.

Естественно, что о субъективных ощущениях животных мы ничего не знаем, и вопрос о возможности использовать эксперименты на животных для объяснения человеческих эмоций долгое время оставался спорным. Однако работы, проведенные в условиях нейрохирургической клиники, показали, что раздражение аналогичных участков мозга у людей вызывало чувства радости, удовлетворения, сопровождавшиеся эротическими переживаниями. Очевидно, эти положительные эмоции являются компонентами полового поведения, которое регулируется задним гипоталамусом. Вместе с тем судить о локализации здесь "центра удовольствия" несколько опрометчиво, так как система регуляции полового поведения включает и другие отделы головного мозга, в том числе лимбическую кору.

Материалы клинических данных свидетельствуют о том, что гипоталамус определяет правильную периодичность функций, связанных с размножением. Опухолевые процессы в области гипоталамуса могут вызывать быстрое половое созревание, нарушение менструального цикла, половую слабость и ряд других дисфункций.

Как показали опыты с локальным раздражением, гипоталамус участвует в регуляции агрессивного поведения животных. При раздражении передних отделов гипоталамуса кошка принимает угрожающую позу, оскаливает зубы, шипит и выпускает когти. Эта реакция сопровождается вегетативными компонентами - увеличением частоты сердечных сокращений и пиломоторным эффектом - возбуждением мышц, поднимающих волосы. В связи с тем, что данная реакция не имеет объекта агрессии, она называется ложной яростью.

Иная картина наблюдается при раздражении некоторых латеральных отделов гипоталамуса. В данном случае агрессия имеет четкую направленность против контрольного животного, без лишних движений и агрессивных демонстраций. Эти факты говорят о том, что каждая форма поведения имеет свою эмоциональную окраску, в создании которой гипоталамус как интегративный центр играет существенную роль.

Как регуляторный орган гипоталамус принимает участие в чередовании состояний сна и бодрствования. В клинике при повреждении гипоталамуса описаны случаи перехода в состояние летаргического сна - обездвиженность, понижение обмена веществ, ослабление реакций на внешние раздражители. Сноподобное состояние у животных можно вызвать при электрическом раздражении некоторых зон медиального гипоталамуса. Напротив, задний гипоталамус имеет решающее значение в поддержании состояния бодрствования. Переход от сна к бодрствованию и обратно сопровождается изменением соматических (мышечный тонус) и вегетативных (частота сердечных сокращений, перистальтика кишки) процессов, интеграция которых осуществляется гипоталамусом.

В процессы регуляции гипоталамусом приспособительных поведенческих реакций входит и его участие в поддержании водного баланса организма. Отсутствие воды создает мощное побуждение (мотивацию), направленное на устранение дефицита жидкости. В создании этой мотивации, в появлении чувства жажды участвует гипоталамус, в передней области которого обнаружены нейроны с осморецепторной функцией. Эти нейроны возбуждаются при изменении осмотического давления крови и запускают целый комплекс соматических и эндокринных реакций, направленных на устранение данной мотивации.

Даже это краткое перечисление регуляторных функций гипоталамуса свидетельствует о его важной роли в организации поведения у животных.

Вместе с тем принцип нейронной организации гипоталамуса до сих пор мало исследован и остается загадкой, как такое маленькое образование способно управлять многими системными реакциями организма. Вероятно, исследование структуры и функции нейронных цепей гипоталамуса обеспечит дальнейший прогресс в нашем познавании этого отдела мозга.

3.7.7. Гипоталамо-гипофизарная система

Одной из важнейших функций гипоталамуса является регуляция деятельности гипофиза (см. разд. 6.2). Гипофиз - главная железа внутренней секреции - состоит из передней, задней и промежуточной долей. В процессе эмбриогенеза передняя доля, или аденогипофиз, развивается из выпячивания глотки, а задняя, или нейрогипофиз, формируется из промежуточного мозга. Как передняя, так и задняя доли гипофиза находятся под контролем гипоталамуса, однако механизмы их регуляции различны.

Нейрогипофиз является органом, депонирующим два гормона: антидиуретический (АДГ, вазопрессин) и окситоцин. Как уже упоминалось, местом синтеза этих гормонов являются супраоптическое и паравентрикулярное ядра гипоталамуса. Формируясь в нейросекреторных клетках этих ядер, гормоны в виде гранул транспортируются по их аксонам и после разрушения гранул выделяются в капиллярную сеть нейрогипофиза. Антидиуретический гормон регулирует обратное всасывание воды в почечных канальцах и воздействует на гладкую мускулатуру артериол, повышая таким образом артериальное давление. Окситоцин стимулирует сокращение гладкой мускулатуры матки и молочных желез.

Регуляция секреции обоих гормонов осуществляется по механизму нейрогуморального рефлекса, афферентное звено которого представлено нервными путями от осморецепторов или механорецепторов до гипоталамуса, а эфферентное звено - поступающим в кровяное русло гормоном. Кроме того, регуляция функций молочной железы может осуществляться на первых порах чисто гуморальным путем за счет изменения гормонального фона во время беременности.

Если гормоны задней доли гипофиза продуцируются нейросекреторными клетками гипоталамических ядер, то все гормоны передней доли секретируются клетками самого аденогипофиза. В зависимости от мишеней, на которые направлено их действие, гормоны аденогипофиза подразделяются на гландотропные, влияющие на другие периферические эндокринные железы, и эффекторные, воздействующие непосредственно на ткани. К первой группе относятся кортикотропин (адренокортикотропный гормон, АКТГ) - регулирует секрецию глюкокортикоидов в коре надпочечников; тиреотропный гормон (ТТГ) - стимулирует синтез и секрецию йодсодержащих гормонов щитовидной железы; гонадотропные гормоны - фолликулостимулирующий (ФСГ) и лютеинизирующий (ЛГ) - регулируют деятельность половых желез.

Эффекторные гормоны аденогипофиза представлены соматотропным гормоном (СТГ, гормон роста), регулирующим рост костей, и пролактином, который стимулирует рост молочных желез и секрецию молока. К числу эффекторных гормонов относятся также меланоцитстимулирующий гормон промежуточной доли гипофиза (МСГ, интермедии), являющийся регулятором кожной пигментации.

В 70-е гг. было установлено, что секреторная функция аденогипофиза находится под контролем гипоталамуса. Этот контроль осуществляется нейрогуморальным путем за счет гормонов, выделяемых гипофизотропной зоной гипоталамуса (в медиальном гипоталамусе). Оказалось, что секреция всех известных гормонов аденогипофиза регулируется гипофизотропными гормонами гипоталамуса, которые являются как бы гормонами гормонов. Гипофизотропные гормоны представляют собой пептиды с низкой молекулярной массой (около 4 кДа) и подразделяются на стимулирующие, или так называемые рилизинг-факторы (либерины), и тормозящие секрецию ингибирующие факторы (статины),

Высвобождаясь из нервных окончаний, гипофизотропные гормоны через сосуды гипоталамо-гипофизарной портальной системы попадают в аденогипофиз и там воздействуют на клетки, секретирующие тот или иной тропный гормон. В 1975 г. из гипоталамуса и гипофиза была выделена еще одна группа пептидов - энкефалины и эндорфины, которые оказывают на нервные клетки морфиноподобное действие и, по-видимому, играют существенную роль в регуляции вегетативных процессов и поведения.

Секреция гипофизотропных гормонов гипоталамуса регулируется по принципу отрицательной обратной связи. Установлено, что при повышении содержания в плазме крови гормонов периферических желез внутренней секреции уменьшается поступление соответствущих рилизинг-факторов в портальную гипоталамо-гипофизарную систему и тем самым снижается секреция того или иного тройного гормона аденогипофиза. Параллельно с этим механизмом деятельность гипоталамо-гипофизарной системы может регулироваться и за счет нервных влияний, приходящих от лимбической системы и среднего мозга через латеральный гипоталамус. Так, известно, что при сильных болевых или других стрессорных воздействиях у животных наблюдается усиленное выделение кортикотропина и, наоборот, снижение секреции гонадотропных гормонов. Механизм этой реакции обусловлен изменениями секреции соответствующих рилизинг-факторов, которые вызываются импульсацией, приходящей в гипофизотропную зону гипоталамуса из лимбической коры и среднего мозга. Существует точка зрения, что сигналы от этих центров поступают через дофамин- и норадренергические пути.

Таким образом, за счет нервных влияний секреция аденогипофиза приводится в соответствие с мотивацией и биологической направленностью реакций организма.

3.8. ЛИМБИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Гипоталамус как нервный центр, участвующий в формировании биологических побуждений к действию, или мотиваций, тесно связан с лимбической системой мозга. Под лимбической системой понимают морфофункциональное объединение, которое включает в себя филогенетически старые отделы коры переднего мозга, а также ряд подкорковых структур, которые регулируют функции внутренних органов, обусловливающих эмоциональную окраску поведения и его соответствие имеющемуся субъективному опыту (см. разд. 5.5).

3.8.1. Анатомические структуры лимбической системы

В состав лимбической коры входит древняя кора (палеокортекс), формирующая обонятельный мозг и состоящая из обонятельных луковиц, обонятельного бугорка, прозрачной перегородки и прилежащих областей коры (препириформная, периамигдалярная и диагональная области). Следующий компонент лимбической системы - старая кора (археокортекс), объединяющая сместившийся в процессе эволюции к височной доле гиппокамп, зубчатую извилину, основание гиппокампа (субикулум) и расположенную над мозолистым телом поясную извилину (рис. 3.28).

Древняя и старая кора, которые обозначают как аллокортекс, граничат с пятислойной межуточной корой, или мезокортексом, переходящим непосредственно в шестислойную новую кору - неокортекс, или изокортекс. Мезокортекс формируется прилежащей к древней коре островковой долей и граничащей со старой корой парагиппокампальной извилиной (энториальная область и предоснование гиппокампа, или пресубикулум), которые также включены в состав лимбической системы.

Из подкорковых структур в лимбическую систему входят расположенные в медиальной стенке височной доли миндалевидное тело и ядра перегородки конечного мозга. Многие исследователи причисляют к лимбической системе также переднее таламическое ядро, сосцевидные тела и гипоталамус.

Все многочисленные формирования лимбической коры кольцеобразно охватывают основание переднего мозга и являются своеобразной границей между новой корой и стволовой частью мозга.

Лимбическая система характеризуется обилием двусторонних связей с другими отделами мозга и внутри самой системы. Так, например, установлено наличие мощных связей лимбической системы с гипоталамусом.

Через гипоталамус и сосцевидные тела лимбическая система соединена с центральным серым веществом и ретикулярной формацией среднего мозга.

Рис. 3.28 Расположение лимбической системы в виде кольца по краю неокортекса (А); афферентные и эфферентные связи лимбической системы (Б) 1 - поясная извилина, 2 - мозолистое тело, 3 - центральная борозда, 4 - теменная доля, 5 - шпорная борозда, 6 - затылочная доля, 7 - гиппокамп, 8 - парагиппокампальная извилина, 9 - височная доля, 10 - крючок, 11 - миндалевидное тело, I2 - обонятельная луковица, 13 - передняя спайка, 14 - лобная доля, 16 - передний таламус, 16 - пояс, 17 - свод, 18 - терминальная полоска, 10 - сосцевидное тело, 20 - гипоталамус, 21 - медиальный пучок конечного мозга, 22 - перегородка.

К миндалине и гиппокампу идут пути от височной доли коры, передающие информацию от зрительной, слуховой и соматической сенсорных систем. Установлены связи лимбической системы с лобными долями коры переднего мозга. Наконец, в пределах лимбической системы идентифицированы сложные циклические связи, создающие условия для циркуляции возбуждения по сложным круговым путям. Примером такой циклической связи может служить так называемый круг Папеса (Papez), идущий от гиппокампа через свод - сосцевидное тело - переднее ядро таламуса - кору поясной извилины и пресубикулум обратно к гиппокампу.

Очевидно, сложность связей и внутренней организации лимбической системы свидетельствует об ее участии в интеграции функций новой коры и стволовых образований головного мозга.

3.8.2. Функции лимбической системы

Исследование функции лимбической системы у высших позвоночных началось сравнительно недавно. Длительное время в физиологии существовала точка зрения, что аллокортекс имеет только обонятельную функцию, и это нашло выражение в термине обонятельный мозг. Вместе с тем экспериментальные данные показывают, что помимо обонятельных афферентов в аллокортексе обнаруживаются проекции и других афферентных систем, конвергирующих к одним и тем же нервным структурам. Это и ряд других факторов заставили отказаться от традиционных взглядов и расширить наши представления о функциях древней и старой коры.

В 1937 г. американский невропатолог Дж. Папес выдвинул гипотезу, согласно которой данные структуры мозга образуют единую систему (круг Папеса), ответственную за осуществление врожденных поведенческих актов и формирование эмоций. В 1952 г. другой американский исследователь, П. Маклин, развивая предположения Папеса, ввел понятие лимбическая система, представляя этим термином сложную функциональную систему, обеспечивающую постоянство внутренней среды и контроль видоспецифических реакций, направленных на сохранение вида. Теоретические и практические разработки Папеса и Маклина послужили мощным толчком для дальнейших исследований в этой области.

Эти исследования показали, что локальное раздражение различных отделов лимбической системы вызывает разнообразные вегетативные эффекты и влияет на деятельность внутренних органов (см. разд. 5.5.4). Так, раздражение ядер миндалевидного комплекса приводит к изменениям частоты сердечного ритма, дыхательных движений, сосудистого тонуса. В ряде случаев раздражение миндалин влияет на деятельность пищеварительного тракта, изменяя перистальтику тонкой кишки, стимулируя секрецию слюны, произвольное жевание и глотание. Описано влияние миндалин на сокращения мочевого пузыря, матки, пилоэрекцию и сокращение третьего века. Все эти разнообразные реакции могут иметь различный знак и характеризоваться активацией или угнетением висцеральных функций.

Существуют указания на то, что кортикальные и медиальные ядра миндалевидного комплекса имеют отношение к регуляции пищевого поведения. Однако большей частью попытки связать тип реакции с определенным ядром миндалевидного комплекса не дали четких результатов. Факты указывают скорее на то, что функциональное представительство в миндалевидном комплексе, да и в других структурах лимбической системы (например, в гиппокампе)' не дифференцировано. В некоторых случаях негативные результаты объясняются генерализованным, распространяющимся на соседние участки нервной ткани действием электрических стимулов.

Вместе с тем характер вегетативных реакций, вызванных раздражением различных отделов миндалины, идентичен эффектам при электрической стимуляции гипоталамуса, и это позволяет думать, что регулирующие влияния лимбической системы опосредованы нижележащими вегетативными центрами.

Скорее всего, изменяя в ту или иную сторону возбудимость гипоталамических центров, лимбическая система определяет знак соответствующей вегетативной реакции. Так формируется многоэтажная, построенная по иерархическому принципу система управления вегетативной сферой, интегрирующая вегетативные и соматические реакции.

Как известно, эмоциональная окраска поведенческих реакций определяется не только вегетативными компонентами, но и соответствующими эндокринными сдвигами. В этом плане представляют интерес данные о влиянии лимбической системы на деятельность желез внутренней секреции. Установлено, что длительное (60 мин) раздражение ядер миндалевидного комплекса у обезьян вызывает повышение содержания кортикостероидов в плазме крови. Низкочастотная (12-36 имп/с) стимуляция гиппокампа, напротив, уменьшает содержание кортикостероидов, которые выделяются надпочечниками при нанесении стрессорных раздражителей. Очевидно, нисходящие влияния этих структур лимбической системы на гипоталамус, а через него на гипофиз изменяют продукцию кортикотропина, который регулирует секрецию кортикостероидов.

Таким образом, изменяя гормональный фон, лимбическая система в естественных условиях может участвовать в формировании побуждений к действию (мотиваций) и регулировать реализацию самих действий, направленных на устранение побуждения, усиливая или ослабляя эмоциональные факторы поведения.

3.8.3. Роль лимбической системы в формировании эмоций

Сведения об участии различных отделов лимбической системы в формировании эмоций неоднозначны. Наибольшее их количество относится к роли миндалевидного комплекса и поясной извилины в этих процессах. При локальном электрическом раздражении ядер миндалевидного комплекса могут быть получены эмоциональные реакции типа страха, гнева, ярости и агрессии. Двустороннее удаление височных долей вместе с миндалиной и гиппокампом вызывает у макак-резусов целый ряд сдвигов в эмоциональной сфере. Как правило, агрессивные обезьяны после этой операции становятся спокойными и доверчивыми. У животных наблюдается гиперорализм, когда все незнакомые предметы без разбора заталкиваются в рот.

Удаление височных долей вызывает у обезьян гиперсексуальность, причем их половая активность может быть направлена даже на неодушевленные предметы. Наконец, послеоперационный синдром сопровождается так называемой психической слепотой. Животные утрачивают способность правильной оценки зрительной и слуховой информации, и эта информация никак не связывается с собственным эмоциональным настроем обезьян. Так, макаки без разбора исследуют все, даже опасные для себя предметы. Возникновение психической слепоты связывают с послеоперационным нарушением передачи сенсорной информации от височной доли к гипоталамусу. Эта точка зрения подкрепляется электрофизиологическими данными, свидетельствующими о том, что различные сенсорные раздражения изменяют частоту импульсной активности нейронов миндалевидного комплекса, который, очевидно, участвует в оценке поступающей из внешней среды информации.

Согласно теории Папеса, сенсорные пути на уровне таламуса расходятся, причем один путь идет в проекционные зоны коры, где обеспечивается восприятие, а второй - в лимбическую систему.

Вероятно, в этой системе происходит оценка поступающей информации, ее сопоставление с субъективным опытом и запуск соответствующих эмоциональных реакций через гипоталамические структуры. Информация об аффективном состоянии организма может поступать от стволовых структур в неокортекс либо прямо от миндалевидного комплекса, либо через поясную извилину, которая связана с лобными, теменными и височными долями коры полушарий большого мозга. Вероятно, эти пути связаны с восприятием эмоционального фона, однако детальные механизмы этого восприятия еще нуждаются в разработке.

Как уже отмечалось, лимбическая система принимает участие в запуске тех эмоциональных реакций, которые уже апробированы в ходе жизненного опыта. В этом плане привлекают внимание исследования, констатирующие участие лимбической системы в процессах сохранения памяти. Так, например, удаление гиппокампа (аммонова рога) (От греч. hippokampos - мифическое чудовище с туловищем коня и рыбьим хвостом.) вызывает у людей полное выпадение памяти на недавние события. Электрическое раздражение парагиппокампальной извилины во время нейрохирургических операций может сопровождаться появлением мимолетных воспоминаний. Двустороннее удаление гиппокампа у обезьян и крыс приводит к нарушению способности выполнять ту или иную последовательность поведенческих актов. Описанные факты привели к заключению, что гиппокамп играет определенную роль в процессах памяти, и послужили толчком для дальнейших исследований этой структуры.

Оказалось, что для строения гиппокампа характерно наличие четко отграниченных слоев с преимущественным расположением в них либо тел, либо отростков нервных клеток. Нейронные цепи гиппокампа представляют собой стереотипные микросети, которые состоят из возбуждающих волокон энториальной коры, клеток-зерен и пирамидных клеток с аксонами, идущими через свод к перегородке. Аксоны пирамидных клеток образуют коллатерали, направляющиеся к нейронам других частей гиппокампа.

Такая стереотипная слоистая структура гиппокампа делает его очень удобным объектом для изучения функции нейронных сетей на перфузируемых срезах мозга. Электрофизиологические исследования срезов и тотальных препаратов гиппокампа показали, что для этой структуры характерны периодически низкочастотные (4-5 в 1 с) электрические колебания - ? (тета)-ритм. Эти колебания сопряжены с правильным чередованием возбуждающих и тормозных постсинаптических потенциалов пирамидных клеток гиппокампа и, вероятно, отражают синхронизацию деятельности его нейронных элементов.

Способность генерировать ритмическую активность, по всей видимости, зависит от упорядоченной слоистой структуры гиппокампа, которая создает условия для циркулирования возбуждения по нейронным цепям, лежащего в основе одного из нейронных механизмов памяти.

Об участии гиппокампа в процессах консолидации памяти свидетельствуют также изменения свойств его нейрональных синапсов после тетанической стимуляции. При высокочастотной стимуляции энториальной области коры кролика наблюдается длительное, достигающее нескольких часов, а иногда даже дней, возрастание амплитуды синаптических потенциалов клеток-зерен гиппокампа. В дальнейшем при микроэлектродном исследовании толстых срезов гиппокампа было установлено, что изменение эффективности синаптического проведения после тетанической стимуляции обусловлено повышением секреции медиатора из пресинаптических окончаний. Параллельные электронно-микроскопические исследования показали, что после тетанической стимуляции наблюдалось увеличение числа шипиков на дендритах нейронов гиппокампа.

Эти факты убеждают в том, что пластичность нейронных цепей гиппокампа является предпосылкой его участия в формировании нейронных механизмов памяти. Однако было бы упрощением считать гиппокамп единственным хранилищем следов памяти у позвоночных. Пластичность является весьма распространенным свойством нейронов, и поэтому большинство исследователей склоняются к тому, что функция памяти не является прерогативой какой-либо одной структуры, а обусловлена содружественными действиями многих центров головного мозга. Существенным звеном в этой системе являются связи гиппокампа с неокортексом.

Функциональная роль этих связей подтверждается физиологическими экспериментами. При одновременной регистрации электрической активности гиппокампа и неокортекса наблюдаются реципрокные взаимоотношения между ними. Когда в гиппокампе возникает медленноволновый ?-ритм, в неокортексе доминирует высокочастотная низкоамплитудная активность и, наоборот, медленноволновой активности энцефалограммы соответствует высокочастотная активность гиппокампа.

Наиболее выраженное усиление ?-ритма в гиппокампе обнаруживается на начальных стадиях выработки условного рефлекса и сочетается с состоянием настороженности и сосредоточения внимания при формировании ориентировочной реакции.

Удаление гиппокампа у животных нарушает процессы внутреннего торможения и снижает способность к угашению потерявших свое адаптивное значение условнорефлекторных реакций. Одновременно затрудняется упрочение условного рефлекса в связи с резким усилением ориентировочной реакции. Следовательно, гиппокамп, как, впрочем, и другие структуры лимбической системы, существенно влияет на функции неокортекса и на процессы научения. Это влияние осуществляется в первую очередь за счет создания эмоционального фона, который в значительной степени отражается на скорости образования любого условного рефлекса.

Таким образом, лимбическую систему как одно из наиболее древних образований мозга нельзя считать простым атавизмом. Это важный отдел головного мозга, функционально связанный с неокортексом и стволовыми структурами, образующими вместе систему координации висцеральных и соматических функций организма.

3.9. БАЗАЛЬНЫЕ ЯДРА И ИХ ФУНКЦИИ

Базальные ядра, названные гистологами прошлого века ганглиями, представляют собой структуры ядерного типа, которые располагаются в толще белого вещества переднего мозга ближе к его основанию. У млекопитающих к базальным ядрам относятся сильно вытянутое в длину и изогнутое хвостатое ядро и заложенное в толще белого вещества чечевицеобразное ядро. Двумя белыми пластинками оно подразделяется на три части: наиболее крупную, лежащую латерально скорлупу, и бледный шар, состоящий из внутреннего и внешнего отделов (рис. 3.29).

Рис. 3.29 Афферентные и эфферентные связи базальных ядер 1 - хвостатое ядро, 2 - скорлупа, 3 - черное вещество, 4 - таламус, 5, 5* - внутренний и внешний отделы бледного шара, 6 - субталамическое ядро, 7 - сенсомоторная кора, 8 - двигательная кора, 9 - пути к стволовой части мозга; стрелками обозначены афферентные пути, эфферентные пути, межъядерные взаимодействия.

Эти анатомические образования формируют так называемую стриопаллидарную систему (От лат. striatus - полосатый и pallidus - бледный.), которая по филогенетическим и функциональным критериям разделяется на древнюю часть палеостриатум и новую - неостриатум. Палеостриатум представлен бледным шаром, а неостриатум, появляющийся впервые у рептилий, состоит из хвостатого ядра и скорлупы, которые объединяются под названием полосатого тела, или стриатума. Хвостатое ядро и скорлупа связаны анатомически и характеризуются чередованием белого и серого вещества, что оправдывает возникновение термина полосатое тело.

К стриопаллидарной системе часто относят также субталамическое ядро (люисово тело) и черное вещество среднего мозга, которые образуют с базальными ядрами функциональное единство. Полосатое тело состоит главным образом из мелких клеток, аксоны которых направляются к бледному шару и черному веществу среднего мозга.

Полосатое тело является своеобразным коллектором афферентных входов, идущих к базальным ядрам. Главными источниками этих входов служат новая кора (преимущественно сенсомоторная), неспецифические ядра таламуса и дофаминергические пути от черного вещества.

В противоположность полосатому телу бледный шар состоит из крупных нейронов и является сосредоточением выходных, эфферентных путей стриопаллидарной системы. Аксоны локализованных в бледном шаре нейронов подходят к различным ядрам промежуточного и среднего мозга, в том числе и к красному ядру, где начинается красноядерно-спинномозговой путь экстрапирамидной системы двигательной регуляции.

Другой важный эфферентный путь идет от внутреннего отдела бледного шара к передневентральному и вентролатеральному ядрам таламуса, а оттуда продолжается к двигательным областям коры головного мозга. Наличие этого пути обусловливает многозвенную петлеобразную связь между сенсомоторными и двигательными областями коры, которая осуществляется через полосатое тело и бледный шар к таламусу. Примечательно, что в составе этого стриопаллидоталамокортикального пути базальные ядра выполняют роль афферентного звена по отношению к моторным областям коры головного мозга. Многочисленные связи стриопаллидарной системы с различными отделами мозга свидетельствуют об ее участии в процессах интеграции, однако до настоящего времени в знании о функциях базальных ядер остается много невыясненного.

Базальные ядра играют важную роль в регуляции движений и сенсомоторной координации. Известно, что при повреждении полосатого тела наблюдается атетоз - медленные червеобразные движения кистей и пальцев рук.

Дегенерация клеток этой структуры вызывает также другое заболевание - хорею, выражающуюся в судорожных подергиваниях мимических мышц и мускулатуры конечностей, которые наблюдаются в покое и при выполнении произвольных движений. Однако попытки выяснить этиологию этих явлений в экспериментах на животных не дали результатов. Разрушение хвостатого ядра у собак и кошек не приводило к возникновению гиперкинезов, характерных для описанных выше заболеваний.

Локальное электрическое раздражение некоторых участков полосатого тела вызывает у животных так называемые циркуляторные двигательные реакции, характеризующиеся поворотом головы и туловища в сторону, противоположную раздражению. Стимуляция других участков полосатого тела, напротив, приводит к торможению двигательных реакций, вызванных различными сенсорными раздражениями.

Наличие определенных расхождений между данными эксперимента и клиники, по-видимому, свидетельствует о возникновении системных нарушений механизмов регуляции движений при патологических процессах в базальных ядрах. Очевидно, эти нарушения связаны с изменениями функции не только полосатого тела, но и других структур.

В качестве примера можно рассмотреть возможный патофизиологический механизм возникновения паркинсонизма. Этот синдром связан с повреждением базальных ядер и характеризуется комплексом таких симптомов, как гипокинезия - малая подвижность и затруднения при переходе от покоя к движению; восковидная ригидность, или гипертонус, независящий от положения суставов и фазы движения; статический тремор (дрожание), наиболее выраженный в дистальных отделах конечностей.

Все эти симптомы обусловлены гиперактивностью базальных ядер, которая возникает при повреждении дофаминергического (по всей вероятности, тормозного) пути, который идет от черного вещества к полосатому телу. Таким образом, этиология паркинсонизма обусловлена дисфункцией полосатого тела и структур среднего мозга, которые функционально объединены в стриопаллидарную систему.

Для выяснения роли базальных ядер в осуществлении движений успешно используют данные микроэлектродных исследований. Эксперименты на обезьянах показали наличие корреляции между разрядами нейронов полосатого тела и медленными, направленными из стороны в сторону червеобразными движениями лапы. Как правило, разряд нейрона предшествует началу медленного движения, а при быстрых "баллистических" движениях он отсутствует. Эти факты позволяют заключить, что нейроны полосатого тела участвуют в генерации медленных движений, подвергающихся коррекции со стороны сенсорной обратной связи. Базальные ядра представляют собой один из уровней построенной по иерархическому принципу системы регуляции движений.

Получая информацию от ассоциативных зон коры, базальные ядра участвуют в создании программы целенаправленных движений с учетом доминирующей мотивации. Далее соответствующая информация от базальных ядер поступает в передний таламус, где она интегрируется с информацией, приходящей от мозжечка. Из таламических ядер импульсация достигает двигательной коры, которая отвечает за реализацию программы целенаправленного движения через посредство нижележащих стволовых и спинальных двигательных центров. Так в общих чертах можно представить место базальных ядер в целостной системе двигательных центров мозга.

3.10. КОРА БОЛЬШИХ ПОЛУШАРИЙ

3.10.1. Морфофункциональная организация коры больших полушарий

Полушария большого мозга состоят из белого вещества, покрытого снаружи серым, или корой, толщина которой в различных отделах больших полушарий колеблется от 1,3 до 4,5мм. Кора представляет собой филогенетически наиболее молодой и вместе с тем сложный отдел мозга, предназначенный для обработки сенсорной информации, формирования двигательных команд и интеграции сложных форм поведения. Бурный рост неокортекса у высших позвоночных в ограниченном объеме черепа сопровождается образованием многочисленных складок, увеличивающих общую площадь коры, которая у человека составляет 2200 см2. На этом пространстве сконцентрировано 109-1010 нейронов и еще большее количество глиальных клеток, выполняющих ионорегулирующую и трофическую функции. Образующие кору нейроны по своей геометрии и функции подразделяются на несколько групп. Одну группу составляют варьирующие по размеру пирамидные клетки. Они ориентированы вертикально по отношению к поверхности коры и имеют тело треугольной формы (рис. 3.30). От тела пирамидной клетки вверх отходит длинный Т-образно ветвящийся апикальный дендрит, а вниз от основания нейрона - аксон, который либо покидает кору в составе нисходящих путей, либо направляется к другим зонам коры. Апикальные и более короткие базальные дендриты пирамидных клеток густо усеяны мелкими (до 3 мкм) выростами - шипиками, каждый из которых представляет собой область синаптического контакта.

Другая группа корковых нейронов представлена более мелкими звездчатыми клетками. Эти клетки имеют короткие сильно ветвящиеся дендриты и аксоны, формирующие внутрикорковые связи. Дендриты звездчатых клеток также могут быть снабжены шипиками, которые в процессе онтогенетического развития у человека появляются только к моменту рождения.

Наконец, третья группа корковых нейронов включает в себя веретеновидные клетки, имеющие длинный аксон, который ориентирован в горизонтальном или вертикальном направлении. В связи с тем что тела и отростки описанных выше нейронов имеют упорядоченное расположение, кора построена по экранному принципу и у млекопитающих в типичном случае гистологически состоит из шести горизонтальных слоев (рис. 3.31).

Самый наружный молекулярный слой слагается из густого сплетения нервных волокон, лежащих параллельно поверхности корковых извилин. Основную массу этих волокон составляют ветвящиеся апикальные дендриты пирамидных клеток нижележащих слоев. Сюда же в наружный слой приходят афферентные таламокортикальные волокна от неспецифических ядер таламуса, регулирующих уровень возбудимости корковых нейронов.

Второй слой - наружный зернистый - состоит из большого количества мелких звездчатых клеток, которые в вентральной части слоя дополняются малыми пирамидными клетками.

Третий слой - наружный пирамидный - формируется из пирамидных клеток средней величины. Функционально второй и третий слои коры объединяют нейроны, отростки которых обеспечивают корково-корковые ассоциативные связи.

Четвертый слой - внутренний зернистый - содержит множество звездчатых клеток (клеток-зерен), обусловливающих его гранулярную структуру. В этом слое преимущественно оканчиваются афферентные таламо-корковые волокна, идущие от специфических (проекционных) ядер таламуса.

Рис. 3.30 Структурный микромодуль сенсомоторной коры

III-VI - корковые слои; 1 - интернейроны, 2 - афферентный вход, контактирующий с интернейроном, 3 - афферентный вход, образующий терминала на пирамидных нейронах, 4 - возвратная коллатераль аксона, вступающая в контакт с тормозным интернейроном, 5 - пучок аксонов, выходящий за пределы колонки, 6 - возвратная коллатераль, обеспечивающая облегчающие влияния в пределах модуля. 7 - корково-спинномозговые пирамидные клетки, 8 - корково-красноядерная пирамидная клетка.

Рис. 3.31 Шестислойное строение коры большого мозга

Пятый слой - внутренний пирамидный - образован крупными пирамидными клетками. Наиболее крупные пирамидные нейроны - гигантские клетки Беца - встречаются в прецентральной извилине, занятой моторной зоной коры больших полушарий. Аксоны этих эфферентных корковых нейронов формируют корково-спинномозговой (пирамидный) и корково-бульбарный пути, участвующие в координации целенаправленных двигательных актов и позы.

И наконец, шестой слой - мультиформный, или слой веретеновидных клеток, переходящий непосредственно в белое вещество больших полушарий. Этот слой содержит тела нейронов, чьи отростки формируют корково-таламические пути.

Такой шестислойный план строения характерен для всего неокортекса (рис. 3.32). Однако выраженность отдельных слоев в различных областях коры не одинакова. Учитывая эту особенность, немецкий нейроморфолог К. Бродман по гистологическим признакам, в частности по плотности расположения и форме нейронов, разделил всю кору на 11 областей и 52 цитоархитектонических поля (рис. 3.33). Позднее были разработаны функциональные принципы классификации различных зон коры. При этом оказалось, что зоны, выделенные на основании их функциональных и нейрохимических особенностей, в известной степени соответствуют цитоархитектоническому разделению коры на поля.

Рис. 3.32 Сильно упрощенная схема нейронов, их сетей, афферентных и эфферентных связей в различных слоях коры большого мозга

А - локализация и форма двух основных типов корковых нейронов; В - корково-корковые входы и выходы (ассоциативные а комиссуральные волокна); В - таламо-корковые (неспецифичные и специфичные) и корково-таламические связи; Г - синаптические входы пирамидной клетки, аксон которой идет к субталамическим отделам (стволу мозга и спинному мозгу); Д - обобщенная схема корковых контуров.

Так, например, при сравнении наиболее изученных сенсорных и моторных зон коры оказалось, что в первых наружный пирамидный слой выражен слабо и доминируют зернистые слои, где оканчиваются сенсорные афференты (гранулярная кора). И напротив, в моторных зонах коры зернистые слои развиты плохо (агранулярная кора), а пирамидные слои превалируют.

Таким образом, функциональная специализация накладывает определенный отпечаток на структуру сенсорных и моторных зон коры, и выделение этих областей по различным системам классификации не случайно.

3.10.2. Проекционные зоны коры

Использование методов удаления и раздражения отдельных зон коры позволило идентифицировать ее моторные (мотосенсорные) области. Важнейшая двигательная область коры локализована в предцентралъной извилине (поля 4 и б, по Бродману), лежащей кпереди от центральной (роландовой) борозды, которая отделяет лобную долю от теменной (рис. 3.34). Слабое электрическое

Рис. 3.33 Цитоархитектоническая карта коры головного мозга человека по Бродману

А- верхнелатеральная поверхность; Б - медиальная поверхность.

раздражение конкретных точек предцентральной извилины вызывает сокращение определенных групп мышц на противоположной стороне тела.

В 30-х гг. XX столетия У. Пенфилд, базируясь на результатах, полученных во время нейрохирургических операций, установил наличие правильной пространственной проекции соматических мышц различных отделов тела на двигательную область коры. Обнаружив соматотопическую организацию двигательной коры, У. Пенфилд отметил, что зоны, управляющие движениями кистей рук и мимической мускулатурой лица, являются наиболее обширными и характеризуются самым низким порогом. В дальнейшем на медиальной поверхности полушария рядом с этой первичной моторной областью была обнаружена еще одна двигательная область и, таким образом, было показано множественное представительство периферических образований в нескольких двигательных зонах коры. В связи с тем, что эти области помимо моторного выхода из коры имеют самостоятельные сенсорные входы от кожных и мышечных рецепторов, они были названы первичной и вторичной мотосенсорной корой (МсI и McII).

Рис. 3.34 Упрощенная карта разделения латеральной коры головного мозга на функциональные поля по Клайсту

Цифрами обозначены цитоархитектонические поля Бродмана (см. рис. 3.33).

Последующие экспериментальные исследования показали, что в лежащей позади центральной (роландовой) борозды постцентральной извилине (поля 1, 2, 3) находится первая соматосенсорная (сенсомоторная) область, куда через специфические ядра таламуса приходят афферентные проекции от рецепторов кожи и двигательного аппарата (см. рис. 3.33). Так же как и в двигательной коре, эти проекции имеют соматотопическую организацию, причем близкие друг от друга точки на поверхности тела имеют представительство в соседних участках постцентральной извилины. Удаление определенных зон постцентральной извилины приводит к утрате дискриминационной чувствительности в тех или иных частях тела. Электрическая стимуляция постцентральной извилины у больных при нейрохирургических операциях (под местным наркозом) вызывает чувство онемения или покалывания в определенных местах поверхности тела.

Кроме первой соматосенсорной области у хищников и приматов обнаружена вторая соматосенсорная область, локализованная вентральное в районе латеральной (сильвиевой) борозды, которая отделяет височную долю от теменной и лобной. Здесь также имеется соматотопическая проекция поверхности тела, однако менее четкая, чем в первой соматосенсорной области. Оказалось, что первая и вторая соматосенсорные области кроме афферентных входов содержат моторные выходы и, следовательно, их правильнее называть первичной и вторичной сенсомоторными зонами (См I и См II).

Следовательно, можно судить о наличии в коре четырех чувствительных областей (См I, См II, МсI и McII), расположенных здесь в порядке убывания их значимости. Равным образом в коре существует четыре двигательные области (McI, McII, СмI, СмII), причем ведущая роль в этом ряду принадлежит первичной мотосенсорной коре.

Из числа других проекционных зон коры следует отметить первичную зрительную область (поле 17), локализованную в затылочной доле. В проекциях рецепторов сетчатки на поле 17, так же как и в других сенсорных системах, обнаруживается точный топографический порядок, причем в каждое полушарие проецируются одноименные половины сетчаток. Происходящее при этом в каждом полушарии совмещение зрительных полей обоих глаз лежит в основе бинокулярного зрения. Повреждение ограниченной области зрительной коры может привести к частичной слепоте, проявляющейся в нарушении небольшой части поля зрения. Электрическое раздражение зрительной коры может вызвать зрительные ощущения.

Радом с первичной зрительной областью расположена вторичная, занимающая поля 18 и 19. Эти поля имеют отношение к таким функциям, как зрительное внимание и управление движениями глаз (см. разд. 4.8.4).

В настоящее время хорошо изучена первичная проекционная зона слухового анализатора, которая локализована в верхнем крае височной доли (поля 41 и 42). Для этой области, так же как и для других проекционных зон, описано тонотопическое представительство спирального (кортиева) органа улитки, состоящее в том, что различные участки органа проецируются в определенные локусы слуховой коры (см. разд., 4.5.2). Повреждение полей 41 и 42 затрудняет восприятие речи, пространственную локализацию источника звука и распознавание временных характеристик звука.

В пределах каждой доли коры больших полушарий (рис. 3.35) рядом с проекционными зонами расположены поля, которые не связаны с выполнением какой-либо специфической сенсорной или моторной функции. Такие поля составляют ассоциативную кору, для нейронов которой свойственно отвечать на раздражение различных модальностей и таким образом участвовать в интеграции сенсорной информации и в обеспечении связей между чувствительными и двигательными зонами коры. Эти механизмы являются физиологической основой высших психических функций.

В состав ассоциативный коры входит ряд областей теменной, височной и лобной долей. К сожалению, границы этих областей и корково-корковые связи между ними идентифицированы не полностью, а большинство физиологических

Рис. 3.35 Четыре основные доли коры головного мозга (лобная, височная, теменная и затылочная). Вид сбоку

1 - префронтальная ассоциативная кора, 2 - премоторная кора, 3 - первичная двигательная кора, 4 - центральная борозда, 5 - первичная соматосенсорная кора, 6 - теменная доля, 7 - вторичная зрительная кора, 8 - затылочная доля, 9 - первичная зрительная кора, 10- теменно-височно-затылочная ассоциативная кора, 11 - первичная слуховая кора, 12 - вторичная слуховая кора, 13 - височная доля, 14 - лимбическая ассоциативная кора, 15 - латеральная борозда, 16 - лобная доля.

данных базируется на симптомах поражения ассоциативных областей у животных и на данных клинических наблюдений.

Вместе с тем установлено, что теменные ассоциативные поля, которые в процессе эволюции надстраиваются над зрительной проекционной зоной, участвуют в оценке биологически значимой информации и в восприятии пространственных отношений окружающего мира.

Лобные доли (поля 9-14), имеющие обширные двусторонние связи с лимбической системой мозга, контролируют оценку мотивации поведения и программирование сложных поведенческих актов. Установлено участие лобных долей в управлении движениями. Так, например, поражение лобных долей вызывает у больных тенденцию к повторению двигательных актов без видимого соответствия с внешними обстоятельствами.

Эксперименты на обезьянах показали, что повреждение лобных долей нарушает запоминание локализации предметов, причем этот процесс связан с дофаминергическими структурами, которыми богаты лобные доли.

Очевидно, лобные доли наряду с теменными участвуют в интеграции сведений о пространстве и времени.

3.10.3. Колончатая организация зон коры

Применение современных микроэлектродных методов для изучения функций корковых нейронов в значительной мере расширило представления о переработке сенсорной информации в неокортексе. В 1957 г. американский исследователь В. Маунткасл, анализируя ответы клеток в соматосенсорной (сенсомоторной) коре кошки на стимулы различных модальностей, обнаружил следующий интересный факт. При погружении микроэлектрода перпендикулярно поверхности соматосенсорной коры все встречаемые им клетки отвечали на раздражитель одной и той же модальности, например на легкое прикосновение к коже или на движение в суставе. Если же электрод погружали под углом к поверхности коры, то на его пути попадались нейроны с различной сенсорной модальностью, чередовавшиеся с определенной периодичностью.

На основании этих экспериментальных фактов пришли к заключению, что соматосенсорная кора организована в элементарные функциональные единицы - колонки, ориентированные перпендикулярно поверхности. Диаметр такой колонки определяется горизонтальным распространением терминалей афферентного таламокортикального волокна и вертикальной ориентацией дендритов пирамидных клеток. Колонка является элементарным блоком сенсомоторной коры, где осуществляется локальная переработка информации от рецепторов одной модальности. Эта гипотеза колончатой организации неокортекса получила широкое распространение и дала толчок к дальнейшим исследованиям в этой области.

Согласно современным представлениям, каждая функциональная колонка сенсомоторной коры состоит из нескольких морфологических микромодулей, объединяющих пять-шесть гнездообразно расположенных нейронов. На рис. 3.30 приводится возможная схема микромодуля сенсомоторной коры. В его состав входит несколько пирамидных клеток, апикальные дендриты которых максимально сближены и образуют дендритный пучок; в пределах этого пучка возможны электротонические связи, которые обеспечивают, по всей вероятности, синхронную работу всего объединения.

К группе ориентированных по вертикали пирамидных клеток примыкают звездчатые клетки, с которыми контактируют приходящие к микромодулю таламокортикальные волокна. Некоторые из звездчатых клеток, выполняющие тормозную функцию, имеют длинные аксоны, распространяющиеся в горизонтальном направлении. Аксоны пирамидных клеток образуют возвратные коллатерали, которые могут обеспечивать и облегчающие влияния в пределах микромодуля (см. рис. 3.30), и тормозные взаимодействия между микромодулями, контактируя с тормозными интернейронами. Несколько структурных микромодулей, объединенных горизонтальным ветвлением терминалей специфических таламокортикальных афферентов, аксоны терминалей и отростков звездчатых клеток формируют колонку (или макромодуль), диаметр которой достигает 500-1000 мкм. Каждая колонка характеризуется функциональным единством, которое проявляется в том, что нейроны колонки отвечают на раздражитель одной модальности.

В пределах одной колонки нейроны можно дифференцировать по характеру их импульсных ответов на простые и сложные. У простых нейронов распределение импульсов в ответе на раздражение адекватного механорецептора идентично ответу самого рецептора. Сложные нейроны реагируют на периферические стимулы иначе, чем связанные с ними рецепторы, и дают максимальный ответ только на определенные формы раздражения, например на движущиеся стимулы. По всей вероятности, сложные нейроны связаны с более поздней ступенью анализа тактильного восприятия.

Нейрофизиологические исследования сенсомоторной коры показали, что обычно возбуждение одного из модулей сопровождается торможением соседних. Очевидно, этот факт свидетельствует о том, что процесс торможения препятствует иррадиации возбуждения на смежные модули и, таким образом, усиливает контрастное различение контуров тактильного раздражения.

В дальнейшем принцип колончатой организации был подтвержден при изучении других проекционных зон коры. Обнаружена ретинотопическая организация зрительной коры, которая, так же как и сенсомоторная, построена по колончатому принципу. В зрительной коре обезьян наблюдается регулярное чередование колонок, нейроны которых реагируют на оптическое раздражение либо только правого, либо только левого глаза. Присутствие глазодоминантных колонок было подтверждено морфологическими методами, например с помощью аксонного транспорта меченых аминокислот из глаза в зрительную кору обезьяны. Кроме этих глазодоминантных колонок в зрительной коре обнаружен другой набор колонок, отличающихся друг от друга осевой ориентацией рецептивного поля.

Колончатый принцип организации нейронов присущ и слуховой коре, где колонки дифференцируются по способности суммировать информацию, идущую от двух ушей. Наконец, в мотосенсорной коре также были обнаружены колонки, способные возбуждать или тормозить группу функционально однородных мотонейронов.

Таким образом, колончатая организация является общей чертой структуры мотосенсорных и сенсомоторных зон коры.

Возможно, в первичных проекционных областях этот принцип организации интимно связан с процессами, создающими в мозгу отображение различных параметров внешнего раздражителя. Однако вопросы о том, как используется эта информация за пределами проекционных зон, как из информации об отдельных качествах внешнего объекта мозг синтезирует цельную картину реальности, пока остаются открытыми.

По всей вероятности, в мозгу должна существовать система, которая считывает элементарные процессы в колонках и объединяет дробную информацию в более сложные сочетания. Реальных данных о существовании такой системы нейронов нет, однако некоторые гипотезы о возможных механизмах синтетической деятельности мозга существуют. Одна из них принадлежит Дж. Эклсу. Согласно этой гипотезе, каждая корковая колонка, или модуль, может попеременно участвовать в различных сложных системах модулей, аналогичных динамической констелляции центров по А. А. Ухтомскому.

Формирование такой сложной системы обусловлено внутрикортикальными связями между отдельными модулями, которые могут иметь и возбуждающий, и тормозный характер. Активирующие воздействия на модуль в первую очередь могут поступать через поверхностные горизонтальные волокна, которые образуют синапсы на апикальных дендритах крупных пирамидных клеток. Эта активация может усиливаться за счет импульсации, идущей в модуль по таламокортикальным входам. В то же время через тормозные интернейроны (например, крупные корзинчатые клетки) активность соседних модулей может быть подавлена.

Таким образом, баланс возбуждающих и тормозных процессов в данный момент может выступать в роли координирующего фактора, который определяет формирование сложных систем модулей. Согласно современным представлениям, такая система расположенных в разных отделах мозга и связанных единством функций модулей носит название распределенной.

С точки зрения отмеченных выше соображений, сегодня старое представление о локализации функций не выдерживает критики. Даже такой простой поведенческий акт, как захватывание предмета пальцами, предполагает содружественную работу центров зрительной, моторной коры и лобной доли, которая участвует в регуляции глазных движений. Вполне естественно, что управление высшими психическими функциями тем более нельзя считать компетенцией какого-то одного центра. Реализацию каждой функции осуществляет распределенная система, состоящая из корковых и подкорковых центров, соединенных между собой нервными связями.

3.11. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В КОРЕ ГОЛОВНОГО МОЗГА

Электрофизиологические методы нашли широкое применение для изучения функций коры. У человека и других видов позвоночных от поверхности головы можно зарегистрировать спонтанные электрические колебания, обладающие определенной периодичностью. Эти постоянные колебания отражают электрическую активность коры и обозначаются термином электроэнцефалограмма (ЭЭГ).

3.11.1. Электроэнцефалография

Впервые ЭЭГ у животных была зарегистрирована в 1925 г. В. Правдич-Неминским, а у людей - немецким психиатром Г. Бергером в 1929 г.

Для отведения ЭЭГ могут быть использованы два метода: биполярный и монополярный. При биполярном отведении оба отводящих электрода расположены на коже головы, т. е. являются активными и регистрируют разность потенциалов между двумя точками коры. При монополярном отведении один электрод фиксируют на поверхности головы (активный), а второй - на мочке уха, это индифферентный электрод. В условиях клиники расположение электродов при регистрации ЭЭГ стандартизировано и, как правило, включает отведения от лобных долей, двигательной коры, теменных и затылочных долей.

Рис. 3.36 Регулярные волны и потенциал (ЭЭГ взрослого человека)

А - основные ритмы ЭЭГ: 1 - ?-ритм, 2 - ?-ритм, 3 - ? -ритм, 4 - ?-ритм; Б - вызванный потенциал в зрительной области коры на световое раздражение (обозначено стрелкой): 1 - позитивное колебание, 2 - первичное негативное колебание, 3 - вторичные колебания.

В острых опытах на животных и при нейрохирургических операциях на человеке ЭЭГ регистрируют непосредственно от поверхности коры - в этом случае ее называют электрокортикограммой (ЭКоГ). Электрокортикограмма имеет более высокую амплитуду и несколько больший частотный спектр быстрых колебаний по сравнению с ЭЭГ, что обусловлено исключением дополнительного электрического сопротивления тканей, расположенных между электродами и поверхностью мозга.

При анализе ЭЭГ с помощью аналоговых или цифровых устройств учитывают частоту, амплитуду, форму и длительность слагающих ее электрических колебаний. По этим параметрам в ЭЭГ человека можно выделить следующие компоненты. У взрослого человека в состоянии покоя и при отсутствии внешних раздражении в ЭЭГ преобладают регулярные волны, которые следуют с частотой 8-13 Гц и имеют амплитуду порядка 50 мкВ. Эти волны обозначаются как ?-ритм (рис. 3.36), наиболее выраженный в затылочных долях коры. ?-Ритм возможно регистрировать и от других областей коры, в частности от теменной доли, где локализована сенсомоторная кора (роландический ритм).

Переход человека от покоя к деятельности (восприятие зрительных или акустических сигналов, умственная работа и т. д.) сопровождается исчезновением ?-ритма и возникновением частых (14-30 Гц) низкоамплитудных (25 мкВ) колебаний ?-ритма. Это явление в физиологической литературе определяется как реакция десинхронизации ЭЭГ. Синонимами этого термина могут быть реакция открывания глаз, или реакция активации, характеризующаяся десинхронизирующим, т. е. тормозящим генерацию ?-ритма эффектом.

Если человек из состояния покоя переходит не к активной деятельности, а, наоборот, ко сну, то в его ЭЭГ появляются более медленные и высокоамплитудные по сравнению с ?-ритмом волны, в частности ?-ритм (4-7 Гц) и ?-ритм (0,5-3,5 Гц). Амплитуда этих медленных ритмов варьирует от 100 до 300 мкВ. В норме у бодрствующих взрослых людей ? - и ?-ритм не выявляются. Исключение в данном случае может составлять гиппокампальная кора, где доминирует ? -ритм при активном состоянии.

Таким образом, анализ частотного спектра ЭЭГ позволяет довольно четко судить о функциональном состоянии коры и не случайно электроэнцефалографию широко используют в клинике. Травмы и патологические процессы в мозгу иногда вызывают специфические изменения ЭЭГ, по которым можно установить локализацию болезненного очага. Так, например, для больных эпилепсией характерно наличие в ЭЭГ судорожных пиковых разрядов и специфических пароксизмальных волн, возникающих в патологической зоне.

Вопрос о генезисе волны ЭЭГ является довольно сложным; вместе с тем можно утверждать, что волны ЭЭГ являются результатом алгебраической суммации постсинаптических потенциалов корковых нейронов. Наиболее эффективная суммация происходит при синхронном возбуждении многих клеток, которое проявляется при ограничении сенсорного притока. Приход сенсорной импульсации в кору (например, при открывании глаз) расстраивает синхронизацию и приводит к смене ?-ритма на ?-ритм, или к реакции десинхронизации ЭЭГ.

Причиной возникновения синхронных постсинаптических изменений в корковых нейронах могут быть циклические таламокортикальные взаимодействия в которых таламические нейроны играют роль своеобразных ритмоводителей или пейсмекеров. В пользу этой точки зрения свидетельствуют следующие экспериментальные факты. В таламических центрах обнаружена ритмическая активность, частота которой совпадает с ?-ритмом. После экспериментального нарушения таламокортикальных связей ?-ритм в коре исчезает, а в таламических структурах сохраняется.

Одним из возможных механизмов ритмической активации таламических нейронов считают возвратное самоторможение, создающее периодические колебания возбудимости. Кроме того, на генерацию таламического ритма влияют импульсы, поступающие из ретикулярной формации ствола. Частота этих импульсов зависит от афферентного притока в неспецифическую систему ретикулярной формации, которая может и стимулировать, и тормозить ритмическую активность таламических центров.

3.11.2. Метод вызванных потенциалов

При исследовании функций коры успешно используют метод вызванных потенциалов. Вызванные потенциалы представляют собой регистрируемые с поверхности коры электрические реакции в ответ на раздражение рецепторов, периферических нервов, таламических ядер и других образований, связанных с проведением сенсорных сигналов.

Вызванные потенциалы принято разделять на две группы: первичные ответы (ПО) и вторичные ответы (ВО). Первичные ответы, представляют собой двухфазные, позитивно-негативные (см. рис. 3.36) колебания, которые регистрируются в проекционных зонах коры при раздражении специфических афферентов; ПО характеризуются коротким скрытым периодом, стойкостью к наркозу и способностью воспроизводить довольно высокий ритм (до 120 имп/с) афферентных сигналов. Первичные ответы являются локальными процессами и регистрируются только в пределах проекционной зоны. Это свойство ПО было использовано при исследовании топической организации различных проекционных зон и при идентификации связей между различными структурами мозга.

Первичные ответы возникают за счет суммации постсинаптических потенциалов нейронов, расположенных в изучаемом участке коры. По-видимому, начальная позитивная фаза ПО обусловлена суммацией синаптических потенциалов тел и базальных дендритов пирамидных клеток. Негативная фаза связана с активацией апикальных дендритов этих же нейронов в поверхностных слоях коры.

Позитивная полярность первой фазы ПО определяется пространственным расположением электрода по отношению к источнику напряжения и конфигурацией электрического поля вокруг возбужденного нейрона в коре, являющейся объемным проводником. В результате регистрируемое поверхностным электродом позитивное колебание ПО отражает деполяризацию тел пирамидных клеток, локализованных в более глубоких слоях коры. При отведении негативной фазы ПО электрод максимально приближен к источнику напряжения (апикальным дендритам), и это исключает изменение полярности, обусловленное дипольным моментом. Справедливость этой точки зрения подтверждается тем, что при погружении регистрирующего электрода в кору полярность первой позитивной фазы ПО изменяется на отрицательную по мере приближения к телам пирамидных клеток, т. е. к источнику напряжения.

Вторичные ответы (ВО), которые также включают ассоциативные ответы как самостоятельную категорию, в отличие от ПО довольно изменчивы по форме, обладают большей чувствительностью к наркозу, большим скрытым периодом и исчезают при частоте раздражения более 5 имп/с. Большинство из них не обладает узкой локализацией и регистрируется в ассоциативных корковых зонах, примыкающих к проекционным. Вторичные ответы, возникающие при раздражении неспецифических структур мозга (ретикулярная формация мозга, неспецифические ядра таламуса), имеют генерализованный характер и могут быть зарегистрированы в коре повсеместно. Функционально ВО отражают процессы, связанные с передачей возбуждения от первичных проекционных зон к ассоциативным и с рабочей настройкой корковых нейронов путем изменения их возбудимости.

Метод регистрации вызванных потенциалов может быть использован при анализе процессов, связанных с формированием условного рефлекса. Одним из показателей этих процессов является описанная Г. Уолтером волна ожидания, или условное негативное отклонение. Если испытуемому дается инструкция нажимать кнопку на второй из двух последовательных сигналов, то после ряда сочетаний первый раздражитель (звуковой щелчок) начинает вызывать волну ожидания, которая продолжается до подачи второго раздражителя (вспышка света).

Волну ожидания регистрируют от поверхности головы в зоне лобных и теменных долей, она представляет собой медленное негативное колебание с амплитудой порядка 40 мкВ. Волна ожидания предшествует движению, которое должен произвести испытуемый, и, по-видимому, является электрофизиологическим отражением процессов подготовки к целенаправленному движению. Однако детально связь волны ожидания с психическими процессами человека пока не расшифрована.

Использование микроэлектродных методов исследования позволило детально изучить биофизические свойства одиночных пирамидных клеток, которые отличаются сравнительно большими размерами и могут быть идентифицированы. Оказалось, что основные электрофизиологические характеристики пирамидных клеток сходны с таковыми у мотонейронов. Потенциал покоя колеблется в пределах от 60 до 80 мВ; потенциал действия достигает 60-100 мВ и имеет длительность 0,5-2 мс. Он возникает в низкопороговой зоне клетки (аксонном холмике) и оттуда распространяется по аксону и антидромно, попадая в тело и дендриты пирамидных нейронов. Постсинаптические потенциалы пирамидных клеток длительнее, чем у мотонейронов. Особенно это касается ТПСП, продолжающихся 70-150 мс и дольше.

Интегрирующая деятельность пирамидных нейронов, так же как и других центральных нейронов, обусловлена суммацией синаптических потенциалов на клеточной мембране.

3.12. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЭВОЛЮЦИИ КОРЫ БОЛЬШИХ ПОЛУШАРИЙ

Основной вопрос при рассмотрении эволюции мозговых систем поведения целостного организма состоит в том, может ли изучение ныне живущих животных дать достоверные сведения о тех существах, которые жили десятки миллионов лет назад. Обращаясь к филогенетическому древу, можно видеть, что по мере развития основного ствола млекопитающих от него отходит ветвь современных однопроходных, позже сумчатых, стволом же плацентарных млекопитающих являются насекомоядные, от которых произошли приматы, хищные и грызуны. Поэтому иногда встречающееся сравнение крыс, кошек и обезьян, якобы представляющих собой филогенетический ряд, неправомерно с точки зрения истории их развития. Наоборот, большая часть отрядов современных млекопитающих - результат параллельной эволюции, а не последовательной, к которой можно отнести однопроходных, сумчатых и насекомоядных.

Особенно важна специфика мозговой организации насекомоядных, которых рассматривают как потомков общих предков, давших начало высшим плацентарным. Есть основание считать, что план организации мозга насекомоядных является предшественником для его дальнейшего усовершенствования в параллельных независимых друг от друга рядах - грызунов, хищных и приматов. Филогенетический подход не исключает и другого, адаптационного подхода, который основан на изучении ныне живущих форм, обладающих разной степенью адаптации (специализации) в смысле развития мозга и сенсорных систем. Представители такого сравнительного ряда не обязательно должны иметь общую линию эволюции, и выводы, сделанные в результате такого сравнения, будут относиться только к общим принципам адаптации и выживания.

Филогенетический и адаптационный подходы не исключают, а взаимно дополняют друг друга. Поэтому выделяют пути филогенетической и адаптивной эволюции.

3.12.1. Происхождение новой коры

У предков млекопитающих, как и у современных рептилий, кора больших полушарий обладала очень невысоким уровнем дифференциации. Значительному росту неокортекса млекопитающих способствует прогресс старой (археокортекс) и древней (палеокортекс) коры. Некоторые связывают кортикогенез с древней корой, обонятельным мозгом, считая обонятельную афферентацию ведущей в процессах кортикогенеза.

Другие считают, что неокортекс произошел в результате дифференциации структур старой, гиппокампальной, коры. Поэтому формирование новой коры уже у низших млекопитающих связывают не столько с обонятельной сигнализацией, сколько с представительством всей совокупности сенсорных систем.

А. А. Заварзин считал, что развитие новой коры, т. е. слоистых, экранных структур, вызвано у млекопитающих переключением зрительного пути на кору большого мозга, а поэтому и развитие новой коры он связывал со зрительной системой. Не менее важная роль как фактора прогрессивного кортикогенеза принадлежит двигательно- проприоцептивной системе. Считают вероятным, что зрительная и соматическая афферентные проекции определили формирование новой коры. Ведущим рассматривают процесс вступления афферентных волокон из таламуса (зрительного бугра) в древнюю кору на границе со старой корой и превращение соответствующего участка коры в проекционный район определенного вида чувствительности. В зарождающуюся кору первыми по такому пути стали поступать импульсы соматической чувствительности, а затем зрительные и другие импульсы.

Экранная структура новой коры явилась субстратом для проекции и объединения деятельности многих сенсорных систем. Одновременно развивался и собственный эффекторный аппарат коры - пирамидные пути. При сопоставлении низших млекопитающих с субприматами и приматами видно, что диапазон адаптивных возможностей животного тесно коррелирует с уровнем развития не столько самих специфических сенсорных аппаратов, сколько мозговых систем, обеспечивающих преимущественно объединение, интеграцию всех сенсорных влияний. Применительно к млекопитающим это своеобразные структуры таламуса и коры, не принадлежащие какой-либо сенсорной системе, но в то же время получающие импульсацию от нескольких сенсорных систем.

На стволовом уровне мозга сложные интегративные функции приписывают ретикулярной формации - филогенетически древней неспецифической структуре, из которой формируются специфические ядра ствола. Аналогичные изменения происходят и с неспецифической системой таламуса и общей неспецифической корковой пластинкой у пресмыкающихся. Наряду с формированием специфических реле - ядер таламуса - многие структуры продолжают оставаться неспецифическими - они получают множество разномодальных входов и не имеют локальной проекции на ограниченные корковые районы. Из такой неспецифической системы таламуса начинает выделяться ряд образований, которые получают импульсацию от ядер разных афферентных систем и проецируют ее в корковые структуры, располагающиеся между специфическими сенсорными . зонами.

Именно этим системам, которые именуются ассоциативными, и принадлежит наиболее важная роль в организации интегративной функции мозга.

3.12.2. Организация новой коры у низших млекопитающих

Сведения о функциональной организации коры больших полушарий у однопроходных крайне ограничены. Электрофизиологическое обследование новой коры у ехидны показало, что основные сенсорные проекции располагаются в затылочной доле коры позади так называемой ?-борозды. Спереди от нее находится агранулярная кора, а сзади - гранулярная. Соматосенсорное представительство перекрывается моторным. Не обнаружено зон перекрытия типа ассоциативных. В верхней части электровозбудимой зоны берет начало пирамидный тракт, который прослеживается до 24-го спинного сегмента. Мозолистое тело отсутствует.

Мозг утконосов лишен борозд и извилин и по плану функциональной организации напоминает мозг ехидны. Моторные и сенсорные проекции перекрываются не на всем протяжении, тогда как зрительные и слуховые проекции в затылочном полюсе коры перекрываются между собой и частично с соматической проекцией. Такая организация неокортекса утконоса, приближающаяся к корковой пластинке рептилий, позволяет его рассматривать как еще более примитивный в сравнении с ехиднами.

Следовательно, мозг однопроходных сохраняет еще многие черты мозга рептилий и в то же время отличается от последних общим планом строения, характерным для млекопитающих.

Значительно более изучены сумчатые, общая схема строения таламуса которых в основном соответствует таковой у высших млекопитающих. Для ядер таламуса обнаружено перекрытие слуховой и соматической систем. У сумчатых нет мозолистого тела. В отношении общего плана таламокортикальных проекций сумчатые не представляют исключения из остальных млекопитающих. Кора мозга также построена по классическому шестислойному типу. Корковые представительства соматомоторных и соматосенсорных систем почти полностью перекрываются. Существуют перекрытия и других сенсорных систем, хотя и не столь выраженные, как у однопроходных.

Пирамидный путь начинается от коры позади орбитальной борозды и заканчивается на интернейронах спинного мозга на уровне 7-10-го грудных сегментов. Обнаружены кроме этого другие корковые нисходящие тракты к ядрам моста и продолговатого мозга, которые можно рассматривать как предпосылки для дальнейшего развития у высших млекопитающих корково-луковичного и корково-мостового нисходящих путей.

У сумчатых не обнаружено участка коры, которая по своим свойствам хотя бы отдаленно напоминала ассоциативную кору высших млекопитающих.

Плацентарные млекопитающие, низшими из которых являются насекомоядные, характеризуются близостью общей конструкции мозга к грызунам и хищным. Хотя насекомоядные характеризуются более развитым неокортексом, чем сумчатые, мозолистое тело мало чем отличается у представителей обеих групп животных. Зоны коры с диффузно распределенными по слоям комиссуральными волокнами являются остатками старой неспециализированной коры, столь характерной для рептилий. У ежей слуховое и зрительное таламические ядра еще полностью не дифференцированы и не имеют четкой модальной специфичности. В коре больших полушарий описан поясок вторичного зрительного поля, расположенный между первичным зрительным и слуховым полями. На него проецируется заднее латеральное ядро таламуса, являющееся предшественником подушки зрительного бугра.

Появление вторичных корковых сенсорных зон - прогрессивный фактор эволюции. Помимо проекционных зон в коре мозга ежей обнаружена полисенсорная ассоциативная зона, которая охватывает архитектонические поля 5 и 7 теменной доли. Эта зона непосредственно перекрывается со вторичным зрительным и соматическим полями (V-II и S-II), на нее проецируются ассоциативные ядра таламуса (заднее латеральное и медиодорсальное). По нейронному строению ассоциативная зона сложнее, чем другие районы коры: это в основном касается высокодифференцированных клеток верхних слоев, развитой дендритной системы нейронов, пространственного распределения различных афферентных входов по поперечнику коры (хотя по электрофизиологическим данным мультисенсорные нейроны располагаются диффузно и не обнаруживают преобладания того или иного сенсорного входа). Последние были равноценными по степени активации ассоциативной коры. Пирамидный тракт у насекомоядных берет начало от гигантских пирамидных клеток (Беца) в передней теменной и островковой областях коры. Фронтальная зона коры еще не посылает волокон в пирамидный путь.

Следовательно, у насекомоядных гигантопирамидное теменное поле является одновременно предшественником ассоциативных систем мозга и источником волокон пирамидного пути, т. е. структурой, где осуществляются процессы сенсорной интеграции. Разрушение этой области неокортекса лишает животное наиболее тонких актов сенсорного контроля произвольных движений в составе цепного двигательного условного рефлекса.

В параллельных рядах, которыми шло развитие современных млекопитающих, хотя и сохранился общий план конструкции мозга, но его таламокортикальные системы претерпели существенные морфофункциональные перестройки. Высокого развития достигли корковые механизмы деятельности сенсорных систем с тенденцией возрастания специфических проекций и ассоциативных корковых полей со свойствами мультисенсорного конвергирования. Эти отделы мозга как зоны перекрытия корковых сенсорных проекций обособились; с ними связывают реализацию наиболее сложных форм межсенсорной интеграции.

3.12.3. Организация новой коры у высших млекопитающих

В отношении функциональной организации коры грызуны еще мало отличаются от насекомоядных. На наружной поверхности коры не обнаружено ассоциативных зон, проекция афферентных систем достаточно диффузна с большими зонами перекрытия, в них преобладает (как и у ежей) неспецифический тип мультисенсорной конвергенции с равноценностью сенсорных входов. Все это коррелирует с низким уровнем интегративной деятельности мозга грызунов, у которых преобладают автоматизированные формы поведения.

У хищных выделяют два самостоятельных ассоциативных поля - теменное и лобное, каждое из которых характеризуется конвергенцией различных сенсорных входов и наличием выходных волокон в составе пирамидного пути. У кошек и собак таковыми свойствами обладают теменная и заднелобная области коры (гигантопирамидные поля), а переднелобная кора как зона широкой конвергенции сенсорных влияний формирует самостоятельные нисходящие тракты к ядрам моста и продолговатого мозга.

Дальнейший прогресс в конструкции больших полушарий отмечен у приматов, характеризующихся наибольшим развитием таламо-теменной и таламо-лобной ассоциативных систем. Эти ассоциативные корковые поля достигают особенного развития у человека и занимают более половины всей поверхности неокортекса.

Кроме того, у приматов впервые в эволюции больших полушарий появляются длинные пучки волокон, соединяющих между собой все ассоциативные поля коры в единую интегративную систему мозга.

Территория специфических проекционных зон коры по сравнению с хищными значительно сокращается. У приматов также территориально обособляются корковые зоны, дающие начало пирамидному пути. При этом все три ассоциативные зоны неокортекса оснащаются экстрапирамидными эфферентными путями, посылающими свои волокна к ядрам моста, среднего и продолговатого мозга и оттуда к мозжечку. Таким путем кора больших полушарий подчиняет себе деятельность практически всех нижележащих отделов головного мозга.

Таким образом, прогрессивное развитие ассоциативных систем мозга, коррелирующее с уровнем совершенства аналитико-синтетической деятельности, может рассматриваться в качестве показателя филогенетического статуса вида и уровня его адаптивных возможностей.

Лобная кора - не только коллектор множества эфферентных влияний, конвергирующих к ней из разнообразных мозговых источников, но это и мощный аппарат регулирования и управления структурами мозга. Здесь расположены основные пути саморегуляции внутримозговых систем', мезэнцефалическая ретикулярная формация г- основное звено управления функциональным состоянием мозга, ассоциативный таламус - главный докорковый уровень зиготы до начала родов) периоде развития. Дифференциация нейронов начинается с глубоких слоев коры. К окончанию миграции нейробласты в глубине корковой пластинки формируют V-VI слои коры, а те нейробласты, которые мигрировали последними, - II слой.

Морфологическое созревание нейронов выражается в появлении и накоплении базофильного вещества (субстанции, или зернистости, Ниссля), развитии отростков и их ветвлений, росте ядра и тела клетки, миелинизации аксонов и образовании синапсов. Уже у новорожденных клетки снабжены отростками, рост и развитие которых продолжается в течение первых лет жизни.

Одним из критериев созревания коры является прогрессивное уменьшение плотности клеток. Таламические же афференты, подрастая к коре, способствуют дифференциации слоев коры и стимулируют развитие нейронов. Постепенно в течение раннего постнатального онтогенеза максимум плотности афферентных таламических волокон сдвигается от крайних слоев к срединным.

Таким образом, все нейроны коры формируются благодаря митозу, однако это формирование происходит не в одно и то же время. Нейроны закладываются и мигрируют из глубины коры по направлению к поверхности (за исключением I слоя, в котором преобладают дендритные ветвления глубоко расположенных клеток). Мигрирующие клетки могут образовывать синаптические контакты с клетками, мимо которых они проходят к местам окончательного расположения. Звездчатые клетки к моменту рождения еще продолжают мигрировать, а пирамидные клетки V-VI слоев уже к этому времени занимают свои окончательные позиции.

3.12.5. Развитие корковых межнейронных связей

В основном межнейронные синапсы проходят путь своего развития в постнатальном онтогенезе. У новорожденных животных незрелость ультраструктуры проявляется в небольшой протяженности активных зон синаптических мембран, малом количестве синаптических пузырьков, диффузно распределенных в пресинаптических терминалях. К концу 1-й недели повышается электронная плотность в местах контакта мембран, увеличивается количество везикул, их концентрация в области активных зон, в синаптической щели появляется субсинаптическая сеть. И только к 2-недельному возрасту отмечается сходство со строением синапсов взрослых. Среди аксодендритических контактов раньше образуются синапсы с круглыми, а позднее - с удлиненными везикулами, что предположительно связывают с разными сроками созревания возбуждающих и тормозных синапсов.

В постнатальном онтогенезе особенно важен этап прозревания животного. С открыванием глаз резко увеличивается электронная плотность синаптических мембран, пузырьки группируются в местах их активного контакта. Количество синапсов существенно зависит от степени зрелости той или иной области коры: если у слепых новорожденных крысят в зрительной коре зрелые синапсы отсутствуют, то в сенсомоторной коре они обнаруживаются в большом количестве. Число синапсов зависит от формирования системы дендритов и коллатералей аксонов, т. е. от функциональной нагрузки коры мозга.

Раньше всего синапсы появляются на основном стволе дендрита, затем на больших ветвях дендритов и позднее на их более тонких ветвях. Позднее всех созревают аксошипиковые синапсы. Именно в этот период отмечено интенсивное образование аксосоматических синапсов. Предполагают, что рано созревающие контакты являются стабильными, а позднее формирующиеся - более изменчивые и динамичные. Последние в большей мере ответственны за пластические свойства коры головного мозга.

Различные зоны коры больших полушарий формируются в разные сроки. Так, у кошек общая нейронная и синаптическая организация теменной коры обнаруживает признаки зрелости раньше, чем сенсомоторная кора. Первой в сенсомоторной коре у кошек созревает наиболее биологически важная рефлекторная система, обеспечивающая координированное управление движениями передних конечностей и лицевой мускулатуры при выполнении реакции сосания. Это соответствует правилу системогенеза, согласно которому созревание различных рефлекторных актов происходит гетерохронно в зависимости от их биологической значимости. Далее наблюдается бурный рост внутрикортикальных, кортикоталамических связей и связей коры с другими отделами мозга.

Каждый нейронный модуль сенсомоторной коры становится потенциально полифункциональной единицей, способной принимать сигнализацию от различных отделов мозга и от разных рецепторных зон. Наконец, формируется параллельно, но с некоторым запаздыванием внутрикорковая тормозная система, Она способствует не только специализации корковых модулей в смысле ограничения притока к ним афферентной импульсации, но и устанавливает между ними сложные координационные отношения. Образуется рабочая динамическая система модулей, обеспечивающая корковое управление целостным поведенческим актом.

3.13. НАСЛЕДСТВЕННО ЗАКРЕПЛЕННЫЕ ФОРМЫ ПОВЕДЕНИЯ

Различные формы поведения принято разделять на врожденные и приобретенные в процессе индивидуального развития. И те, и другие направлены на сохранение индивидуума и вида. В процессе филогенеза сформировались механизмы, обеспечивающие функциональное единство отдельных систем организма и поддерживающие его взаимодействие с внешней средой. На определенном этапе эволюции возникла рефлекторная деятельность - ответы на воздействия окружающей или внутренней среды, опосредованные через центральную нервную систему. Наследственно закрепленные рефлексы лежат в основе приспособительных поведенческих актов, проявляющихся без предварительного научения. Они видоспецифичны, т. е. неизменны у всех представителей данного вида в ответ на действие соответствующих им раздражителей внешней среды при определенном состоянии организма.

Организм приспособлен к условиям окружающей среды на всем протяжении онтогенеза, включая и антенатальный период развития. В соответствии с развертыванием генетической программы отдельным этапам онтогенеза свойственны характерные комплексы движений. У плодов млекопитающих по мере созревания ЦНС вначале возникают обобщенные, а затем специализированные рефлекторные реакции. К моменту рождения созревают комплексы центральных и периферических нервных образований и связанных с ними эффекторных аппаратов, обеспечивающих существование вне организма матери. В постнатальной жизни последовательно проявляются вначале менее сложные, далее все более сложные специализированные поведенческие акты. Наряду с ними совершенствуются и вегетативные реакции, связанные с поддержанием гомеостаза.

В период новорожденности происходит перестройка рефлекторной деятельности, некоторые формы поведения устраняются и заменяются новыми. В пренатальном и в постнатальном периодах развития проявляются элементы и комплексы поведения разной сложности, направленные на удовлетворение различных потребностей организма. Задача физиологии - выявить механизмы врожденного поведения и его взаимодействий с процессами научения. Исследования, проводимые в этом направлении, традиционны для отечественной физиологии и восходят к представлениям И. М. Сеченова о рефлекторной основе психической деятельности. В русле рефлекторной теории И. П. Павлов рассматривал врожденное поведение как совокупность сложнейших безусловных рефлексов (инстинктов).

С несколько иных позиций разрабатывают проблему наследственно закрепленного поведения зоопсихологи, а в последние 50 лет и этологи, которых интересуют преимущественно общебиологические основы инстинктов.

Однако в настоящее время наблюдается сглаживание противоречий между физиологическим, зоопсихологическим и этологическим подходами к изучению инстинктов и попытка создать синтетическую теорию, охватывающую различные стороны врожденного поведения.

Прежде чем перейти к изложению современных представлений о наследственно закрепленных формах поведения, целесообразно остановиться на их исторических предпосылках.

С давних времен было замечено, что в естественной среде животные хорошо приспособлены к условиям существования и обладают специфическим набором поведенческих актов, присущих данному виду и проявляющихся с самого рождения. Научный анализ инстинктов был впервые предпринят в XVIII в. французским врачом, философом-материалистом Ж. Ламетри, который рассматривал их как действия, независимые от разума и опыта. Это определение основывалось на сравнительном анализе приспособительных актов млекопитающих, птиц, рыб и насекомых.

Ч. Дарвин, определивший инстинкт как отражение наследственных свойств мозга, проанализировал эволюцию инстинктивной деятельности. Он показал, что формы адаптивного поведения складываются в процессе эволюции данного вида, и привел важные доказательства роли отбора в появлении приспособительных видоспецифических врожденных стереотипов поведения на примерах строительного инстинкта пчелы, гнездового паразитизма кукушки, "рабовладения" у некоторых видов муравьев и на основе сопоставления поведения диких и домашних животных.

В России идеи Ч. Дарвина получили широкое развитие. В. А. Вагнер на основании полевых наблюдений и экспериментов не только показал роль среды и естественного отбора в возникновении инстинктивных форм поведения, но и выдвинул положение об их пластичности, определяемой внешними условиями. Соотношение врожденного и индивидуально приобретенного в процессе воспитания, т. е. роль опыта в изменении инстинктивной деятельности, изучали И. П. Павлов, его сотрудники и последователи. Л. А. Орбели проанализировал различия в пластичности врожденного поведения зрело- и незрелорождающихся животных. А. Д. Слоним на основании исследования условных и натуральных условных рефлексов в связи со средой обитания и образом жизни выдвинул положение о сложнорефлекторных формах поведения. Л. В. Крушинский ввел понятие унитарные реакции поведения, в которых интегрированы условные и безусловные рефлексы. Сравнительная архитектоника (от греч. architektonike - построение, структура) врожденных и приобретенных поведенческих актов была проанализирована в исследованиях В. М. Бехтерева, И, С. Бериташвили, Н. А. Рожанского и многих других.

Эволюционные аспекты взаимоотношения инстинктивного и индивидуально приобретенного поведения разработаны А. Н. Северцовым, который оценивал ИНСТИНКТЫ как устойчивые приспособления, столь же важные для существования вида, как и морфологические признаки. Если условные рефлексы не наследуются, а определяются врожденным уровнем организации мозга, то в инстинктивном поведении наследственно закреплены фиксированные программы действий и способность их к определенной модификации в результате индивидуального опыта.

Одним из основных направлений в изучении врожденного поведения является этология, изучающая поведение животных, начиная с беспозвоночных и кончая антропоидами и даже человеком в адекватной для них среде. Описание и сравнительный анализ характерных для разных видов поведенческих актов (этограмм) проводится в русле этого направления с использованием хронометража, фото- и киносъемки, видеомагнитофонных записей поведения. Основоположник этологии зоолог К. Лоренц, а также Н. Тинберген и К. фон Фриш за исследования в области поведения животных в 1973 г. были удостоены Нобелевской премии.

Если в наше время сглаживаются различия в подходе к изучению поведения животных у биологов разных специальностей - физиологов, психологов, генетиков, эволюционистов - и делаются попытки создания синтетической теории, то в начале XX века противоречия между ними были еще весьма значительны.

И. П. Павлов противопоставил рассмотрению поведения животных в антропоморфическом аспекте учение о высшей нервной деятельности, положив в его основу понятие об условном рефлексе. Это учение определило успешно развивающийся и в наше время физиологический подход к изучению центральных механизмов поведения.

В начале нашего века сформировалось новое течение в психологии - бихевиоризм (от англ. behavior - поведение), представители которого также отвергали интроспекцию в изучении поведения, стремясь к максимальной его объективизации, однако мало интересовались его центральными механизмами. Тем не менее американский психолог Дж. Уотсон, основатель бихевиоризма, указывал на то, что именно представление об условном рефлексе дало побудительный толчок к созданию его теории. Он сформулировал несколько важных принципов объективного изучения поведенческих актов, описывая поведение без попытки объяснить его внутреннюю природу.

Согласно схеме бихевиористов, деятельность животного организма строится по декартовскому принципу "стимул-реакция". В дальнейшем бихевиористы ввели в эту схему "промежуточные переменные" - силу навыка, величину потребности, утомление и ряд других побудительных факторов. Бихевиористы разработали ряд объективных методик изучения поведения животных, в частности проблемные клетки, лабиринты, камеры для исследования инструментальных реакций и др.

В наше время большинство физиологов, изучающих поведение, используют весь арсенал методических подходов, позволяющих вскрывать его механизмы. При этом основной акцент делается на исследовании процессов научения. Между тем их структурную организацию можно понять лишь на основании достаточных сведений о наследственно закрепленной деятельности. С этой точки зрения необходимо исходить из предложенного И. П. Павловым разделения нервной деятельности на низшую - безусловные рефлексы - и высшую - условные рефлексы.

3.13.1. Безусловные рефлексы.

Безусловные рефлексы были выделены в специальную категорию для обозначения видовых реакций организма на внутренние и внешние раздражители, осуществляющихся на основе врожденных нервных связей, т. е. отражающих филогенетический опыт приспособления к условиям существования. Безусловные рефлексы относительно постоянны, стереотипно проявляются в ответ на адекватное раздражение определенного рецептивного поля и служат основой для формирования многочисленных условных рефлексов, связанных с индивидуальным опытом. Безусловные рефлексы , обеспечивают координированную деятельность, направленную на поддержание постоянства многих параметров внутренней среды, взаимодействие организма с внешней средой, согласованную деятельность соматических, висцеральных и вегетативных реакций.

Однако оптимальное приспособление к/меняющимся состояниям внешней и внутренней сред организма достигается с помощью условных рефлексов, благодаря которым индифферентные для определенной деятельности раздражители приобретают качество биологически значимых сигналов.

Предложено несколько классификаций безусловных рефлексов в соответствии с характером вызывающих их раздражителей, их биологической ролью, уровнями управления (связь с определенными отделами ЦНС), порядком следования в конкретном приспособительном акте. Авторы этих классификаций отразили в них научные интересы и методологические установки. И. П. Павлов описал пищевые, оборонительные, ориентировочные, родительские и детские реакции, подразделяемые на более дробные рефлексы. Так, пищевые рефлексы, связанные с деятельностью пищевого центра, включают поиск, добычу, захват, вкусовое опробование пищи, секрецию слюны и пищеварительных соков в желудочно-кишечном тракте, его моторную деятельность.

В трудах И. П. Павлова встречаются также упоминания следующих безусловных рефлексов: пищевые (положительный и отрицательный), ориентировочный, коллекционирования, цели, осторожности, свободы, исследовательский, самосохранительные (положительный и отрицательный), агрессивный, сторожевой, подчинения, половые (мужской и женский), игровой, родительский, норо-гнездный, миграционный, социальный, питьевой.

Н. А. Рожанский выделил 24 рефлекса, входящие в следующие шесть групп:

общей активности, обменные, междуживотных отношений, продолжения вида и размножения, экологические и неповеденческие рефлексы подкорково-стволовых частей головного мозга. Эта классификация почти не затрагивает вегетативную сферу регуляции, играющую большую роль в реализации поведенческих актов.

Более широкой является классификация, основанная на исследовании адаптивных сторон безусловнорефлекторной деятельности. Представитель эколого-физиологического направления А. Д. Слоним предложил разделить безусловные рефлексы на три группы реакций, связанных с поддержанием постоянства внутренней среды, изменениями во внешней среде и сохранением вида.

Приведенные классификации предусматривают не только описание поведения, но и выяснение лежащих в его основе физиологических механизмов. Последнее в меньшей степени интересует этологов, также исследующих поведение в адекватной для животного окружающей среде.

Для П. В. Симонова классифицирующим принципом группировки сложнейших безусловных рефлексов явились идеи В. И. Вернадского и А. А. Ухтомского об освоении живыми существами разных уровней организации в гео-, био-, а для человека также в социо- и ноосфере (интеллектуальное освоение мира). П. В. Симонов выделил следующие безусловные рефлексы: витальные, ролевые (зоосоциальные) и саморазвития. К витальным безусловным рефлексам относятся пищевой, питьевой, регуляции сна, оборонительные (включая рефлекс "биологической осторожности"), рефлекс экономии сил и многие другие. Они не требуют участия другой особи, а невозможность их реализации ведет к физической гибели. Ролевые (зоосоциальные) безусловные рефлексы, напротив, проявляются в процессе взаимодействия с другими особями данного вида. Безусловные рефлексы саморазвития отражают исследовательское поведение, рефлексы свободы, имитационный и игровой.

Нейрофизиолог Ю. М. Конорский разделил безусловные рефлексы в соответствии с их биологической ролью', сохранителъные, связанные с поступлением в организм и выведением из него всего ненужного; восстановительные, направленные на сохранение вида (копуляция, беременность, забота о потомстве), и защитные, обеспечивающие удаление всего тела и его отдельных частей из сферы действия опасного для организма раздражителя (рефлексы отдергивания и отступления) или связанные с устранением вредящих агентов, которые попали на поверхность тела или внутрь организма, уничтожением, а также нейтрализацией вредящих агентов (наступательные рефлексы). Сохранительные рефлексы привлечения направлены непосредственно на объект (пища, половой партнер), защитные направлены в сторону, противоположную вредящему раздражителю. По порядку последовательности фаз эта классификация дополняется указанием на подготовительные (мотивационные) и исполнительные (консуматорные), связанные с завершающими действиями, безусловные рефлексы. Так, исходя из этой классификации можно выделить подготовительные пищевые безусловные рефлексы, лежащие в основе формирования состояний голода и сытости. К ним относятся реакции, возникающие при изменении химического состава крови, сдвигах в обмене веществ, усилении или ослаблении интероцептивной сигнализации (преимущественно от рецепторов желудка, кишки и печени).

Инициация и прекращение пищевого возбуждения определяются нервными и гуморальными сигналами, воспринимаемыми специализированными рецепторами гипоталамической области. В формирование состояний голода и сытости вовлекаются также многие другие структуры головного мозга. Пищевое побуждение зависит от внутренних раздражителей и от стимулов, исходящих из внешней среды. На фоне доминирующей мотивации голода возникает двигательное беспокойство и происходит активация некоторых сенсорных систем (в частности, вкуса и обоняния). После поступления пищи в ротовую полость подготовительные рефлексы тормозятся и начинают реализоваться исполни тельные пищевые рефлексы: пережевывание пищи, слюноотделение, проглатывание сформировавшегося пищевого комка, координированные сокращения пищевода и желудка, выделение желудочного и панкреатического соков, изменение метаболических реакций и т. д.

Столь же сложны подготовительные и исполнительные безусловные рефлексы, связанные с половым или оборонительным поведением. Следует вместе с тем иметь в виду, что в процессе онтогенеза подготовительные и исполнительные безусловные рефлексы меняются под .влиянием внешних и внутренних раздражителей, поэтому в координированной приспособительной деятельности первостепенную роль начинают играть условные рефлексы.

Как можно было видеть, рефлекторное управление функциями организма осуществляется механизмами разной сложности. Это позволило И. П. Павлову разделить безусловные рефлексы по анатомическому принципу: простые (спинномозговые), усложненные (продолговатый мозг), сложные (средний мозг) и сложнейшие (ближайшие подкорковые образования и кора больших полушарий). При этом И. П. Павлов указывал на системный характер регуляции физиологических процессов, рассмотренный им на примере организации "пищевого центра" - функциональной совокупности структур, расположенных на разных уровнях головного мозга.

Положение о системности как основном принципе работы мозга было сформулировано А. А. Ухтомским в его учении о доминанте - функциональном объединении различных нервных центров на основе повышенной возбудимости. Эти идеи были развиты П. К. Анохиным, согласно представлениям которого функциональные системы динамически объединяют нервные элементы различных уровней ЦНС, обеспечивая определенные приспособительные эффекты.

Таким образом, существует возможность классифицировать безусловнорефлекторную и условнорефлекторную деятельность на основании анатомического и функционального подходов, между которыми нет принципиальных противоречий. В последние десятилетия с помощью стереотаксической техники удалось определить участие в специализированной безусловнорефлекторной деятельности многих отделов мозга (гипоталамуса, миндалевидного тела, гиппокампа, стриопаллидарной системы и др.). Полученные данные расширили представления об организации различных форм поведения.

Развитие теории автоматического регулирования привело к необходимости рассмотреть организацию врожденного и приобретенного поведения в аспекте представлений об информационно-управляющей деятельности мозга. Было выделено шесть уровней его организации: элементарные, координационные, интегративные, сложнейшие безусловные рефлексы, элементарные безусловные рефлексы и сложные формы высшей нервной (психической) деятельности.

Элементарные безусловные рефлексы - простые ответные реакции местного значения, реализуемые в соответствии с жестко детерминированной программой своих сегментарных центров. Они осуществляются по одному главному каналу (центростремительные, центральные и центробежные звенья). Роль обратных связей (преимущественно отрицательных) в коррекции элементарных безусловных рефлексов невелика. Примеры такого рефлекса - отдергивание обожженной руки от огня или мигание при попадании в глаз соринки.

Координационные безусловные рефлексы также осуществляются на сегментарном уровне, но в отличие от элементарных рефлексов включают ряд циклов, хотя и стереотипных, но допускающих коррекцию на основе отрицательных и положительных обратных связей. Пример простого координационного рефлекса - антагонистический рефлекс, согласующий сокращения сгибательных и разгибательных мышц.

Интегративные безусловные рефлексы - комплекс взаимно координированных двигательных и вегетативных реакций, лежащих в основе биологически значимых актов и способствующих поддержанию гомеостаза и коррекции элементарных рефлексов. Реализация интегративных рефлексов определяется надсегментарными механизмами (в основном нижними отделами ствола, структурами продолговатого, среднего и промежуточного мозга, мозжечка). Если для осуществления элементарных и координационных рефлексов имеют значение главным образом физические свойства и локальное приложение раздражителя, то интегративные рефлексы обеспечивают целостные ответы организма (простейшие поведенческие акты с их вегетативными компонентами).

Механизмы нервной регуляции разных уровней тесно переплетаются, поэтому их разделение носит условный характер. Даже у спинального животного в осуществлении элементарного рефлекса участвует несколько рефлекторных дуг. Еще И. М. Сеченов обнаружил, что у лягушки неэффективность удаления лапкой повреждающего раздражителя приводит к вовлечению в реакцию новых двигательных координации. Двигательный ответ определяется исходным состоянием рефлекторного аппарата. У обезглавленной лягушки раздражение кожи стопы вызывает ее сгибание, при согнутой - разгибание. Нетрафаретность реализации врожденных рефлекторных программ, проявляемая даже после удаления надсегментарных отделов центральной нервной системы, значительно сильнее выражена при сохранении ее целостности.

Сложность организации врожденных реакций прослеживается на примере слюноотделительного безусловного рефлекса, который принято было считать относительно простым. В действительности же он связан с различными рецепторами (вкусовыми, тактильными, болевыми), волокнами нескольких нервов (тройничного, лицевого, языкоглоточного, блуждающего), многими отделами ЦНС (продолговатым мозгом, гипоталамусом, миндалевидным телом, корой больших полушарий). Слюноотделение связано с пищевым поведением, сердечно-сосудистой, дыхательной, эндокринной, терморегуляторной функциями.

Безусловнорефлекторная секреция слюны зависит не только от вызывающего ее адекватного раздражителя, но и от многих внешних и внутренних факторов. Повышение температуры окружающей среды приводит у собак к выделению большого количества "терморегуляторной" слюны с низким содержанием органических веществ. Количество слюны зависит от уровня пищевого возбуждения, доступности и содержания в пище поваренной соли, гормонального фона и многих других факторов.

Таким образом, реализация, казалось бы, относительно простых врожденных реакций определяется системной интеграцией сложных механизмов поддержания гомеостаза и взаимоотношений организма с внешней средой. Такая интеграция чрезвычайно пластична, и, в соответствии с принципом доминанты, одни и те же реакции могут входить в комплексы, связанные с удовлетворением различных потребностей организма. Например, слюноотделительный рефлекс может быть связан с терморегуляцией, пищевым или оборонительным поведением.

В осуществлении интегративных безусловных рефлексов, представляющих собой комплексы координированных движений с их вегетативным обеспечением, ведущую роль играют надсегментарные механизмы. Комплекс обратных связей осуществляет коррекцию элементарных, координационных и интегративных реакций, объединяемых в единую систему. Она неотделима от центральных механизмов инстинктивных реакций, связанных с подкорково-стволовыми отделами головного мозга. Определенную роль в реализации инстинктивных реакций играет также кора больших полушарий головного мозга.

Можно заметить, что предлагаемое разными авторами разделение уровней безусловнорефлекторной деятельности относительно. Схематичность любой ее классификации прослеживается на примере одного из фундаментальных безусловных рефлексов - ориентировочного. Он включает три группы явлений. Первая его форма, обозначенная И. П. Павловым как рефлекс "что такое?", включает много элементарных и координированных реакций - расширение зрачка, снижение порогов чувствительности к ряду сенсорных раздражителей, сокращение и расслабление мышц глаза, уха, поворот головы и туловища в сторону источника раздражения, принюхивание к нему, изменение электрической активности головного мозга (угнетение, блокада ?-ритма и возникновение более частых колебаний), появление кожно-гальванической реакции, углубление дыхания, расширение кровеносных сосудов головы и сужение сосудов конечностей, начальное замедление и последующее учащение сердцебиений и целый ряд других изменений в вегетативной сфере организма.

Вторая форма ориентировочного рефлекса связана со специализированными поисковыми движениями и зависит от мотивационно-потребностных характеристик, т. е. превалирующей доминанты, и от внешних раздражителей.

Третья форма ориентировочного рефлекса проявляется в виде исследовательской реакции, не обязательно связанной с удовлетворением текущих потребностей организма, т. е. основанной на "любопытстве".

В зарубежной литературе для описания ориентировочного рефлекса используют психологические понятия - внимание, установка в условиях ожидания раздражителя, реакция удивления, настораживания, испуга, тревоги, бдительности. С точки зрения нейрофизиолога, ориентировочный рефлекс - многокомпонентная неспецифическая реакция организма на "новизну", направленная на повышение способности анализаторов дифференцировать новое явление. Он характеризуется эффектом угасания и независимостью от модальности и направления изменений стимула.

Ориентировочно-исследовательский рефлекс является составной частью ориентировочно-исследовательского поведения, которое, будучи врожденным, тем не менее практически неотделимо от условнорефлекторной деятельности. Это касается и многих других форм поведения. Поэтому одним из наиболее сложных вопросов физиологии поведения является разделение врожденных и приобретенных реакций.

У взрослой особи врожденная деятельность обычно не проявляется в чистом виде, она видоизменена формирующимися в процессе онтогенеза условными рефлексами. Таким образом, безусловные рефлексы модифицируются в соответствии с индивидуальным приспособлением к особенностям существования. Даже на самых ранних этапах постнатальной жизни, а для некоторых сторон жизнедеятельности еще в пренатальном периоде, врожденные реакции "обрастают" условнорефлекторными элементами. При этом генетически детерминированные положительные реакции могут трансформироваться в отрицательные. Так, на самых ранних этапах жизни предпочитаемый сладкий вкус может становиться отвергаемым, если он хотя бы однократно сочетался с болезненным состоянием организма (дискомфортом).

Другая сложность в дифференцировании врожденных и приобретенных реакций связана с совершенствованием безусловнорефлекторной деятельности в процессе индивидуального развития. Кроме того, при взаимодействии с условными рефлексами безусловные в процессе постнатальной жизни "дозревают" (Л. А. Орбели).

Видоизменение врожденных форм поведения в процессе индивидуального развития может зависеть не только от научения, но и от многих косвенных влияний, в конечном счете сказывающихся на безусловнорефлекторной деятельности. Она в ряде случаев определяется температурой окружающей среды, при которой происходит развитие организма, условиями питания, стрессорными воздействиями.

Поведение принято рассматривать как врожденное, если в онтогенезе нельзя обнаружить влияний на него обучения или других факторов. Эти влияния пытаются выявить при помощи экспериментов с использованием определенных видов депривации (от англ. deprivation - лишение, утрата). (например, изоляции от сверстников, выращивания в темноте и т. д.). Подобный метод не всегда эффективен, поскольку депривация, во-первых, не может исключить всех средовых воздействий, а во-вторых, вызывает ряд общих изменений в состоянии организма. В частности, в зависимости от раздражителей, воздействующих на развивающийся организм (обогащенная и обедненная среда), регулируются синтез ДНК в нейронах, нейромедиаторный баланс и многие другие составляющие, от которых зависит реализация поведенческих актов.

Ответы организма не являются следствием прямолинейных процессов развития, ведущих от гена прямо к поведению взрослого животного и лишь в некоторых случаях изменяемых внешними воздействиями. В действительности существует сложное переплетение причинных связей, когда каждая часть организма может взаимодействовать с другими его частями и внешней средой.

Диапазон изменчивости сложнейших безусловных рефлексов в зависимости от условий существования в раннем возрасте неодинаков для разных видов деятельности. Некоторые врожденные комплексы движений чрезвычайно устойчивы и не могут быть изменены воздействиями среды, другие отличаются большей пластичностью. Описаны фиксированные последовательности движений, не зависящие от научения. Они хорошо прослеживаются у насекомых и птиц. Так, роящиеся осы одного вида строят гнезда при помощи стереотипных движений, шаблонны движения домашних петухов при ухаживании за курами.

Фиксированные комплексы движений характерны и для высокоразвитых животных, в том числе и для человека. Характерны сканирующие движения головой младенцев, облегчающие поиск соска. Стереотипно проявляются другие комплексы движений, связанные с сосанием. Эти рефлексы созревают еще в пренатальном периоде развития, что установлено в наблюдениях над недоношенными детьми. Не зависят от научения хватательный рефлекс, мимика ребенка и многие другие проявления врожденной деятельности. Наблюдения над представителями многих видов животных показывают, что адекватный выбор пищи может осуществляться без помощи родителей, т. е. не всегда требует предварительного научения. Отрицательная реакция на высоту проявляется у обезьянок, выросших в зоопарке.

Вместе с тем многие сложнейшие безусловные рефлексы видоизменяются в процессе развития или же требуют для своего проявления периода научения. У птенцов формирование пения определяется не только врожденными характеристиками, но и условиями вскармливания птицами своего или другого вида. Изоляция от сверстников крысят или щенков приводит к необратимым изменениям последующего "социального" общения. Изоляция обезьянок резко нарушает их последующее половое и материнское поведение.

Трудности, возникающие при разделении детерминированных генетически и выработанных в процессе жизни поведенческих актов, усугубляются и тем обстоятельством, что некоторые врожденные формы поведения проявляются на относительно поздних этапах развития, когда животное обладает некоторым опытом и уже сформированы условнорефлекторные стереотипы.

Так происходит, в частности, с половым поведением, готовность к проявлению которого возникает в определенном возрасте на фоне гормональных перестроек. Однако эффективность спаривания у многих видов определяется также индивидуальным опытом, приобретаемым до достижения половой зрелости в результате общения со сверстниками. Например, у взрослых самцов цихловых рыб, выращенных в изоляции, поведение ухаживания адресуется не только самкам, но и самцам. Близкие изменения прослежены у птиц, грызунов, обезьян. Общение с сородичами влияет на половое поведение разными путями, изменяя готовность к спариванию, реактивность к соответствующим раздражителям, точность движений и различные реакции, прямо или косвенно связанные с размножением. При этом следует иметь в виду, что специфическое (в данном примере половое) поведение может видоизменяться у взрослых особей на основе неспецифического по отношению к нему поведения, проявляющегося на более ранних стадиях онтогенеза.

Половое созревание и связанные с ним гормональные перестройки изменяют многие стороны взаимодействия с внешней средой, непосредственно не относящиеся к репродуктивным процессам. У взрослых особей половые различия проявляются в двигательной активности, поведении в открытом поле, внутривидовой агрессии, в восприятии вкусовых, обонятельных и болевых раздражителей, выборе и потреблении пищи, в научении пассивному и активному избеганию повреждающего воздействия, научении в лабиринте. По мере полового созревания изменяется характер реагирования на многие биологически значимые раздражители, что, в свою очередь, отражается на реализации ранее выработанных условных рефлексов. Эта закономерность хорошо прослежена на примере условнорефлекторных вкусовых аверсий - отрицательного отношения к врожденно индифферентным или предпочитаемым вкусовым стимулам после сочетания их с болезненным состоянием. Так, аверсия к сладкому вкусу, однократно сочетавшемуся с отравлением, одинаково выражена у неполовозрелых крысят обоего пола. По мере полового созревания у самок увеличивается связанная с повышением уровня эстрогенов и прогестинов мотивация к потреблению веществ сладкого вкуса и, соответственно, снижается выработанная к ним аверсия. У самцов же она сохраняется значительно дольше, что поддерживается продукцией тестостерона. После кастрации вкусовые аверсий у самцов угашаются так же быстро, как и у самок.

Не следует, однако, связывать половой диморфизм (морфофизиологические различия между особями мужского и женского пола) в различных формах поведения, в том Числе и с вкусовыми аверсиями, исключительно с состоянием эндокринной системы. Он определяется совокупностью факторов, связанных с особенностями формирования центральной нервной системы в пре- и постнатальном онтогенезе, гормональным статусом организма и возможностью реализации тех или других форм активности в соответствии с внешними условиями. Имеется, например, корреляция между пролонгированием сохранения условнорефлекторных вкусовых аверсий и пассивно-оборонительным поведением. Очевидно, более высокий уровень последнего у самцов по сравнению с самками обеспечивает надежность защиты "гнезда".

Анализ проявлений полового диморфизма целесообразно проводить с позиций представления о стратегиях и тактиках поведения на разных этапах индивидуального развития (В. Г. Кассиль). Преимущественный выбор активных и пассивных форм реагирования на экстремальные раздражители определяется отношением к ситуации как избегаемой или неизбегаемой, нередко не совпадающим с ее реальной оценкой, что обусловлено предшествующим опытом. Вместе с тем исходная направленность реагирования на внешние события обусловлена врожденными характеристиками и в значительной мере зависит от особенностей организации мозга и гуморально-гормонального статуса организма. Так, анализ диморфизма в поведении самцов и самок показывает, что у последних преобладают активные формы реагирования на экстремальные раздражители.

Для проявления различных врожденных форм поведения и вырабатываемой на их основе условнорефлекторной деятельности чрезвычайно важны процессы созревания центральной нервной системы и сопутствующие изменения в балансе биологически активных веществ во внутренней среде. С этими процессами тесно связаны особенности взаимодействия безусловно- и условнорефлекторной деятельности на разных этапах онтогенеза. Существенными для раннего взаимодействия со средой являются реакции, проявляющиеся в первые часы или дни жизни у птиц и млекопитающих при однократном сочетании раздражения различных органов чувств с врожденными элементами поведения - следованием за удаляющимся предметом и с другими целенаправленными двигательными актами.

Эта форма обучения, названная запечатлением (импринтингом), формируется на протяжении чувствительного периода, длящегося от 6-8 ч до 4-5 дней. Близки к запечатлению натуральные условные рефлексы, которые также формируются очень быстро на определенной стадии онтогенетического развития и чрезвычайно медленно угасают. Можно выделить форму научения, имеющую черты импринтинга и натурального условного рефлекса. Так, у щенков на протяжении первых трех дней жизни вырабатывается пищедобывательный условный рефлекс на естественные или экологически неадекватные запаховые раздражители при однократном их сочетании с кормлением. С 4-го по 10-й день жизни способность к выработке этого рефлекса исчезает и вновь появляется на 11 ~12-й день, причем начиная с этого периода научение требует уже многократного сочетания условного и безусловного стимулов.

Сложные формы поведения проявляются сразу же после рождения, что позволяет отнести их к врожденным реакциям. Процесс их дозревания не может быть прослежен "в чистом виде", так как они модифицируются благодаря внешним воздействиям. Существование феноменов запечатления и натуральных условных рефлексов затрудняет дифференцирование врожденных реакций, приобретенных в постнатальном онтогенезе поведенческих актов.

Есть основания предполагать, что реализация некоторых врожденных реакций связана с раздражителями, которым подвержен организм в пренатальной жизни. Так, у щенков предпочтение запаха матери формируется в конце пренатального периода.

Некоторые врожденные реакции проявляются не сразу после рождения, а на одном из последующих этапов развития. Если в это время животное не сталкивается со специфическим раздражителем, в дальнейшем способность реагировать на него без специального научения не проявляется. При этом возможны ошибки в отнесении некоторых реакций к врожденным или выработанным. Например, долгое время считали, что собаки, воспитывавшиеся с периода перехода к дефинитивному питанию на хлебно-молочной диете, не отвечают врожденной положительной реакцией на запах мяса. Первые опыты на этих животных были проведены лишь в 7-месячном возрасте. Оказалось, однако, что на 16-21-й день жизни щенка такая способность у него проявляется. Если же адекватный раздражитель отсутствует, она постепенно затормаживается и отсутствует у щенков старшего возраста, впервые сталкивающихся с запахом мяса.

Проявление некоторых сложных форм поведения, хотя и определяется генетической программой, в некоторых пределах может модулироваться внешними факторами. Так, понижение температуры внешней среды значительно снижает уровень игровой деятельности детенышей некоторых млекопитающих, хотя вызывает ее специфический раздражитель - контакт со сверстниками.

Можно привести много примеров, подтверждающих роль факторов среды в модификации врожденных форм поведения. Однако было бы ошибкой противопоставлять значение генетических и средовых факторов в развитии поведения. Все формы взаимодействия организма со средой, в том числе и поведенческие, обусловлены генетической программой и в той или иной степени подвержены внешним влияниям. Генетическая программа определяет и диапазон этих влияний, т. е. так называемую норму реакции. Для одних признаков она строго фиксирована, что хорошо иллюстрирует отсутствие пластичности в осуществлении некоторых функций у насекомых (полет, выход из личинки или кокона, половое поведение).

Существуют строго запрограммированные инстинктивные действия. Например, самка паука при строительстве кокона производит комплексы стереотипных движений, даже если паутинная нить не вырабатывается. Затем в несуществующее отверстие она откладывает яйца, которые падают на землю, и продолжает деятельность, имитирующую строительство кокона, которого на самом деле нет. В этом случае норма реакции крайне узка и инстинктивные действия не зависят от сигналов об их эффективности. Для ряда других признаков она значительно шире, причем адаптивная вариабельность инстинктивных действий обнаружена и у насекомых, что проявляется, в частности, при восстановлении разрушенных жилищ в условиях, отличных от естественных.

Генетическая обусловленность поведения проявляется при постепенном формировании некоторых поведенческих актов в процессе раннего онтогенеза. Подробно исследовано соотношение врожденных и приобретенных компонентов в реакции нападения на жертву у котят. Вначале проявляются только инстинктивные Двигательные стереотипы, постепенно в процессе тренировки, происходящей в условиях контакта с матерью и сверстниками, они уточняются и обогащаются движениями, сформировавшимися в процессе научения.

Исходное использование врожденных комплексов движений, связанных с пищевой активностью, описано у щенков первых дней жизни при выработке внутримозговой самостимуляции "зон награды" (положительной эмоциогенной системы). Постепенно репертуар движений обогащается менее шаблонными, выработанными комплексами, причем они соседствуют с врожденными стереотипами двигательной активности. Очевидно, инстинктивные поведенческие акты, на основе которых строится новая система целенаправленной активности, не обязательно устраняются при ее формировании.

Сложным является вопрос о непременной рефлекторной основе каждого поведенческого акта.

Представление о ее обязательности привело И. П. Павлова к отождествлению понятий сложные безусловные реакции и инстинкты. Во многих случаях удалось обнаружить внешние и внутренние стимулы, являющиеся толчком к развертыванию цепи шаблонных реакций, однако не всегда можно их идентифицировать, что позволяет предполагать, что ряд форм инстинктивной деятельности проявляется самопроизвольно. Эндогенные процессы в ЦНС обусловливают выполнение ряда инстинктивных актов без видимых колебаний в состоянии внешней и внутренней среды. Большую роль при этом играют циркадные (околосуточные) и другие ритмы, которые не определяются физиологическим состоянием организма и различным стимулами, хотя и могут сдвигаться под их влиянием.

Описаны автономные колебательные процессы в различных структурах мозга, которые определяют периодические изменения поведения животных, изолированных от сородичей и лишенных зрения и слуха. Многие генетически закодированные реакции определяются изменениями во внутренней среде организма. Так, у глухих от рождения сиамских кошек-мутантов возбуждение, связанное с циклом половой активности, проявляется в поведенческих актах (лордоз - прогибание позвоночника, обращенное выпуклостью вентрально, и др.) ив специфических звуковых сигналах. Определенные сигналы издаются этими животными в состоянии голода и при оборонительном поведении.

Некоторые нормы реакций при отсутствии обратной связи подавляются. Так у глухих и слепых людей отсутствуют некоторые выразительные движения (в том числе и звуковые), связанные соответственно со слуховым или зрительным восприятием. Рожденные слепыми с годами улыбаются меньше, чем зрячие или ослепшие в более позднем возрасте. Однако ряд выразительных движений проявляется независимо от полноценности сенсорных систем. Анализ зафиксированных на кинопленку выразительных движений детей, родившихся слепыми и глухими, показал, что моторика смеха у них точно такая же, как и у здоровых.

Комплексы инстинктивных движений обычно тесно связаны с сигналами из внешней и внутренней сред организма, хотя они и могут определяться автономными процессами в ЦНС. Однако далеко не всегда удается их выявить.

Отрицание рефлекторной природы инстинктивных актов привело некоторых исследователей к определению их как врожденных, внутренне организованных и проявляющихся спонтанно. Полагают, что инстинкт связан с накоплением "специфической энергии действия", которую освобождает разрешающая ситуация. При этом инстинктивные действия, отражающие внутренние потребности, включают поисковую (подготовительную) и завершающую фазы.

Примером может служить активность хищника при выслеживании и поедании жертвы. На первом этапе имеется ненаправленный поиск, далее в соответствии с раздражителями, исходящими от жертвы, поиск становится направленным, после чего следует ряд поведенческих актов (подкрадывание или преследование, прыжок, умерщвление жертвы, расчленение ее на куски). Второй этап (поедание жертвы) является завершающим (консуматорным) и протекает более стереотипно, чем первый.

3.13.2. Достижения этологов в исследовании врожденных форм поведения

Несмотря на терминологические различия в обозначении некоторых поведенческих реакций, этологи описывают их с позиций, весьма близких позициям И. М. Сеченова, И. П. Павлова и других отечественных физиологов.

В чем же заключаются основные положения современной этологии? Согласно концепции К. Лоренца, инстинктивное поведение состоит из комплексов фиксированных паттернов - одинаковых у всех особей данного вида стереотипных по последовательности и форме исполнения двигательных актов. Под действием внутренних и внешних раздражителей (гормонального фона, температуры внешней среды и др.) в нервных центрах накапливается "специфическая энергия действия". Она вызывает поисковое поведение, направленное на удовлетворение определенного побуждения (голода, жажды, половой потребности и т. п.).

Фаза поиска включает не только врожденные, но и приобретенные элементы тогда как следующая за ней завершающая фаза, которую можно считать инстинктом в чистом виде, строго видоспецифична и модифицируется в процессе научения. Можно привести множество примеров шаблонности завершающей фазы поведенческого акта, на основании которых были расширены возможности систематики. При использовании в качестве таксономических признаков комплексов фиксированных действий завершающей фазы поведенческого акта удалось дифференцировать виды, не различающиеся морфологически.

Так, 16 видов уток были разделены на основании комплексов фиксированных действий при церемонии ухаживания. Существенные коррективы были внесены в классификацию семейства кошачьих, у которых формирование охотничьих навыков и типов общения были сопоставлены с анатомическими и экологическими особенностями.

Согласно концепции этологов, центральная нервная система блокирует комплексы фиксированных действий. Блок снимается ключевыми, или знаковыми, раздражителями (стимул-объекты, рилизеры), высвобождающими "врожденный разрешающий механизм". Избирательный ответ на эти раздражители связан с нейросенсорными системами, запускающими данную реакцию и определяющими избирательную чувствительность к специфическим комбинациям ключевых стимулов. Отношение к ним меняется в зависимости от внутреннего состояния. Чайки, например, могут относиться к яйцам как к пище или объекту высиживания. После освобождения из куколки самец бабочки-сатира сильнее реагирует на желтый и синий цвета - ключевые стимулы, облегчающие поиск цветка. В период же ухаживания ключевым стимулом становится коричневый цвет.

Ключевые стимулы исследуют с помощью макетов, в которых последовательно исключают детали естественного носителя ключевых раздражителей, а также изменяют его размеры. Можно изготовить "сверхнормальную" модель, в которой выделен ключевой раздражитель. Животные предпочитают такую модель естественному комплексу раздражителей.

В опытах, проведенных на серебристой чайке, сером гусе и кулике-сороке, обнаружено, что для насиживания птицы выбирают огромные макеты яиц, предпочитая их собственным. Птенцы серебристой чайки клюют макет клюва взрослой чайки (врожденная реакция, вызывающая отрыгивание родителями рыбы), который привлекает их больше, чем естественный, хотя значительно от него отличается. Наибольшую реакцию вызывает тонкая белая палочка с поперечными темно-красными полосками. У самца колюшки во время брачного сезона брюшко окрашивается в ярко-красный цвет, что провоцирует у другого самца агрессивную реакцию. Она может быть вызвана любым продолговатым предметом, имеющим снизу красное пятно. Все эти стимулы являются врожденными и не корригируются индивидуальным опытом.

Видоспецифические зрительные раздражители охватывают обширную категорию сигналов, определяющих различные формы инстинктивного поведения. Однако они составляют лишь часть ключевых стимулов, которые могут быть адресованы различным сенсорным системам. Хорошо исследованы звуковые сигналы, связанные с пищевым, оборонительным, половым поведением, взаимоотношениями матери и детеныша, членов сообщества (зоосоциальное поведение), Пусковую роль для различных форм врожденной активности играют феромоны - вещества, вырабатываемые специальными железами или клетками животных, выделяемые в окружающую среду и имеющие сигнальное значение.

Ключевые стимулы, как правило, относительно просты. Между тем общение животных включает комплексы сложных фиксированных движений, которые могут быть ключевыми стимулами для разных форм поведения. Хорошо изучена передача информации, касающейся источников пищи у пчел. У представителей различных классов животных описаны позы угрозы и подчинения, ритуалы приветствий, брачные церемонии. Демонстративные движения часто отражают конфликтные тенденции к двум несовместимым типам поведения, например, оборонительному и половому.. В зависимости от уровня мотивации и возможности ее реализации побеждает одна из таких тенденций. Если конфликт не может разрешиться, между конкурентными мотивациями на какое-то время устанавливается равновесие. В этом случае может проявиться смещенная активность - деятельность, не соответствующая исходной ситуации. Так, вместо проявления агрессивного или полового поведения птицы начинают чистить клюв или оперение, клевать землю или зерна (часто не глотая их). Смещенная активность изучена у многих представителей птиц, рыб, членистоногих, млекопитающих. В состоянии напряжения люди также бессознательно совершают ненужные в данной ситуации действия, например поправляют галстук, причесываются. Смещенная активность может зависеть от внешних стимулов. У индюков в конфликтной ситуации "приближения-избегания" она проявляется в потреблении пищи или воды в зависимости от их доступности. Внутреннее состояние также влияет на характер смещенной активности. Одно из частых ее проявлений у птиц - чистка перьев - может инициироваться взъерошиванием, вызванным конфликтной ситуацией.

Конфликт может быть разрешен с помощью переадресованной активности - нападением на более слабую особь, когда агрессия тормозится страхом.

Н. Тинберген выдвинул предположение об иерархической организации инстинктивного поведения, проявляющейся в последовательном включении отдельных комплексов движений в результате упорядоченного возбуждения соответствующих "центров".

Сопоставление подходов к изучению инстинктивной деятельности, характерной для этологов и зоопсихологов, показывает, что они обращают недостаточно внимания на центральную организацию поведения. Практически многие положения этологов, например представление о специфической энергии действия иерархии центров, врожденном реализующем механизме, реафферентации, далеки от физиологического подхода к изучению врожденного и приобретенного поведения. Между тем учение И. П. Павлова о высшей нервной деятельности, А. А. Ухтомского о доминанте, многие положения теории функциональных систем П. К. Анохина, а также результаты исследований ряда физиологов вскрывают конкретные механизмы врожденных форм поведения, описанных этологами. Однако следует отдать должное огромной работе, проделанной последними по наблюдению за различными сторонами поведения животных.

3.14. ПРИОБРЕТЕННЫЕ ФОРМЫ ПОВЕДЕНИЯ

Жизнедеятельность организма в постоянно меняющейся внешней среде включает в качестве важнейшего фактора широкий спектр индивидуальных поведенческих адаптации. Генетически детерминированные формы поведения, отражающие накопленный в генофонде видовый опыт предшествующих поколений, оказываются недостаточными, чтобы обеспечить активное существование особи в вероятностно изменчивой среде. Чем меньше выражен диапазон колебаний факторов среды, тем в большей степени поведение животного может опираться на опыт предшествующих поколений, "записанный" в его генотипе. И наоборот, чем больше изменчивость окружающей действительности, тем меньше прагматическая ценность видового опыта, тем в большей мере возрастает необходимость в приобретении собственного, индивидуального опыта.

Индивидуальный опыт приобретается различными путями, в основе которых лежит общая способность живых организмов к научению, что возможно благодаря важнейшему свойству организма сохранять на какой-то срок элементы научения, т. е. свойств памяти.

Нейробиология научения и памяти - это единая научная проблема. Под научением понимают процесс, состоящий в появлении адаптивных изменений индивидуального поведения в результате приобретения опыта. Этот процесс может быть оценен по результатам поведения, иными словами, по тем поведенческим актам, которые животные запомнили в результате научения.

3.14.1. Классификация форм научения

В основу классификации, которая опирается на ранее разработанные схемы, положены филогенетическая и онтогенетическая динамика развития живого организма.

Молодые организмы с первых моментов самостоятельной жизни обеспечены достаточно стабильным набором внешних стимулов, среди которых они находятся. На этом этапе научение носит неассоциативный облигатный (истинный) характер, обусловленный набором средовых факторов и не требующий их непременной ассоциации с целостной деятельностью организма. Научение имеет стимулзависимый характер.

К этой форме научения могут относиться суммационный рефлекс, привыкание, запечатление (импринтинг), подражание (имитация). В основе феномена суммации лежат явления сенсибилизации (повышение чувствительности организма к данным раздражающим агентам) и фасилитации (облегчение запуска именно данной ответной реакции). Такие поведенческие навыки описаны даже у одноклеточных простейших и беспозвоночных. Это - освоение определенного маршрута передвижения, скопление в определенных местах пространства, различение съедобных продуктов и несъедобных и пр.

Эти и подобные им навыки обладают следующими свойствами: 1) они не могут сохраняться длительное время и обречены на исчезновение; 2) вызывающие их раздражители не имеют специализированного сигнального значения;

3) после исчезновения эти навыки самостоятельно не восстанавливаются.

Последнее свидетельствует о том, что исчезновение этих навыков есть процесс разрушения, а не временного торможения. Возникнув на ранних этапах эволюции живых существ, суммационная реакция у высших животных в преобразованном, а иногда и замаскированном виде проявляется как важнейший элемент более сложных форм индивидуального научения.

В противоположность суммационной реакции привыкание представляет собой такую форму научения, которая состоит в относительно устойчивом ослаблении реакции вследствие многократного предъявления раздражителя, не сопровождающегося каким-либо биологически значимым агентом (пищевым, оборонительным и пр.).

По-видимому, для низкоорганизованных животных суммационная реакция и кратковременное привыкание являются единственными механизмами приобретение индивидуального опыта. Привыкание совершенствуется в ходе эволюции и сохраняет за собой важную роль в репертуаре поведенческих адаптации. В определенном смысле привыкание - это подавление реакций, значимость которых невелика для поддержания жизнедеятельности. Привыкание возникает не в результате утомления или сенсорной адаптации, оно может быть кратко- и долговременным, что позволило использовать привыкание как модель для изучения разных видов памяти.

Наиболее распространенной формой привыкания в животном мире является ориентировочный рефлекс, который при повторении вызвавшего его раздражителя угашается в соответствии со всеми признаками привыкания. Основными факторами в развитии ориентировочного рефлекса являются новизна, неожиданность и значимость раздражителя для организма. В составе ориентировочной реакции выделяют два процесса: 1) начальную реакцию тревоги, удивления, сопровождающуюся повышением тонуса мышц и фиксированием позы (затаивание), генерализованным изменением электрической активности мозга (неспецифическая настройка), и 2) исследовательскую реакцию внимания -поворот головы, глаз, ориентация рецепторов по направлению к источнику раздражения. Она сопровождается локальными изменениями электрической активности мозга.

Ориентировочная реакция возникает не на сам стимул как таковой, а в результате сличения стимула со следовым процессом, оставленным в нервной системе предшествующими раздражителями. Если стимул и след совпадают, то ориентировочная реакция не возникает. Если же информация о стимуле и хранящиеся в памяти следы не совпадают, ориентировочная реакция возникает и оказывается тем интенсивнее, чем больше выражено такое рассогласование. Вероятно, конфигурация следов, оставленных в нервной системе в результате повторения каких-то раздражителей, фиксирует все их параметры.

Иными словами, нервная система путем комбинации своих элементов строит "нервную модель" стимула, динамика формирования которой и отражается в процессах угашения ориентировочного рефлекса.

Первые шаги в самостоятельной жизни молодого организма в решающей мере зависят от его контактов с матерью, которые осуществляют его выживание. Комплекс поведенческих адаптации новорожденного, которые образуют первичную связь между ним и родителями, как бы замыкает цепь преобразований эмбрионального периода, позволяя реализовать новорожденному уже сформированные механизмы восприятия и реагирования, именуют запечатлением (импринтингом). Детальная биологическая характеристика этого явления проведена К. Лоренцем, который сформулировал четыре основных особенности импринтинга: 1) импринтинг приурочен к ограниченному отрезку жизни, именуемому критическим, или чувствительным, периодом; 2) импринтинг необратим, т. е., возникнув в критический период, он не уничтожается последующим жизненным опытом; 3) импринтинг может происходить в тот период, когда соответствующее поведение еще не развито (например, половое); т. е. научение путем импринтирования не требует подкрепления; 4) при импринтинге запечатлеваются не индивидуальные, а видоспецифические характеристики жизненно важного объекта.

Типичный пример импринтинга: если утенок вылупляется в присутствии большого зеленого ящика, он будет следовать, за ним, двигающимся по проволоке, причем даже более охотно, чем за собственной матерью или другими птенцами. По-видимому, явления импринтинга служат примером взаимодействия индивидуального опыта и врожденных свойств молодого организма, что ведет к быстрой фиксации их в механизмах памяти.

В результате подражания (имитации) животное выполняет видотипичные действия путем непосредственного наблюдения за действием других животных своего вида. Особенно это характерно для молодых животных, которые путем имитации родительского поведения научаются различным проявлениям поведенческого репертуара своего вида.

Л. А. Орбели считал имитационное поведение главным охранителем вида, ибо громадное преимущество заключается в том, что "зрители", присутствующие при акте повреждения члена их же стада или их сообщества, вырабатывают рефлекторные защитные акты и таким образом могут в будущем избежать опасности.

Таким образом, облигатное, неассоциативное научение обеспечивает жизнедеятельность особи на первых этапах ее самостоятельного существования, а также закладывает основы видоспецифического характера поведения.

На более поздних этапах онтогенеза поведение все в большей мере приобретает активный характер. Расширяется спектр внешних факторов, способных приобретать сигнальное значение в зависимости от сочетания их с целостной биологической реакцией организма (ассоциативное, факультативное научение). Научение в этот период носит эффектзависимый характер, т. е. определяется результативностью контакта организма со средой.

Ассоциативное научение характеризуется совпадением во времени какого-либо индифферентного раздражителя с деятельностью организма. Биологический смысл такой ассоциации - условного рефлекса - в его сигнальности, т. е. в приобретении этим раздражителем роли предупреждающего фактора, сигнализирующего наступление последующих событий и подготавливающего организм к взаимодействию с ними. Ситуация выработки условных рефлексов, как бы имитирующих безусловнорефлекторную реакцию, наблюдалась в случае слюноотделительных или электрооборонительных рефлексов.

В последнем случае, например, посторонний раздражитель сочетали со слабым электроболевым стимулом, приводящим к отдергиванию конечности' у собаки. Спустя несколько сочетаний эта же реакция возникала и на условный сигнал. Такие условные рефлексы, благодаря которым достигается пассивная адаптация за счет существенного расширения сигналов к безусловнорефлекторной деятельности, называют условными рефлексами I типа, или классическими условными рефлексами. Животное при этом выступает в качестве пассивного участника событий, не имеющего возможности кардинально изменить их последовательность.

В самостоятельную форму объединяют условные рефлексы, которые строятся на основе активной целенаправленной деятельности животного. Теперь уже последовательность событий зависит не только от внешней сигнализации, но и от поведения животного. Например, крыса в экспериментальной камере случайно нажимает лапой на педаль, за что сразу вознаграждается пищей. А если еще перед нажатием на педаль включать посторонний раздражитель, устанавливается следующая цепная связь: сигнал > нажатие на педаль > пища.

Активный характер такого научения базируется на среднем звене - нажатии на педаль, от своевременности выполнения которого зависит успешность выполнения пищедобывательного поведенческого акта. Причем само нажатие на педаль не имеет никакой генетической связи с получением пищи. Такие условные рефлексы именуют инструментальными, или условными рефлексами II типа. Сюда же относят различные формы так называемого оперантного обучения, или дрессировки, обучения с помощью "проб и ошибок".

Высшие формы научения, свойственные в большей степени взрослым животным с развитой нервной системой, опираются на свойство формировать функциональную структуру окружающей среды в концептуальном плане, т. е. формировать целостный образ окружающей среды. Такие формы когнитивного научения основаны на извлечении законов связей между отдельными компонентами среды и базируются на двух предыдущих формах научения.

У высших позвоночных животных при первом же восприятии местоположения пищи создается образ или конкретное представление пищи и ее местоположения в данном пространстве. Этот образ сохраняется длительное время без повторного воспроизведения, и каждый раз, когда он репродуцируется при восприятии данной среды или какого-либо ее компонента, животное ведет себя точно так же, как и при непосредственном восприятии. Такое психонервное поведение, или поведение, направляемое образами, стали называть произвольным в отличие от условнорефлекторного, автоматизированного. При такой форме научения устанавливаются временные нервные связи между психонервным образом и двигательными центрами мозга. Образ, который лежит в основе субъективного отражения внешнего мира, - это вектор предстоящего рефлекторного поведения. Непосредственно активность образа реализуется через ориентировочную реакцию, которая регулирует направление поведения животного. Индивидуальное поведение, первично направляемое психонервным образом, при повторной тренировке автоматизируется и осуществляется по всем закономерностям условнорефлекторного научения.

В качестве самостоятельной формы поведения выделяют элементарную рассудочную деятельность животных, которая заключается в их способности улавливать простейшие эмпирические законы, связывающие предметы и явления окружающей среды, и в возможности оперировать этими законами при построении программ поведения в новых ситуациях. Элементарным проявлением рассудочной деятельности (разума) животных является способность к экстраполяции направления движения раздражителя. Животное, используя свою "систему отсчета", экстраполирует направление смещения кормушки с пищей, которая большую часть пути остается невидимой для животного. Таким путем животное использует предварительно воспринятую тактику поведения в среде для построения логики своего будущего поведения.

Предполагают, что в процессе отбора закрепляются те нейронные функциональные констелляции, которые обеспечивали наиболее быстрое решение биологически значимых задач. Происходит сличение уловленных в данный момент законов с теми, которые были познаны в предшествующей жизни. В результате осуществляется выбор наиболее адекватного пути решения задачи. К проявлениям рассудочной деятельности следует относить и так называемое инсайт-обучение (от англ. insight - проницательность, понимание, интуиция.)

Важнейшим результатом биологической эволюции в вероятностно организованной среде является способность к вероятностному прогнозированию. Под этим понимают предвосхищение будущего, основанное на вероятностной структуре прошлого опыта и информации о наличной ситуации. В соответствии с вероятностными гипотезами осуществляется подготовка к действиям в предстоящей ситуации, приводящим к наибольшей вероятности достижения цели.

Теория вероятностного обучения исходила из представлений о предсказании статистических закономерностей и выбора оптимальных стратегий поведения при обучении субъекта независимым вероятностям стохастично подаваемых раздражении. Степень информированности субъекта зависит от текущей субъективной вероятности достижения цели с учетом наличных средств и оценки проблемной ситуации. Высшие позвоночные и человек непрерывно опираются на вероятностное прогнозирование. Животные прогнозируют вероятность поиска пищевого объекта, чтобы не стать жертвой собственной "беспечности".

В целом вероятностное прогнозирование может иметь разные формы: 1) прогнозирование разных форм не зависимых от субъекта событий; 2) прогнозирование своих ответных активных действий; 3) прогнозирование целенаправленных действий не только в соответствии с их частотой в прошлом опыте, но и с их актуальной значимостью и предполагаемым результатом; 4) использование гипотез о наиболее вероятных действиях своих активных партнеров; 5) прогнозирование действий и целей с учетом собственных энергетических затрат.

Обучение вероятностному прогнозированию деятельности при широком репертуаре простых форм обучения представляет собой результат наиболее сложных мозговых процессов, связанных с работой высших интегративных систем мозга.

3.14.2. Сон как форма приобретенного поведения

(В изложении раздела использованы материалы Ю. Ф. Пастухова).

Цикличность всех природных процессов связана с движением Земли вокруг Солнца, с вращением Земли вокруг собственной оси. Первое определяет смену сезонов года и соответствующие сезонные ритмы поведения, последнее - смену дня и ночи, т. е. суточные, или циркадные, ритмы поведения. Большинство млекопитающих не рождаются с готовым суточным ритмом, а постепенно приспосабливаются к нему, т. е. вырабатывают собственный внутренний ритм. Чем быстрее и полнее животное его сформирует, тем оно имеет больше шансов в борьбе за существование. Периодическая смена освещенности и сопутствующих внешних раздражении (прежде всего температурных) играет особо важную роль в период становления внутреннего ритма. Эти ритмы могут быть устойчивыми и поддерживаться без непосредственного сопровождения факторами внешней среды. Смена сна и бодрствования - это одно из поведенческих проявлений внутреннего суточного ритма организма.

Сон - это адаптация, подавляющая активность в период наименьшей доступности пищи, угрозы резких колебаний внешних условий и максимальной опасности со стороны хищников. С этими же факторами связана общая продолжительность и структура сна. Сон снижает ежедневные метаболические затраты, навязывая организму смену деятельности, и является выражением внутренней инстинктивной потребности.

Сон бывает двух типов: монофазный - с однократным чередованием дневного или ночного сна и периода бодрствования, полифазный - с частыми сменами периодов сна и бодрствования на протяжении суток. По современным представлениям, весь период одного цикла сна разделен на два сменяющие друг друга и резко различающиеся состояния, которые именуются медленноволновым, или медленным (ортодоксальным), сном (МВС) и быстрым, или парадоксальным, сном (ПС). Эти названия связаны с тем, что стадия медленного сна сопровождается высокоамплитудными медленными ?-волнами ЭЭГ, а стадия быстрого сна - высокочастотной низкоамплитудной активностью (десинхронизация), столь характерной для ЭЭГ мозга бодрствующего организма. Таким образом, по ЭЭГ показателям мозг бодрствует, а организм спит. Отсюда и название парадоксального сна.

Полагают, что парадоксальная фаза сна - это аналог закрепившегося в эволюции состояния сторожевого бодрствования и древнейшей формы активации, обнаруженной у холоднокровных в форме первичного сна.

Особый интерес к стадии парадоксального сна обусловлен возможностью изучать психофизиологические корреляты этого состояния, которое увязывают с протеканием сновидений. Для классификаций стадий сна у человека применяется схема Лумиса (рис. 3.36).

Для спокойного бодрствования (стадия W) и дремоты характерен ?-ритм, амплитуда которого постепенно уменьшается и может вообще исчезать (стадия А). При внешнем раздражении наступает реакция активации, т. е. происходит смена ?-ритма на высокочастотный (?-ритм (реакция десинхронизации). При появлении легкой сонливости (стадия В) возникает неустойчивая высокоамплитудная активность. Стадию С обычно связывают с поверхностным сном, когда начинают появляться низкоамплитудные медленные волны. Переход к стадии D и особенно Е свидетельствует о глубоком сне, который сопровождается дальнейшим усилением высокоамплитудной медленной активности (?-ритм).

Рис. 3.36 Классификация стадий сна у человека по особенностям ЭЭГ Стадия W - бодрствование в расслабленном состоянии, стадия А - переход от бодрствования ко сну, стадия В - засыпание и самый поверхностный сон (острые вертекс-зубцы соответствуют "моменту" засыпания), стадия С - поверхностный сон, стадия D - умеренно глубокий сон, стадия Е - глубокий сон. Три нижние кривые представляют собой одновременную запись ЭЭГ, электроокулограммы (ЭОГ) и электромиограммы указательного пальца (ЭМГ) во время сна с быстрым движением глаз (БДГ) со сновидениями.

МВС занимает у человека основную часть сна - 75-85%, на долю ПС приходится 15-25%. Функции организма во время сна существенно меняются. Их изменения во время МВС и ПС лучше рассматривать раздельно, поскольку это разные состояния.

Функциональные характеристики медленноволнового сна.

Системные изменения. Снижение: двигательной активности, тонуса позных мышц, поведенческой реактивности, интенсивности метаболизма, частоты сердечных сокращений и дыхания, вентиляции легких в ответ на СО2, сосудистого тонуса, артериального давления, температуры "ядра" тела, установочной точки терморегуляции, функции почек, моторики кишки.

Изменения в эндокринной системе. Уменьшение секреции кортизола и тиреотропина, увеличение секреции гормона роста, альдостерона, тестостерона, пролактина и инсулина, уровня гликогена в мозге.

Общие изменения нервной активности. Своей глубиной сон человека значительно отличается от сна животных. Глубокие стадии МВС - чисто человеческое приобретение, "артефакт цивилизации", что связано с безопасностью ночлега и сохранностью от неожиданного нападения. Во время МВС могут возникать приступы сомнамбулизма (от лат. somnus - сон и ambulo - бродить) (снохождения, лунатизма), с этими же стадиями связаны ночные кошмары у детей и взрослых. МВС, как правило, сопровождается сновидениями (см. разд. 3.23).

Изменения в головном мозгу. Замедление и рассредоточенность мышления, короткие и редкие сновидения, снижение скорости метаболизма и температуры мозга, региональные изменения кровотока и частоты разрядов нейронов, гиперполяризация таламо-кортикальных нейронов, возникновение паттерна разряда нейронов с паузой-вспышкой в некоторых отделах мозга, активизация "сонно-активных" нейронов в переднем гипоталамусе, миндалевидном комплексе, в ядрах основания переднего мозга и одиночного пути.

Во время сна многие процессы в организме приостанавливаются; происходит снижение метаболизма, частоты сердечных сокращений и дыхания, температуры мозга и тела. Однако экономия расхода энергии во время сна в сравнении с бодрствованием в покое не велика - всего 10-15%, что равняется одной не выпитой чашке молока для взрослого человека.

Отчетливое снижение метаболизма мозга происходит только во время ?-сна. Эти изменения никак не убеждают, что сон предназначен для отдыха и экономии энергии. Увеличение секреции ряда гормонов и уровня гликогена в мозге указывает на активацию анаболических процессов в начале сна.

Функциональные характеристики парадоксального сна.

Во время ПС, в отличие от МВС, активность различных систем организма повышается: дыхание становится нерегулярным, колеблется пульс и артериальное давление, повышается температура мозга и скорость метаболизма. Еще один характерный признак ПС у мужчин - появление эрекции, которая возникает даже у младенцев.

Сомато-висцеральные изменения. Быстрые движения глаз, сужение и расширение зрачков, снижение чувствительности барорецепторов, вентиляции легких в ответ на СО2, колебания частоты дыхания, пульса, артериального давления, сосудистого тонуса, увеличение скорости метаболизма (у человека и ряда видов животных), угнетение терморегуляторных ответов на тепло и холод, активное расслабление скелетных мышц, эрекция.

Давно известно деление людей на два типа - "утренний" ("жаворонки") и "вечерний" ("совы"). Одни легко просыпаются, они энергичны с самого утра, для них утренние часы - наилучшее и самое плодотворное время для работы. Люди "вечернего" типа с утра вялые, раздражительные, им необходимо выпить кофе, чтобы ощутить прилив сил. Наивысшую работоспособность они проявляют к вечеру, иногда к ночи. Полагают, что различия между "жаворонками" и "совами" связаны с особенностями суточного ритма температуры тела и висцеральных систем. В целом, сон "жаворонков" качественно лучше, чем "сов". К тому же, в группе "жаворонков", как правило, доминируют здоровые люди без вредных привычек.

Подавляющее большинство людей спит от 7 до 9 ч в сутки. Только 5 человек из каждой тысячи спят 4-5 и менее часов. К этой группе относятся Наполеон, Черчилль, Эдисон и некоторые другие известные личности. А вот Эйнштейн, напротив, проводил в постели около 10 ч. Примерно 16 человек из тысячи спят более 10 ч. Очевидно, к этой группе относился и Илья Ильич Обломов - герой одноименного романа И. А. Гончарова. Обследование 6 тыс. близнецов, проведенное в Финляндии, показало, что на продолжительность сна могут существенно влиять наследственные факторы.

Какая же длительность сна может рассматриваться в качестве желательной "нормы" для здорового взрослого человека? Эта "норма" достаточно широка, и часть сомнологов рекомендуют индивидуальный режим сна. Однако исследование 1 млн человек в возрасте старше 30 лет заострило этот вопрос с самой неожиданной стороны. В группе людей, спавших от 7 до 8 ч в сутки, был обнаружен наименьший уровень смертности, он возрастал в 1,5-2 раза у долгоспящих (более 10 ч) и в 2,5 раза у малоспящих (менее 4ч). И те, и другие

Рис. 3.37 Центры сна (гипнотические центры) в стволе мозга кошки

1 - гипофиз, 2 - гипоталамус, 3 - мост, 4 - продолговатый мозг; штриховкой обозначены ядра, связанные со сном без сновидений; зачерненный участок соответствует расположению нейронов, контролирующих парадоксальный сон.

умирали от разных причин. Есть два основных варианта интерпретации этих данных. Первый - слишком мало и слишком много сна - одинаково плохо для здоровья и продолжительности жизни. Второй - очень короткий и очень длинный сон лишь отражает различные состояния организма.

Наиболее глубокие изменения сна у человека связаны с процессами созревания мозга и общего развития. Сон у новорожденных определяется больше поведенческими, чем электрофизиологическими критериями, потому что кора головного мозга младенца еще незрелая для проявления явных признаков МВС и ПС. У маленьких детей эти состояния сна часто называют "спокойным" сном (без движений глаз и тела) и "активированным". У ребенка во время ПС постоянно наблюдаются подергивания рук, ног, мышц лица, а недоношенные младенцы настолько беспокойны, что трудно разграничить состояния ПС и бодрствования. Только к концу первого года жизни состояния сна можно надежно определять при регистрации ЭЭГ.

ЭЭГ стадии МВС и ПС формируются в онтогенезе в разные сроки, что может быть связано с неравномерностью развития различных структур головного мозга: быстрее других достигают зрелости филогенетически более древние образования (например, центры продолговатого мозга и моста) (рис. 3.37). Раньше других завершается формирование электрографической картины ПС, несколько позднее формируется ?-сон. Позже всех отмечается становление ЭЭГ стадии, характерной для начала сна.

Монофазный сон взрослых не является обязательным, скорее всего он появился в процессе развития человеческой цивилизации. Во-первых, в более жарких странах Средиземноморья, Центральной и Южной Америки сохранился обычай спать днем в жаркое время суток ("сиеста"). Во-вторых, добровольцы, длительное время проживающие в глубоких пещерах, в условиях изоляции от внешних факторов среды, постепенно переходят от монофазного к полифазному типу сна.

Известно, что 60% пожилых людей в возрасте от 65 до 83 лет спят один или даже два раза днем, часто пробуждаются и бодрствуют среди ночи, т. е. возвращаются к полифазному типу сна, характерному для младенцев.

Все без исключения млекопитающие имеют сон и состояние МВС (табл. 3.3). ПС не обнаружен только у трех видов - австралийской ехидны из отряда однопроходных яйцекладущих, афалины (большого дельфина) и морской свиньи, или азовского дельфина. Для изучения сна поведенческие критерии хотя и являются важными, но недостаточными. Состояние неподвижности наблюдается у разных классов позвоночных и беспозвоночных животных, а также у многих видов млекопитающих, впадающих в состояния оцепенения и спячки; напротив, дельфины в течение суток двигаются, и у них нет заметных периодов снижения активности. У многих видов животных идентифицированы три состояния - бодрствование, МВС и ПС. Во время ПС наблюдаются ЭЭГ десинхронизация в коре мозга, быстрые движения глаз, атония мышц шеи и двуглавой мышцы бедра, а также гиперполяризация мотонейронов спинного мозга.

Как и у человека, сон млекопитающих начинается с МВС и затем переходит в ПС. У мелких животных цикл сна (МВС-ПС) короче, чем у крупных: у крысы он составляет 10 мин, у кошки - 30 мин, а у слона - около 2 ч (судя по поведению). Для большинства животных характерен многоразовый сон в течение суток.

Сон и зимняя спячка. Многие виды млекопитающих, для того чтобы выжить в условиях дефицита пищи или воды, выработали гипометаболические адаптации для периодического снижения расходов энергии - или в неактивную фазу суток или в разные, неблагоприятные для их жизнедеятельности сезоны года. Животные небольших размеров (бурозубки, мышовки и др.), а также крупные (например, некоторые виды медведей) погружаются в разные формы оцепенения (торпора) со снижением температуры тела до 30-25°С на периоды менее суток. Суслики, сурки, летучие мыши и многие другие млекопитающие при недостатке пищи впадают в более глубокие состояния зимней спячки (гибернации), снижая температуру тела (мозга, сердца и других органов) часто почти до О °С на период от 2 до 30 сут; при этом расход энергии сокращается у них в 10-100 и более раз. Многие из них (например, суслики) в течение 6-8 зимних месяцев остаются без пищи в глубоких норах в полной темноте и на холоде; 15-25 раз в течение зимы они пробуждаются на 12-24 ч и вновь погружаются в спячку.

Зимой в таких условиях суслики, например, имеют такое же количество МВС и ПС, как и летом в теплых условиях и при достатке пищи. Очевидно, суровые зимние условия в результате адаптации стали для них "комфортными", а МВС и ПС для них так же необходимы, как и летом. В оцепенение и спячку они входят через МВС. В состоянии оцепенения и летней спячки (эстивации), когда температура мозга поддерживается у сусликов на уровне 27-25 °С, ПС полностью исчезает, остаются только следы бодрствования и регистрируется почти один МВС. Как известно, защитные терморегуляторные реакции

Таблица 3.3

Быстрый сон у животных и человека

Вид

Средняя продолжительность одного цикла, мин

Быстрый сон, % от общей продолжительности сна

Рептилии

-

Нет

Курица, голубь

0,1

0-5

Сумчатая крыса

19

22-34

Крыса

7-13

1-3

Кролик

24

1-3

Овца

-

2-3

Кошка

26

20-30

Обезьяна

47-80

11-20

Человек

75-85

15-25

во время ПС выключаются и поэтому его сравнивают с состоянием короткой "пойкилотермии". В связи с этим предполагается, что для сохранения строгой терморегуляции при оцепенении и спячке ПС не нужен, даже вреден. В то же время в период МВС терморегуляторные реакции сохранены, но значительно уменьшены, что и требуется для поддержания температурного гомеостаза при более низком уровне температуры тела и висцеральных функций.

Годовой максимум суточной длительности ПС совпадает с периодом, предшествующим летней или зимней спячке, когда животные поедают большие объемы пищи и резко увеличивают (в 1,5-2 раза) массу тела и жировые резервы. Возможно, это увеличение времени ПС связано с изменениями углеводного и липидного метаболизма в организме.

Наконец, максимальное увеличение времени ПС обнаружено также перед каждым вхождением в спячку, в самом начале снижения температуры мозга (до нижней границы "нормотермии", т. е. до 36-35 °С). При этом выявлены более длинные, ритмически повторяющиеся эпизоды ПС, во время которых снижаются температура мозга, частота сердечных сокращений и частота дыхания и увеличивается отток тепла через периферические сосуды.

Характерно, что локальное нагревание предоптической области гипоталамуса, как одного из центров сна и терморегуляции, моделирует эти изменения ПС и также способствует снижению температуры мозга. Снижение температуры мозга во время ПС выявлено только у видов, впадающих в оцепенение и спячку. У "нормотермных" животных - кошек, крыс, собак, мышей, кроликов - во время ПС она, напротив, повышается. Для этой большой группы животных общим являются следующие биологические признаки: 1) незрелость при рождении; 2) более низкая скорость основного метаболизма, низкий среднегодовой уровень энерготрат и температуры тела; 3) безопасные условия сна (глубокие норы и другие надежные укрытия); 4) большое количество сна.

Изучение экологической группы водных и полуводных млекопитающих, включающей представителей отрядов китообразных, сирен и ластоногих, привело к поразительным открытиям, демонстрирующим влияние изменившихся в ходе эволюции экологических условий обитания на структуру сна. Сон морских млекопитающих существенно отличается от сна наземных, причем у разных экологических групп в процессе эволюции были использованы разные пути адаптации ко сну в воде. Максимальные отличия выявлены у дельфинов: 1) сон не сопровождается обязательной неподвижностью и может проявляться на фоне постоянной двигательной активности при плавании; 2) доминирующей формой сна является однополушарный МВС, на который приходится 29% времени суток; глубокий МВС (?-сон) никогда не возникает в обоих полушариях одновременно; 3) классический ПС не наблюдается, левая и правая половины мозга спят по очереди.

У разных видов ластоногих в отличие от китообразных, выявлены два основных типа сна - "наземный" (преобладание одновременного развития МВС в обоих полушариях и наличие классической картины ПС) и "водный" (межполушарная асимметрия МВС, приуроченность сна к дыхательным паузам). Это обусловлено тем, что эти животные являются полуводными и адаптированы к обитанию и сну в двух средах. Северные морские котики большую часть времени в лежбищный период (июнь-сентябрь) проводят на суше, а осенью уходят в открытое море и вынуждены спать только в воде. Отличительной чертой сна в воде у них является выраженная межполушарная асимметрия протекания МВС, что связано с постоянной двигательной активностью только одной передней ласты, поскольку они лежат на боку и ноздри у них все время находятся над поверхностью воды.

Таким образом, у водных и полуводных млекопитающих выявлены три разных типа сна, что демонстрирует пластичность механизмов сна в процессе эволюции и его экологическую детерминированность. Общая особенность морских обитателей - малое количество сна. Если из суточного МВС исключить состояние дремоты, то каспийские тюлени спят меньше осла и лошади, т. е. они являются "рекордсменами" по минимальному количеству сна среди всех млекопитающих.

Сон у птиц. Наиболее часто наблюдаемые позы сна у птиц - голова опущена на грудь или повернута назад, клюв лежит на крыле или под ним, животное стоит на двух или одной ноге. Птицы, утерявшие способность летать (например, страус), часто спят на земле, вытянув шею и ноги вдоль туловища. Плавающие птицы могут спать на плаву. Предполагается, что некоторые птицы могут спать во время парения или длительных перелетов, однако такой феномен пока не подтвержден электрографическими показателями. Периодическое открывание глаз во время сна обусловлено фактором опасности. Сон в стае ("коллективный" сон), по-видимому, более спокойный и более продолжительный. Обыкновенная пустельга спит с одним открытым глазом, а сова вообще не закрывает глаз. Большинство птиц, исключая таких ночных хищников, как сова, спят ночью (голубь, скворец, ястреб). Продолжительность сна у разных видов колеблется от 1 до 16 ч в сутки. У всех птиц, как и у млекопитающих, для МВС характерны медленные волны, а для ПС - ЭЭГ десинхронизация и быстрые движения глаз. У ряда птиц (голубь, черный дрозд) также отмечено максимальное общее время МВС в начале ночи, а ПС - во второй ее половине.

Эволюция сна. Различные виды черепах, крокодилов и ящериц имеют характерные паттерны поведения, соответствующие общепринятым критериям поведенческого сна: прекращение двигательной активности, принятие соответствующей виду позы покоя, расслабление мышц, повышение порогов на внешние стимулы, быстрое пробуждение и возвращение к поведению, типичному для состояния бодрствования. Однако в исследованиях с регистрацией электрической активности различных структур мозга рисунки ЭЭГ существенно отличаются от. ЭЭГ во время сна у высших позвоночных. Наиболее часто наблюдаются или незначительные изменения в ЭЭГ при переходе к поведенческому покою, сходному со сном, или высокоамплитудные "всплески" ЭЭГ-волн; последние, возможно, являющиеся аналогами ЭЭГ-волн, возникают в вентральном гиппокампе во время МВС у некоторых млекопитающих. Значительные отличия этих "всплесков" ЭЭГ-волн от картины МВС у птиц и млекопитающих могут быть обусловлены отсутствием у рептилий новой коры, в которой проявляются медленные волны.

Земноводные (лягушки, жабы и саламандры) длительное время остаются неподвижными во время бодрствования, и поэтому определить у них состояния покоя, сходные со сном, еще труднее, чем у рептилий. В тех случаях, когда это удается сделать, небольшие изменения частоты и амплитуды ЭЭГ никогда не обнаруживают какого-либо заметного сходства с электрографическими показателями сна у высших позвоночных.

Рыбы, характеризующиеся более широким видовым разнообразием, совершенно неожиданно оказались более удачными объектами для выявления признаков поведенческого сна. Некоторые из них подыскивают подходящие места для своих "водных постелей" и принимают характерную для сна позу: зарываются в ил, отдыхают на скалах, заплывают в пещеры в скалах или неподвижно висят в воде в разных позах, в том числе на боку или даже вверх брюхом. В таком состоянии рыбы обычно реагируют только на сильные внешние стимулы. Рыба-чистильщик, отдыхающая в коралловых нишах, и рыба-попугай выделяют много слизи и прячутся в такой капсуле, защищающей их от врагов во время отдыха. В большинстве исследований не обнаружено корреляции ЭЭГ с такими состояниями покоя у рыб.

У насекомых (пчел, бабочек), у разных видов скорпионов и моллюсков также наблюдаются состояния покоя, сопровождающиеся расслаблением мышц и повышением порогов реакции на внешние стимулы. Состояния поведенческого покоя, характерные для всех пойкилотермных организмов (низших позвоночных и беспозвоночных), существенно отличаются от состояний истинного сна, накладывающихся на состояния покоя у гомойотермных животных.

Сон имеет сложную нейрогуморальную природу. В истории изучения сна наибольший интерес представляют гуморальные и нервные теории сна. Еще в начале XX в. было высказано предположение о том, что сон возникает в результате накопления токсических продуктов обмена, накапливающихся вследствие дневного утомления (гипнотоксины). Оказалось также, что экстракты мозга таких животных и находящихся в зимней спячке вызывают у кошек и собак длительное сонное состояние. Если, используя препарат с перекрестным кровообращением двух кроликов, у одного раздражать участки мозга, вызывающие сон, то второй тоже засыпает. Это связывалось с переносом каких-то гипногенных веществ, в избытке накапливающихся в организме (ацетилхолин, ГАМК, серотонин).

Уже с середины XIX в. устойчивые позиции занимают нервные теории сна. Клиника уже давно накапливала материал о связи гипоталамуса с регулированием процессов сна. Описано даже существование в гипоталамусе так называемого центра сна. И. П. Павлов не соглашался со взглядами о подкорковой природе сна, отдавая предпочтение корковым механизмам. И. П. Павлов рассматривал сон как следствие иррадиации торможения, распространяющегося по коре больших полушарий, и находил много общего между активным условнорефлекторным сном и условным торможением.

Существует ли в мозге какой-либо "центр", ответственный за наступление и окончание бодрствования и сна? После Первой мировой войны в Европе много жизней унес эпидемический летаргический энцефалит, одним из симптомов которого был длительный летаргический сон. В этом случае австрийский невропатолог К. Экономо описал воспалительные изменения вокруг водопровода среднего мозга и в задней стенке III желудочка мозга, а также выдвинул теорию о "центре" сна. С учетом работ И. П. Павлова он полагал, что сон возникает в результате разлитого торможения, распространяющегося на таламус, кору мозга и другие структуры. После работ, открывших активирующие влияния ретикулярной формации ствола мозга, были проведены многочисленные исследования, которые выявили участие многих подкорковых структур в регуляции бодрствования и сна. Но ни одна из структур, согласно современным представлениям, не может претендовать на роль центра, регулирующего эти состояния.

Сегодня уже с несомненностью установлена корково-подкорковая локализация структур управления сном (рис. 3.37, 3.38). Разработана гипотеза о моноаминергической регуляции стадий сна. Медленноволновый сон регулируется серотонинергической системой ядер шва в продолговатом мозгу: установлена прямая зависимость сна от функциональной активности этих мозговых образований, общего уровня серотонина и его обмена. Катехоламинергические нейроны голубоватого пятна и ретикулярной формации среднего мозга выступают как антагонистическая система, ответственная за возникновение быстрого сна и состояния бодрствования.

Предполагается, что в системы поддержания состояния бодрствования включены тормозные нейроны разных отделов мозга. Их активность возрастает при ослаблении функции активирующих нейронов и способствует дальнейшему

Рис. 3.38 Представление о нейрофизиологии и нейрохимии сна

А - бодрствование; Б - медленноволновая фаза сна; В - парадоксальный сон.

ослаблению деятельности последних. Активирующие нейроны, поддерживающие состояние бодрствования, выделяют множество передатчиков: глутаминовую кислоту, ацетилхолин, норадреналин, серотонин, гистамин. В отличие от этого, тормозные нейроны, по-видимому, секретируют лишь один основной химический агент - ГАМК, которая рассматривается как главный тормозный медиатор мозга. Следовательно, "центра" МВС нет, а наступление дремоты и МВС зависит от периодического ослабления деятельности нейронов подкорковых образований, оказывающих тонические активирующие влияния на кору мозга.

Существуют указания на особую роль глиальных элементов во время сна. Одной из основных нейрохимических функций медленного сна являются пластические репарационные процессы, связанные с метаболизмом белков и РНК, причем главным образом в глиальных клетках определенных структур мозга. Активные конформационные изменения в мембранах нейронов при парадоксальном сне являются одной из причин своеобразия ЭЭГ при данном функциональном состоянии.

Таким образом, в эволюции четко обозначены три различные формы деятельности мозга: бодрствование, быстрый сон и медленный сон.

Нарушения сна и бодрствования. Искусственное лишение человека сна является тяжелейшим испытанием. У животных, которые погибали в результате лишения сна, обнаруживали кровоизлияния в коре больших полушарий, в стволе и спинном мозгу.

Нарушения сна особенно распространены среди населения цивилизованных стран. У некоторых людей ощущение отсутствия сна может возникать даже тогда, когда они находятся в глубокой стадии сна. Американские ученые исследовали людей с якобы плохим сном для выявления причин таких ложных ощущений. Оказалось, что у этих людей нарушается ночью реальный отсчет времени, или во сне протекает активная психическая деятельность, или, наконец, имеют место качественные, а не количественные нарушения сна. Последнее зависит от дефицита глубокого медленного сна и частых ночных пробуждений. Следовательно, у части лиц действительно есть объективные основания быть неудовлетворенными своим сном. Основными причинами бессонницы считают недостаток мышечной деятельности, преклонный возраст и нарушения традиционного суточного ритма, вызванного цивилизацией.

Главную роль в нарушениях сна играют неврозы, в борьбе с которыми первое место занимает психотерапия, затем физиотерапия (электросон), наконец, химиотерапия (психофармакология), заключающаяся в недифференцированном использовании снотворных веществ, которые подавляют быстрый сон, сопровождающийся сновидениями.

3.14.3. Закономерности условнорефлекторной деятельности

Характерная особенность условных рефлексов состоит в том, что они образуются в течение индивидуальной жизни организма и сохраняются постоянно. Они могут исчезать и вновь появляться в зависимости от изменяющихся условий среды и состояния организма. Временный характер условного рефлекса обеспечивается наличием процесса торможения, который наряду с процессом возбуждения определяет динамику условнорефлекторной деятельности.

Общие признаки условных рефлексов. 1. Условные рефлексы носят приспособительный характер, что делает поведение наиболее пластичным, подогнанным к конкретным условиям среды. 2. Любые условные рефлексы требуют для своего участия высших отделов головного мозга (у насекомых, например, головных ганглиев - грибовидных тел). 3. Условные рефлексы приобретаются и отменяются в индивидуальной жизни каждой конкретной особи. В индивидуальную память записываются не всякие случайные совпадения условного раздражения и безусловной реакции, а лишь те, сочетание которых во времени оказывается наиболее вероятным. Все остальные случайно возникшие связи затормаживаются. 4. Условный рефлекс имеет сигнальный характер, т. е. предшествует, предупреждает последующее возникновение безусловного рефлекса, подготавливая к нему организм. С помощью условных рефлексов животное может заранее избежать опасности или подготовиться к захвату добычи, встрече с половым партнером и т. д.

Таким образом, условные рефлексы - это индивидуально приобретенные системные приспособительные реакции животных и человека, возникающие на основе образования в центральной нервной системе временной связи между условным (сигнальным) раздражителем и безусловнорефлекторным актом.

Классификация условных рефлексов. Существует несколько систем классификации условных рефлексов, каждая из которых строится на одном ведущем факторе, положенном в ее основу.

I. Условные рефлексы различаются по особенностям безусловного подкрепления. В зависимости от наличия или отсутствия подкрепления условные рефлексы делят на положительные (подкрепляемые), вызывающие соответствующую реакцию организма, и отрицательные, или тормозные (неподкрепляемые), которые не только не вызывают соответствующей реакции, но и ослабляют ее.

Согласно биологическому значению подкрепления, условные рефлексы разделяют в зависимости от биологических потребностей. Различают витальные условные рефлексы (пищевые, оборонительные, регуляции сна и пр.), зоосоциальные (половой, родительский, территориальный и пр.) и условные рефлексы саморазвития (исследовательский, имитационный, игровой и др.).

Иногда имитационные (подражательные) условные рефлексы, подкреплением в которых служит лишь наблюдение за поведением другой особи, выделяют в самостоятельную группу.

Подкреплением условному рефлексу может служить любая деятельность организма. Достаточно грубо ее можно разделить на две большие группы: двигательные и автономные (вегетативные) условные рефлексы. На базе двигательных реакций образуется множество инструментальных условных рефлексов, которые в одних случаях могут копировать безусловный рефлекс, в других - иметь гораздо более сложную форму и служить основой произвольного поведения.

К вегетативным условным рефлексам относится классический слюноотделительный условный рефлекс. Условнорефлекторному контролю могут подчиняться почти все внутренние органы.

Целостный условный рефлекс всегда имеет полиэффекторную природу, и отнесение его к той или иной категории рефлексов зависит от того, какой из эффекторов регистрируется экспериментатором.

Различаются условные рефлексы и по характеру подкрепления. Если в качестве подкрепления используется простой безусловный рефлекс, то вырабатываются условные рефлексы первого порядка. Если же подкреплением служит ранее выработанный прочный условный рефлекс, то образующуюся связь именуют условным рефлексом второго порядка. Соответственно возможны условные рефлексы более высоких порядков. Именно они легко вырабатываются у человека и составляют основу развития мыслительной деятельности.

II. По характеру условного сигнала условные рефлексы подразделяют на две большие группы: экстероцептивные и интероцептивные. Среди экстероцептивных выделяют зрительные, слуховые, обонятельные, вкусовые, тактильные, температурные условные рефлексы в соответствии с рецепторным прибором, на который действует раздражитель. Обучение речевому общению между людьми в основе своей имеет специально человеческие условные рефлексы на словесные сигналы.

Интероцептивные условные рефлексы возникают в том случае, если поступивший в головной мозг афферентный залп из внутренних органов становится сигналом к вегетативной или двигательной деятельности организма. Условные рефлексы от внутренних органов разделяют на механические, химические, температурные, осмотические и др.

По природе условного сигнала различают натуральные и искусственные условные рефлексы. К натуральным условным рефлексам относят такие, которые образуются на естественные признаки безусловного раздражителя (например, вид и запах мяса). Любые условные сигналы, не являющиеся, например, непременным свойством пищи, а лишь совпадающие с моментом ее поедания, относятся к искусственным условным сигналам.

По структуре условного сигнала различают условные рефлексы: а) на простые мономодальные раздражители; б) на одновременные комплексные раздражители, состоящие из нескольких компонентов (например, свет + звук + кожное раздражение); в) на последовательные комплексы; г) на цепи раздражении, компоненты которых действуют последовательно, не совпадая друг с другом, а безусловное подкрепление присоединяется лишь к последнему из них.

Иногда в качестве условных сигналов используют не абсолютные, а относительные признаки раздражителей. Например, из двух одновременно предъявляемых однородных раздражителей - плоских кружков - условный рефлекс вырабатывается на один из них - больший по размеру. Затем животному предъявляют геометрические фигуры (например, треугольники), также отличающиеся по размеру. Если и в этом случае животное осуществит условнорефлекторную реакцию на сигнал более крупного размера, судят о выработке у него условного рефлекса на отношение.

III. Важнейшим признаком классификации является соотношение во времени действия условного и безусловного раздражителей. По этому признаку различают: а) наличные условные рефлексы, образующиеся при совпадении времени действия сигнала и подкрепления, и б) следовые условные рефлексы, при образовании которых сигнал и подкрепление отделены временным интервалом.

Если подкрепление почти сразу присоединяется к сигналу, образуются совпадающие условные рефлексы, а если спустя 5-30 с от начала его действия - вырабатываются отставленные условные рефлексы. Условные рефлексы, при которых подкрепление присоединяется к сигналу после длительного изолированного действия последнего, называются запаздывающими условными рефлексами.

Особая разновидность следовых условных рефлексов - это условные рефлексы на время. Если какой-либо безусловный рефлекс проявляется через одинаковые интервалы времени, то в результате каждый раз по истечении данного интервала как бы сама по себе возникает реакция, вызывавшаяся ранее действием безусловного раздражителя. Такая реакция получила название условного рефлекса на чистое время.

Стадии образования условных рефлексов. Образование условного рефлекса (рис. 3.39) обычно проходит две стадии: генерализации и специализации. На первой стадии- генерализации - условнорефлекторное действие приобретают не только подкрепляемый условный сигнал, но и сходные с ним раздражители. Например, у собаки вырабатывается пищевой условный рефлекс на тон 400 Гц. Побежка животного к кормушке по этому сигналу подкрепляется пищей. Но близкие сигналы, например тон 200 Гц и тон 600 Гц, также вызывают побежку к кормушке, хотя и не сопровождаются пищевым подкреплением. Весьма широкий набор близких к подкрепляемому раздражителей приобретают на первой стадии выработки условного рефлекса значение условных сигналов. Происходит как бы первичная сенсорная генерализация, обобщение признаков условных сигналов.

Степень генерализации зависит от многих факторов и прежде всего от модальности и характера условного сигнала, безусловного подкрепления и их временного сочетания. Биологическое значение стадии генерализации чрезвычайно велико, ибо в естественных условиях обитания позволяет животному адаптироваться сразу к широкому спектру сходных сигналов.

И. П. Павлов эту ситуацию образования условных рефлексов объяснял широкой иррадиацией возбудительных процессов в пределах анализатора, воспринимающего условный сигнал. А. А. Ухтомский полагал, что на первой стадии образования условный рефлекс протекает по механизмам доминанты, когда неподкрепляемые посторонние раздражители способны активизировать поведение животного по удовлетворению доминирующей биологической потребности.

Вторая стадия заключается в дифференцировке условнорефлекторного ответа лишь на подкрепляемый сигнал, тогда как все остальные сходные по качеству раздражители становятся неэффективными.

Рис. 3.39 Схемы образования условного рефлекса по И. П. Павлову (А) и Э. А. Асратяну (Б)

К - кора; ЗЦ - зрительный центр; СЖ - слюнная железа; КП - корковое представительство пищевого центра; Г - глаз; М - мышца; Я - язык; Ц - подкорковый центр: 1 - временная связь между зрительным и слюноотделительным рефлексами через серое вещество коры большого мозга; 2 - через ассоциативные пути белого вещества; 3 - через подкорковые центры.

Скорость наступления этой стадии и степень специализации, как и в предыдущей фазе, зависят от всех трех факторов: сенсорного и эфферентного звеньев условного рефлекса, а также временных соотношений их активации. Стадия специализации условного рефлекса обычно совпадает с началом его автоматизации.

Биологически эта стадия способствует выделению из широкого репертуара возможных только узкого набора значимых сигналов, имеющих наибольшую вероятность запуска безусловнорефлекторной реакции. И. П. Павлов эту стадию объяснял процессами концентрации возбуждения в анализаторе условного сигнала. Эта гипотеза пока не получила подтверждения современными нейрофизиологическими методами. Снижение эффективности неподкрепляемых раздражителей И. П. Павлов объяснял также выработкой внутреннего условного торможения, нейрофизиологические механизмы которого еще ждут своей окончательной разработки.

3.14.4. Торможение условных рефлексов

И. П. Павлов, изучая условные рефлексы и их взаимоотношения, наблюдал торможение (угнетение) условных рефлексов при действии посторонних или сильных раздражителей, а также слабых - при болезненном состоянии организма. Он считал, что баланс между возбуждением и торможением определяет внешнее проявление поведения животных и человека, и выдвинул собственную схему классификации видов торможения при условнорефлекторной деятельности.

Внешнее (безусловное) торможение. Под внешним торможением понимают срочное подавление текущей условнорефлекторной деятельности при действии посторонних для нее раздражении, вызывающих ориентировочный или какой-либо другой безусловный рефлекс. По механизму своего возникновения этот тип торможения относят к врожденным, которые осуществляются благодаря явлениям отрицательной индукции (индукционное торможение, по Павлову). А. А. Ухтомский именовал его сопряженным торможением и видел в нем физиологическую основу для выполнения доминирующей формы деятельности организма. Безусловное торможение называют внешним потому, что причина его возникновения лежит вне структуры самого тормозного рефлекса.

Ориентировочный рефлекс - наиболее часто встречающийся фактор безусловного торможения. Однако тормозный эффект ориентировочного рефлекса при повторении того же сигнала постепенно ослабевает и может исчезнуть полностью. При этом и сам ориентировочный рефлекс перестает наблюдаться. Ориентировочный рефлекс ("что такое?") возникает для более полного восприятия информации, содержащейся в неожиданном и постороннем раздражителе.

В обиходе постоянно наблюдается, как человек прекращает текущую деятельность в результате переключения внимания на новый внезапно появившийся раздражитель. В момент возникновения этого рефлекса проявляется сопряженное торможение конкурирующих рефлексов. Оно может быть более или менее глубоким, кратковременным или более длительным, что зависит от физиологической силы ориентировочного и тормозного рефлексов. При повторном раздражении в силу привыкания ориентировочный рефлекс пропадает, одновременно снижается и эффект внешнего торможения. Такой вид торможения был назван гаснущим тормозом.

Другой вид безусловного торможения отличается постоянством своего эффекта на тот или иной тормозимый рефлекс и поэтому называется постоянным тормозом. Стабильность внешнего торможения определяется, в частности, физиологической силой тормозящего рефлекторного акта. К жизненно важным для организма рефлексам относят оборонительные безусловные рефлексы на разные вредящие раздражения, включая болевые. Как и в случае гаснущего тормоза, длительность постоянного тормоза оборонительного рефлекса определяется его силой и характером тормозимого рефлекса и, в частности, степенью его упроченности.

"Молодые" условные рефлексы тормозятся легче и на более длительный срок, чем более "старые", при одних и тех же условиях. Нетвердо заученные поведенческие навыки или знания легче исчезают при сильном неприятном постороннем воздействии, чем более твердо усвоенные жизненные стереотипы. Болевые воздействия от внутренних органов обладают более длительным тормозным влиянием на условнорефлекторную деятельность. А иногда их сила настолько велика, что извращает нормальное протекание даже безусловных рефлексов.

Следовательно, два антагонистических рефлекса - пищевой и оборонительный - не могут сосуществовать, более слабый тормозится под влиянием более сильного.

В этом плане павловское внешнее торможение выступает в качестве тончайшего инструмента, способного выделить наиболее биологически значимую форму поведения, подчинив ей все остальные виды деятельности. С позиций учения о доминанте это можно рассматривать как сопряженное торможение при доминанте, которое выполняет определяющую роль при ее формировании. И это торможение должно быть своевременным, т. е. иметь координирующее значение для работы других органов и организма в целом.

Хорошо известно, что если увеличивать интенсивность какого-либо раздражения, то вызываемый им эффект увеличивается (закон силы}. Однако дальнейшее усиление раздражения приведет к падению или полному исчезновению эффекта. В основе этого результата лежит не утомление, а запредельное торможение, которое И. П. Павлов назвал охранительным, так как оно ограждает клетки мозга от избыточного расходования энергетических ресурсов. Этот вид торможения зависит от функционального состояния нервной системы, возраста, типологических особенностей, состояния гормональной сферы и пр.

Предел выносливости клетки в отношении раздражителей разной интенсивности называется пределом ее работоспособности, и чем выше этот предел, тем легче клетка переносит действие сверхсильных раздражителей. Причем речь идет не только о физической, но и об информационной силе (значимости) условных сигналов.

Крайним случаем запредельного торможения является оцепенение, возникающее у животных и человека под влиянием сверхсильного раздражения. Человек может впасть в состояние ступора - обездвиженности с полным или частичным отсутствием речевого общения. Такие состояния возникают не только в результате действия физически сильного раздражителя (взрыва бомбы, например), но и вследствие тяжелых моральных потрясений (например, при неожиданном сообщении о тяжелой болезни или смерти близкого человека - психогенный ступор).

Внутреннее (условное) торможение. К форме внутреннего торможения условнорефлекторной деятельности относят те ее случаи, когда условный раздражитель перестает подкрепляться безусловным, т. е. постепенно теряет свое пусковое сигнальное значение. Такое торможение возникает не срочно, не сразу, а развивается медленно по общим законам условного рефлекса и является столь же изменчивым и динамичным. И. П. Павлов назвал его поэтому условным торможением. Он считал, что такое выработанное торможение возникает внутри центральных нервных структур самих условных рефлексов, а отсюда и его название - внутреннее (т. е. не наведенное извне, не индукционное).

Выделим основные черты условного торможения. Оно: 1) развивается при неподкреплении раздражителей, которые постепенно приобретают свойства условного тормозного или отрицательного сигнала. 2) поддается тренировке. Заторможенный условный рефлекс может самопроизвольно восстанавливаться, и это свойство чрезвычайно важно при воспитании поведенческих навыков в раннем возрасте. 3) зависит от физиологической силы безусловного рефлекса, подкрепляющего положительный условный сигнал. 4) зависит от прочности ранее выработанного условного рефлекса. 5) может взаимодействовать с безусловным, в этих случаях возникает явление растормаживания, а иногда в результате суммации условного и безусловного торможений их общий эффект может усиливаться 6) способность к разным проявлениям условного торможения зависит от индивидуальных свойств нервной системы: у возбудимых индивидуумов оно вырабатывается труднее и медленнее. И. П. Павлов подразделил условное торможение на четыре вида: угасательное, дифференцировочное, условный тормоз, торможение запаздывания.

Угасательное торможение развивается при отсутствии подкрепления условного сигнала безусловным. Условные рефлексы обладают временным характером именно потому, что при отмене безусловного подкрепления соответствующая мозговая связь теряет свою силу, тормозится иногда надолго, а иногда и вовсе перестает существовать.

Представим, что вид определенной местности постоянно сочетается у животного с получением пищи. Но если здесь пищевые ресурсы исчезли, животное со временем, не найдя пищи, перестанет посещать ранее знакомую местность вследствие развития угасательного торможения. Величина и скорость выработки угасательного торможения зависят от прочности условного рефлекса (стабильные рефлексы угашаются медленнее), от физиологической силы и вида безусловного рефлекса (угащение у голодной собаки труднее, чем у сытой;

пищевые условные рефлексы угашаются быстрее, чем оборонительные), от частоты неподкрепления (регулярное неподкрепление способствует быстрому развитию торможения). Оно развивается волнообразно и зависит от индивидуальных типологических различий.

Дифференцировочное торможение развивается при неподкреплении раздражителей, близких по свойствам к подкрепляемому сигналу. Этот вид торможения лежит в основе различения раздражителей. С помощью дифференцировочного торможения из массы сходных раздражителей выделяется биологически для него важный, а на другие похожие раздражители условная реакция будет выражена слабее или отсутствовать полностью.

Свойство генерализации (первичного обобщения) условных рефлексов - неизбежный атрибут поведенческих адаптации животных в естественной среде обитания. Учитывая, что изменчивость окружающей среды происходит по вероятностному закону и колебания тех или иных биологически значимых признаков предвидеть с высокой вероятностью невозможно, становится биологически оправданной значительная сенсорная генерализация условных рефлексов на стадии активного поиска жизненно важных объектов.

На стадии генерализации условных рефлексов обнаруживается механизм доминанты., одной из характерных черт которой является способность рефлекторной системы диффузно отзываться на широкий репертуар внешних стимулов. В процессе повторного осуществления данного рефлекторного акта диффузная отзывчивость сменяется избирательным реагированием только на те раздражения, которые первично создали данную доминанту. Стадия специализации доминанты наступает благодаря механизмам дифференцировочного торможения.

Последнее обладает следующими основными свойствами: 1) чем ближе дифференцируемые раздражители, тем труднее выработать на один из них дифференцировочное торможение; 2) степень торможения определяется силой возбуждения, развиваемого положительным условным рефлексом; 3) выработка этого торможения происходит волнообразно; 4) дифференцировочное торможение тренируемо, что лежит в основе тонкого распознавания сенсорных факторов среды.

В самостоятельный вид условного торможения И. П. Павлов выделил условный тормоз, который образуется при неподкреплении комбинации из положительного условного сигнала и индифферентного раздражителя. Например, у собаки образован пищевой условный рефлекс на звук. Если к этому сигналу присоединить свет лампочки и их совместное действие не подкреплять пищей, то после нескольких применений эта комбинация перестанет вызывать пищевую реакцию, хотя изолированное применение звонка по-прежнему будет вызывать обильное слюноотделение. По существу, это вариант дифференцировочного торможения.

Прибавочный раздражитель в первый момент своего применения в комбинации с положительным сигналом вызывает ориентировочный рефлекс и торможение условной реакции (внешнее торможение), затем превращается в индифферентный раздражитель (гаснущий тормоз), и, наконец, на месте безусловного торможения развивается условный тормоз. Если прибавочный раздражитель приобрел эти свойства, то, будучи присоединенным к любому другому положительному сигналу, он затормозит соответствующий этому сигналу условный рефлекс.

При выработке торможения запаздывания подкрепление соответствующим безусловным рефлексом не отменяется, как в предыдущих видах торможения, а значительно отодвигается от начала действия условного раздражителя. Подкрепляется лишь последний период действия условного сигнала, а предшествующий ему значительный период его действия лишается подкрепления. Именно этот период сопровождается торможением запаздывания и называется недеятельной фазой запаздывающего условного рефлекса. По его истечении торможение прекращается и сменяется возбуждением - так называемая деятельная фаза рефлекса. В данном случае участвуют два раздражителя в комплексе и второй компонент - время.

В экспериментах с пищевыми условными рефлексами отставление подкрепления от начала условного сигнала может достигать 2-3 мин, а при электрооборонительных - 30-60 с. Адаптивное значение торможения запаздывания состоит в тонком анализе времени отставления раздражителя, положительная фаза рефлекса приурочивается ко времени запуска безусловного рефлекса. Например, кошка, поджидающая жертву у мышиной норки, не обнаруживает слюноотделения до тех пор, пока мышь не окажется у нее в зубах.

Тесное взаимодействие разных видов условного торможения, в особенности условного и безусловного торможений, а также возможность выработки условного торможения на базе безусловного являются убедительным основанием для предположения об их единой физиологической природе.

3.15. ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ РАБОТЫ МОЗГА

3.15.1. Механизмы формирования условных рефлексов. Теория конвергенции

Ч. Шеррингтон сформулировал фундаментальный закон о работе нервной системы - принцип общего пути, согласно которому эфферентный нейрон является общим путем для импульсов, возникающих в любом из многочисленных источников рецепции. Подсобная координация складывается на основе морфологического преобладания афферентных путей над эфферентными. Так формируется и реализуется механизм конвергенции - схождения множества афферентных путей в единственный анатомически ограниченный эфферентный канал.

А. А. Ухтомский распространил этот принцип конвергенции на все этажи ЦНС, полагая, что в онтогенезе и филогенезе конвергенция все более расширяется и обогащается по содержанию, возрастает скорость интерференции рефлекторных действий в общем пути. И если у Шеррингтона рассмотрен принцип статической, морфологической конвергенции путей, то Ухтомский в последующем при разработке учения о доминанте обосновал принцип подвижной, физиологической конвергенции нервных влияний по отношению к области преобладающего текущего действия. Именно это и послужило основой его учения о доминанте как важнейшем принципе интегративной деятельности мозга.

А. А. Ухтомский отмечал тесную связь между учением Ч. Шеррингтона о конвергенции и И. П. Павлова об условных рефлексах, которому удалось показать само закладывание и образование связей в "воронке", привлечение все новых афферентаций, конвергирующих к эфферентным (исполнительным) приборам.

Конвергенция гетеросенсорных стимулов была положена в основу понимания механизмов условных рефлексов. Дж. Эклс (1953) предположил существование нелокализованного центра конвергенции, где сходятся условный и безусловный раздражители. Их взаимодействие и интеграция завершаются формированием особой пространственно-временной структуры, импульсных разрядов. Многократные сочетания включают механизм потенциации путей условного сигнала который приобретает теперь способность запускать условнорефлекторный акт. Хранение этого эффекта обеспечивается механизмами реверберации возбуждения в нервных сетях. Д. Албе-Фессар (1964) полагал, что конвергенция, фоновая ритмическая активность и потенциация образуют некоторую цепь динамических процессов, связывающих интеграцию в пространстве (обусловленную конвергенцией) с интеграцией во времени (обусловленную потенциацией).

Решающим фактором в механизмах образования условных рефлексов выступает биологическое значение подкрепляющего рефлекса. Свойства подкрепляющего фактора определяются специфическими химическими реакциями, которые он вызывает, и соответствующими молекулярными преобразованиями в пределах мембраны и цитоплазмы нейрона. Здесь в результате ультраструктурных и молекулярных преобразований и происходит "сцепление" условной и безусловной стимуляции с последующим выходом сложившейся интеграции на аксон в виде клеточного разряда (рис. 3.40).

На рис. 3.41 показано, что синаптические входы для условного и безусловного стимулов конвергируют на пресинаптической ("входной") клетке в цепи нейронов. Сложившаяся ассоциация ("интеграция") передается на постсинаптический нейрон ("выходной"), но по одному общему пути и для сигнального, и для подкрепляющего раздражителей.

Рис. 3.40 Взаимодействие синаптических входов с гетерохимической организацией для стимулов биологической (а) и сенсорных (б1 и б2) модальностей. Различные свойства входов условно изображены виде размеров синапса и его активных зон..

Рис. 3.41 Передача условной связи, сложившейся в процессе сочетаний, с входного нейрона (А) на "выходной" (Б) по одному общему пути

1 - вставочный нейрон возбуждающего действия; БС, УС - безусловный и условный стимулы; объяснение см. в тексте.

Клеточные механизмы условного рефлекса. Существуют две основные гипотезы научения: синоптическая, предполагающая, что механизмом формирования условных рефлексов является изменение эффективности синапсов, и мембранная, утверждающая, что основным механизмом условного рефлекса является изменение свойств возбудимой постсинаптической мембраны.

Нервные механизмы научения также обеспечиваются благодаря двум свойствам нервной системы: реактивности и пластичности. Если реактивность - это способность отвечать на раздражение, то пластичность - это способность изменять реактивность под влиянием последовательных раздражении. Попытки использовать внутриклеточную регистрацию постсинаптических электрических потенциалов привели к необходимости проводить исследования либо на относительно простых нервных сетях, либо на центральных нейронах высших млекопитающих с максимальным упрощением требуемых для анализа межнейронных отношений. Такие упрощенные модели принято именовать клеточными аналогами условного рефлекса. Эксперименты привели к выводу об определяющей роли при выработке временной связи избирательных синаптических сдвигов.

Любой условный рефлекс начинается с возникновения доминанты и суммационного рефлекса. Наиболее адекватным отражением функционального состояния системы обучающихся нейронов является уровень их мембранного потенциала, а следовательно, электротонические влияния имеют наиболее существенное значение для образования временной связи. Отсюда возникла поляризационно-электротоническая гипотеза формирования доминанты и простых форм временных связей.

При использовании в качестве ассоциируемых воздействий на клеточную мембрану подведение к ней биологически активных веществ (глутамата и ацетилхолина), установлено различное проявление пластичности для отдельных нейронов, вовлеченных в процесс ассоциации раздражении. Показано, что в основе условной реакции втягивания жабр у морского моллюска (аплизии) лежит механизм пресинаптического облегчения, который формируется при конвергенции раздражителей, приводящих к спайковой активности нейрона и активации этого же нейрона через модулирующий вход от безусловного раздражителя. Аналогичные механизмы допускаются и у позвоночных животных. Следовательно, и та, и другая гипотезы научения имеют своих сторонников.

Межнейронные отношения при образовании временных связей. Исследования реакций нейронов бодрствующего мозга в процессе научения показали, что наиболее существенные изменения характерны для корковых полисенсорных нейронов, функциональные свойства которых определяются диапазоном конвергирующих к ним афферентных влияний. Если до первых сочетаний стимула с подкрепляющим рефлексом нейроны были преимущественно моносенсорными, то по мере сочетаний они приобретают способность отвечать на стимулы различных сенсорных модальностей и параметров, т. е. становятся полисенсорными. Это соответствует периоду генерализации условного рефлекса со свойствами доминанты. При достаточно упроченном условном рефлексе ответы нейронов снова приобретают моносенсорный характер, но теперь это избирательная реакция только на тот стимул, который приобрел сигнальное значение для поведенческого акта.

Возможно, что в процессе изменения реактивности нейронов при образовании условного рефлекса определенное значение имеют механизмы привыкания (пресинаптическая депрессия медиатора) и сенситизации, или сенсибилизации (посттетаническая потенциация). Сенсибилизация в реагировании нейронов коры мозга бодрствующей обезьяны возникает в том случае, если раздражители прямо или косвенно связаны с мотивационной сферой животного. Привыкание ответов тех же нейронов наблюдается в тех случаях, когда используемые раздражители были индифферентными или хорошо знакомыми для животного. Если ранее индифферентный агент приобретал свойства условного сигнала, то ранее угашенные нейронные ответы возобновляются и стабилизируются (рис. 3.42).

Те структуры, где изменения происходят в первую очередь, рассматривают как наиболее существенные для обучения. Критерием вовлеченности нейрона в условнорефлекторный процесс является

Рис. 3.42 Динамика импульсной активности (а) и средней частоты, разрядов (в) коркового нейрона лобной области обезьяны, а также электромиограмма мышц плеча (б) при выработке защитного условного рефлекса

А - при световом раздражении (обозначено левой стрелкой); Б - при кожном раздражении - укол (обозначено правой стрелкой); В, Г - при сочетании светового раздражения с кожным. Приведенные реакции зарегистрированы при разном количестве предъявленных условных раздражителей (А - 9 предъявлении, В - 1-9 сочетания, Г - 10-18 сочетания).

характер его предшествующей реакции, из чего вытекает необходимость существования "критических синапсов", в которых прежде всего происходят изменения, обусловливающие распространение импульсации по новому пути.

В качестве наиболее значимых для научения отделов мозга отмечены лобная и сенсорная кора, а также гиппокамп, где обнаружены изменения в импульсной активности нейронов уже при первых сочетаниях и упреждение их разряда поведенческой двигательной реакции. Реакции нейронов сенсомоторной коры (снижение сопротивления мембраны и повышение возбудимости клетки) предшествовали появлению первых условнорефлекторных движений и исчезали при их отсутствии, хотя безусловнорефлекторная реакция сохранялась. Вероятно, первичные пластические изменения происходят в нейронах коркового представительства двигательной условной реакции. Эти перестройки могут заключаться в изменении эффективности связей между нейронами сенсомоторной коры, получающими возбуждение, и группами нейронов, контролирующих сокращение определенных мышц'.

Выделяют элементарную микросистему корковых нейронов при научении, приписывая ей следующие основные свойства. 1. Деятельность микросистемы качественно отлична от индивидуальной активности входящих в ее состав нейронов. 2. Системная деятельность корковых нейронов на разных стадиях выработки условного рефлекса основана на разных формах взаимоотношений между нейронами. 3. Микросистема основывается на дифференцированном участии в ней различного класса нейронов, по-разному меняющих свои сетевые свойства при научении. Таким образом, определяющим механизмом временных связей оказываются не столько свойства самой нервной клетки, сколько ее сетевые свойства как элемента системы.

Один из примеров возможных межнейронных взаимоотношений в коре головного мозга при выработке условного рефлекса приведен на рис. 3.43. Таламический афферент, вступающий в кору, вызывает активацию тормозного интернейрона 3, непосредственно контактирующего с эфферентной пирамидной клеткой 1. По мере выработки временной связи данный нейрон начинает реагировать на условный сигнал той же тормозной реакцией, как и на безусловный раздражитель. Ранее подпороговый вход условного сигнала становится пороговым для запуска "безусловной" реакции. Но благодаря участию в системе еще одного тормозного интернейрона 4, блокирующего проведение импульсации от безусловного стимула к исследуемому нейрону, ответ нейрона 1 на безусловный стимул исчезает и возникает только по условному сигналу.

Нейрон обладает множеством входов в составе сложнейших многонейронных конструкций, включающих много тормозных интернейронов, однако наряду с механизмами локального облегчения синаптической эффективности существует одновременно работающий механизм локального подавления синаптических входов. В целом постсинаптическая мембрана представляет собой сложную динамическую мозаику возбужденных и заторможенных локусов, которые, будучи сочетанными во времени с активацией эндогенных клеточных механизмов, фиксируются, обеспечивая вовлечение нейрона в состав общемозговой нейродинамической системы.

Нейродинамическая констелляция центров. А. А. Ухтомский подчеркивал, что за каждой естественной доминантой кроется возбуждение целого созвездия (констелляции) центров, своеобразная циклическая машина, функциональный орган, образующийся по ходу самой реакции. Определяющим фактором при этом является усваивание ритма и темпа возбуждения в центрах, входящих в состав констелляции. М. Н. Ливанов (1972) разработал концепцию о пространственной синхронизации

Рис. 3.43 Связи нервных клеток, объясняющие происхождение тормозных условных нейронных ответов

1 - пирамидная клетка глубоких слоев коры, 2 - звездчатая клетка, 3. 4 - тормозные интернейроны, 5 - коллатерали аксонов, 6 - ветви апикальных дендритов в поверхностном слое коры; ВС - путь проведения безусловного стимула (возбуждения) из таламуса, УС - путь проведения условного стимула (возбуждения) от соседнего нейронного модуля.

Рис. 3.44 Представление о связях в неокортексе на основании теории церебрального научения Эклса

Горизонтальные волокна аксонов ассоциативных (1) и комиссуральных (2) путей образуют синапсы с апикальными дендри-тами звездчатых клеток в модуле Л и пирамидных клеток в модулях Б и В. В модуле В показана шипиковая звездчатая клетка (3) с аксоном (4), образующим касательные синапсы (6) со стволом апикального дендрита пирамидной клетки (5).

потенциалов отделов головного мозга как основе формирования констелляции центров, ответственной за реализацию доминанты и ее условнорефлекторного обеспечения. Эти представления получили развитие в гипотезе о распределенных системах мозга, которая базируется на трех основных положениях. 1. Основные структуры мозга построены по принципу повторения одинаковых многоклеточных единиц - модулей. 2. Связи между основными образованиями мозга многочисленны, избирательны и специфичны. 3. Каждая подгруппа модулей соединена своей системой связей с такими же обособленными подгруппами в других отделах мозга. Распределенные системы характеризуются избыточностью потенциальных командных пунктов, а командная функция в разное время может локализоваться в разных участках системы, особенно там, куда приходит самая срочная и нужная информация.

Нейрофизиологические механизмы сборки, формирования и поддержания столь обширных нейронных объединений в единой рабочей системе приводит Дж. Эклс (1981). При этом исходными являются три постулата. 1. Существование точной взаимной проекции модулей нескольким обособленным группам модулей в том же полушарии и к зеркальному фокусу в противоположном полушарии, что создает предпосылки для внутри- и межполушарной реверберации. 2. Такие кольца связей существуют между корой и таламусом. Они служат основой для таламо-корковой реверберации, в результате чего активируются касательные синапсы на шипиках апикальных дендритов пирамидных клеток V слоя; 3. Апикальные дендриты пирамид образуют в I и II слоях касательные синапсы с проходящими горизонтально аксонами.

Сочетание всех этих факторов обеспечивает увеличение эффективности аксо-шипиковых синапсов, которые служат основным звеном в формировании корковой пространственно-временной структуры (констелляции) как матрицы памяти (рис. 3.44).

Действительно, изменение геометрических параметров самого шипика меняет сопротивление для распространяющихся по нему синаптических местных токов в направлении к стволу дендрита. Наряду с жесткими структурными констелляциями существуют и гибкие звенья мозговых систем, благодаря которым организм выполняет адаптивную деятельность в самых разных условиях существования.

3.15.2. Механизмы условного торможения

Каким образом неподкрепление условного сигнала приводит к ослаблению и прекращению условной реакции? Хотя И. П. Павлов и не давал однозначного ответа на этот вопрос, но высказывал предположение о том, что условное торможение возникает и первоначально локализуется в корковых клетках "представительства условного раздражителя". Другие ученые полагали, что условное торможение правильнее всего связывать с "корковым представительством безусловного рефлекса" или со структурами, осуществляющими временную связь между условным и безусловным раздражителями.

Трудно судить о приуроченности тех или иных центральных процессов при условном торможении к работе строго ограниченных структур мозга. Поэтому термин "внутреннее торможение" вряд ли имеет строгое логическое обоснование в пределах системы тормозного условного рефлекса.

При этом следует обратить внимание на сходство закономерностей образования положительных и тормозных условных рефлексов. Считается, что условный рефлекс возникает в результате синтеза двух безусловных рефлексов, один из которых является ориентировочным на действие условного раздражителя (рис. 3.45). Предполагается, что возбуждение безусловного рефлекса производит индукционное торможение среднего звена дуги ориентировочного рефлекса условного раздражителя. После прекращения действия безусловного раздражителя данное торможение сменяется послетормозным возбуждением. Последнее, в свою очередь, вызывает отрицательное индукционное торможение условной связи. Это торможение охранительно-восстановительного типа предотвращает следовое перевозбуждение условной связи и утомление соответствующих корковых клеток. При отмене подкрепления нарушается

Рис. 3.45 Дуга условного рефлекса с двусторонней связью А, Б - корковые представительства мигательного и пищевого рефлексов; В, Г - подкорковые представительства мигательного и пищевого рефлексов: 1,1' - афферентные нейроны, 2, 2' - вставочные нейроны, 3, 3' - эфферентные нейроны, 4, 5, 4', 5' - синаптические контакты коллатералей афферентных нейронов, 6 - синаптический контакт между вставочным нейроном обратной условной связи и афферентным нейроном сигнального раздражителя, 6' - синаптический контакт между вставочным нейроном Прямой условной связи и афферентным нейроном подкрепляющего раздражителя, I ,II - прямая и обратная условные связи.

сопряженная индукция и элементы условной связи испытывают длительное следовое возбуждение.

Согласно биологической гипотезе, в основе механизма условного торможения лежит конкурентная борьба, столкновение различных возбуждений. Более сильное возбуждение индукционно тормозит выработанный пищевой рефлекс. Если при безусловном торможении такое возбуждение возникает при ориентировочном или оборонительном рефлексе, то при условном торможении - при биологически отрицательной реакции.

На рис. 3.46 приведена схема образования угасательного торможения. Общий механизм тормозящего эффекта определяет единую природу коркового торможения, в основе которого может лежать пессимальное, а иногда и электротоническое торможение.

Считается, что при выработке условного торможения формируется самостоятельный тормозный условный рефлекс, независимый от положительного.

Приведенные гипотезы построены в значительной мере на косвенных данных, а поэтому носят умозрительный характер, нисколько не снижающий, впрочем, их оригинальной ценности.

Клеточный анализ условного торможения показал, что в формировании тормозной реакции участвуют все звенья положительного условного рефлекса, но они работают в другом режиме, меняются параметры их деятельности. Отсутствие внешней реакции на отрицательный (неподкрепляемый) стимул не связано с локальным или системным торможением структур головного мозга. В ответ на тормозное раздражение возникает такая же многообразная активность нейронов, как на положительное раздражение.

Некоторые исследователи видят проявления условного торможения в снижении или прекращении импульсной активности клетки при продолжительном действии положительного условного сигнала (торможение запаздывания). Обнаружено, что при угасательном торможении амплитуда ВПСП постепенно снижается без заметного перехода в гиперполяризацию клеточной мембраны. Появилась возможность объяснить ослабление возбуждающих реакций уменьшением выброса медиатора без активного торможения самого нейрона. Подобные наблюдения, а также факты постепенного угнетения клеточных реакций при угашении могут быть связаны с понижением возбудимости корковых

Рис. 3.46 Образование угасательного торможения

А - условный пищевой рефлекс; Б - стадия частичного торможения пищевой реакции вследствие появления биологически отрицательной реакции; В - стадия полного торможения пищевой реакции: / - анализатор, 2 - корковое представительство пищевой реакции, 3 - корковое представительство биологически отрицательной реакции, 4- путь для побочного торможения

нейронов. Вероятно, при развитии угасательного торможения имеет место размыкание временной связи.

Положительные и отрицательные условные рефлексы опосредуются разными синаптическими входами активирующего и тормозного действия. В зависимости от того, какие интернейроны включены в полисинаптические пути условной связи, дифференцировочное торможение будет проявляться или как угнетение активирующих условных реакций клетки, или как растормаживание клеточных реакций с тормозной условной реакцией. Самостоятельная группа клеток на неподкрепляемое раздражение усиливала импульсацию, а на подкрепляемый положительный сигнал не реагировала вовсе.

При выполнении инструментальных условных рефлексов на комплексный сигнал вырабатывали условное торможение реакций при изолированном предъявлении компонентов (рис. 3.47). Установлено, что паттерн ответа этих нейронов на положительный сигнал (свет + звук) существенно отличался от такового при дифференцировочных сигналах (свет, звук). Эти паттерны ответов обусловлены двигательной программой, которая реализуется по данному сигналу. Если угасательное торможение сопровождается распадом паттерна нейронных ответов и/или их исчезновением, то дифференцировочное торможение, тренируемое вместе с положительным рефлексом, стабильно поддерживает новый паттерн нейронного ответа, отражающий центральную программу поведенческой реакции.

При разных видах условного торможения существует три типа перестроек импульсации: 1) инверсия паттерна активности нейрона, имеющая место при положительном сигнале, в противоположный по знаку при предъявлении отрицательного сигнала; 2) рекомбинация паттерна ответа при предъявлении неподкрепляемого раздражителя в сравнении с эффектом положительного сигнала; 3) исчезновение реакции нейронов при предъявлении дифференцировочного раздражителя. Эти перестройки именуются как центральный нейронный эквивалент дифференцировочного торможения.

Условное торможение является таким же активным системным процессом, как и условное возбуждение. По своей организации, за исключением конечного эффекторного звена, оба процесса подобны.

Вероятно, мозаика постсинаптических процессов, происходящих на корковом уровне, отражает перестройки функциональной активности соответствующих центральных программ, эффекторное выражение которых осуществляется на соответствующих

Рис. 3.47 Перистимульная гистограмма активности нейрона сенсомоторной коры кошки при положительных и отрицательных условных рефлексах

А - положительные условные рефлексы на комплексный сигнал из одновременных светового и звукового компонентов;

Б, В - отрицательные условные рефлексы на изолированные предъявления светового и звукового компонетов. По оси ординат - число импульсов, каждый столбик соответствует периоду в 50 мс, по оси абсцисс - время в секундах, каждая гистограмма построена на основе 10 реализации; под гистограммой: отклонение вверх - условный сигнал, вниз - подача подкрепления, горизонтальные отрезки - проявление двигательной реакции передней конечности.

Рис. 3.48 Временная организация памяти. (Объяснение см. в тексте).

3.16. МЕХАНИЗМЫ ПАМЯТИ

Основными свойствами нервной системы являются длительное хранение информации о событиях внешнего мира и реакциях организма на эти события, а также использование этой информации для построения текущего поведения. Эти свойства легли в основу формирования нервной, или нейрологической, памяти. В каждый момент времени животные и человек переходят из своего прошлого к новому ранее не испытанному состоянию, и их поведение в настоящем в значительной мере определяется совокупностью накопленного опыта в прошлом. Память как результат научения заключается в таких изменениях в нервной системе, которые сохраняются в течение некоторого времени и существенно влияют на характер протекания будущих рефлекторных реакций. Комплекс таких структурно-функциональных изменений получил название процесса образования энграммы (от греч. en- находящийся внутри и gramma- запись) - материальной основы памяти.

Память характеризуется системной организацией, т. е. изучение элементарных механизмов памяти должно ориентироваться на целостное понимание этой функции мозга. Известно, что в памяти события размещаются по оси времени с отражением их реальной длительности. Формирование и воспроизведение таких энграмм возможно лишь при допущении временного "свертывания" событий на основе существования собственного времени мозга. В результате такой компрессии времени создается внутренний хронотоп, т. е. внутренний пространственно-временной образ внешнего единого мира. Энграмма из модели прошлого перемещается в будущее и становится фактором, определяющим цель предстоящего поведенческого акта.

Временная организация памяти. После электрического ответа рецепторной клетки на внешнее воздействие возникают следовые процессы, продолжающиеся при отсутствии реального раздражителя. Они и составляют основу сенсорной памяти. Длительность хранения следов в сенсорной памяти не превышает 500 мс, стирание следа осуществляется за 150 мс. Сенсорная память человека не зависит от его воли и не может быть подвергнута сознательному контролю. Следующий период, связанный с хранением информации, именуется кратковременной памятью. И наконец, наиболее значимая информация хранится в долговременной памяти. Консолидация энграммы, т. е. переход ее из кратковременной в долговременную, соответствует особому виду промежуточной памяти.

Предполагают, что кратковременная (нестабильная) память образуется за счет конформационных перестроек макромолекул и реализуется на синаптическом и синаптосомальном уровнях регуляции (рис. 3.48). Перемещение ионов и/или кратковременные метаболические сдвиги во время синаптической активности могут привести к изменению эффективности синаптической передачи, длящейся миллисекунды и секунды.

Большинство исследователей полагают, что в основе кратковременной памяти лежат электрофизиологические механизмы, связанные с реверберацией импульсации по замкнутой системе нейронов.

Синаптосомальный уровень включает конформационные изменения структурных и ферментных белков, а также перемещение нейромедиаторов - длящаяся минуты и часы промежуточная память. Долговременная память формируется на основе синтеза макромолекул (нуклеиновых кислот и белков) и связана с активацией генетического аппарата.

В отличие от предшествующих процессуальных видов долговременная память представляет собой новую внутримозговую функциональную структуру, базирующуюся на изменениях в мембранах нейронов и межнейронных связях.

3.16.1. Кратковременная память

В качестве наиболее удачной модели изучения кратковременной памяти используют отсроченные условнорефлекторные реакции, состоящие в том, что между условным сигналом и соответствующим двигательным ответом вводится пауза (отсрочка), после окончания которой животное получает доступ к рычагам и кормушкам. Правильность выполнения двигательного акта свидетельствует об удержании в кратковременной памяти информации об условном сигнале. Особенности импульсной активности нейронов в период отсрочки могут быть использованы для понимания механизмов краткосрочной памяти.

При этом особый интерес представляют лобные доли больших полушарий, часть которых у обезьян именуется "фокусом пространственной памяти". Исследования на обезьянах показали, что время отсрочки заполняется краткими вспышками импульсивной активности нейронов. Нейроны, активирующиеся в начальный период отсрочки, детектируют информацию о свойствах условного сигнала, далее следует передача возбуждения по принципу эстафеты другим нейронным популяциям, каждая из которых отдает аксоны к нейронам - сумматорам, и от последних происходит передача задержанной таким образом информации на программирующие и пусковые структуры мозга (рис. 3.49).

Рис. 3.49 Основные типы. перестроек импульсной активности нейронов лобной коры обезьяны (А-Д) в период краткосрочной памяти (отсрочка)

По оси ординат - активность, имп/200 мс. Стрелками указаны начало и окончание отсрочки, цифрами на кривых - процентное соотношение нейронов каждого типа.

Для лобных отделов коры характерны замкнутые нейронные круги типа "ловушек", в которых импульсный поток может реверберировать до тех пор, пока не будет переключен на эфферентные корковые модули из крупных пирамидных клеток (рис. 3.49). Теменная кора, также участвующая в кратковременной памяти, снабжена механизмом таламо-корковой реверберации, которая в отличие от лобной коры продолжается на протяжении всего периода отсрочки.

Считается, что фиксация следового процесса связана со стойкими изменениями синаптической проводимости, возникающими при повторном поступлении к синапсу циркулирующего импульсного потока определенной конфигурации. В составе замкнутых нейронных цепей в коре мозга участвуют тормозные интернейроны, которые способствуют более длительному хранению следов и поддержанию циркулирующей активности.

Среди многих гипотез памяти рассмотрим представление, согласно которому ионные сдвиги в результате упражнения (научения) синапсов запускают длительные восстановительные процессы. Следствием их является гиперполяризация мембраны, которая сопровождается поступлением аминокислот и синтезом некоторых белков.

Вновь синтезированный белок используется синапсами, стабильно меняющими свою эффективность. При этом указываются следующие временные границы видов памяти: кратковременная - угасает через 10 мин после научения, промежуточная- возникает в течение 15 мин после научения и угасает через 30 мин; долговременная - возникает через 45 мин после научения и сохраняется неопределенно долгое время.

3.16.2. Долговременная память

Классификация видов памяти. И. С. Бериташвили (1975) различал образную, условнорефлекторную, эмоциональную и словесно-логическую память. Под образной памятью человека и животных понимают сохранение в памяти и репродукцию однажды воспринятого жизненно важного объекта; под эмоциональной памятью - воспроизведение пережитого ранее эмоционального состояния при повторном воздействии раздражителей, обусловивших первичное переживание этого состояния.

Эмоциональная память обладает следующими особенностями: 1) она надмодальна, т. е. ее формирование и воспроизведение может происходить при любых сенсорных воздействиях; 2) она реализуется очень быстро и часто с первого раза; 3) она характеризуется непроизвольностью запоминания и воспроизведения информации, т. е. обеспечивает пополнение подсознательной сферы человеческой психики.

Условнорефлекторная память проявляется в виде воспроизведения условных двигательных и секреторных реакций или заученных привычных движений спустя длительное время после их образования.

Наконец, словесно-логическая память - это память на словесные сигналы, обозначающие внешние объекты, события, внутренние переживания и свои собственные действия.

В любом случае происходит фиксация образов, предметов и явлений, включающая в свой состав по крайней мере три этапа: формирование энграммы, сортировку и выделение новой информации, долговременное хранение значимой для организации информации.

Основная гипотеза базируется на признании того, что фиксация следа памяти связана со стойкими изменениями синаптической проводимости в пределах определенного нейронного ансамбля.

В основе долговременной памяти лежат сложные структурно-химические преобразования на системном и клеточном уровнях головного мозга.

Под влиянием научения увеличивается количество холинорецепторов, что может быть следствием либо синтеза новых рецепторных молекул, либо демаскировки и активации уже существующих рецепторных белков. Установлено повышение чувствительности кортикальных нейронов к ацетилхолину в процессе образования условного рефлекса. Активация рецепторов постсинаптической мембраны облегчает научение, ускоряет фиксацию, способствует извлечению следа из памяти. И наоборот, антагонисты ацетилхолина нарушают научение и воспроизведение, вызывая амнезию (потерю памяти).

Катехоламинергическая и серотонинергическая системы принимают самое непосредственное участие в механизмах долговременной памяти. Установлено, что научение животных в моделях с электрокожным подкреплением условных рефлексов сопровождается активацией адренергических систем мозга, а научение с пищевым подкреплением - снижением метаболизма и уровня норадреналина в головном мозгу. '

Предполагают, что норадреналин пролонгирует активность нейронов, вызванную предъявлением условного стимула, и этим облегчает формирование условного рефлекса. Серотонинергической системе принадлежит важная роль в процессах консолидации следов памяти. Серотонин ускоряет научение и удлиняет сохранение навыков, выработанных на эмоционально положительном подкреплении, нарушая выполнение и сохранение защитно-оборонительных реакций. Согласно существующей концепции, моноамины участвуют в процессах научения и памяти опосредованно, через нейрохимическое обеспечение положительных и отрицательных эмоций. Серотонин причастен к формированию эмоционально положительных, а норадреналин - эмоционально отрицательных состояний.

Существует гипотеза, согласно которой холинергические механизмы мозга обеспечивают информационную составляющую процессов научения. Роль моноаминергических систем мозга сводится к облегчению подкрепляющих и эмоционально-мотивационных составляющих процесса научения и памяти, причем холинергическая система находится под модулирующим влиянием моноаминергической системы. Стимуляция моноаминергических механизмов перестраивает хемореактивные свойства, которые при определенных условиях могут закрепляться, обеспечивая создание и сохранение многонейронной констелляции - энграммы. Если адренергические механизмы мозга в большей мере причастны к формированию временных связей, то серотонинергические - к их фиксации.

Процессы долговременной памяти зависят также от уровня метаболизма ГАМК, глутаминовой кислоты, вторичных посредников (циклических нуклеотидов и ионов кальция).

Участие информационных макромолекул (нуклеиновых кислот и белков) в ключевых процессах научения и памяти не вызывает сомнений. Согласно одной группе гипотез, научение и память связаны с кодированием приобретенных форм поведения в информационных макромолекулах. Согласно другой группе гипотез, которая исходит из взаимосвязи генома и синтеза специфических белков нервной клетки, на основе функционального объединения нейронов возникает структурное их объединение, представляющее собой энграмму памяти.

Первая группа гипотез базируется на аргументах о качественном изменении РНК и белков при научении и возможности переноса памяти от обученного мозга к необученному с помощью РНК или полипептидов. Установлено, что для процессов консолидации и формирования долговременной памяти необходим полноценный белковый синтез. В формировании устойчивости созданной энграммы должна существовать система обновления специфических рецепторных белков либо должны возникать стабильные модификации ДНК, в

Рис. 3.50 Основные типы нейронных объединений в лобной коре обезьян

А - нейронная "ловушка"; Б - вертикальный модуль.

Рис. 3.51 Аксошипиковый транзиторный синапс

1 - аксон, 2 - синаптические везикулы, 3 - шипиковый аппарат, 4 - нейроглия, 5 - молекула актина, б - рибосомы, 7 - митохондрия, 8 - дендрит, 9 - дендритные трубочки; I - влияние пресинаптического возбуждения на постсинаптическую мембрану, вызывающее в головке шипика возрастание концентрации Са2+; II - влияние Са2+ на молекулы актина, приводящее к сокращению ножки шипика и облегченному проведению местного потенциала к стволу дендрита.

результате которых в нейронах образуется и поддерживается пожизненно синтез любого нейроспецифического белка или, наоборот, необратимо выключается синтез маскирующего белка.

Полагают, что повторная импульсация в нейроне сопровождается увеличением концентрации кальция в постсинаптической мембране. Это активирует фермент - кальций-зависимую протеиназу, которая расщепляет один из белков мембраны. Его расщепление высвобождает замаскированные ранее неактивные белковые глутамат-рецепторы. С возрастанием числа активных глутаматрецепторов возникает состояние повышенной проводимости аксошипикового синапса (в течение 3-6 сут).

Аксошипиковые контакты - наиболее пластичное соединение между нейронами, которое может быть ответственно за эффективность синаптической проводимости. Последнее достигается изменением диаметра самого шипика, что меняет, в свою очередь, сопротивление мембраны. Это обеспечивается наличием в ножке шипика контрактильного аппарата в форме молекул актомиозина. Их активация возникает при высвобождении ионов кальция из депо, коим является расположенный в головке шипиковый аппарат (рис. 3.50, 3.51). Высвобождение ионов кальция происходит при действии медиаторов на постсинаптическую мембрану. Сокращение молекул актомиозина приводит к укорочению и утолщению ножки шипика, вследствие чего меняется сопротивление и проведение электрического потенциала к дендритному стволу.

Для понимания механизмов "переноса памяти" целесообразно использовать гипотезу И. П. Ашмарина об участии иммунологических механизмов в долговременной памяти (рис. 3.52). Если представить, что после прохождения импульсов через синапс усиливается синтез специфических белков-антигенов, то их избыток должен

Рис. 3.52 Представление об иммунохимическом механизме формирования памяти (по Ашмарину)

КБ - катионные белки, открывающие путь комплексам синаптического антигена с РНК через оболочку клетки; Л - клетка глии (аналог лимфоцитов); М - клетка глии (аналог макрофагов); 1, 2, ? - участки синаптического антигена (зона синтеза заштрихована); 4 - комплекс фрагмента синаптического антигена с РНК; 5 - антитела для синапсов. Тонкими линиями изображены мРНК, толстыми - ДНК хромосом,.

выходить в околосинаптическое пространство. Эти белки взаимодействуют с рядом расположенными клонами клеток астроцитарной глии, индуцируют их размножение и образование антител. Последние специфически взаимодействуют с постсинаптическими мембранами тех же нейронов и облегчают проводимость в соответствующих синапсах. Данный клон астроцитов сохраняется в течение жизни. Следовательно, действующим началом "переноса памяти" может быть избыточный антиген пептидной природы, который способен автоматически найти в мозгу реципиента либо соответствующую клетку глии либо синапс. '

Специальные исследования на животных с генетическим дефицитом вазопрессина и нарушением памяти обнаружили ее улучшение после инъекции дополнительных количеств этого гормона. Противоположное действие - нарушение сохранения выработанных навыков - оказывает другой гормон гипофиза - окситоцин. Эндорфины и энкефалины (эндогенные опиаты) оказывают выраженное влияние на научение и память - замедляют угашение

условных рефлексов, улучшают их сохранение, хотя и ухудшают их формирование.

Нейропептиды обнаружены в аксонных окончаниях нейронов вместе с классическими медиаторами. Нейропептиды могут усилить или ослабить действие медиатора. Нейропептиды-спутники вместе с медиаторами создают и поддерживают на постсинаптической мембране специфические рецепторные мозаичные наборы, способствующие быстрому проведению определенного вида возбуждения. Пептид-спутник повышает сродство рецептора к основному медиатору, он более стабилен, чем основной медиатор, что обеспечивает пролонгированное облегчение проведения через синапс.

Вероятно, все формы нейрологической памяти обеспечиваются системой межнейронных взаимодействий, участие же информационных молекул проявляется лишь во включении или выключении различных участков предсуществующего генома, а не в синтезе новых нуклеотидных или аминокислотных последовательностей.

3.17. ИНТЕГРАТИВНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ МОЗГА И ПОВЕДЕНИЕ

Принцип доминанты в качестве основы складывающихся координационных отношений выдвинул А. А. Ухтомский. Он активно опирался на идеи Ч. Шеррингтона о конвергенции афферентных влияний к аппаратам, образующим общие пути в ЦНС. Но лишь идеи Н. Е. Введенского о динамизме взаимоотношений в нервной системе, обусловленные характером воздействия, функциональным состоянием нервных центров и характеристиками рабочего органа, позволили сформулировать учение о доминанте - рабочем принципе нервной деятельности и векторе поведения.

3.17.1. Доминанта и условный рефлекс

Доминанта как скрытая предуготовленность организма к выполнению конкретного поведения определяет вероятность возникновения той или иной рефлекторной реакции (условной или безусловной) в ответ на текущее раздражение.

Еще И. М. Сеченов обращал внимание на то, что иррадиация возбуждения происходит в сторону очагов повышенной возбудимости. Определяющую роль при формировании такого очага, по Ухтомскому, играет состояние развивающегося в нем стационарного возбуждения. Если этот уровень возбуждения мал, то приходящие сюда нервные влияния могут поднять его до состояния, характерного для доминанты, т. е. создать в нем повышенную возбудимость. Если же уровень возбуждения в центре и без того высок, то при приходе новой волны возбуждения возникает эффект торможения.

Важными особенностями доминантного очага являются повышенная возбудимость, т. е. отзывчивость на приходящие волны возбуждения, и способность центра суммировать эти возбуждения. В доминантном очаге устанавливается определенный уровень стационарного возбуждения, способствующий суммированию ранее подпороговых возбуждений и переводу на оптимальный для данных условий ритм работы, когда этот очаг становится наиболее отзывчивым.

Следовательно, доминанта, прежде чем стать таковой, должна пройти стадию суммационного рефлекса. В то же время условный рефлекс, прежде чем стать таковым, проходит стадию доминанты (II стадия генерализованной, диффузной отзывчивости).

Важную роль в процессе формирования доминанты играет процесс сопряженного торможения. Состояние возбуждения в центре, подкрепленное возбуждениями из самых отдаленных источников, будучи достаточно стойким, т. е. инертным, в свою очередь снижает способность некоторых других центров реагировать на импульсы, имеющие к ним прямое отношение. Сопряженное торможение должно быть своевременным, т. е. иметь координирующее значение для работы других органов и организма в целом. Это наиболее энергетически емкий процесс, наиболее тонкий, позднее вырабатывающийся и вместе с тем наиболее ранимый.

Процесс торможения не только оформляет и поддерживает доминанту, но может и привести к прекращению ее функционирования, т. е. сама доминанта может тормозиться. А. А. Ухтомский выделял четыре случая торможения доминанты: 1) если доминанта представляет собой цепной рефлекс, то разрешающий акт и будет концом доминанты (например, половое поведение); 2) возникновение в центрах новой доминанты, несовместимой с первой, ведет к ее торможению (защитное поведение тормозит пищевое); 3) осуществление прямого торможения доминанты возможно волевым путем, т. е. из коры мозга (подавление естественных физиологических потребностей в неадекватных условиях); 4) стойкое подкрепление доминанты посторонними импульсами само по себе может подготовить ее торможение (доминанта в самой себе несет свой конец, обладая способностью растормаживаться).

В существовании доминанты большую роль играет временной фактор. Именно на длительности функциональных сдвигов в центрах и базируются такие свойства доминанты, как стойкость, инертность, способность к суммации. Доминанта опирается на наличие определенного набора оптимальных раздражителей, но в основном на следовые процессы, которые и отличают ее от условных и безусловных рефлексов (частных коротких рефлексов, по Ухтомскому).

Рис. 3.53 Соотношение первичных и вторичных очагов возбуждения при формировании доминирующей констелляции

Сложные рефлекторные акты осуществляются не одним анатомическим центром, а несколькими, которые как бы образуют своеобразную функциональную констелляцию центров в работе целостного мозга. Каждый участник этой констелляции, будучи связан с соседними и стимулируя их, в свою очередь получает от них стимуляцию. Такое состояние было названо симптомокомплексом доминанты.

Первичный очаг возбуждения при формировании естественных биологических доминант (голода, жажды) возникает в структурах гипоталамуса, содержащих большое число специфических хеморецепторных нейронов. Этот очаг выступает в качестве важнейшего системообразующего фактора при формировании доминирующей констелляции, в которую входит множество вторичных очагов в тех отделах мозга, где существуют предпосылки для продолжительного удержания следовых процессов (гиппокамп, кора больших полушарий) (рис. 3.53).

Для понимания механизмов превращения доминанты из симптомокомплекса А.А. Ухтомский использовал понятие функционального центра, или органа. Этим подчеркивалось следующее: дело не столько в том, что в нервной системе складываются определенные констелляции связанных между собой центров, морфологически далеко разбросанных по мозговой массе, но и в том что они функционально объединены единством действий, своей векторной направленностью на определенный результат.

В отличие от технического механизма, такой функциональный орган образуется по ходу самой реакции и имеет множество степеней свободы, дающих ему возможность осуществлять и множество переменных операций. Единство их действия достигается способностью данной совокупности мозговых структур влиять друг на друга с точки зрения усвоения ритма, т. е. синхронизации их активности. Каждый из потенциальных компонентов констелляции изначально обладает своим определенным темпом и ритмом возбуждений. При формировании же единой констелляции как созвездия созвучно работающих ганглиозных участков, совозбуждающих друг друга, определяющую роль играет увязка во времени, скоростях и ритмах действия, т. е. в сроках выполнения отдельных моментов реакции. Доминирование данной констелляции будет зависеть от синхронизации активности входящих в нее компонентов и от сопряженного торможения других рефлексов.

В своем формировании рабочая констелляция проходит несколько стадий. 1. Вначале в констелляцию посредством генерализованного возбуждения наряду с необходимыми для данного акта нервными центрами вовлекаются и другие мозговые структуры. Доминанта вызывается в центрах непосредственным раздражителем, часто гуморальной природы, или рефлекторными влияниями. На этой стадии она и подкрепляется самыми разнообразными внешними раздражениями и уподобляется стадии генерализации условного рефлекса. 2. Постепенно в процессе повторного осуществления данного рефлекторного акта такая диффузная отзывчивость сменяется избирательным реагированием только на те раздражения, которые создали данную доминанту. А. А. Ухтомский назвал это стадией образования условного рефлекса, когда подбирается адекватный раздражитель для данной доминанты. И именно эти раздражители способны воспроизвести прежнюю доминанту со свойственными для нее вегетативным и соматическим проявлениями. Продукт пережитой доминанты, ее своеобразная памятная энграмма, в которой в единое целое сплетены поведенческие, мотивационно-эмоциональные ее признаки и комплекс вызывавших ее раздражении, были названы А. А. Ухтомским интегральным образом. Эта стадия доминанты строится на законе "обратных отношений", по которому репродуцируется доминанта при наличии адекватных сигналов.

Жесткие рабочие констелляции характеризуются непременными генетически запрограммированными результатами выполнения рефлекторного акта. Кора больших полушарий формирует новые констелляции в индивидуальной жизни организма. Такие кортикальные доминанты обеспечивают организму при всем разнообразии конкретной среды определенный и устойчивый вектор поведения. Воспроизведение доминанты по ее кортикальным следам может быть весьма экономичным (эскизным), и, комплекс органов, участвующих в переживании восстановленной доминанты, может быть очень сокращенным. Каждый раз воспроизведенный интегральный образ обогащается все новыми элементами, что служит основой для расширения и перестройки индивидуального жизненного опыта.

Таким образом, кора больших полушарий формирует адекватные стимулы для доминанты, запускает соответствующие доминанты по поводу этих стимулов и обеспечивает взаимодействие и переключение доминант. Такие свойства в наибольшей мере присущи ассоциативным корковым полям. Следовательно, синтез механизмов доминанты с механизмами образования условного рефлекса необходим и достаточен для организации целенаправленного поведения. Доминанта обеспечивает его активный творческий характер, а упроченный специализированный условный рефлекс - его адаптивный характер, т. е. точное соответствие поведения объективной реальности.

3.17.2. Высшие интегративные системы мозга

Наряду со специфическими и неспецифическими системами в самостоятельную категорию выделяют ассоциативные таламокортикальные системы. Применительно к высшим млекопитающим это своеобразные структуры, не принадлежащие к какой-либо одной сенсорной системе, но получающие информацию от нескольких сенсорных систем. Ассоциативные ядра таламуса относятся к "внутренним ядрам", афферентные входы к которым идут не от сенсорных специфических путей, а от их переключательных образований. В свою очередь, эти ядра проецируются на ограниченные корковые территории, именуемые ассоциативными полями.

Согласно анатомическим данным, различают две ассоциативные системы: таламопариетальную и таламофронтальную. Среди таламических ядер, проецирующихся на теменную кору, по многообразию связей и особенностям нейронной активности особое место занимает комплекс заднее (каудальное) латеральное ядро - подушка таламуса. Сама теменная кора является местом широкой гетеросенсорной конвергенции по путям от специфических, ассоциативных и неспецифических ядер таламуса, а также по волокнам от сенсорных корковых зон и симметричной коры противоположного полушария.

Таламопариетальная ассоциативная система представляет собой: 1) центральный аппарат первичного одновременного анализа и синтеза обстановочной афферентации и запуска механизмов ориентационных движений глаз и туловища; 2) один из центральных аппаратов "схемы тела" и сенсорного контроля текущей двигательной активности; 3) важнейший аппарат предпусковой интеграции, участвующий в формировании целостных полимодальных образов.

Таламофронтальная ассоциативная система представлена медиодорсальным ядром таламуса, проецирующимся на лобную долю больших полушарий. Последнюю, имеющую множество нисходящих связей, рассматривают в качестве коркового модулятора лимбической системы. Основная функция таламо-фронтальной системы состоит в программировании целенаправленных поведенческих актов на основе доминирующей мотивации и прошлого жизненного опыта.

В качестве основных механизмов работы ассоциативных систем определяют следующие.

1. Механизм мультисенсорной конвергенции - к ассоциативным полям коры конвергируют афферентные посылки, несущие информацию о биологической значимости того или иного сигнала. Разделенные афферентные влияния вступают в интеграцию на кортикальном уровне для формирования программы целенаправленного поведенческого акта.

2. Механизм пластических перестроек при гетеромодальных сенсорных воздействиях, которые проявляются либо в избирательном привыкании, либо в сенситизации, либо в формировании ответов экстраполяционного типа. Доминирующая мотивация определяет спектр конвергирующих модальностей и характер их корковой интеграции.

3. Механизм краткосрочного хранения следов интеграции, заключающийся в длительной внутрикорковой или таламокорковой реверберации импульсных потоков.

3.17.3. Эволюция ассоциативных систем

Развитие современных млекопитающих шло параллельными рядами, и хотя общий план конструкции мозга сохранился, таламокортикальные системы претерпели наиболее существенные морфофункциональные перестройки. Рассматривая степень развития ассоциативных систем как показатель филогенетического статуса вида, можно выделить три основных уровня их эволюции (рис. 3.54).

Мозг насекомоядных рассматривают как предшественник с его дальнейшим усложнением в параллельных рядах эволюции грызунов, хищных и приматов. У насекомоядных выделена примитивная ассоциативная таламокортикальная система, которая хотя и участвует в процессах сенсомоторного синтеза т е непосредственной сенсорной активации выходных элементов коры, но не способна к формированию более сложных актов сенсорной интеграции модально специфических влияний, предшествующих запуску выходных корковых нейронов.

Рис. 3.54 Эволюционное созревание интегративных аппаратов мозга у насекомоядных (А), хищных (Б) и приматов (В) Выделены лишь две специфические сенсорные системы - зрительная (1) и соматическая (2); 3 - таламус, 4 - кора, 5,6 - таламофронтальная и таламопариетальная ассоциативные системы больших полушарий; светлыми линиями обозначены проекционные пути зрительной и соматической сенсорных систем; заштрихованы - ассоциативные системы; черными сплошными стрелками - кортико-кортикальные связи, пунктирными - эфферентные корковые проекции (преимущественно пирамидный тракт).

У грызунов, мозг которых близок к насекомоядным, слабая выраженность морфологической дифференциации и функциональной специализации полисенсорных структур определяет несовершенство интегративной деятельности мозга.

У хищных впервые появляются в коре больших полушарий развитые и относительно автономные лобные и теменные ассоциативные поля и соответствующие структуры таламуса. Характерны структурные и функциональные различия ассоциативных систем от других мозговых структур и между собой. Таламопариетальная система - следствие усложнения конструкции и связей зрительной сенсорной системы - участвует в сложных актах пространственной ориентировки и обеспечивает текущий сенсорный фон для выполнения целенаправленных поведенческих актов. Таламофронтальная система включается в своей значительной части в корковый отдел скелетно-мышечной сенсорной системы с одновременной проекцией на нее лимбических структур. Она участвует в организации программ целостных двигательных актов. В пределах отряда хищных лобные поля неокортекса усложняются, увеличиваются их размеры и роль в поведении, требующем мобилизации механизмов кратко- и долговременной памяти.

Перекрытие с зонами выхода эфферентных корковых путей, достаточная роль докоркового уровня интеграции, преобладание в каждой ассоциативной системе какого-либо одного из сенсорных входов не способствуют достижению полной гетеросенсорной интеграции.

У приматов ассоциативные структуры таламуса с их обширной и дифференцированной проекцией в лобные и теменные области коры образуют целостную интегративную систему больших полушарий. Это достигается прежде всего с помощью развитых кортико-кортикальных ассоциативных связей. Благодаря компактной системе миелинизированных пучков волокон возрастает роль кортикального уровня взаимодействия специфических сенсорных зон с ассоциативными полями. Последние характеризуются тонкой дифференциацией с формированием из нейронных элементов целостных структурно-функциональных ансамблей (модулей).

Функциональная значимость ассоциативных систем приматов расширяется и уточняется по сравнению с хищными. Утрачивается преобладание какого-либо одного сенсорного входа, а следовательно, расширяются возможности их интеграции. Возникает топографическая разнесенность ассоциативных полей от собственно эфферентных корковых формаций, что снижает удельное значение сенсомоторной интеграции и расширяет роль коры в осуществлении межсенсорного афферентного синтеза. Возникает все большая взаимозависимость ассоциативных систем в работе целостной интегративной системы полушарий, прежде всего в обеспечении процессов кратко- и долговременной памяти и формировании вероятностных программ поведения на основе доминирующей мотивации.

3.17.4. Эволюция интегративной деятельности мозга

После оценки уровня совершенствования высшей нервной деятельности и для создания представления о путях ее прогрессивного развития нужны соответствующие тесты. С помощью объективного подхода они должны оценить основные проявления высшей нервной деятельности: аналитико-синтетические способности мозга и способность к формированию поведенческих программ. Эти функции мозга зависят от уровня организации его ассоциативных систем.

Одним из тестов может служить рекомендованный И. П. Павловым условный рефлекс на комплексный разномодальный раздражитель, заключающийся, например, в одновременном предъявлении светового и звукового сигналов. При этом истинный интермодальный синтез, способный выступать в качестве самостоятельного условного сигнала, формируется лишь при устойчивом и полном угашении и дифференцировании компонентов, их комплекса.

Насекомоядные (ежи) и грызуны (крысы, хомяки) не способны выработать такой условный рефлекс. Каждый сигнал в отдельности - компоненты и комплекс - сохраняет свое пусковое значение. Длительная тренировка приводит к невротическим расстройствам условнорефлекторной деятельности.

Хищные (кошки, собаки) справляются с аналогичной экспериментальной задачей относительно быстро и с помощью регулярной тренировки достигают дифференцирования компонентов комплекса. Следовательно, хищные обладают способностью к интеграции разномодальных сигналов в целостный образ.

Для приматов (низшие обезьяны) выработка условных рефлексов на комплекс представляет собой легкую задачу, ибо в процессе применения комплексного раздражителя компоненты самопроизвольно утрачивают сигнальное значение и сформированные условнорефлекторные связи сохраняются месяцами без дополнительной тренировки. Это свидетельствует о более высоком уровне аналитико-синтетической деятельности обезьян в сравнении с хищными.

Другой важной стороной интегративной функции мозга является степень развития процессов памяти и основанное на них свойство прогнозирования предстоящего поведения. Прогностическая функция мозга до сих пор мало изучена, и наши знания пока ограничиваются лишь общими схемами. Одна из них _ это схема функциональной системы поведенческого акта. Согласно этой схеме, мозг животных способен к формированию не только конкретных поведенческих программ, но даже физико-химических параметров предстоящего результата их выполнения. В этой схеме допускается существование только жесткого программирования. Однако в естественных условиях существования любая поведенческая адаптация относительна и имеет вероятностный характер. Поэтому применительно к биологическим условиям обитания животных в постоянно изменчивой внешней среде имеет место и вероятностное прогнозирование, а значит, адаптивность поведенческих программ определяется степенью их избыточности и подвижности.

У животных изучали поведение в стационарных случайных средах: на условный сигнал животное должно было направляться к одной из двух кормушек, причем чаще всего к той, где наиболее вероятно получало подкрепление.

Насекомоядные и грызуны совершенно не способны справиться с такой задачей, их поведенческие программы обладают низкой лабильностью и характеризуются автоматизмом и стереотипией.

Хищные способны к формированию предпочтения, той кормушки, вероятность пищевого подкрепления из которой наиболее высока, причем поведение животных меняется в соответствии с изменением вероятности подкрепления. Повреждение лобных отделов неокортекса лишает животное способности к вероятностному прогнозированию.

Приматы легко справляются с задачами на вероятностное прогнозирование, однако после повреждений в лобной ассоциативной коре лишаются этой способности. Их поведение приобретает однообразный стереотипный характер.

Очевидно, способность использования предыдущего опыта, записанного в долговременной памяти для прогнозирования поведения в стационарных случайных средах, претерпевает существенные эволюционные преобразования, которые определяются степенью развития ассоциативных систем мозга.

3.17.5. Онтогенез ассоциативных систем мозга

Динамика формирования ассоциативных систем носит гетерохронный характер. Последнее обусловлено включением отдельных звеньев этих систем s обеспечение разных поведенческих актов, последовательность созревания которых определяется их необходимостью для выполнения жизненно важных функций новорожденного животного.

Согласно концепции системогенеза (П. К. Анохин, 1968), неравномерность созревания нервных элементов и связей между ними объясняется их вовлечением в структуру различных функциональных систем. Гетерохронность их созревания определяется значимостью для выживания организма особенно в критические периоды жизни, когда новорожденное животное вступает в непосредственное соприкосновение с окружающей средой.

Анатомически и функционально первыми созревают те рефлекторные механизмы, которые обеспечивают выживание на начальных этапах индивидуального развития. В ассоциативных ядрах таламуса обнаружены их проекции на кору больших полушарий уже у новорожденных животных. Однако окончательное созревание ассоциативных систем происходит в течение длительного времени (у хищных - к 3-му месяцу жизни). В этот период у животных впервые обнаруживают способность к выработке условного рефлекса на одновременный комплекс.

Затем наступает период бурной дифференциации мозговых структур и возникновение между ними двусторонних связей диффузного характера. Формируется та структурно-функциональная матрица, которая служит основой для дальнейшего развертывания процессов координации и выделения локальных функциональных структур. Принцип развития - от диффузного неспецифического к локальному специфическому - общебиологическая закономерность, которой подчиняется динамика развития ассоциативных систем мозга.

Наконец, последний этап связан с процессом формирования тормозных координационных механизмов в самой коре и в глубоких структурах. Появление таких механизмов обеспечивает тонкую специализацию ассоциативных систем мозга и формирование сложных форм аналитико-синтетической деятельности и вероятностного прогнозирования.

3.18. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СТРУКТУРА ПОВЕДЕНЧЕСКОГО АКТА

Наиболее важным звеном в системе адаптивных свойств организма и динамике эволюционных преобразований поведения является способность к формированию планов, программ поведения.

Сам по себе условный рефлекс есть не что иное, как экстраполирование прошлого опыта с учетом настоящей ситуации на предстоящее будущее. При всем этом процессы и механизмы формирования поведенческих программ еще окончательно не изучены.

Важно иметь в виду вероятностный характер любой поведенческой программы. Степень вероятности ее зависит не только от внешних факторов, но и от внутренней биологической потребности, преобладающей в данный момент. Моделирование потребного будущего - высшее отражение активности мозга, который сталкивается с динамически переменчивой ситуацией, ставящей его перед необходимостью выработки свойств вероятностного прогнозирования

Программа поведенческого акта - это модель того, что произойдет с организмом в будущем; ее можно рассматривать как формирование логики, алгоритма, функциональной структуры предстоящего поведенческого акта. Такая функциональная структура опирается на прошлый жизненный опыт, записанный в долговременной памяти, и актуальное настоящее, куда входит не только изменчивая окружающая среда, но и сам организм с его потребностями В результате планируется будущий поведенческий акт, в котором организм должен с той или иной вероятностью предвидеть возможные изменения в изменчивой среде.

Следовательно, в основе вероятностного прогнозирования лежит предвосхищение будущего, основанное на структуре прошлого опыта и информации о наличной ситуации. Способность к вероятностному прогнозированию есть результат биологической эволюции в вероятностно организованной среде. С расширением среды обитания и рецептивных возможностей животного неопределенность окружающей среды возрастает в динамике эволюции и в индивидуальном развитии, что обеспечивает шансы особи на выживание.

3.18.1. Основные поведенческие доминанты

Любая поведенческая программа строится на трех основных детерминантах: доминирующей мотивации, прошлом жизненном опыте (долговременная память) и оценке текущей ситуации.

Доминирующая мотивация. В основе жизненного опыта лежит определенная биологическая, а для человека прежде всего социальная потребность вызвав избирательную активацию определенных мозговых аппаратов она приводит к созданию доминирующей мотивации. В каждый момент времени доминирующей становится та биологическая мотивация, в основе которой лежит наиболее важная потребность. Доминирующая мотивация как первичный системообразующий фактор определяет все последующие этапы мозговой деятельности по формированию поведенческих программ. Специфика мотиваций определяет характер и "химический статус" внутрицентральной интеграции и набор вовлекаемых мозговых аппаратов. В качестве полезного результата определенного поведенческого акта выступает удовлетворение потребности т е снижение уровня мотивации.

Прошлый опыт, долговременная память. Широкий репертуар готовых функциональных элементов, навыков, которые либо предопределены генетически, либо сформированы в индивидуальной жизни, т. е. приобрели автоматизированный характер, является фундаментом для построения сложных поведенческих программ.

Поведенческую программу можно рассматривать как систему интрацентральных условных рефлексов, представляющих собой комплекс временных связей между хранящимися в памяти относительно жесткими сенсомоторными синтезами.

Доминирующая мотивация извлекает из долговременной памяти готовые элементы, которые в определенных условиях могут оказаться достаточными для достижения приспособительного эффекта. Последнее возможно при стабильной неальтернативной окружающей ситуации, которая в данный момент времени обнаруживает свои жесткие связи и отношения.

Естественный отбор разделил целый ряд готовых поведенческих реакций на конкретные, регулярно повторяющиеся жизненные ситуации, которые при возникновении определенной биологической мотивации реализуются в поведении, не требующем предваряющего программирования (инстинкты, стереотипные навыки и пр.). Таким путем естественный отбор обеспечивает организму оптимальные условия встречи с жизненно важными факторами вероятностно организованной среды. Эта закономерность совершенствуется не только в динамике филогенеза, но и на ранних этапах индивидуального развития. В этот период мозг обладает чрезвычайно высокой запечатлеваемостью к биологически значимым факторам среды. Последнее обеспечивает набор жестких поведенческих навыков, которые сохраняются в памяти взрослого организма и включаются в структуру более сложных поведенческих актов.

Оценка текущей ситуации. Для адекватного программирования поведения организму необходимо: 1) оценить собственную схему тела, вписанного в окружающую среду; 2) извлечь биологически полезную информацию из этой среды;

3) описать структуру среды как закон связей между ее наиболее существенными переменными; 4) определить ведущее кинематическое звено для выполнения предстоящего двигательного акта.

Доминирующая мотивация превращает реальную среду в актуальную. Активная природа процесса восприятия осуществляется в пределах целостной сенсорной функции мозга и состоит из операций: обнаружения и кодирования, распознавания и декодирования. Высший уровень сенсорной интеграции завершается формированием образа среды, оценкой взаимоотношений между биологически значимыми признаками, т.е. формированием структуры среды, логики ее построения, конструкции и закономерностей ее изменений. Животные могут выполнять поведенческий акт в новой обстановке, оперируя эмпирически усвоенными законами, лежащими в основе структуры среды. Это свойство, определяющее элементарную рассудочную деятельность животных, развивается в эволюции и достигает наивысшего совершенства у высших приматов и человека.

Организм стремится к оптимальной вероятности встречи с биологическими значимыми предметами и явлениями окружающего мира. Организм извлекает информацию, т. е. упорядоченность для формирования логики своего поведения. Во всех этих процессах существенная роль отводится кратковременной памяти, которая необходима для удержания следового образа окружающей среды и программы предстоящего поведенческого акта вплоть до его полной реализации.

3.18.2. Ассоциативные системы мозга и структура поведения

Систему операций, лежащих в основе функциональной структуры поведенческого акта, невозможно локализовать в определенных анатомических субстратах мозга. Наоборот, важно оценить степень участия различных мозговых аппаратов в целостной мозговой функции.

Существует ряд условий, на которых ту или иную мозговую систему можно рассматривать как полноправного участника программирующей функции мозга. Эти условия следующие. Мозговая система должна получить информацию

Рис. 3.55 Функциональная структура , целенаправленного поведенческого акта

Сплошными стрелками обозначены взаимоотношения между блоками, пунктирной - пути безусловных и условных автоматизированных рефлексов.

о доминирующей в данный момент мотивации, о репертуаре навыков в долгосрочной памяти, о факторах внешней среды и схеме тела. Кроме того, мозговая система должна обладать внутренними свойствами к фиксации следовых процессов в кратковременной памяти и организации селективного внимания. Наконец, эти системы должны обладать предпосылками для координированного управления остальными аппаратами мозга.

Этим условиям отвечают ассоциативные таламокортикальные системы мозга. Таламопариетальная система на основе доминирующей мотивации обеспечивает селективное внимание к сигнально значимым факторам окружающего пространства и ведущего кинематического звена схемы тела, а также участвует в механизмах управления позой. Таламофронтальная система обладает механизмами для ее участия в вероятностном прогнозировании и завершает организацию программы целенаправленного действия согласно доминирующей мотивации, прошлому жизненному опыту и наличной окружающей ситуации.

Вероятностные программы формируют команды, т. е. актуализируют в строго временной зависимости набор поведенческих тактик (блоков), в результате чего совершается действие, которое может привести к получению или отсутствию результата (рис. 3.55). Достижение последнего результата сопровождается переводом данной программы в долгосрочную память, а эффективность действия оценивается по степени выраженности положительных эмоций.

Система эмоций - единственная организация, способная осуществлять оценку степени соответствия действий организма доминирующей мотивации и прогнозируемой вероятности ее удовлетворения.

При отсутствии ожидаемого результата включаются различные механизмы: 1) сохранения программы в кратковременной памяти и повторение того же действия; 2) отрицательных эмоций, сигнализирующих о неуспехе действия, что может привести к изменению самой мотивации; 3) стойкой мотивации, побуждающей к перестройке самой программы действия, т. е. выдвижению новых гипотез и формированию новой функциональной структуры. Если организм находится в стационарной среде, динамика изменений которой стабильна и регулярно повторяется, то можно допустить существование более простых мозговых механизмов типа безусловных рефлексов или автоматизированных условных рефлексов, которые выполняются системой жестких внутримозговых связей.

Адаптивное поведение в постоянно меняющейся случайной среде требует выработки способностей к вероятностному прогнозированию и соответствующих пластических мозговых систем,

коими и являются эволюционно молодые ассоциативные системы мозга.

3.19. ОСОБЕННОСТИ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ (ПСИХИЧЕСКОЙ) ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

При изучении психической деятельности человека И. П. Павлов большое значение придавал пониманию ее физиологических основ и закономерностей. Предложенный им объективный метод условных рефлексов рассматривали как важнейший инструмент, с помощью которого создавался фундамент психологического знания.

3.19.1. Физиологические основы психики

Психические процессы теснейшим образом связаны с физиологическими явлениями, но не сводимы к ним. В основе психических явлений лежат не элементарные процессы возбуждения и торможения, а системные процессы, объединяющие отдельные физиологические проявления в интегрированное целое. Принцип доминанты А. А. Ухтомского объясняет, как из множества отдельных рефлекторных актов складывается единство.

Понятие об интегральном образе как продукте пережитых доминант, т. е. как субъективном отражении объективного взаимоотношения организма со средой, сыграло принципиальную роль в решении проблемы соотношения психического и физиологического.

Важный шаг в ее развитии был сделан П. К. Анохиным в его концепции функциональных систем, где система, в которой участвуют физиологические процессы, является внутренним отражением внешней среды. Системные процессы поведенческого акта - это информационные процессы, для которых физиологические процессы выступают как материальный носитель. В этом смысле психический образ и его нейродинамический эквивалент не только одновременные явления, но они составляют нераздельную целостность.

Теория отражения представляет психику как свойство высокоорганизованной материи отражать своими состояниями независимо от них существующую действительность. Психическое закономерно возникает на определенной ступени развития жизни, т. е. усложняющиеся условия ставят организм перед необходимостью отражения объективной действительности в виде ощущений и восприятии, ведущих к ее осознанию. Противоположность между субъективным и объективным не изначальна, не абсолютна, она порождается развитием определенных форм отражения.

Учение о доминанте А. А. Ухтомского позволяет ответить на основной вопрос: что превращает сумму отдельных реакций в целенаправленные поведенческие акты с новыми, ранее неведомыми свойствами? Это один из нейрофизиологических механизмов психической деятельности - не только внешней, предметно развернутой, но и внутренней. Психические состояния и процессы "опредмечиваются" как интегральные образы, в основе которых лежат корковые доминанты. Последние то активно действуют в поле сознания, то переходят в сферу неосознанного, где сохраняются в скрытой форме как следы прошлой деятельности. Такие доминанты могут либо поочередно "выплывать" в поле ясного внимания, либо вступать в конфликт, и тогда душевная жизнь будет борьбой вытесняющих друг друга "несогласных" доминант.

Всякое понятие и представление, всякое индивидуальное психическое содержание является отражением пережитой некогда доминанты. Этот след, а иногда и вся доминанта в полном ее выражении вплоть до эмоциональных состояний и вегетативных сдвигов могут воспроизводиться адекватным сигналом. Указанные явления лежат в основе механизмов воспоминания и мышления.

Рис. 3.56 Сопоставление сложнейших безусловных рефлексов (инстинктов) высших животных с потребностями человека

А. А. Ухтомский боролся с биологизацией социальных проблем и указы вал, что понятие "среда" содержит в себе некий общественный момент- род вид, общество и индивид должны сообразовывать свою деятельность с интереса' ми этого общества. Человек - продукт общества, и сущность его поведения должна быть понята как результат сочетания накопленного опыта поколений знании, традиций, усвоенных данным индивидом, и его личных способностей и особенностей. С одной стороны, сознание осуществляет свою деятельность на основе корковых доминант, с другой - оно само стремится воспитать такие доминанты, которые, бы содействовали успешному преобразованию характера и направленности действий.

Это означает, что даже механизмы гомеостаза не могут быть полностью лишь физиологическими. Гомеостаз у человека вышел за пределы границ индивида и стал определять отношения между людьми. Поэтому механизм гомеостаза полностью не раскрывает направленность реакций организма на сближение с раздражителями внешней среды, на его приспособление к действующим факторам среды. Доминанта как нарушение равновесия между центрами, с ее выраженной экспансией и нацеленностью, ведет к обогащению организма новыми возможностями.

Поэтому предложена классификация человеческих потребностей трех основных, независимых по происхождению групп: витальных, социальных и идеальных потребностей познания и творчества. В каждой из этих групп выделяют потребности сохранения и развития, а в группе социальных - потребности "для себя" (права) и "для других" (обязанности}. Любая из перечисленных выше потребностей может быть удовлетворена при наличии дополнительных потребностей: вооруженности средствами, знаниями, умениями в преодолении препятствий на пути к цели, обычно именуемые волей (рис. 3.56).

Сфера потребностей человека является основой для создания информационной сферы, ядром которой выступает сознание.

3.19.2. Сознание и неосознаваемое

Специфически человеческая форма отражения действительности представлена сознанием, т. е. таким знанием, которое с помощью слов, математических символов, образов, художественных произведений может быть передано другим людям и другим поколениям в виде памятников культуры.

В самостоятельную группу явлений выделяют неосознаваемые психические явления, куда входит все то, что либо было познанным, либо при определенных условиях может стать осознанным. В мозгу допускают существование чувствительного механизма, реагирующего на очень слабые, но психологически весьма значительные для данной личности раздражители. Сам этот механизм не обеспечивает осознания эмоционально значимого раздражителя, но его активация приводит к электрическим, вегетативным и психическим сдвигам. Такой механизм получил название психологической защиты.

3.20. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МЕЖПОЛУШАРНАЯ АСИММЕТРИЯ

После открытия в левом полушарии моторного центра речи (центр Брока) и сенсорного центра речи (центр Вернике) это полушарие стали рассматривать доминирующим в отношении речевой функции и мышления. Под влиянием наблюдений за больными людьми с перерезкой спаек (комиссур) переднего мозга ("расщепленный мозг") стала складываться концепция о частичном доминировании полушарий мозга человека. Согласно этой концепции, левое полушарие специализируется на вербально-символических функциях, правое - на пространственно-синтетических. Различия между полушариями при зрительном восприятии показаны в табл. 3.4.

Из анализа приведенных данных следует существование пяти основных различий полушарного доминирования у человека: вербально-невербальное, время-пространство, анализ-синтез, последовательное-одновременное восприятие, абстрактное и конкретное узнавание.

Та б л и ц а 3.4

Межполушарные различия при зрительном восприятии

Левое полушарие

Правое полушарие

Лучше узнаются стимулы

Вербальные

Невербальные

Легко различимые

Трудно различимые

Знакомые

Незнакомые

Лучше решаются задачи

Оценка временных отношений

Оценка пространственных отношений

Установление сходства

Установление различий

Установление идентичности стимулов по названиям

Установление физической идентичности стимулов

Переход к вербальному кодированию

Зрительно-пространственный анализ

Особенности процессов восприятия

Аналитическое восприятие

Целостное восприятие (гештальт)

Последовательное восприятие

Одновременное восприятие

Абстрактное, обобщенное, инвариантное узнавание

Конкретное узнавание

Предполагаемые морфофизиологические различия

Фокусированное представительство

Диффузное представительство

Выделяют несколько видов функциональных асимметрий. Неодинаковость двигательной активности рук. ног, лица, половин тела, управляемой каждым полушарием мозга, называется моторной асимметрией. Неравнозначность восприятия каждым из полушарий объектов, расположенных слева и справа от средней плоскости тела, именуется сенсорной асимметрией. Специализация полушарии мозга в отношении различных форм психической деятельности обозначается как психическая асимметрия.

Так, человек с превалированием левополушарных функций тяготеет к теории, имеет большой словарный запас и активно им пользуется, ему присуща двигательная активность, целеустремленность, способность прогнозировать события. Правополушарный" человек тяготеет к конкретным видам деятельности, он медлителен и неразговорчив, наделен способностью тонко чувствовать и переживать, он склонен к созерцательности и воспоминаниям.

Совокупность индивидуальных особенностей психики и поведения человека составляет тип высшей нервной деятельности, или темперамент человека ин складывается из общих свойств нервной системы, которые характеризуются экстра-интраверсией, эмоциональной стабильностью - невротизмом, и подвижностью или инертностью нервных процессов.

И. П. Павлов выделял два типа высшей нервной деятельности человека, которые сейчас могут рассматриваться с позиции межполушарной асимметрии-мыслительный тип с преобладанием второй (речевой) сигнальной системы -преимущественно левополушарный и художественный тип с преобладанием первой сигнальной системы конкретных образов - преимущественно правополушарный человек. В последнее время получает признание концепция о взаимодополняющем сотрудничестве двух полушарий и преимуществе отдельного полушария лишь в определенные стадии той или иной нервно-психической деятельности, а не всей функции в целом. Правое полушарие быстрее, чем левое, обрабатывает поступающую информацию, зрительно-пространственный анализ стимулов в правом полушарии передается в левое полушарие (в моторный "центр речи"), где происходит окончательный, высший семантический анализ и осознание раздражения.

Согласно концепции В. Л. Бианки, в процессе обучения правое полушарие работает по принципу дедукции, т. е. сначала осуществляет синтез, а затем анализ; левое же полушарие функционирует по принципу индукции, сначала анализируя раздражители, а затем синтезируя их (рис. 3.57).

В эволюции человека речь первоначально лишь использовала, а затем развила и качественно преобразовала уже имеющуюся у животных функциональную межполушарную асимметрию.

Рис. 3.57 Схема межполушарных взаимоотношений (по Бианки)

Вверху - ассоциативная кора, внизу - проекционная; слева - левое полушарие; справа - правое; жирные стрелки - доминирующие влияния, тонкие - недоминирующие; белые стрелки - облегчающие влияния; прерывистые - тормозящие; 1,5 - транскаллозальные (через мозолистое тело) влияния; 2,7, 10 - восходящие афферентные влияния; 3, 8 - дивергенция возбуждения; 4 - конвергенция; 6 - экстракаллозальные влияния; 9 - межзональные транскаллозальные влияния; 11 - межзональные внутриполушарные влияния; 12, 13 - транскаллозальные облегчающие влияния; 14, 15 - транскаллозальные тормозящие влияния; 16 - экстракаллозальные облегчающие влияния; 17 - экстракаллозальные тормозящие влияния.

3.21. ФОРМИРОВАНИЕ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ РЕБЕНКА

Современные представления о нервных механизмах поведенческих и психических процессов строятся на признании определяющей роли ассоциативных систем мозга. Эти образования мозга участвуют в выполнении многих высших корковых функций: программировании целенаправленных движений и действий, многих интеллектуальных операциях, познавательных процессах, организации системы речевого высказывания, наглядных пространственных и символических синтезов, формировании кратковременной пространственной и речевой памяти.

Формирование высшей нервной деятельности ребенка тесно связано с динамикой созревания ассоциативных корковых структур. Ребенок в общении со взрослыми усваивает определенные знания, приобретает новые формы отношений к внешнему миру. Все это строится на основе создания новых функциональных связей, которые позволяют овладеть новыми формами восприятия и запоминания, видами мышления, способами организации движения. Их структурной основой выступают лобные и нижнетеменные области коры, которые в онтогенезе человека увеличиваются по площади в 9 раз и у взрослого занимают

Рис. 3.58 Топографическое расположение моторного (зона Брока, I), слухового (зона Вернике, II) и зрительного (III) центров речи левого полушария мозга человека

Рис. 3.59 Локализация функций в коре большого мозга человека

около 2/3 всей поверхности новой коры. Кроме того, у человека в онтогенезе развиваются специфические человеческие корковые формации, которые имеют специальное отношение к анализу и синтезу раздражении, связанных с разными сторонами речевой деятельности (речедвигательной, речеслуховой, речезрительной) (рис. 3.58, 3.59).

Установлено, что в течение первого года жизни ребенка количество условных рефлексов на непосредственные раздражители постепенно увеличивается. Вначале формируются только вегетативные условные рефлексы, затем двигательные и, наконец, появляются речедвигательные. Наличие последних не свидетельствует еще о появлении словесного мышления, так как нет еще отвлечения и обобщения при помощи слов.

Исходно слово выступает как слабый компонент комплексного раздражителя и имеет второстепенное значение. Однако постепенно при условии частого повторения слово как наиболее постоянный компонент комплекса приобретает значение сильного компонента и, наконец, самостоятельного сигнала, хотя к концу 1-го года жизни ребенка первые воспринимаемые им слова - это просто

.

Рис. 3.60 Формирование механизмов восприятия слова у детей в процессе развития

А - новорожденные; Б-в возрасте 3-10 месяцев. В-в возрасте 2-3 лет: а - уровень рецептивных преобразований, б - уровень фонемного перекодирования слова, в - уровень семантического анализа слова, г - зоны мозга, участвующие в семантическом анализе слова; 1 - лобные зоны, 2 - моторные, 3 - нижнетеменные, 4 - затылочные, 5 - височные; Заштрихованной стрелкой обозначено воздействие слова.

звуковые обозначения определенных предметов и лиц. Позже, в следующем возрастном периоде, происходит превращение слова в абстрактный сигнал, обозначающий совокупность предметов.

На 2-м году жизни возникают образы отдельных предметов. В результате действия ребенка с предметами они вычленяются из обобщенного недифференцированного мира. Формирование речевых реакций невозможно без звукового словесного подражания. При этом особую роль играет установление связи (ассоциации) слова с видами предмета, его осязанием и другими признаками. Различают понимание речи (сенсорная речь) и ее воспроизведение (моторная речь). Вначале возникает понимание речи, затем оба эти процесса теснейшим образом увязываются.

Развитие обобщающей функции слова проходит через следующие основные этапы.

I степень интеграции - слово замещает чувственный образ определенного предмета, т. е. оно является эквивалентом одного конкретного предмета ("ляля" - только данная кукла; конец 1-го - начало 2-го года).

II степень интеграции - слово замещает несколько чувственных образов однородных предметов ("ляля" относится к нескольким куклам; конец 2-го года).

Ш степень интеграции - слово замещает ряд чувственных образов разнородных предметов ("игрушка" - это и куклы, и мячи, и кубики; не раньше 3-го года).

IV степень интеграции - в слове связан ряд обобщений предыдущих степеней (например, слово "вещь" содержит обобщение, даваемое словом "игрушка", "одежда", "еда" и др.; 5-й год жизни).

С помощью электроэнцефалографических исследований установлена динамика функционального созревания основных корковых зон у детей. Ведущим звеном в организации межцентральных отношений выступают ассоциативные отделы неокортекса - нижнетеменные и лобные зоны (рис. 3.60). У детей 1-го года жизни фокусами взаимосвязной активности являются нижнетеменные зоны, которые устанавливают связи с затылочными, височными и моторными центрами коры. У 2-летних детей фокусы взаимосвязной активности перемещаются в лобные отделы, которые вступают в синхронные взаимоотношения с другими центрами коры. У детей 4-5 лет отмечается усиление межцентральных взаимодействий нижнетеменных полей. На более поздних этапах онтогенеза (6-7 лет) вновь происходит усиление межцентральных связей лобных областей с другими отделами коры.

V годовалых детей только при опознании знакомого слова усиливаются связи нижнетеменных и височных областей коры левого полушария. На 2-м году жизни при опознании знакомого слова усиливаются связи двух ассоциативных областей - нижнетеменных и лобных преимущественно левого полушария.

У детей 4-5 лет при восприятии знакомого слова связи левой лобной и левой нижнетеменной зон еще более усложняются. Такая динамика отражает морфофункциональную зрелость высших интегративных систем мозга ребенка.

Начиная с 6-летнего возраста ребенок в состоянии управлять своим поведением на основе предварительной словесно-обобщенной инструкции. К этому возрасту он способен удерживать программу действий, состоящих из ряда движений. Поведение ребенка начинает в большей степени определяться степенью вероятности тех или иных событий в окружающей среде. К этому возрасту более ярко проявляются типологические особенности высшей нервной деятельности (по признакам силы, уравновешенности и подвижности процессов возбуждения и торможения). К 10-11-летнему возрасту развитие коры головного мозга приближается к уровню взрослого человека, что является важнейшим фактором формирования высших нервных и психических функций ребенка.

3.22. МЫШЛЕНИЕ И РЕЧЬ

Мышление - сложнейший вид мозговой деятельности человека в процессе приспособления к новым условиям и при решении новых жизненных задач. Процессы мышления сводятся к образованию общих представлений и понятий, а также суждений и умозаключений. Помимо словесно-логического, абстрактного существуют формы эмоционального мышления (оценка), практического, или наглядно-действенного, мышления.

Среди множества теорий, пытающихся объяснить природу мышления, наиболее распространены две: одна рассматривает мышление как беззвучную речь, как выражение работы речевого механизма (и механизма письма), а у глухонемого - механизма жестикуляции; вторая - считает мышление своеобразным чисто психическим процессом, лишенным образности и не совпадающим с внутренней речью. Полного подтверждения не получила ни одна из этих гипотез.

Раскрытие действительной сложности обоих процессов: превращения мысли в речь и извлечения основного содержания (мысли) и речевого сообщения - было связано с успехами психологии и лингвистики.

Мысль является сложнейшим обособленным отражением действительности, направляющимся известными мотивами, т. е. это специфический процесс, сформированный вещественно-историческим развитием на базе той роли, которую играет язык в истории человечества. Поэтому мысль, которая на начальных этапах истории сама являлась конкретной развернутой деятельностью и которая лишь со временем превратилась в свернутый внутренний процесс, не может рассматриваться как изначальный "духовный" акт.

В онтогенетических исследованиях установлено, что на ранних этапах развития ребенка всякое препятствие, формирующее "задачу", вызывает возникновение внешних проблем, в которые включается анализирующая и планирующая внешняя речь. На последующих этапах развития эта развернутая внешняя речь, включающаяся в действие и способствующая решению задачи, переходит в шепотную речь, и именно эта внутренняя речь, еще более концентрируясь, становится основой глубинного процесса, который на конечных стадиях превращается в мысль.

Восприятие речи является важнейшей стороной функционирования мозга человека. Обработка речевого сигнала проходит по законам сенсорных систем, хотя обладает специфическими особенностями, определяемыми сложной иерархической структурой речи. Речь как сигнал имеет два класса признаков: собственно физические признаки (фонемы, слоги) и информационные (просодические) признаки, состоящие в интегрировании отдельных сегментов в более крупные единицы - слова, фразы.

В физиологии речевой функции обнаруживаются основные признаки отражения внутреннего (субъективного) и внешнего (объективного) мира. Это должно включать в себя прежде всего механизм выделения существенных признаков внешних стимулов и отношения этих признаков, которые формируют основу для обобщения. Другой составной частью механизмов речевой функции является обеспечение единства целенаправленной деятельности, сохранение задачи и интеграции замысла, лежащих в основе внутренней свернутой речи, которая является базой для реализации развернутой (экспрессивной) речи. Функция речи выполняется при обязательном взаимодействии этих двух механизмов: гностического и динамического.

Локальные поражения левого полушария у правшей приводят к нарушению речевой функции в целом, а не к частичному выпадению какой-либо одной ее формы. Распад экспрессивной речи, связанный с нарушением динамических схем слов, неизбежно вызывает распад единства звука и смысла и, как следствие этого, нарушение понимания речи.

Клинические исследования механизмов речепродукции и речевосприятия указывают на существенную роль кортикальных формаций прежде всего левого полушария и подкорковых образований - различных структур переднего и промежуточного мозга. Существует предположение о конвергенции механизмов, обеспечивающих раздельное восприятие и продукцию речи, которая усиливается от нижних этажей мозга к высшим, достигая максимума на элементах лобного полюса коры.

Рис. 3.61 Электроэнцефалографические стадии сна, зарегистрированные у ребенка 12 лет

А-Е - обозначения соответствующих стадий по классификации Лумиса, Р - парадоксальный сон.

3.23. СНОВИДЕНИЯ, ГИПНОЗ

Для спокойного бодрствования и дремоты (рис. 3.61) характерен ?-ритм, амплитуда которого постепенно уменьшается и может вообще исчезать (стадия А). При внешнем раздражении наступает реакция активации, т. е. происходит смена ?-ритма на высокочастотный (?-ритм (реакция десинхронизации). При появлении легкой сонливости (стадия В) возникает неустойчивая высокоамплитудная активность. Стадию С связывают с поверхностным сном, когда начинают появляться низкокоамплитудные медленные волны. Переход к стадии D и особенно Е свидетельствует о глубоком сне, который сопровождается дальнейшим усилением высокоамплитудной медленной активности (S-ритм). Типичная картина парадоксального сна (ПС) - низкоамплитудная нерегулярная активность с непостоянными редкими группами ?-ритма и вспышками острых пилообразных волн.

Общая картина сна детей существенно меняется с возрастом: если новорожденный бодрствует около 4 ч/сут, то к концу первого года жизни время бодрствования возрастает до 10 ч/сут. У взрослых в течение ночи отмечается 4-6 циклов ПС длительностью каждый по 20 мин. Если у новорожденных общая продолжительность быстрого сна занимает около 10 ч, то у взрослых - только 1,5 ч. Однако значение ПС для обеспечения продуктивного бодрствования с возрастом увеличивается. Продолжительность сна взрослых людей очень индивидуальна.

Сновидения. Сновидениями интересовались испокон веков. Их трактовка дается еще в ведических текстах древней Индии. Мощнейший импульс к экспериментальному изучению сновидений дало открытие ПС. Было установлено:

1) каждый человек видит сны много раз в течение ночи; 2) насыщенность сновидения событиями примерно соответствует реальной длительности сна; 3) испытуемые отчитываются о сновидениях в 80% случаев при пробуждении после ПС и лишь несколько реже - при пробуждении во время МВС; 4) во время ПС доминируют яркие, сложные, странные, эмоционально окрашенные и длительные сновидения, тогда как во время МВС - кратковременные рациональные и реалистические сны, более сходные с мышлением в бодрствовании; 5) переживание сновидений возникает также при засыпании и при пробуждении, ночные и дневные грезы близки и по характеру, и по содержанию; 6) при пробуждении из глубокого МВС отмечаются сонливость, дезориентация и нарушение памяти, тогда как при пробуждении из ПС - быстрая ориентация и готовность к действию; 7) более одной трети сновидений содержат эмоции страха и тревоги; поражения, неудачи и конфликты случаются в сновидениях чаще, чем удовлетворение, успех и дружеские контакты; странности, фантастика и обыденные ежедневные дела встречаются нечасто; большинство сновидений банальны и неинтересны; 8) в сновидениях отсутствуют элементы воображения и трезвая оценка невероятности развертывающихся событий; 9) сновидения быстро забываются, кроме того, сновидения имеют особую атмосферу, которую трудно передать словами.

Гипотез о природе сновидений множество. 3. Фрейд сравнивал сновидения с "работой сна" и рассматривал их как особый важный язык мозга. Он был твердо убежден, что "толкование сновидений - это основной путь к познанию бессознательного". Во многих гипотезах подчеркивается, что состояние сновидений обусловливается в основном активностью самого мозга. Необыкновенный, пестрый характер сновидений может быть результатом синтеза мозгом противоречивой информации при одновременной активации различных нейронных сетей. Ряд авторов рассматривает сновидения как процесс пересмотра данных, хранящихся в памяти. Молекулярные же биологи полагают, что сновидения способствуют "очистке" памяти от ненужной информации и тем самым поддерживают эффективность работы нервной системы. Эти и многие другие гипотезы трудно подтвердить и опровергнуть. Окончательный ответ о биологическом значении сновидений еще не найден.

Проблема сновидений - наиболее загадочная область человеческой психики. Сны преимущественно носят зрительный характер. У слепорожденных в снах отсутствуют зрительные образы и преобладают осязательные. На характер сновидений оказывает влияние профессиональная деятельность человека: музыканты чаще переживают чисто слуховые сновидения. Отмечается зависимость сновидений от уровня интеллектуальности, пола, возраста, утомления.

В целом сновидения отражают имеющиеся у личности проблемы, а материалом является конкретный опыт, накопленный в течение жизни. И. М. Сеченов называл сновидения "небывалыми комбинациями бывалых впечатлений". Установлено, что нет людей, не видящих сны. Сновидения возникают в среднем 4-6 раз за ночь. Если пробуждение наступает в стадии быстрого сна, 70-90% людей детально и достаточно эмоционально рассказывает о своих сновидениях, а если в медленном - лишь 7-10%. При этом психические процессы медленного сна скорее выступают как мышление, пересказ событий прошедшего дня.

Сновидения иногда рассматривают как следствие растормаживания нервных следовых процессов, связанных с прошлым жизненным опытом и социально обусловленных по своему содержанию. Для понимания механизмов извлечения из памяти и направленного характера сновидений может быть использована теория доминанты. Скрытые корковые или подкорковые доминанты могут выступать в качестве основных факторов сновидений, а сами последние могут возникать со всеми признаками доминанты (стереотипные навязчивые сновидения).

В. М. Бехтерев при анализе диагностического значения сновидений исходил из следующей позиции: в сновидениях происходят явления, которые развиваются из того же источника, что и внутренние переживания в состоянии бодрствования. Сновидения указывают на наличие в прошлом или в настоящем определенных физиологических или психических состояний.

Гипноз и внушение. Гипнотическое состояние является сноподобным состоянием с сохранением речевой связи (раппорта) гипнотика с гипнотизером. Различают три стадии гипноза: 1) сонливость, при которой гипнотик может противостоять словесному внушению и открыть глаза; 2) гипотаксия легкий сон, когда он не может открыть глаза и подчиняется внушению; 3) сомнамбулизм - глубокий сон, когда гипнотик полностью подчинен гипнотизеру, у него развивается амнезия (забывание предыдущих событий) после пробуждения.

Гипнабельность, т. е. подверженность гипнозу, степень и вид внушаемости, зависит от возраста, пола, интеллекта, здоровья, т. е. от многих индивидуальных качеств личности. Внушение под гипнозом - лишь пример из общего учения о внушении, которое свойственно каждому человеку. При внушении происходит вторжение в сознание посторонней идеи или приказа без участия воли и внимания реципиента на подсознательном уровне его психики. Этим последним внушение отличается от убеждения, которое формируется с участием сознания. В отличие от внушения извне существует еще самовнушение, при котором в сознание внедряется не только определенная мысль, но и эмоциональное ее переживание. Чистого самовнушения без воздействия на личность извне не бывает, поэтому источником процесса самовнушения всегда является внушение, т. е. внешние факторы. Механизм гипноза остается неизвестным, а завершенной теории гипноза еще не разработано, хотя целый ряд заболеваний успешно излечивают под гипнозом.

Гипноз иногда рассматривают как специфическую разновидность бодрствования, полагая, что внушенные гипнотический сон и какие-либо действия - явления одного порядка. Действительно, ЭЭГ человека, находящегося под гипнозом, сходна с ЭЭГ человека в состоянии бодрствования; гипнотическое внушение подчиняется закономерностям условнорефлекторной деятельности; у ряда лиц в состоянии бодрствования можно получить все эффекты гипнотического внушения.

В психологическом плане в основе гипноза лежит моральная капитуляция человека, который некритически подчиняется приказу гипнотизера. Действительно, снижение волевых свойств личности, повышенная тревожность усиливают внушаемость. Во время гипноза высшая нервная деятельность существенно меняется. Это касается сенсорной сферы, когда можно внушить отсутствие слуха, зрения, осязания и даже боли, можно получить извращенные реакции (иллюзии), вызвать галлюцинации (восприятие несуществующих предметов и явлений или исключить из восприятия определенные предметы). Гипнотику можно внушить другой его возраст, различные эмоциональные состояния, воздействовать на чувства, сферу его внимания, но нельзя изменить личность человека вопреки его социальным и индивидуальным убеждениям.

3.24. ТРУДОВАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА

Современное производство оснащено значительными техническими средствами, и на человека-оператора, входящего составной частью в эту систему, ложатся задачи по контролю, управлению и регулированию целыми комплексами. В то же время он освобождается от физических нагрузок, а доля умственного труда существенно увеличивается. Оператор в такой системе становится интегральным звеном управления, поэтому его характеристики предопределяют успешность и надежность функционирования данной системы.

Ярким примером является водитель автотранспорта, который воспринимает показания различных приборов в кабине, сигналы от дороги, внешнего окружения, пешеходов. Он также воспринимает сигналы от мышц собственного тела, шум двигателя и др. Основываясь на анализе этих сигналов, разделяя их на значимые и незначимые, он принимает решение относительно

Рис. 3.62 Система человек-машина, работающая по замкнутому и открытому контурам управления

воздействия на органы управления автомашиной. Последняя вновь подает информацию о новом режиме движений - образуется так называемая замкнутая система человек-машина (рис. 3.62). Такие системы составляют большинство и в других областях человеческой деятельности.

Следовательно, задача человека-оператора состоит в переработке за короткое время потока различного вида информации и быстром принятии единственно правильного решения. Такая ответственность повышает эмоционально-психическую напряженность работающего человека, а также социально-экономическую значимость его труда для общества.

Обработка информации человеком-оператором. Если человека сравнить с компьютером, то у него больше недостатков, чем преимуществ. Но достоинства человека оказываются решающими, особенно его способность выполнять задачи логико-индивидуальными методами, что не требует в каждом случае трудоемкого предварительного программирования. Практический опыт и полученное образование уже предполагают наличие таких программ. Человек легко ориентируется в непредвиденных ситуациях, мгновенно восстанавливает в памяти предыдущие факты и методы решения проблем, ему не нужно специальное кодирование информации и трансформации ее в числовую форму.

Вместе с этим человек имеет ряд существенных ограничений, создающих значительные проблемы в его работе. Сюда относится и ограниченность ресурсов памяти, и медленная скорость обработки информации, и, что самое главное, подверженность влиянию утомления, измененного функционального состояния, настроения и других психофизиологических факторов, которые ухудшают его способность к оценке информации и быстрому принятию правильного решения.

Диктуемая практикой необходимость отражать на дисплее все больший объем информации вынуждает изыскивать возможности расширения ассортимента размерностей и повышения плотности размещения кодовых знаков. Легче всего кодируется цвет, затем форма, яркость, размер. Звуковые сигналы оказываются наилучшими для привлечения внимания к мгновенной опасности. Слуховая информация лучше передает простое, короткое сообщение, требующее немедленного действия. Информация о последствиях тех или иных действий оператора образует обратную связь, обеспечивающую саморегулирование системы.

Рабочие движения человека-оператора. Рабочие движения являются компонентами деятельности человека и включаются в структуру этой деятельности. Физиологически они обеспечиваются тремя факторами: динамической формой мышечной деятельности (собственно движение), статической мышечной работой (поддержание рабочей позы) и координацией элементов статики и динамики в необходимых соотношениях.

Эффективность деятельности оператора зависит больше от совпадения характеристик сочетания сигнал-ответ, чем от специфических черт отдельно взятых приборов и ответных движений. Сочетание сигнал-ответ должно основываться на фундаментальных привычках, т. е. полностью согласовываться с личными и групповыми стереотипами. Рациональная организация рабочих движений создает условия для снижения утомления и повышения работоемкости, но вместе с этим требует соответствующей конструкции органов управления.

Временная структура деятельности оператора. Временная структура деятельности может быть либо свободной, ориентированной на точностные, качественные показатели, либо навязанной, когда главной становится скорость выполнения операции. Как правило, оба эти показателя присутствуют совместно, неразрывно, требуя точности реагирования и быстроты выполнения. Каждому оператору приходится работать в условиях определенной степени риска, что вызывает эмоциональную напряженность, резко возрастающую в аварийной ситуации. В этом случае временной фактор является решающим, а правильное и отчетливое ориентирование во временном режиме имеет не меньшее значение, чем точность выбора реакции. Трудовая деятельность строго нормирована по объему труда и длительности ее осуществления. При разработке режимов труда и отдыха учитывают периодические колебания работоспособности человека. Особое значение это положение приобретает для организации сменного и ночного труда, где суточная периодика работоспособности становится важным фактором деятельности человека.

Индивидуальные особенности человека-оператора. Эмоциональное напряжение, вызываемое условиями труда и сложностью работы, а также сильная эмоциональная реакция, вызванная, например, аварийной ситуацией, по-разному влияют на оператора. Адекватность его поведения во многих отношениях будет определяться индивидуальными особенностями. Состояние эмоционального стресса может проявляться в двух формах: возбудимой, которая характеризуется повышенной двигательной активностью, суетливостью, излишней говорливостью и т. д., и тормозной, для которой характерны угнетение деятельности, замедление реакции, неспособность отвечать на различные воздействия.

Положительное влияние эмоционального стресса проявляется в мобилизации мозговой активности. Особенно отчетливо это выражено в условиях, когда необходимо прогнозировать вероятный исход своих действий и, соответственно, вероятность появления тех или иных сигналов.

Исследования прогностической деятельности человека в вероятностно организованной среде показывают, что существует несколько принципиально различных тактик работы, а успешность деятельности в значительной мере зависит от уровня мотивации и психофизической напряженности оператора.

Основные требования к условиям труда человека-оператора в сжатой форме сводятся к трем следующим условиям. 1. Тщательный профессиональный отбору и хорошая подготовка оператора к данному виду деятельности. 2. Детальный учет человеческого фактора при проектировании оборудования и технических систем. 3. Учет экологического фактора, связанного с социальной средой обитания человека и с непосредственными условиями труда.

3.25. ЦЕНТРАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ДВИЖЕНИЙ

Все многообразие видимых форм движений животных и человека основывается на физических законах перемещения тел в инерциальном пространстве. При классификации движений необходимо учитывать конкретные целевые функции, которые должна выполнять двигательная система. В самой общей форме таких функций четыре: 1) поддержание определенной позы; 2) ориентация на источник внешнего сигнала для его наилучшего восприятия, а также поддержания равновесия тела; 3) перемещение тела в пространстве; 4) манипулирование. Иерархия уровней мозгового управления движениями также находится в зависимости от требований к структуре движения. Если подкорковый уровень связан с набором врожденных или автоматизированных программ, то корковый уровень организует спинномозговой моторный аппарат для выполнения произвольных и тонких движений.

3.25.1. Управление ориентационными движениями и позой

Ориентационные движения. Их система связана с ориентацией тела относительно координат внешнего пространства и с установкой сенсорных аппаратов в положение наилучшего восприятия внешнего стимула. Примером первого может служить функция поддержания равновесия, второго - движения фиксации взора.

При ориентации в пространстве относительно зрительных координат одной из основных задач является фиксация взора, которая выполняется в основном глазодвигательной системой. Изображение неподвижного или движущегося предмета фиксируется в наиболее чувствительном поле сетчатки. Точной фиксации глаз или стабильному их перемещению по определенной траектории противодействуют различные помехи: движения головы, самого зрительного объекта и изменения глазодвигательной системы. Компенсация этих помех достигается с помощью специальных рефлекторных механизмов.

Быстрые скачки глаз (микросаккады), которые служат для переноса точки фиксации, делят на произвольные и непроизвольные. Произвольные саккады отражают сознательно запрограммированную смену фиксаций взора в зависимости от общего плана исследовательского поведения и не зависят от характеристик объекта. Непроизвольные саккады участвуют в механизмах фиксации, корректируя отклонения сетчатки от нужного положения, возникающие вследствие дрейфа глаз или смещения головы. Они регулируются характеристиками зрительного объекта и сигналами от глазных мышц. Непроизвольные саккады могут служить для квантования зрительного мира, стирая остаточные следы предыдущего раздражения сетчатки. Каждый видимый объект точно локализован в пространстве по отношению к некоторому "образу тела". Простое движение (например, быстрое касание какого-либо предмета) полагает, что при формировании команды учитываются положение цели на сетчатке, положение глаз относительно координатной системы и положение головы относительно тела.

В организации непроизвольных саккад большую роль выполняет мозжечок, который участвует в программировании таких быстрых движений, которые не могут регулироваться по кольцу внешней обратной связи, т. е. с помощью проприоцептивной афферентации. Однако это не исключает возможности регулирования по "внутренней" обратной связи.

Ведущую роль в управлении произвольными саккадами играет кора больших полушарий. Для затылочного глазодвигательного поля определяющими будут

Рис. 3.63 Соматотопическая организация корковой зоны SI человека

Изображения под поперечным срезом мозга (на уровне постцентральной извилины) и их обозначения демонстрируют пространственное представительство поверхности тела в коре, установленное путем локальной электрической стимуляции мозга бодрствующих больных.

параметры зрительного сигнала, а для фронтального и теменного глазодвигательных полей - сигналы от мозжечка, связанные с выполнением "внутренней" двигательной программы. Предполагают, что глазодвигательная система вовлекается в работу не после полного описания изображения в зрительной сенсорной системе, а непосредственно по ходу обработки зрительной информации.

Координированное движение глаз и головы регулируется специальной системой рефлексов: Например, при слежении за целью повороты головы целиком определяются движением глаз, а при поиске источника звука в темноте одновременно запускается движение глаз и головы к цели. При появлении на свету неожиданного зрительного объекта вначале запускается саккадическое движение к цели и спустя некоторое время начинается поворот головы в том же направлении. Центральным звеном координированного движения глаз и головы являются верхние холмики пластинки крыши среднего мозга и система шейных, глазных и вестибулярных рефлексов.

Управление позой. Позу тела можно описать как совокупность некоторых значений суставных углов, обладающих определенной ориентацией в поле тяготения. Механизмы позы распадаются на две категории: фиксацию определенных положений тела и конечностей, т. е. фиксацию движения в суставах, и ориентацию сегментов тела относительно внешних координат, т. е. поддержание равновесия. Исходная поза тела накладывает некоторые ограничения на последующее движение.

К низшим механизмам управления позой относятся спинальные рефлексы, шейные установочные рефлексы и вестибулоспинальные рефлексы. К высшим механизмам управления позой относятся механизмы формирования "схемы тела".

Термином схема тела обозначают систему обобщенной чувствительности собственного тела в покое и при движении, пространственных координат и взаимоотношений отдельных частей тела.

Детальное представительство отдельных частей тела, вплоть до фаланг пальцев (соматотопия), характерно для соматосенсорной системы. Общая "карта" тела для каждого полушария мозга представлена в виде "гомункулюса" (рис. 3.63). Чувствительность всего тела, топографически распределенная по поверхности коры, составляет ту основу, тот исходный материал, из которого путем объединения формируются целостные функциональные блоки крупных отделов тела. Эти интегративные процессы завершаются у взрослого организма и представляют собой закодированное описание взаиморасположения частей тела, которые используются при выполнении автоматизированных стереотипных движений.

Рис. 3.64 Высшие механизмы регуляции позы. (Объяснение см. в тексте).

Базой для этих процессов служит анатомически закрепленная "карта" тела, поэтому они составляют лишь основу статического образа тела. Для его формирования необходимо соотнести эту информацию с положением тела по отношению к силе земного притяжения и взаиморасположением функциональных блоков тела в системе трех пространственных плоскостей. Вестибулярная система воспринимает перемещения всего тела вперед-назад, вправо-влево, вверх-вниз, а соответствующая информация поступает в теменные области коры мозга, где происходит ее объединение с информацией от скелетно-мышечного аппарата и кожи (рис. 3.64). Туда же поступает импульсация от внутренних органов, которая также участвует в создании на бессознательном уровне статического образа тела.

Таким образом, статический образ тела представляет собой систему внутримозговых связей, основанную на врожденных механизмах и усовершенствованную и уточненную в индивидуальной жизни.

Осуществляя тот или иной род деятельности, человек меняет взаиморасположение частей тела, приобретает в порядке научения новые двигательные навыки, а значит, формирует новые трехмерные пространственные модели тела, т. е. динамический образ тела.

В отличие от статического он имеет значение лишь для данного конкретного момента времени, для определенной ситуации, при изменении которой он сменяется новым. Динамический образ базируется на информации, поступающей от кожи, мышц, суставов и вестибулярного аппарата.

В мозгу происходит постоянное взаимодействие того и другого образов тела, осуществляется сличение динамического образа с его статическим аналогом. В результате этого формируется субъективное ощущение позы, отражающее не только положение тела в данный момент, но и возможные его изменения в непосредственном будущем. Если согласование не достигнуто, то вступают в действие активные механизмы перестройки позы. Итак, для того чтобы субъективно оценить позу, необходимо сопоставить закодированный в памяти эталон статического образа тела с его любой конкретной вариацией - динамическим образом тела.

Не только схема тела является трехмерно пространственной, и сам образ реальной пространственной ситуации воспринимается в том же трехкоординатном пространственном измерении. Человек оценивает окружающее пространство не абстрактно, а применительно к самому себе, т. е. включает свое тело в качестве непременного компонента пространства.

Человек "вписывается" в окружающую ситуацию и воспринимает ее, "привязывая", соотнося внешние объекты с положением собственного тела. Внутренний и внешний образы описываются одним и тем же физиологическим языком, в котором закодирован весьма ограниченный набор одних и тех же параметров.

Для подробного описания нужно представить себе наличие, например, какой-то вертикальной плоскости, которая делит тело на две симметричные половины. Тогда все участки тела и предметы окружающей среды, расположенные

Рис. 3.65 Формирование представлений о внешнем пространстве и "схеме тела" Объяснение см. в тексте.

по одну сторону от этой плоскости, будут субъективно восприниматься как "слева", а по другую - как "справа" (рис. 3.65). Только информация о местоположении органов тела будет передаваться по соматическим трактам, а информация о местоположении предмета по отношению к организму - по зрительным трактам.

Эти два потока информации встречаются и объединяются для последующего использования в произвольной двигательной деятельности. Конвергенция и интеграция этих афферентных влияний происходят в пределах таламопариетальной ассоциативной системы мозга. Рассмотренное справедливо не только для описанной выше сагиттальной плоскости, но и для фронтальной, которая проходит через центры вестибулярных аппаратов, и горизонтальной, которая проходит через центры глазных яблок и вестибулярных аппаратов.

Таким образом, и наклон головы, и содружественный поворот глазных яблок в ту или иную сторону от этих плоскостей способствуют восприятию внешнего и внутреннего пространства в одних и тех же параметрах. В итоге создается целостный образ организма в среде, который служит определенным сенсорным фоном для выполнения любого произвольного движения.

3.25.2. Управление локомоцией

Под термином локомоция (от лат. locus - место и motio - движение) понимают перемещение тела из одного места пространства в другое, для чего необходимы некоторые силы, изменяющие исходное состояние организма. Развиваемые при этом усилия должны преодолеть силу тяжести, сопротивление окружающей среды и силы инерции тела. На локомоцию влияют характер и рельеф местности. Во время локомоции необходимо непрерывно поддерживать равновесие.

Наиболее распространенным примером локомоции являются ходьба и бег, которые отличаются стереотипным движением конечностей, причем для каждой из форм локомоции характерны две фазы шага: опоры и переноса. Разные животные обнаруживают различные, свойственные только им способы ходьбы, которые в то же время обладают общими чертами. Локомоция характеризуется

Рис. 3.66 Модель спинального генератора локомоции

Приведены афферентные и эфферентные связи на спинальный генератор; Ф - флексоры (сгибатели), Э - экстензоры (разгибатели), ? и ? - альфа- и гамма-мотонейроны.

походкой - определенным способом передвижения по поверхности, который оценивается по распределению во времени циклических движений конечностей, длительностью опорной фазы и последовательностью перемещения опорных конечностей.

Описана нейронная цепь, находящаяся в спинном мозгу, которая называется спинальным генератором шагания. Она ответственна за чередование периодов возбуждения и торможения различных мотонейронов и может работать/в автоматическом режиме (рис. 3.66). Элементарной единицей такого центрального генератора является генератор для одной конечности. Допускают даже, что мышцы, управляющие одним суставом, могут контролироваться каким-то собственным унитарным генератором. При формировании локомоторных движений эти генераторы разных движений тесно связаны и оказывают друг на друга возбуждающее влияние.

Структуры спинного мозга находятся под непрерывным супраспинальным контролем. Установлено, что раздражение определенных участков ствола мозга способно вызывать координированную локомоцию, обусловленную запуском ритмической активности спинального генератора.

Супраспинальный контроль локомоции выполняет несколько основных функций: 1) быстро запускает локомоцию, поддерживает постоянную скорость или изменяет ее, если требуется, а также прекращает ее в нужный момент; 2) точно адаптирует движение (и даже отдельный шаг) к условиям среды; 3) обеспечивает достаточно гибкую локомоторную позу, чтобы соответствовать различным условиям передвижения, таким, например, как ползанье, плаванье, бег по снегу, перенос груза и т. д. Афферентная сигнализация, идущая в спинной мозг от мышечных веретен, сухожильных рецепторов Гольджи, кожи не является необходимым условием возникновения локомоции, тем не менее она участвует в более точной адаптации локомоторных движений к условиям среды.

Значительную роль выполняет мозжечок, который обеспечивает коррекцию и точность постановки конечностей на основе сравнения информации о работе спинального генератора и реальных параметров движений, причем мозжечковые влияния направлены на регуляцию моторного выхода, а не на активность самого спинального генератора. Мозжечок получает прямую информацию по восходящим спинно-мозжечковым путям. Предполагают, что мозжечок программирует каждый следующий шаг на основе информации о предыдущем.

Рис. 3.67 Соотношение прямых и внутренних обратных связей в ядрах дорсальных столбов

1 - мышца, 2 - чувствительный нейрон спинального ганглия, 3 - мотонейрон спинного мозга, 4 - спинной мозг, 5 - интернейрон спинного мозга, 6 - нейрон красноядерно-спииномозгового пути, 7 - красное ядро, 8 - пирамидный путь, 9 - ядра дорсальных столбов, 10 - нейроны продолговатого мозга, дающие начало медиальной петле (11), которая переключается в таламических ядрах и несет афферентацию в кору мозга. На этих нейронах (10) осуществляется пресинаптическое торможение в момент эфферентного залпа по коллатералям волокон пирамидного пути; последние берут начало от крупных пирамидных клеток (12} сенсо-моторной области коры (13).

Другой важнейший уровень мозга, куда направляется информация о характере выполнения движения, это полушария мозга с таламическими ядрами, стриопаллидарной системой и соответствующими зонами коры головного мозга. В быстрых движениях баллистического типа классическая соматическая обратная связь не принимает участия потому, что само движение завершается раньше, чем успеет поступить информация от двигательных аппаратов к соответствующим мозговым центрам. Медленные движения постоянно корректируются благодаря показаниям с соответствующих сенсорных датчиков, расположенных в скелетно-мышечном аппарате и передающих информацию в разные отделы мозга вплоть до коры. Эти сенсорные коррекции способны изменить характер движения по ходу его осуществления. Движения, базирующиеся на врожденных координациях, в меньшей степени требуют обратной связи от моторного аппарата, а движения, в основе которых лежит формирование новых координационных отношений, всецело зависят от соматической афферентации с двигательного аппарата. Кроме того, степень участия обратных связей находится в зависимости и от уровня автоматизации двигательного акта.

Простые движения, осуществляющиеся без проприоцептивной обратной связи (саккады и быстрые движения конечностей), выполняются по жесткой "запаянной" программе. Любое же сложное движение требует предварительного программирования. Для сложных движений существенным является сличение обратной афферентации с тем сенсорным образом движения, который формируется в составе программы. Результат сличения и является основным фактором перестройки программы. Эти влияния передаются к аппаратам программирования по каналам внутренней обратной связи, которая включает в себя все процессы перестроек двигательной программы в зависимости от внутрицентральных влияний.

Такими каналами внутренней обратной связи являются медиальные петли (лемниски), по которым передается импульсация, интегрированная в ядрах дорсальных столбов. Местом ее поступления в кору больших полушарий оказываются не только соматосенсорные зоны, но и сенсомоторные области, куда, кроме того, конвергирует гетеромодальная информация и где осуществляются интегративные процессы.

Если перемещение конечности - это компонент общекоординированного акта, то внутренняя (проприоцептивная) и внешняя (кожная и телецептивная) афферентации выступают как содружественные звенья системы сенсорного обеспечения движений. Соматическая афферентация от локомоторного аппарата необходима для работы генератора инициации движений и их координированного выполнения. Это в первую очередь касается медленных компонентов двигательных актов. Существует обратная связь, с помощью которой кора информируется не об отдельных параметрах движений, а о степени соответствия предварительно созданной двигательной программы тому наличному движению, которое достигается в каждый момент времени. Одним из важнейших каналов такой внутренней обратной связи и выступают медиальные петли.

Известно, что пирамидный путь отдает большое число коллатералей к ядрам дорсальных столбов в продолговатом мозгу. Поэтому "пирамидальный залп" из коры достигает не только аппаратов спинного мозга, но и ядер дорсальных столбов, нейроны которых в течение реализации данного цикла движения находятся в тормозном состоянии благодаря развитию в них пресинаптического торможения (рис. 3.67).

Следовательно, импульсация по волокнам дорсальных столбов (тонкий и клиновидный пучки) оказывается заблокированной, т. е. подпороговой. Превращение в надпороговую при отклонении параметров реального движения от требуемых согласно команде вызывает поток импульсов по системе медиальных петель в кору. Здесь будет проводиться коррекция следующего цикла командного воздействия. Поэтому сенсомоторная кора > коллатерали пирамидного пути > ядра дорсальных столбов >медиальные петли - это важнейшее кольцо, по которому происходит непрерывная коррекция двигательных команд сообразно параметрам предшествующего двигательного цикла.

Срочная соматическая информация обеспечивает фильтрацию телецептивных и экстралемнисковых влияний на корково-подкорковом уровне путем управления системой нисходящих связей. Этим достигается организация точных выходных команд, придающих движению координированный характер. Ядра дорсальных столбов являются одной из тех мозговых структур, где осуществляется сличение результата двигательного цикла с копией программы и последствия рассогласования поступают в сенсомоторную кору для очередной коррекции двигательной программы. Следовательно, если внешняя обратная связь от соматических рецепторов ограничивается спиннобульбарным уровнем, то внутренняя обратная связь осуществляется по системе медиальных петель.

3.25.3. Организация манипуляторных движений

Манипуляторные движения - это наиболее яркий пример произвольных движений, возникновение которых обусловливают внутренние мотивационные влияния. Эти движения являются локальными, что ставит перед двигательной системой следующие задачи: 1) выбор ведущего мышечного звена; 2) компенсацию внешней нагрузки; 3) настройку позы; 4) соотнесение координат цели и положения собственного тела.

Отличительной чертой манипуляторных движений является их зависимость от центральной программы и телецептивных сенсорных входов. Поэтому ведущая роль отводится следующим мозговым структурам: лобной коре, базальным ядрам и мозжечку. Активность других супраспинальных цепей двигательного контроля в большей степени зависит от периферической информации, поступающей вслед за реализацией команд.

Ведущая роль в программировании быстрых движений принадлежит мозжечковой системе, а в программировании медленных - базальным ядрам. Выходы этих структур на спинальный уровень опосредованы в основном через сенсомоторную кору, которая дополнительно к этому обладает своими собственными функциями.

3.25.4. Корковая сенсомоторная интеграция

Структурной единицей неокортекса является модуль - микросистема тесно контактирующих между собой пирамидных нейронов для их синхронного вовлечения в формирование эфферентного импульсного залпа (рис. 3.68). Такое объединение рассматривают в качестве жесткого структурного элемента организации коры, формирующегося в пренатальном онтогенезе. Почти всем модулям свойственна широкая конвергенция гетеросенсорных влияний. В моторную кору конвергируют те компоненты сенсорной информации, которые являются жизненно важными для организма. Это информация о биологической значимости того или иного сигнала либо его значимости, приобретенной в порядке выработки условного рефлекса.

Топографическое распределение соматических проекций участков тела на кору больших полушарий только частично определяется анатомическими закономерностями. Не менее важную роль играют функциональные механизмы, определяющим среди которых является внутрикорковое торможение.

Структурный корковый модуль выступает в качестве элементарной сенсо-моторной единицы. Различия между отдельными модулями определяются характером соматической сенсорной проекции и адресатом эфферентного выхода из того же модуля. Существует распределенная система корковых модулей, выходы которых конвергируют на разных уровнях ствола и спинного мозга, обеспечивая управление деятельностью определенной мышечной группы. Распределенная система является частью более обширных общемозговых систем, сформированных в раннем онтогенезе. Такие функциональные структуры управляют более обширной частью скелетно-мышечного аппарата.

Рис. 3.68 Функциональные объединения нейронных модулей

Одиночный структурный модуль имеет вид цилиндра; 4-6 модулей могут сгруппироваться в функциональные концентрические объединения, между которыми . возможны как облегчающие, так и взаимотормозные отношения. Обширные функциональные объединения из нескольких концентрических модулей строятся на основе ветвлений аксонной коллатерали пирамидных нейронов (1), ветвлений таламического афферента (2) и ветвлений аксона корзинчатой клетки (3); стрелками показано направление восходящей и нисходящей импульсации.

Вовлечение корковых систем в целостную деятельность мозга определяется текущей мотивацией и конкретной двигательной программой, направленной на удовлетворение этой мотивации. Двигательная программа, чтобы носить приспособительный характер, должна учитывать все сигнально значимые компоненты внешней среды, относительно которых совершается целенаправленное движение, т. е. строиться на принципе мультисенсорной конвергенции. Телецептивные входы на модулях сенсомоторной коры носят сравнительно диффузный характер и адресуются ко многим пространственно разнесенным одноименным модулям. Констелляции модулей основаны на синергичных и антагонистичных межмодульных соотношениях, что обеспечивает динамичность их участия в различных актах сенсомоторной интеграции.

3.25.5. Программирование движений

Основным элементом любого целенаправленного движения является формирование предварительных программ, т. е. процессов, позволяющих предвидеть динамику изменений факторов внешней среды и придать будущему движению адаптивный характер. Результат сличения афферентации о движении с двигательной программой, передающийся по системе внутренней обратной связи, является основным фактором перестройки программы. Последнее зависит от биологической мотивированности движения, его временных параметров, моторной дифференцированности, сложности координационного состава и уровня его автоматизированное.

Мотивации определяют общую стратегию движения. Каждый конкретный двигательный акт рассматривается как шаг к удовлетворению мотивации, т. е. решает некоторую промежуточную задачу или цель (рис. 3.69). Биологические мотивации приводят к запуску либо "запаянных", жестких моторных программ, либо формируют новые сложные программы. Если мотивация определяет цель движения, его программу, то она же обусловливает ее зависимость от сенсорных факторов. В качестве обратной связи здесь выступает удовлетворение мотивации. Тактика движения, или двигательная команда, определяет, как будет осуществляться требуемое запрограммированное движение, т. е. каково распределение во времени тех эфферентных залпов к моторным ядрам спинного мозга, которые определяют активацию различных мышечных групп.

В отличие от программы команды движения должны быть адаптивными к функциональному состоянию самого скелетно-двигательного аппарата как непосредственного исполнителя этих команд. Предполагают, что срочная идентификация состояния мышечной системы осуществляется путем оценки реакции

Рис. 3.66 Модель спинального генератора локомоции

Приведены афферентные и эфферентные связи на спинальный генератор; Ф - флексоры (сгибатели), Э - экстензоры (разгибатели), ? и ? - альфа- и гамма-мотонейроны.

системы на небольшое точно дозированное возмущение (тест-импульс), которое подается непосредственно перед или с момента запуска команд.

Тест-импульс подается только на те мышцы, которые должны будут участвовать в следующем движении. Реакция мышц будет не настолько значительна, чтобы существенно изменить само движение, но достаточна для возбуждения мышечных веретен при изменении длины интрафузальных волокон на 5-10 мкм. Информация о реакции на тест-импульс конвергирует на некотором промежуточном уровне с основным управляющим воздействием (командой), которое корректируется в соответствии с состоянием самого двигательного аппарата. Такое тестовое воздействие передается по быстропроводящим волокнам пирамидного пути и адресуется к сегментам спинного мозга.

Непосредственное управление движением обусловливается активностью сенсомоторной коры мозжечка и полосатого тела. Последнее участвует в трансформации "намерения действовать" в соответствующие "командные сигналы" для инициации и контроля движений.

Ассоциативные системы мозга и движение. Специфичность участия таламопариетальной ассоциативной системы в организации движений определяется двумя моментами: она участвует в формировании интегральной схемы тела, все части которого соотнесены не только друг с другом, но и с вестибулярными и зрительными сигналами, и регуляции внимания к текущим сигналам окружающей среды с учетом ориентации всего тела относительно этих сигналов. Эта система "привязана" к настоящему моменту времени и к анализу пространственных взаимоотношений разномодальных признаков.

По таламофронтальной ассоциативной системе передается информация о мотивационном состоянии и сопутствующих висцеральных изменениях. Фронтальная ассоциативная кора опосредует мотивационные влияния на организацию поведения в целом благодаря связям с теменно-височной корой, гипоталамусом, областями среднего и промежуточного мозга. Поэтому лобная кора участвует в регуляции процессов во внутренней среде организма, сенсорных и моторных механизмах мозга.

3.25.6. Функциональная структура произвольного движения

Среди общих принципов управления движениями выделяют проблему организации единовременной команды к исполнительным аппаратам. Если ее рассматривать безотносительно к стратегии и тактике движения, то основной целью системы, формирующей эту команду, будет координация всех компонентов команды.

Для того чтобы выполнить эту задачу, система должна осуществлять следующие процессы: идентификацию состояния системы, определение целевой функции ведущего кинематического звена, подстройку соотношения активности мышц-антагонистов. Последнее производится автоматически благодаря системе спинальных рефлексов. Идентификация же состояния двигательной системы обеспечивается двумя путями: оценкой реакции системы на тест-импульс, генерируемый корой, или на внешнее воздействие.

ЦНС располагает значительным числом генетически закрепленных программ типа локомоторной программы, базирующейся на активности спинального генератора шагания. Такие простые программы объединяются в более сложные системы типа поддержания вертикальной позы, что происходит в процессе научения при участии структур переднего мозга.

Одной из задач управления движением является выбор ведущего кинематического звена. Этот выбор предопределен исходной позой, перестройка которой всегда опережает локальное движение. Информация об исходной позе будет перераспределять активность сенсомоторной коры. Подкорковые управляющие структуры (полосатое тело и мозжечок) формируют новое движение почти исключительно путем модификации состояния командных интернейронов во врожденных подсистемах управления. Диапазон этой модификации очень широк и у многих видов животных объемлет почти весь двигательный репертуар.

Для формирования новых координационных отношений, особенно в случае манипуляторных движений, необходимо подавить активность командных нейронов врожденных программ и сформировать параллельный управляющий канал. Таковым является корково-спинномозговой путь, степень развития которого независимо от положения животного в филогенетическом ряду определяет роль манипуляторных движений в общем двигательном поведении. Морфологической основой организации тонких манипуляторных движений является сенсомоторная кора с ее структурными модулями и объединениями модулей разного порядка сложности. Все элементы вышепоименованных систем одномоментно связаны между собой, поэтому изменение любого звена влечет за собой сдвиг состояния всей двигательной системы в целом.

Ориентационные движения и следящие движения глаз, головы, конечностей представляют собой задачу более высокого порядка, чем координация движений сегментов тела. Эти движения зависят от функционирования таламопариетальной ассоциативной системы мозга.

Самой сложной, филогенетически самой молодой является способность формировать последовательность движений и предвидеть ее реализацию. Решение этой задачи связано с фронтальной ассоциативной системой, которая запоминает и хранит в памяти такие последовательности движений.

Высшим отражением этого кодирования у человека является вербализация основных понятий движения.

Одно из основных проявлений поражений лобных долей человека состоит в нарушении грамматической структуры речи и невозможности использования вербальных команд построения последовательности движений.

Всеобщей закономерностью работы системы управления движениями является использование обратной связи. Сюда входит не только проприоцептивная обратная связь от начавшегося движения, но и активация систем поощрения или наказания. Кроме того, включается и внутренняя обратная связь, т. е. информация об активности нижележащих уровней двигательной системы или эфферентная копия самой двигательной команды. Этот вид обратной связи необходим для выработки новых двигательных координации. Для движений разной сложности и скорости обратная связь может замыкаться на разных уровнях. Поэтому оба типа управления - программирование и слежение - могут сосуществовать в системе управления одним и тем же движением.

3.26. ЭМОЦИИ КАК КОМПОНЕНТ ЦЕЛОСТНЫХ ПОВЕДЕНЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Различные формы поведения человека и животных направлены на удовлетворение многообразных потребностей, лежащих в основе поддержания индивидуального и видового гомеостаза. Объективное описание целостных поведенческих актов и сопутствующих им вегетативных реакций, исследование центральной организации взаимоотношений организма с внешним миром, возможность прогнозировать ответы на изменения во внутренней среде и на сигналы из внешнего мира - необходимая основа физиологического осмысления механизмов высшей нервной деятельности. Нельзя упускать из виду и процессы, отражающие субъективные состояния, но поддающиеся объективному нейрофизиологическому анализу.

К таким состояниям следует отнести прежде всего мотивации и эмоции. Хотя представления о них пришли в физиологию из психологии, современные исследователи не могут обойтись без их использования при анализе механизмов высшей нервной деятельности. О мотивационно-эмоциональной сфере человека судят по его поступкам, мимике и другим выразительным движениям, вегетативным реакциям, электрическим явлениям в головном мозгу, а также по словесному отчету о субъективном состоянии и собственному отношению к нему.

3.26.1. Биологическая роль эмоций

Судить о мотивационно-эмоциональных процессах у животных можно лишь по объективным показателям. Однако накопленные сведения об эволюции головного мозга, сопоставление участия отдельных его систем в организации поведения человека и животных дают возможность постулировать существование у последних субъективных состояний как сформировавшихся в процессе эволюции полезных признаков, необходимых для выживания особи и сохранения вида.

В целостной поведенческой реакции мотивация и эмоция проявляются в неразрывном единстве, но, как показывает физиологический анализ, в экспериментальных условиях их можно разделить, так как они отражают активность хотя и тесно взаимодействующих, но специализированных отделов ЦНС. Особенно четко демонстрируется относительная самостоятельность мотиваций и эмоций при разрушении этих отделов или раздражении их электрическим током или фармакологическими веществами.

Мотивации и эмоции тесно связаны с возникновением и удовлетворением потребностей организма - необходимым условием его жизнедеятельности.

Мотивации (побуждения, влечения, драйвы) определяются генетической программой и индивидуальным опытом, активизируются потребностями и проявляются в избирательном возбуждении специализированных мозговых структур, что приводит при благоприятной внешней ситуации к реализации целенаправленного поведения.

Различают низшие (первичные, простые, биологические) и высшие (вторичные, сложные, социальные) мотивации. Примерами биологических мотиваций могут служить голод, жажда, страх, агрессия, половое влечение, забота о потомстве. Не следует отождествлять мотивации и потребности. Нередко последние не трансформируются в мотивационное возбуждение и, следовательно, не могут быть удовлетворены посредством реализации целенаправленного поведенческого акта.

Крысы, например, предпочитают жирную безбелковую пищу безжировой белковой. Люди нередко также потребляют менее полезную, а иногда и вредную пищу с высоким содержанием низкомолекулярных Сахаров лишь потому, что она вкуснее, чем оптимальная по составу. У человека и многих видов животных нет врожденного предпочтения питательных веществ, богатых витаминами. Поэтому на протяжении многих веков отдельные группы населения страдали болезнями, вызываемыми авитаминозами (цинга, пеллагра, бери-бери и др.), причем развитие этих болезней не всегда определялось отсутствием источника витаминов.

Вместе с тем для удовлетворения многих биологических потребностей не обязательно существование врожденных механизмов их трансформации в мотивационное возбуждение. Специализированные поведенческие акты могут формироваться на основе неспецифического поиска, инициируемого различными нарушениями гомеостаза. В частности, у крыс могут быть выработаны витаминные, минеральные и другие аппетиты, а также предпочтение или отвергание определенных пищевых продуктов. Подобные перестройки носят условнорефлекторный характер и свидетельствуют о большой пластичности биологических мотиваций. Естественно, в еще большей мере связаны с индивидуальным опытом высшие, социальные мотивации.

Перестройки поведения требуют оценки произведенных действий. Она основана на формировании положительного или отрицательного эмоционального состояния. Первое отражает благотворный эффект произведенного действия и создает предпосылку для его продления или повторения, второе сигнализирует о вредном его влиянии на организм и нецелесообразности повторения. Эмоции тесно связаны с подкреплением - важнейшим компонентом обучения.

Таким образом, в поведении отражаются отдельные, но тесно переплетающиеся явления. На основании потребностей формируется мотивация, ее реализация в целенаправленных актах поведения сопровождается эмоциями положительного или отрицательного знака.

Среди этих явлений наиболее сложны для изучения именно эмоции. Анализ потребностей можно проводить на основании консуматорных реакций. Так, потребность в воде или пище определяется по их потреблению. Уровень биологической мотивации измеряется многими способами, в частности скоростью целенаправленной побежки, преодолением препятствий разной сложности, выбором действий в условиях конкурентных отношений между удовлетворением разных биологических потребностей (пищевой и половой, пищевой и водной и т. п.). В естественных условиях мотивации проявляются как эмоционально окрашенные состояния, однако параллелизма между уровнями мотивационного и эмоционального возбуждения не имеется. Поэтому нельзя оценивать последнее по актам, нацеленным на удовлетворение биологических потребностей.

Важной особенностью эмоций является комплекс телесных реакций, сопутствующих отрицательным или положительным переживаниям. У человека субъективные состояния удовольствия или неудовольствия находят внешнее выражение в изменениях позы, походки, выражения лица, жестов, голосовых реакций, частоты пульса, дыхания, потоотделения, многих гуморальных показателей. По этим изменениям можно косвенно судить о степени волнения испытываемого человеком. Однако условность такого суждения очевидна. Мимические и прочие движения, характерные для аффективных состояний, человек в состоянии затормозить или воспроизвести при отсутствии соответствующих переживаний.

Во многих случаях внешние выражения чувств определяются социальными стереотипами поведения. Тренировка позволяет подавлять или активизировать некоторые вегетативные реакции, отражающие эмоциональные переживания. Наиболее полно такая способность проявляется в игре актеров.

Таким образом, даже у человека на основании сопоставления словесного отчета о субъективном состоянии и комплекса моторно-вегетативных реакций можно лишь догадываться об испытываемых им переживаниях.

Еще более сложно оценить эмоциональное состояние у животных. О нем судят по различным реакциям на действие внешних раздражителей или стимуляцию некоторых отделов головного мозга. Вместе с тем общепринятое положение о единых для человека и животных закономерностях эволюции мозга позволяет считать, что первичные эмоции сформировались задолго до появления человека как чувственное выражение инстинктивной деятельности.

Именно с таких позиций рассмотрел их Ч. Дарвин в работе "О выражении эмоций у человека и животных" (1872). Им был приведен большой материал по сравнительному анализу мимики, пантомимики, голосовых и вегетативных реакций при аффективных состояниях у представителей разных отрядов млекопитающих и человека. Выразительные движения рассматривались Ч. Дарвином как сформировавшиеся в процессе естественного отбора приспособительные реакции, существенные для общения с особями своего или других биологических видов. Он предположил, что мимико-жестикуляционные реакции являются компонентами агрессивного, оборонительного или других форм поведения. Например, отражающие аффект гнева оскаливание зубов и угрожающие жесты пугают врага. Некоторые выражения аффективного состояния являются рудиментами. Так, в состоянии гнева человек сжимает кулаки и скалит зубы, показывая готовность к борьбе.

Ч. Дарвин оценивал эмоциональные состояния в связи с побуждением к действию, не пытаясь анализировать их субъективную сторону. Подобный подход был полезен для подтверждения сходства в поведении животных и человека и обоснования происхождения человека от обезьяны. Однако при этом игнорировались качественные различия между психической сферой человека и животных.

3.26.2. Эмоции и психическая деятельность

Периоду естественнонаучного подхода к анализу эмоций предшествовало длительное осмысление их места в психической деятельности человека. Еще в XVII в. Р. Декарт выдвинул положение, согласно которому под влиянием эмоции организм осуществляет полезные для него действия и уклоняется от совершения вредных. В работах философов XVIII - начала XIX вв. большое место занимал вопрос о взаимоотношении аффективной сферы и телесных реакций. Высказывались предположения о зависимости эмоциональных состояний от органических изменений и о противоположных причинно-следственных отношениях. Важно отметить, что некоторые философы пришли к заключению о связи эмоций с конфликтом между представлениями (т. е. в соответствии с современной нам терминологией - рассогласованием).

В конце XIX в. американский психолог и философ У. Джеме предпринял попытку создания физиологической теории эмоций, вторичных, по его мнению, по отношению к вызванным различными стимулами телесным изменениям. Согласно "периферической теории" У. Джемса, эмоция является осознанием изменений в работе внутренних органов и мышц. Близкую позицию занял датчанин К. Ланге, полагавший, что эмоциональное состояние отражает органические изменения, связанные преимущественно с кровообращением. Вопреки представлению об эмоции (психическом состоянии) как первопричине изменения деятельности различных физиологических систем было предложено считать эти изменения источником эмоций. С этой точки зрения человек печален, потому что он плачет, испытывает ярость или страх, потому что бьет другого или дрожит, и т. д. Попытка превратить эмоции в объект, доступный объективному анализу, не была подкреплена физиологическими опытами.

Пытаясь проверить теорию Джемса-Ланге в эксперименте, Ч. Шеррингтон перерезал у собак блуждающие нервы и спинной мозг, устраняя сигнализацию от внутренних органов. При этом эмоциональные реакции на действие внешних раздражителей не исчезали. В работах других физиологов было показано, что даже после полной изоляции головы (в условиях перекрестного кровообращения) у кошек или собак сохраняется гамма мимических проявлений эмоционального состояния.

Несмотря на то что теория Джемса-Ланге низводила эмоцию до остаточных эффектов органических изменений, она явилась толчком для многих физиологов к объективному исследованию этих изменений. Американский физиолог У. Кеннон, первоначально сочувственно относившийся к "периферической теории", в результате экспериментов на кошках пришел к заключению о центральном происхождении эмоций. Он показал, что после удаления симпатических ганглиев эмоциональные реакции сохраняются. Например, симпатэктомированная кошка, увидев собаку, издавала угрожающие звуки, оскаливала зубы, поднимала лапу с выпущенными когтями. Один из выводов этих опытов был связан с признанием неспецифичности органических изменений, в частности однонаправленности вегетативных реакций при таких различных эмоциональных состояниях, как ярость и страх.

Как будет видно из дальнейшего изложения, развитие физиологии показало правильность центральной теории эмоций. Были описаны эмоциогенные структуры мозга, связанные с положительными и отрицательными переживаниями. Вместе с тем появились новые факты, свидетельствующие о влиянии периферических стимулов на эмоциональную сферу. Установлена корреляция между положительными переживаниями и сокращениями мышц лица у улыбающегося человека. Показано, что мимика изменяет кровоснабжение мозга, т. е. может оказывать влияние на структуры, регулирующие эмоциональное состояние. Проприоцептивная обратная связь этих рецепторов лицевой мускулатуры также вносит вклад в его формирование. Модулирующее влияние оказывает на него и интероцептивная сигнализация, преимущественно по афферентным системам блуждающих нервов.

Таким образом, эмоциональное состояние, являясь отражением активации ряда структур ЦНС, в определенной степени зависит от висцеральных раздражителей. ,

В ряде случаев возбуждение эмоциогенных центров вовлекает в реакцию структуры мозга, связанные с регуляцией висцеральных процессов. Состояние последних при этом изменяется, что, в свою очередь, оказывает модулирующее влияние на эмоциональное состояние. Большую роль в формировании взаимодействия между центрами эмоций и интеро- и проприоцептивными системами играет условнорефлекторная деятельность. Наличие в структуре условного рефлекса прямых и обратных связей позволяет понять сопряженность моторных и сенсорных функций и участие их в формировании эмоциональных реакций.

Зависимость переживаний от деятельности висцеральных органов наиболее рельефно проявляется при различных патологических процессах. Нарушение кровоснабжения миокарда при спазме коронарных сосудов сердца часто сопровождается страхом смерти. Это переживание является рефлекторным и может быть устранено лекарственными препаратами, расширяющими коронарные сосуды. Изменения в эмоциональной сфере часто сопутствуют сдвигам в эндокринной системе. Больные гипотиреозом редко смеются или плачут, у них возникает подавленность, преобладание плохого настроения. Различные нарушения эмоциональной сферы характерны и для больных гипертиреозом.

Гуморальные раздражители могут влиять на эмоциогенные системы мозга непосредственно и опосредованно, изменяя состояние мотивациогенных центров. При этом положительная или отрицательная направленность переживаний в значительной мере определяется условнорефлекторными факторами. Например, у человека чувство голода, которое может быть удовлетворено, окрашено положительными переживаниями, тогда как в условиях отсутствия пищи метаболические и нервные стимулы, сигнализирующие о потребности в ней, приводят к формированию отрицательного эмоционального состояния.

В зависимости от текущего возбуждения мотивационно-эмоциогенных центров мозга одни и те же сигналы могут вызывать различные реакции. Так, периодические сокращения пустого желудка могут инициировать или усиливать чувство голода при соответствующей возбудимости гипоталамических отделов пищевого центра. Если же она снижена, эти сокращения не приводят к формированию голодного побуждения. Например, в зависимости от инструкций, полученных испытуемыми, введение им адреналина вызывает либо гнев, либо эйфорию (повышенное благодушное настроение, сочетающееся с беспечностью), либо не вызывает никаких эмоций.

Таким образом, хотя периферические сигналы и участвуют в формировании эмоционального состояния, теорию Джемса-Ланге, из которой следует, что эмоции вторичны по отношению к органическим изменениям, нельзя считать правильной.

3.26.3. Вегетативные реакции, сопутствующие эмоциональному состоянию

Вегетативные реакции являются важными компонентами целостных актов, имеющих приспособительный характер, поэтому они традиционно исследуются физиологами и психологами. Ниже перечислены некоторые из этих реакций.

Одним из самых популярных показателей деятельности автономной нервной системы при аффективных состояниях у человека является кожно-гальваническая реакция (феномен Тарханова). Она зависит от состояния потовых желез, проявляется в снижении электрического сопротивления между двумя участками поверхности кожи. Эту реакцию используют для определения ложных показаний, раскрытия симуляции, анализа состояния эмоциональной сферы испытуемого.

У человека и животных аффективные реакции отражаются также в изменениях артериального давления, электрокардиограммы, различных показателей дыхания, температуры кожи, зрачковой реакции, секреции слюны, пиломоторных реакций, дермографизма (изменение окраски кожи при ее механическом штриховом раздражении), моторики желудка и кишки, мышечного напряжения, мигания, движения глаз.

Об эмоциональной сфере судят по содержанию катехоламинов, пептидов и глюкозы в крови, слюне и моче. Показателем эмоционального напряжения является тремор мышц. На фоне аффекта резко меняются различные характеристики ЭЭГ. Хотя по ЭЭГ трудно дифференцировать знак эмоции, установлено, что отрицательные эмоциональные возбуждения характеризуются длительным последействием и могут суммироваться; положительные - кратковременным последействием, но устраняющим картину суммарной электрической активности, присущей отрицательным эмоциональным состояниям. Тесно связан с эмоциональным состоянием, преимущественно с отрицательным, гиппокампальный ?-ритм, однако его изменения сочетаны не только с аффективной сферой, но и с другими сторонами деятельности мозга. Попытки связать определенную эмоцию с возбуждением одного из отделов автономной нервной системы не увенчались успехом. Некоторые исследователи привели доказательства связи эмоций умеренной интенсивности, если они приятны, с парасимпатическим отделом автономной нервной системы, если неприятны - с симпатическим.

3.26.4. Участие различных структур мозга в формировании эмоциональных состояний

В прошлом веке было принято относить эмоции к функции высших отделов мозга. Однако еще В. М. Бехтерев предположил, что центром эмоций является таламус. В XX в. У. Кеннон и Ф. Бард создали теорию, в соответствии с которой эмоционально окрашенное восприятие определяется первоначально активизацией таламических структур, вторично влияющих на кору больших полушарий. Д. Линдсли развил основные положения этой теории, включив в состав эмоциогенных систем ретикулярную формацию мозга. Согласно его "активационной теории", основанной на данных ЭЭГ, внешние и внутренние стимулы возбуждают ретикулярную формацию ствола мозга, откуда импульсы распространяются на гипоталамус, таламус, гиппокамп, кору больших полушарий. Активационная теория связывает воедино эмоции, кортикальную реакцию пробуждения, сон и бодрствование, некоторые формы патологического поведения.

Дж. Папес (1937) выдвинул иную теорию эмоций, приписав главную роль в их формировании лимбической системе мозга: от гиппокампа импульсы распространяются через свод в сосцевидные тела, далее в поясную извилину, от нее - на другие области коры больших полушарий. Значительный вклад в разработку теории эмоций внесли отечественные физиологи (И. С. Бериташвили, П. К. Анохин, П. В. Симонов, Н. П. Бехтерева и др.).

Наблюдения в нейрохирургической и неврологической клиниках и опыты на животных показали, что эмоции нельзя связать с функцией ограниченного круга мозговых структур, так как каждая из этих структур может быть связана с положительным и с отрицательным состояниями.

В клинических случаях было обнаружено, что электрическая стимуляция (проводимая с лечебной целью) образований среднего мозга ведет к активации с положительной или отрицательной эмоциональной окраской или к дезактивации, характеризующейся успокоением и безразличием. Раздражение передней и нижней поверхностей височной доли вызывает чувство страха; переднего и заднего отделов гипоталамуса - тревоги и ярости; перегородки конечного мозга - наслаждения; миндалевидного тела - страха, ярости, гнева, а в некоторых случаях и Удовольствия.

Изменения мотивационно-эмоциональной сферы наблюдали в многочисленных опытах, проведенных на животных. Еще в конце прошлого века Ф. Гольтц описал реакцию ярости на самые разные стимулы у собаки с удаленной корой больших полушарий. Подобные изменения в поведении наблюдали позднее у декортицированных и децеребрированных животных. Так как полноценное аффективное поведение невозможно без участия в нем высших отделов мозга, описанные особенности поведения (опущенная голова, прижатые уши, оскаленные зубы, выпускание когтей) обозначили как "ложную ярость". Действительно, комплекс аффективных реакций, вызываемых локальной стимуляцией подкорковых структур, нельзя отождествлять с полноценным эмоциональным состоянием. Эти реакции следует рассматривать лишь как отдельные элементы естественного аффекта (рис. 3.70).

Благодаря избирательному удалению различных структур мозга удалось определить их участие в формировании целенаправленного поведения. Так, после разрушения латеральных отделов гипоталамуса было обнаружено подавление мотивации к потреблению пищи и воды, сочетающееся с изменениями в эмоциональной сфере животного. Извращение эмоциональных реакций наблюдали у макак-резус с удаленными височными долями, миндалевидным телом и передним гиппокампом. Особое место в этих изменениях играло удаление миндалевидного тела. Функционально оно тесно связано с вентромедиальной и задней областями гипоталамуса и перегородкой. Повреждение миндалевидного тела снижает агрессивность животных, но последующее повреждение вентромедиальной области гипоталамуса вызывает у них проявления злобности. Разрушение зоны перегородки ведет к агрессивности, которую можно предотвратить, повредив миндалевидное тело.

Согласно представлениям П. Маклина, в формировании мотивационно-эмоциональных состояний играют роль два круга: амигдалярный (миндалевидный) и септальный (перегородочный). Первый связан с пищевыми и защитными реакциями, второй -преимущественно с половыми.

Подкорковые эмоциогенные структуры оказывают активирующее влияние на кору головного мозга. Она же, в свою очередь, на основании оценки сигналов из внешней и внутренней среды определяет формирование эмоционально окрашенных целостных поведенческих актов.

У человека и животных существует функциональная межполутарная асимметрия. Специализация больших полушарий головного мозга проявляется ив эмоциональной сфере. Более эмоциогенным является правое полушарие, играющее преимущественную роль на ранних этапах овладения навыками. У человека положительные эмоции связаны в основном с левым полушарием, отрицательные - с правым. Соответственно различается и оценка афферентации от периферических рецепторов: различные психосоматические проявления чаще связаны с левой половиной тела. Левая половина лица в большей степени отражает отрицательные, правая - положительные эмоции. Эти различия проявляются уже у новорожденных, в частности, в асимметрии мимики при восприятии веществ, обладающих сладким и горьким вкусом.

Трудности в определении локализации эмоциогенных структур мозга у животных были в значительной степени преодолены после открытия в 1954 г. Дж. Олдсом и П. Милнером феномена внутримозгового самораздражения

Рис. 3.70 Возникновение пищевых и эмоциональных реакций у животного при поражениях ядер гипоталамуса 1 - таламус, 2 - путь от таламуса к гипоталамусу (перерезка), 3, 4 - гипоталамические ядра, 5 - латеральная область гипоталамуса, 6 - супраоптическое ядро гипоталамуса, 7 - вентромедиальные ядра гипоталамуса; поражение вентромедиальных ядер гипоталамуса вызывает "волчий" аппетит и ярость (А); поражение латеральной области гипоталамуса - потерю аппетита и исхудание (Б).

(самостимуляции). Крыса получала возможность, нажимая на педаль, замыкать электрическую цепь и таким образом стимулировать через вживленные в мозг электроды различные его отделы. Высокий уровень положительного подкрепления в тех случаях, когда электрод находился в положительной эмоциогенной структуре ("зоны награды", "центры удовольствия", "система поощрения"), приводил к выработке инструментального условного рефлекса в течение нескольких минут.

"Зоны награды" созревают очень рано и уже в первые дни после рождения включаются в регуляцию поведения. Система отрицательного подкрепления ("зоны наказания") также готова к функционированию на самых ранних этапах постнатальной жизни. Если электрод вживлен в "зону наказания", животное, замкнув один раз электрическую цепь, в дальнейшем избегает нажатий на педаль.

Таким образом, по стремлению животного к максимизации и минимизации электростимуляции данной "точки" можно отнести ее к системам положительного или отрицательного подкрепления.

3.26.5. Эмоциогенные системы мозга

У крысы 35% клеточного пространства мозга связано с положительной эмоциогенной системой, только 5% - с отрицательной, 60% - с отсутствием побуждения к повторению или избеганию стимуляции. Принципиальная организация эмоциогенных систем мозга оказалась весьма сходной у представителей разных отрядов млекопитающих. На рис. 3.71 представлена топография эмоциогенных систем мозга.

В процессе обучения животные выбирают силу тока и ритм нажатий на педаль, ведущие к наибольшему "вознаграждающему" эффекту. Как и естественное аффективное поведение, внутримозговая самостимуляция сопровождается комплексом вегетативных реакций симпато-парасимпатической природы.

Рис. 3.71.Топография эмоциогенных зон (заштриховано) мозга у крысы (А), кошки (Б), обезьяны (В) и человека (Г)

"Зоны награды" находятся в тесном соседстве с мотивациогенными структурами мозга. В некоторых случаях слабое принудительное раздражение определенной "точки" вначале вызывает потребление пищи, воды или другое поведение, направленное на удовлетворение биологической потребности. При увеличении силы тока животное переходит к самостимуляции. В других случаях можно выделить "точки", изолированно связанные только с определенной мотивацией или только с реакцией самораздражения. Следовательно, мотивациогенные и эмоциогенные структуры представляют собой хотя и функционально взаимозависимые, но дискретные нейроанатомические системы.

Опыты, проведенные на щенках, начиная с периода новорожденности, показали, что на разных этапах онтогенеза наблюдается различное взаимодействие мотивациогенных и эмоциогенных систем мозга. Свойственное взрослому животному единство мотивационно-эмоционального поведения является результатом формирования сложных условнорефлекторных стереотипов, отражающих опыт существования в определенной внешней среде, т. е. наиболее целесообразных для приспособления к конкретной обстановке.

Пластичность поведения хорошо прослеживается в экспериментах с телестимуляцией различных мозговых структур (X. Дельгадо). Раздражение определенных участков таламуса или центрального серого вещества вызывало у вожака колонии обезьян повышенную агрессивную реакцию, однако это проявлялось лишь по отношению к сопернику; он никогда не нападал на маленькую самку, свою любимую подругу. Показано, что в зависимости от ситуации стимуляция одной и той же "точки" может вызывать различные целенаправленные действия (пищевые, питьевые, половые, защитные, агрессивные реакции) с присущей им эмоциональной окраской. В соответствии с подобной пластичностью мотивационно-эмоциональных реакций телеметрическая стимуляция одной и той же "точки" мозга вызывает самые разные формы поведения в зависимости от того, исследуется ли оно в лабораторных условиях или в экологически адекватной среде.

Эмоциональные состояния строятся на основе определенных нейрохимических механизмов. Фармакологический анализ показал, что настроение у человека и самостимуляция "зон награды" у животных зависят от нейромедиаторного баланса в ЦНС. Однако попытка связать определенное эмоциональное состояние с уровнем какого-либо медиатора потерпела неудачу.

"Точки" мозга, в которых можно вызывать самораздражение, связаны с дофаминергическими и норадренергическими системами, снижение их активности подавляет самостимуляцию "зон награды". Возможно, однако, что положительное эмоциональное возбуждение определяется норадреналином, тогда как дофамин лишь активирует систему побуждения к самораздражению.

По другим предположениям, подкрепляющая функция эмоций зависит от дофамин- и серотонинергических систем, а мотивационные реакции - от адренергической.

Несомненно доказано участие в формировании положительного эмоционального состояния эндогенных опиатов. В свою очередь, эндорфины модулируют состояние серотонинергической системы. По мнению некоторых исследователей, серотонинергическая и холинергическая системы обслуживают отрицательные эмоции. Существуют, однако, сведения о подавлении агрессивных тенденций серотонином.

Таким образом, можно предполагать, что в реализации различных эмоциональных состояний участвуют все нейромедиаторные системы мозга.

3.26.6. Влияние эмоциональных состояний на научение и память

Связь мотивациогенных и эмоциогенных систем мозга проявляется в существенной роли, которую играет уровень мотивационно-эмоционального возбуждения в процессах научения. Оно затруднено при низком уровне мотивации и подкрепления. Высокий уровень потребности формирует выраженное эмоциональное возбуждение. Оно наиболее четко проявляется на первой стадии выработки условного рефлекса - стадии генерализации, по мере его упрочения постепенно снижается. Как можно видеть по ряду вегетативных проявлений (например, частоте сердцебиений), даже оборонительные условные рефлексы после их упрочения реализуются автоматически без каких-либо проявлений эмоционального возбуждения.

Оборонительные условные рефлексы, связанные с отрицательным подкреплением, формируются значительно быстрее и длительнее сохраняются, чем условные рефлексы, вырабатываемые при положительном подкреплении (например, пищедобывательные). Так, условнорефлекторные вкусовые аверсии - отказ от пищи, потребление которой вызвало отравление, - вырабатываются при однократном сочетании вкусовых сигналов с последущим дискомфортным состоянием, причем этот рефлекс может сохраняться в течение многих месяцев, а иногда и лет.

Принято считать, что запоминание и длительность сохранения памятного следа пропорциональны эмоциональному напряжению. Однако, как показали эксперименты на добровольцах, низкий и высокий его уровни отрицательно сказываются на обучении и процессах памяти. Наиболее благоприятным для них оказался умеренный уровень эмоционального напряжения, соответствующий умеренной активации ЦНС. Наблюдения на школьниках разного возраста показали, что в I-III, IX и Х классах положительное подкрепление улучшало, а в IV-VIII - ухудшало запоминание. Полагают, что разнонаправленные влияния эмоционально-положительной и отрицательной систем на мнестические процессы данных возрастных групп определяются гормональными факторами, соответствующими .этим периодам развития.

В опытах на животных было показано, что условнорефлекторные реакции, подкрепляемые непосредственной электрической стимуляцией эмоциогенных структур мозга, формируются очень быстро. При этом можно переделать значимость исходно отрицательных раздражителей. Так, у собак вырабатывали положительную реакцию на вкус горького раствора, сочетаемого со стимуляцией "зон награды". Этот же механизм, по-видимому, лежит в основе условнорефлекторного формирования предпочтения человеком веществ с исходно индифферентными или отрицательными вкусовыми свойствами, если они оказывают положительный эмоциональный эффект. Привычка потреблять эти вещества может быть чрезвычайно сильной, а в некоторых случаях перейти в патологическое влечение. Доказано, что начальные стадии формирования наркомании определяются эйфорией, связанной с активацией "зон награды".

Влияние эмоциональных состояний на научение и память определяется также модулирующим действием подкрепляющих систем мозга на сенсорные процессы (зрительная, слуховая, вкусовая, болевая и другие системы). В частности, стимуляция "зон награды" изменяет электрические характеристики нейронов ряда анализаторов на разных уровнях мозга, т. е. эмоциогенные системы мозга оказывают модулирующее влияние на обработку сенсорной информации.

Влияния, оказываемые эмоциональными состояниями на сенсорные процессы, научение, память, характеризуются разной степенью напряженности.

В ряде случаев преимущественно обращают внимание на аффекты, крайние эмоциональные состояния, характеризующиеся выраженными субъективными и объективными показателями. Однако эмоциональная окраска присуща любой деятельности и не обязательно проявляется как ярко окрашенное переживание. Состояния общего комфорта или дискомфорта, отражающие баланс между уровнем активности положительных и отрицательных эмоциогенных систем, являются основой организации целостных поведенческих актов.

Наряду с исследованием физиологических механизмов аффективных состояний было обращено внимание на разработку общетеоретических представлений о роли эмоций в организации поведения. Согласно биологической теории П. К. Анохина, эмоции возникли в процессе эволюции как средство быстрой оценки потребностей и их удовлетворения в соответствии с состоянием внешней ситуации. Если параметры достигнутого эффекта соответствуют свойствам акцептора результатов действия, возникает положительная эмоция, если не соответствуют - отрицательная.

Потребностно-информационная теория П. В. Симонова рассматривает эмоцию как отражение мозгом человека и высших животных качества и величины определённой потребности и вероятности ее удовлетворения. Регуляторная роль эмоций проявляется в их отражательно-оценочной, переключающей, подкрепляющей, компенсаторной (замещающей) функциях. Подобный подход к рассмотрению эмоций сближает физиологические, психологические и философские аспекты изучения этого важнейшего феномена в поведении человека и животных.

Другая сторона исследования эмоций связана с разработкой вопросов их нарушения. Ослабление деятельности систем положительного подкрепления или усиление деятельности системы отрицательного подкрепления приводит к гипотимии (от греч. hypo - понижение и thymos - настроение, чувство) - депрессивному состоянию с проявлением тревоги, страха, апатии. При этом происходит ослабление мотивационных процессов, снижение массы тела, нарушение работы внутренних органов.

При гипертимии наблюдаются повышенное настроение, усиление двигательной активности, легкая отвлекаемость. Нередко фазы гипотимии и гипертимии перемежаются. У человека описаны и другие разновидности нарушения эмоциональной сферы, причины которых различны. Как правило, в основе глубоких нарушений эмоциональной сферы лежат генетические факторы. Обычно гипо- и гипертимия сопровождаются значительными отклонениями в балансе нейромедиаторов. Так, при маниакальных и депрессивных состояниях изменяется синтез дофамина, норадреналина и серотонина в разных отделах мозга. Ряд симптомов этих заболеваний, в частности, тревожность и депрессию, можно воспроизвести на животных с помощью введения нейротоксинов или фармакологических веществ, подавляющих синтез норадреналина, серотонина и опиатов.

3.26.7. Неврозы

При взаимодействии человека и животных с внешней средой возникают ситуации, характеризующиеся конфликтом между потребностями и возможностями их удовлетворения. Они ведут к формированию состояния напряжения - эмоционального стресса, приспособительное значение которого проявляется в мобилизации защитных сил, направленных на преодоление конфликта. Невозможность его разрешения приводит к формированию длительного застойного эмоционального возбуждения, проявляющегося в нарушениях мотивационно-эмоциональной сферы и в различных соматических заболеваниях.

Эмоциональный стресс может привести к развитию ишемической болезни сердца, гипертензии, язвообразованию, дисфункции эндокринной системы. При этом наблюдаются глубокие изменения баланса нейромедиаторов и нейропептидов в ЦНС. У человека такие нарушения связаны преимущественно с социальными конфликтами. Некоторые из этих проявлений могут быть смоделированы на животных. Так, у вожака стада обезьян, изолированного, но имеющего возможность наблюдать последующие иерархические изменения во взаимоотношениях ранее подчинявшихся ему животных, развивается артериальная гипертензия, а в некоторых случаях и инфаркт миокарда.

Степень устойчивости животных к действию стрессорных факторов различна и может быть установлена в специальных экспериментах. Так, менее устойчивые к стрессу животные отвечают на стимуляцию отрицательных эмоциогенных зон вентромедиального гипоталамуса преимущественно прессорными сосудистыми реакциями, а более устойчивые - прессорно-депрессорными. Снижение эмоционального напряжения и, соответственно, предотвращение висцеральных нарушений достигается стимуляцией "зон награды" или введением фармакологических препаратов, нормализующих баланс медиаторов в ЦНС.

Исследование различных проявлений эмоционального стресса оказалось полезным для разработки проблемы неврозов - группы обратимых функциональных расстройств психогенной природы. В отечественной литературе принято выделять три формы невроза: истерический, навязчивых состояний и неврастению. Возникновение невроза и его форма определяются взаимодействием психотравмирующей ситуации с исходными характеристиками личности. В ряде случаев невротическое состояние развивается на фоне недостаточности структур лимбико-ретикулярного комплекса. Эмоциональные нарушения занимают в симптоматике неврозов одно из ведущих мест.

И. П. Павловым было введено понятие экспериментальные неврозы. - функциональные нарушения (срыв) высшей/нервной деятельности в результате перенапряжения основных нервных процессов. Учение И. П. Павлова об экспериментальных неврозах оказалось плодотворным для понимания ряда сторон патологии психической деятельности у человека. Однако нельзя отождествлять сложную клиническую картину невроза у человека с нарушениями поведения у животных, на которых можно лишь моделировать определенные симптомы заболевания. Тенденция к отождествлению большей части функциональных нарушений поведения животных с экспериментальными неврозами создала положение, которое затрудняет прямое сопоставление клинических и экспериментальных данных. Вместе с тем возможность исследовать у животных отдельные проявления невроза у человека, а также проводить их фармакологический анализ, приносит существенную пользу неврологической клинике.

Основными приемами выработки экспериментального невроза И. П. Павловым и его сотрудниками было создание конфликтной ситуации при столкновении разнонаправленных мотиваций, например, пищевой и оборонительной, или же при необходимости решения трудной задачи (дифференцирование близких по параметрам условных сигналов и т. п.).

Массовое проявление невротических реакций у собак, находившихся в виварии, затопленном во время ленинградского наводнения 1924 г., позволило И. П. Павлову сделать ряд важных обобщающих выводов о закономерностях развития патологии высшей нервной деятельности. Он постулировал зависимость невротизации от силы, подвижности и уравновешенности корковых процессов возбуждения и торможения. В соответствии с ними была предложена классификация темпераментов у человека.

Эксперименты, проведенные на собаках, показали, что неврозы легче возникают у животных слабого и сильного неуравновешенного типов высшей нервной деятельности. Анализируя происхождение истерии, И. П. Павлов рассматривал ее как следствие слабости нервной системы.

Современные методы исследования усложнили эту схему. Оказалось, что при экспериментальном неврозе функциональные изменения возникают прежде всего в лобных отделах новой коры, лимбических структурах и ретикулярной формации среднего мозга. Нарушается баланс нейромедиаторов в ЦНС и в крови, в частности, между катехоламинами и ацетилхолином. Хотя неврозы и рассматривают как функциональные заболевания, выяснилось, что они сопровождаются развитием реактивных и дегенеративных процессов в различных отделах мозга. Показана роль информационных факторов в развитии патологии мотивационно-эмоционального поведения. Большую роль при этом играют нарушения памяти.

Изучение патологии высшей нервной деятельности подтвердило роль обратной связи от соматических и висцеральных систем в поддержании отрицательного эмоционального состояния. Были приведены факты, свидетельствующие в пользу существования эмоциональной памяти ("аффективной памяти", "памяти чувств"), на которую впервые обратил внимание в конце прошлого века психиатр С. С. Корсакова, а И. С. Бериташвили выделил ее как особую форму памяти.

Она особенно четко проявляется при неврозах, в основе которых лежат инертные очаги возбуждения (травматические неврозы, патологические влечения - алкоголизм, наркомания).

Эмоциональные условные реакции могут усиливаться или тормозиться внешними раздражителями, преимущественно ситуационными. Так, уже упоминавшиеся вкусовые аверсии могут быть резко ослаблены в привычной обстановке и в полной мере проявиться в непривычной. У человека и животных отрицательные эмоциональные реакции со всем комплексом вегетативных проявлений могут воспроизводиться при столкновении с ситуацией, сопровождавшейся травматизирующими факторами, даже если со времени их воздействия прошло много лет.

Эмоциональное состояние определяется генотипическими характеристиками и условиями, в которых проходило развитие животных. Особо важную роль при этом играют ранние воздействия. Так, изоляция от сверстников или от взрослых особей в раннем онтогенезе повышает неустойчивость к невротизирующим стимулам. Обогащенная или обедненная раздражителями внешняя среда сказывается на морфофункциональном развитии мозга, в частности, его эмоциогенных систем. Эти данные, полученные на животных, позволяют разработать рекомендации для создания условий воспитания детей, начиная с периода новорожденности, способствующих оптимальному развитию их мотивационно-эмоциональной сферы.

3.27. ГЕМАТОЭНЦЕФАЛИЧЕСКИЙ БАРЬЕР

Из пищеварительного тракта в кровь поступают продукты расщепления пищи, и некоторые из них в случае проникновения в мозг могли бы нарушить его функции. Например, переваривание белков приводит к повышению уровня в плазме крови аминокислот глицина и глутамата, которые в мозге играют роль медиаторов. Высокая двигательная активность также нарушает постоянство внутренней среды организма. Поведение низших животных, не имеющих гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), сильно зависит от состава пищи и равномерности ее поступления в организм, что привязывает каждый вид к конкретному источнику питания и делает невозможными активные перемещения в пространстве для эффективного поиска пищи или половых партнеров.

Возникновение в ходе эволюции способности к зоосоциальному поведению и простейшим формам научения было связано с усложнением структуры и функций мозга, что потребовало поддержания в нем более строгого постоянства внутренней среды. Поскольку достичь такой степени гомеостатирования во всем организме невозможно, у высокоорганизованных животных вокруг ЦНС выделилось особое пространство, окруженное барьером, непроницаемым для большей части веществ, содержащихся в крови (гемолимфе) и тканевой жидкости. К двум хорошо известным пространствам - внутриклеточному и внеклеточному - добавилось третье пространство, содержащее цереброспинальную (спинномозговую) жидкость, или ликвор. Так эволюция сделала шаг сопоставимый по значению с появлением внутренней среды организма.

Создание особой внутренней среды мозга, во-первых, защитило его нейроны от колебаний внутренней среды организма, связанных с потреблением пищи и двигательной активностью, и обеспечило стандартные условия для интегративной деятельности нейронов и синаптической передачи; во-вторых, позволило нейронам мозга при передаче друг другу сообщений гуморальным путем экономно использовать запасы нейросекретов и уменьшило искажение передаваемой информации.

Потребность в барьере была настолько сильной, что он независимо возник не менее чем в трех ветвях эволюции, выделившихся 500-600 млн. лет назад, и имеется у всех таксонов, способных к сложному поведению: у позвоночных головоногих моллюсков и членистоногих (у насекомых, некоторых паукообразных и отчасти у ракообразных).

Структура барьера. Мысль о существовании барьера между кровью и мозгом впервые высказал Пауль Эрлих в 1885 г. К этому времени накопились данные о том, что красители (например, трипановый синий) после введения их в кровь не обнаруживаются в мозге. В 1913 г. Голдманн показал, что если краситель вводить не в вену, а в ликвор, то мозг окрашивается. Тем не менее долгое время существовала и противоположная точка зрения: барьера нет, красители не проходят в мозг потому, что мозг не содержит соединительной ткани т. е. для красителя в мозге просто нет места. Только в 60-е годы мнение о существовании ГЭБ стало общепринятым.

Термин "гистогематические барьеры" предложила наша соотечественница Л. С. Штерн в 1929 г. Сейчас он понимается как общее название для барьеров: гематоэнцефалического (ГЭБ), -ликворного (ГЛБ), -неврального, -офталъмического, -тестикулярного, -лабиринтного, -плеврального, -синовиального и др. В 1933 г. Вальтер и Шпац ввели понятие "гематоэнцефалический барьер".

Как известно, капилляры мозга принципиально отличаются от капилляров всех других областей тела отсутствием в их стенке водных каналов, пор, или фенестр. Под электронным микроскопом отчетливо видно, что эндотелиоциты мозговых капилляров соединены между собой так называемыми плотными контактами, которые не позволяют водорастворимым веществам проходить из крови в головной мозг (и обратно). На электронограммах также видны и отростки астроцитов, охватывающие всю (или почти всю) наружную поверхность мозговых капилляров (рис. 3.72).

Эти отростки не составляют механического препятствия проникновению веществ в мозг, как думали прежде, но они секретируют некие пока недостаточно изученные, вещества, повышающие плотность контактов между

Рис. 3.72

Ножки отростков астроцитов (А) окружают мозговой капилляр (К)

Рис. 3.73 "Энзимный барьер"

МАО - моноаминооксидаза, КОМТ - катехол-0-метил-трансфераза, ЭП - эпендима, ЭН - эндотелий.

эндотелиоцитами. Известно, что по крайней мере часть этих веществ имеет молекулярную массу менее 4 кДа и, следовательно, не относится к белкам.

В середине 60-х годов было открыто существование "энзимного барьера", т. е. ферментов в тканях, лежащих между просветом капилляров и нейронами мозга. Эти ферменты расщепляют вещества, которые в противном случае могли бы проникнуть из крови в мозг. Примерами таких "барьерных" энзимов могут служить катехол-0-метилтрансфераза (КОМТ), моноаминоксидаза (МАО), тирозингидроксилаза и аминопеппгидаза. Энзимный барьер в большей степени препятствует проникновению в мозг моноаминов (потенциальных нейротрансмиттеров), чем их непосредственных предшественников (рис. 3.73).

Феномен ГЭБ пытались объяснить еще и тем, что введенный в кровоток краситель связывается с белками плазмы и это делает его неспособным проникнуть сквозь барьер. Однако связывание с белками плазмы не препятствует окрашиванию всех прочих (немозговых) тканей, поэтому сегодня фактору связывания придается небольшое значение.

Итак, ГЭБ состоит, по меньшей мере, из трех главных компонентов: (1) плотных контактов в эндотелии капилляров; (2) веществ, секретируемых отростками астроцитов и поддерживающих функцию плотных контактов; и (3) "барьерных энзимов".

Проницаемость барьера и транспортные системы. В 1902 г. Эрлих заметил, что красители, поглощаемые мозгом, поглощаются и жировой тканью тоже. Значение этого факта было оценено только в 70-е годы, после создания высокоточного метода количественной оценки проницаемости ГЭБ.

Для жирорастворимых веществ ГЭБ барьером вообще не является: они простой диффузией легко проходят сквозь эндотелиоциты: сначала растворяются в липофильных участках люминальной (т. е. обращенной в сторону просвета сосуда) мембраны, затем диффундируют через всю толщу цитоплазмы и, наконец, растворяясь в аблюминальной (расположенной с другой, наружной по отношению к просвету сосуда стороны) мембране, выходят из эндотелиоцита в ткань мозга (рис. 3.74, путь 1А).

Никакие живые клетки не являются препятствием для веществ, обладающих высокой липофильностью (или, что то же самое, гидрофобностью). Наиболее высокой "проходимостью" обладает углекислый газ, легко

Рис. 3.74

Пути проникновения веществ из крови в мозг ГЭБ - гематоэнцефалический барьер; ЦВО - циркумвентрикулярные органы; ВСС - внутрижелудочковое сосудистое сплетение; ЦСЖ - цереброспинальная жидкость (ликвор). 1 - сквозь нефенестрированный эпителии: А - простой диффузией; Б - активным транспортом; 2 - через фенестры эндотелия капилляров в ЦВО и далее: А - внутриаксональным транспортом; Б - сквозь эпендиму простой диффузией в ликвор; В - вдоль наружной границы эпендимы желудочков до ее участков, где нет плотных контактов (гипотетический путь); 3 - сквозь стенки сосудистого сплетения в ликвор (простой диффузией); 4 - со слизистой оболочки полости носа (конкретный путь неясен); 5 - внутриаксональным транспортом (например, по чувствительным нейронам). Для жирорастворимых веществ наибольшее значение имеют пути 1А, 2Б и 3, для водорастворимых - 2А, 2В, 4 и 5. Для водорастворимых веществ, нужных мозгу в значительных количествах (глюкоза, аминокислоты и др.) существуют системы переносчиков.

проникающий из крови в нейроны дыхательного центра. Довольно высокой растворимостью, соответственно, "проходимостью" обладают героин, алкоголь и никотин, что объясняет их быстрое (после попадания в кровь) действие на ЦНС. Следовательно, липофильность - главное из качеств, определяющих возможность простои диффузии вещества сквозь ГЭБ. На "проходимость" вещества диффузией также влияют степень его ионизации, молекулярная масса и некоторые другие факторы.

Мозг нуждается в некоторых веществах, не обладающих способностью растворяться в жирах, например, в глюкозе - для обеспечения своих энергетических потребностей, и в аминокислотах - для синтеза белков. Поскольку гидрофильные вещества простой диффузией пройти в мозг не могут, для их доставки существуют транспортные системы со специфическими белками-переносчиками (рис. 3.74, путь 1Б). Сейчас известны транспортные системы для: (а) D-глюкозьг; (б) крупных нейтральных аминокислот; (в) основных и кислых аминокислот; (г) электролитов (K+, Mg2+, Ca2+, I- и др.); (д) водорастворимых витаминов; (е) нуклеозидов и др. Все эти системы обладают общими свойствами: селективностью, стереоспецифичностью, конкурентным ингибированием и насыщаемостью,

Мелкие нейтральные аминокислоты не транспортируются, так как мозг синтезирует их сам. Транспортная система, переносящая глюкозу, не требует для своей работы присутствия инсулина. Необычно то, что в ГЭБ инсулин регулирует транспорт не глюкозы, а аминокислот.

"Дефекты" в барьере и пути в обход барьера. В головном мозгу есть области, в которые, в отличие от основной его массы, краситель легко проходит из крови. Впервые это обнаружил Шульманн в 1912г.: трипановый синий, введенный мышам внутривенно, проникал в нейрогипофиз. Количество областей, обладающих такими особенностями, постепенно росло, и сейчас включает:

нейрогипофиз, медиальное возвышение, самое заднее поле, субфорникальный орган, шишковидное тело, зрительное углубление, сосудистое сплетение и сосудистый орган конечной пластинки. Поскольку все эти структуры расположены по периферии желудочковой системы, было предложено называть их циркумвентрикулярными органами (рис. 3.75). Только один из них не обладает названными особенностями: в субкомиссуральном органе эндотелиоциты соединены плотными контактами.

Рис. 3.75 Циркумвентрикулярные органы

Э - шишковидное тело (эпифиз), ВСС - сосудистое сплетение, СКО - субкомиссуральный орган, СФО - субфорникальный орган, MB - медиальное возвышение, СОКП - сосудистый орган конечной пластинки, НГ - нейрогипофиз, СЗП - самое заднее поле.

Рис. 3.76 Принципиальное различие устройства гематоликворного (А) и гематоэнцефалического (Б) барьеров

Плотные контакты (ПК) соединяют либо клетки эндотелия капилляров (К), либо клетки эпендимы (Э), выстилающей стенки желудочков мозга. ИП - интерстициальное пространство; Н - нейрон; Г - глия; Ф - поры (фенестры); ЦСЖ - цереброспинальная жидкость (ликвор); S - площадь барьера. Стрелками показано проникновение водорастворимых веществ.

В циркумвентрикулярных органах переносимые кровью вещества относительно свободно покидают просвет капилляров (рис. 3.74., путь 2) и доходят до наружной границы желудочков мозга, где их задерживают плотные контакты, которыми соединены клетки выстилающей желудочки эпендимы. Эту особую организацию барьера в циркумвентрикулярных органах часто ошибочно принимают за "дефекты" в барьере. В действительности, барьер в этих областях не менее эффективен, только разделительную функцию выполняет не эндотелий капилляров, а эпендима желудочков мозга. Таким образом, барьер здесь просто отнесен чуть далее вглубь мозговой ткани и носит название гематоликворного (ГЛБ). Площадь ГЛБ составляет 1/5000 общей площади ГЭБ (рис. 3.76).

Полагают, что некоторая часть молекул веществ, оказавшихся в циркумвентрикулярных органах, может проникнуть в собственно мозг:

- через нервные окончания и далее внутриаксональным транспортом (см. рис. 3.74, 2А);

- сквозь клетки эпендимы - в ликвор, в соответствии с растворимостью данного вещества в липидах (рис. 3.74, 2Б);

- перемещением вдоль наружной границы эпендимы до тех участков, где между ее клетками есть водные каналы, и по ним - в ликвор (рис. 3.74, 2В).

Некоторая часть сосудов мозга выпячивается в желудочковую систему и образует в ней сосудистое сплетение - орган, продуцирующий ликвор. Капилляры этих сплетений имеют фенестры, сквозь которые вещества легко покидают кровь, но в дальнейшем задерживаются хориоидным эпителием, составляющим единое целое с остальной эпендимой. Дальнейшее продвижение (в ликвор) возможно только простой диффузией, в соответствии с липофильностью конкретного вещества (рис. 3.74, путь 3).

Возможно, единственный путь, по которому водорастворимые вещества в значительных количествах без помощи специальных транспортных систем попадают в мозг, начинается на слизистой оболочке полости носа (рис. 3.74, путь 4). Пероксидаза хрена (белок с молекулярной массой 40 кДа), введенная интраназально, за несколько минут достигает пиальной поверхности обонятельных луковиц. Водные растворы нейропептидов вызывают ЦНС-зависимые эффекты (например, интраназальное введение человеку вазопрессина приводит

Рис. 3.77 Пути воздействия веществ на мозг без их проникновения сквозь гематоэнцефалический барьер

1-3 - связывание веществ со специфическими рецепторами в циркумвентрикулярных органах приводит к: увеличению проницаемости ГЭБ для другого вещества (1)-образованию в циркумвентрикулярных органах жирорастворимых веществ, проникающих далее сквозь эпендиму желудочков простои диффузией (2А); образованию в самом мозгу гипотетических водорастворимых веществ-посредников (2Б); передаче возбуждения в виде потенциалов действия (3); 4 - связывание с пресинаптическими рецепторами эфферентов имитирует центральное действие; 5 - воздействие на периферические органы через возбуждение центральных афферентов изменяет состояние ЦНС. Остальные обозначения, что и на рис. 3.74

к отчетливому повышению настроения). В этом случае диффузия происходит либо внутри аксонов обонятельных нейронов, либо через подслизистый слой связанный с подпаутинным пространством в области обонятельных луковиц. Нарушение целостности слизистой оболочки (например, при рините) способствует проникновению веществ в мозг именно этим путем.

Гидрофильные молекулы из крови могут попадать в мозг внутриаксональным транспортом, например, по волокнам чувствительных нейронов (рис. 3.74, путь 5)

Рецепторы наружной поверхности барьера. Есть несколько механизмов посредством которых водорастворимые вещества, находящиеся в плазме крови могут воздействовать на мозг без проникновения в него (рис. 3.77), и часть этих механизмов связана с существованием на "внешней" стороне барьера специфических рецепторов к многочисленным гормонам белково-пептидной природы

В 50-е годы было показано, что если разрушить отдельные циркумвентрикулярные органы, то некоторые гормоны, переносимые плазмой крови теряют способность действовать на мозг. Позднее были открыты расположенные в циркумвентрикулярных органах рецепторы к соматостатину, кортикотропину (адренокортикотропному гормону), пролактину, вазопрессину, окситоцину паратирину (паратгормону), кальцитонину, инсулину и инсулиноподобным факторам роста, эндотелину, панкреатическому полипептиду, ангиотензину II атриальному и мозговому натрийуретическим пептидам, брадикинину, вазоактивному интестинальному полипептиду, субстанции Р и нейропептидам У и YY

Возбуждение "внешних" рецепторов молекулами одного вещества может увеличить проницаемость барьера для другого находящегося в плазме крови вещества (рис. 3.77, путь 1). Это может выражаться в стимулировании работы одной из систем активного транспорта (например, внутривенное введение вазопрессина увеличивает транспорт в мозг лейцина, некоторые гормоны регулируют проникновение в мозг моноаминов) или в снижении сопротивления барьера простой диффузии веществ (так, вазопрессин увеличивает проницаемость ГЭБ для молекул воды). Взаимодействие лиганда с рецептором на наружной стороне барьера может также приводить к образованию веществ-посредников, способных воздействовать непосредственно на нейроны мозга (рис. 3.77, путь 2). Место синтеза таких посредников определяется их способностью проникать сквозь барьер. Жирорастворимые вещества-посредники синтезируются на внешней стороне барьера, как правило, в циркумвентрикулярных органах (см. рис. 3.77, путь 2А). Так, образующиеся в периферических тканях интерлейкины - полипептиды с большой молекулярной массой (примерно от 8 до 26 кДа) и низкой растворимостью в жирах, попадая в сосудистый орган конечной пластинки, стимулируют образование в нем липофильных молекул простагландинов, которые проникают в мозг и, воздействуя на центры терморегуляции, вызывают повышение температуры тела - характерное проявление лихорадки.

Водорастворимые вещества-посредники, не обладающие способностью проникать сквозь ГЭБ, могут синтезироваться и высвобождаться только "за барьером", в самом мозге (рис. 3.77, путь 2Б). Иногда в качестве посредника выступает то же самое вещество, которое воздействовало на "внешние" рецепторы. Так, в ответ на поступление пищи в кишку расположенные в ее слизистой оболочке эндокринные клетки высвобождают в кровь холецистокинин (ХЦК). Одновременно возрастает и концентрация ХЦК в мозге. Однако ХЦК, как и большинство других пептидов, не обладает сколько-нибудь заметной растворимостью в жирах, поэтому простой диффузией пройти в мозг он не может. Специальной транспортной системы для ХЦК в барьере также не обнаружено. Полагают, что молекулы ХЦК, не проникая в ЦНС, связываются с холецистокининовыми рецепторами на наружной стороне ГЭБ и активируют неизвестный пока механизм, способствующий высвобождению "по ту сторону барьера" таких же молекул ХЦК, но синтезированных в самом мозге. Этот механизм играет важную роль и в возникновении такого чувства, как насыщение.

Предполагают также, что чувствительные окончания некоторых нейронов мозга выходят на внешнюю сторону ГЭБ и через них возбуждение от перечисленных выше рецепторов может передаваться в мозг виде потенциалов действия (рис. 3.77, путь 3).

Таким образом, с помощью циркумвентрикулярных органов мозг отвечает на колебания концентраций в крови многочисленных биологически активных веществ. При этом циркумвентрикулярные органы могут быть столь же непроницаемы, как и другие части ГЭБ.

Вещества, циркулирующие с кровью, могут воздействовать на ЦНС и опосредованно, через действие на периферические органы (рис. 3.77, путь 4). Например, пептидный гормон бомбезин связывается со специфическими рецепторами в гладких мышцах пилорической части желудка, что приводит к повышению мышечного тонуса привратника и способствует задержке пищи в желудке. Импульсация от механорецепторов стенки заполненного пищей желудка по чувствительным волокнам блуждающего нерва передается в ЦНС, в результате чего частично подавляется пищевое поведение. Так воздействие вещества на периферический орган вызывает поведенческий (т. е. центральный) эффект.

Гидрофильные вещества, растворенные в плазме крови, могут не только действовать на ЦНС, но и имитировать такое действие, усиливая или ослабляя высвобождение медиаторов из периферических нервных окончаний (рис. 3.77, путь 5). Так, тиролиберин и ангиотензин II, связываясь с пресинаптическими рецепторами симпатических нервных окончаний, облегчают высвобождение ими норадреналина, имитируя влияние на тонус симпатических нейронов спинного мозга.

Пути выхода веществ из мозга в кровь. Специальные транспортные системы выносят из мозга в кровь метаболиты самого мозга (их накопление могло бы

Рис. 3.78 Неизбирательный механизм выноса веществ из мозга в кровь. Паутинная оболочка в виде ворсинки (В) проникает сквозь мозговую оболочку в венозный синус (С). Каналы, имеющиеся в ворсинке, позволяют небольшим количествам ликвора проникать из подпаутинного пространства (П) в кровь. Э - эндотелий.

нарушить его работу) и токсические вещества, которые все-таки в небольших количествах проникают в мозг сквозь ГЭБ.

Самый простой, неизбирательный механизм выноса состоит в том, что избыток ликвора периодически сбрасывается в кровь через ворсинки паутинной оболочки, выдвинутые в просвет венозных синусов (рис. 3.78).

Ворсинки выполняют роль клапанов, регулирующих отток: быстрое поступление ликвора в венозный синус повышает давление в нем, ворсинка сдавливается, и отток ликвора прекращается. У человека за 1 сут образуется примерно 500 мл ликвора, следовательно, сопоставимое количество его оттекает ежедневно в венозную кровь.

Существуют и специфические транспортные системы, каждая из которых выводит из мозга против градиента концентрации конкретное вещество или группу структурно родственных веществ:

ионы К+; мелкие нейтральные аминокислоты; глицин, аспарагиновую и глутаминовую кислоты; пептиды из семейства вазопрессина/окситоцина; меланостатин и энкефалины; нуклеозиды. Эти транспортные системы необходимы для поддержания гомеостаза мозга. Так, например, выведение глицина и K+ нормализует уровень возбудимости ЦНС, удаление избытка меланостатина повышает активность опиоидной системы мозга.

Создание в ходе эволюции механизмов, выносящих в кровь пенициллины, цефалоспорины и некоторые цитостатики, в нормальных условиях отсутствующие в мозге и применяемые при лечении воспалительных процессов ЦНС, объясняют тем, что небольшие количества этих веществ синтезируются микрофлорой кишечника, а также попадают в организм с растительной пищей и проникают сквозь ГЭБ в мозг.

Важную роль в системах, выводящих вещества из мозга в кровь, играет особый белок - гликопротеин Р (Pgp). Обычно он присутствует в ГЭБ в небольших количествах. При наличии в мозге очагов воспаления или опухолей проницаемость барьера возрастает, введенные в кровь антибиотики и цитостатики легко проникают в ЦНС. В ответ на это происходит экспрессия гена, ответственного за синтез Pgp, его количество в структуре ГЭБ возрастает и он быстро выводит названные вещества из мозга.

Попытки проведения различных веществ сквозь барьер. Первый из возможных подходов состоит в том, чтобы воздействием на ГЭБ неизбирательно и обратимо повысить его проницаемость для любых веществ. Этого добиваются следующими нефизиологическими мерами: (а) повышением артериального давления (в том числе локальным, в сонной артерии) на 60-90 мм рт. ст. и более, что приводит к резкому расширению сосудов мозга; (б) повышением осмотического давления крови путем введения в сонную артерию маннитола, арабинозы, мочевины или гипертонического раствора NaCI, что вызывает сморщивание эндотелиоцитов; (в) вдыханием газовой смеси, содержащей 25% СО2, что обусловливает расширение артериол мозга и переполнение капилляров. Во всех перечисленных случаях происходит временное нарушение плотных контактов между эндотелиоцитами и образование водных каналов. Очевидно, что такие способы повышения проницаемости ГЭБ не годятся для проведения лекарств в мозг человека.

Еще один подход - модификация молекул с целью повышения их "проходимости" сквозь неизмененный барьер. Поиск таких форм ведется по следующим направлениям: (а) повышение жирорастворимости вещества, например, соединением его молекулы с молекулой холестерина; (б) повышение устойчивости вещества к воздействию "энзимного барьера", например, для пептидов это создание циклических структур или замещение L-форм аминокислот на D-изомеры; (в) соединение препарата с веществом, для которого в ГЭБ существует транспортная система, например, с глюкозой (создание так называемых химер); и (г) включение изучаемого вещества в липосомы. Пока эти разработки имеют лишь ограниченный успех.

Рассматривая механизм действия на ЦНС любого вещества - эндогенного, присутствующего в крови, или вводимого извне в кровь, необходимо понять, проходит ли оно сквозь ГЭБ или воздействует на мозг иным образом, без проникновения в него.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Краткое знакомство со структурой и функцией различных отделов центральной нервной системы позволяет сформулировать несколько общих положений, касающихся принципов организации ее работы.

Одно из них состоит в том, что в основе деятельности нервной системы лежит универсальный физиологический процесс распространяющегося возбуждения - нервный импульс. Нервный импульс, распространяясь по поверхности нервной клетки и ее отростков, выполняет в нервной системе функцию носителя информации. Передача информации осуществляется с помощью изменения либо последовательности нервных импульсов во времени, либо распределения между различными клетками. Это так называемое пространственно-. временное кодирование.

Ведущей формой нервной деятельности являются рефлексы - закономерные реакции, возникающие в ответ на раздражение рецепторов изменениями в окружающей или внутренней средах организма. Рефлекторная деятельность представляет собой сложный комплекс взаимодействующих и взаимовлияющих рефлексов. В основе рефлекторной деятельности лежит ряд закономерностей. Это зависимость характера реакции от типа раздражаемых рецепторов и силы действующего раздражителя, иррадиация возбуждения, обусловленная нефункционирующими межнейронными связями ЦНС, которые дают возможность активироваться одновременно большому числу нервных связей.

Одна из основных закономерностей заключается в том, что характер рефлекторной реакции способен изменяться в зависимости от состояния тех нервных структур, через которые данная реакция реализуется. При этом изменение возбудимости нервных структур может изменить не только количественную, но и качественную направленность реакции. Примером тому может служить открытое А. А. Ухтомским состояние доминанты, т. е. появление очага возбуждения (в частности, под действием гормонов), которое приводит к тому что стимуляция различных рецептивных полей вызывает возникновение или усиление рефлекторной деятельности нервных структур именно этого очага.

Разные типы рефлексов осуществляются с помощью одних и тех же мотонейронов, с использованием одних и тех же эффекторов, т. е. мотонейроны представляют собой в этом случае общий конечный двигательный путь. При этом правилом взаимодействия рефлексов является у однонаправленных рефлексов взаимное усиление, у противоположных рефлексов - взаимное торможение.

Общие закономерности тормозного взаимодействия аналогичны закономерностям взаимного усиления. Облегчающие и тормозные взаимные влияния между нервными центрами в процессе сочетанной рефлекторной деятельности описаны Ч. Шеррингтоном на примере спинного мозга в виде положительной и отрицательной одновременной индукции.

При сочетанной рефлекторной деятельности помимо пространственного взаимодействия в нервных центрах возникают еще и сложные явления, разворачивающиеся во времени. Еще в прошлом столетии И. М. Сеченовым было установлено, что прекращение торможения рефлекторной реакции сменяется так называемой отдачей - последующим усилением по сравнению с исходной величиной. Явление отдачи рассматривают сейчас как результат дополнительного включения более сложных центральных и периферических путей.

Каждый рефлекторный акт всегда является компонентом комплексной системы нервных процессов, направленных на более эффективное выполнение определенной функции организма. Это объединение не бывает жестко фиксированным и представляет собой динамическое взаимодействие.

Объединение относительно простых рефлекторных механизмов и процессов в комплексы (функциональные системы), способные уже оценивать результат рефлекторной деятельности и таким образом регулировать эту деятельность, было изучено П. К. Анохиным. Любая часть нервной системы является многоуровневой и построена по иерархическому принципу. Одиночный нейрон, нейрональная цепь, нервный центр представляют собой соподчиненные уровни системной организации, обладающей определенной направленностью действия. Этот системный принцип встречается везде независимо от того, идет ли речь о регуляции висцеральных функций или организации комплексных систем корковых модулей. Системный подход наиболее перспективен при исследовании общих аспектов поведения, таких как взаимодействие сознания и подсознания, эмоций, научения и памяти.

Следующее положение касается универсальности некоторых общих принципов организации нервной системы. В качестве примера можно привести принцип доминанты, одинаково приемлемый для спинного мозга и для колонок сенсомоторной коры. Доминанта как общий принцип работы нервных центров определяет биологическую направленность поведения, без учета которой глубинный анализ механизмов интегративной деятельности мозга практически невозможен.

Сравнительно-физиологические исследования нейронных сетей у позвоночных и беспозвоночных животных показали принципиальное сходство их организации. Такие физиологические феномены, как суммация, синоптическая потенциация, реципрокное торможение и ряд других имеют место и в простых нервных системах беспозвоночных, и в ЦНС высших позвоночных.

Не меньшее число аналогий дает и клеточный уровень организации. Достаточно напомнить, что все основные постулаты мембранной теории разработаны на гигантских аксонах кальмара, затем повторены на нейронах позвоночных. Сходство морфофункциональной организации нейронов и нейронных сетей различных животных свидетельствует о возможно большем консерватизме в области филогенетического преобразования молекулярных и клеточных структур по сравнению с системным уровнем организации, где мы встречаемся с явлениями параллелизма и специфичности.

Регулирующая и управляющая деятельность характеризует все отделы нервной системы. Она распространяется на все области тела, его отделы, органы, ткани. Относительно простыми формами такой деятельности характеризуются структуры спинного мозга, первично управляющие соматическими и висцеральными реакциями. Сигналы для соматических моторных реакций (собственные, защитные, ритмические, позные и другие рефлексы мышц) формируются спинальными мотонейронами, для висцеральных - симпатическими и парасимпатическими преганглионарными нейронами, локализующимися в грудном и крестцовом отделах спинного мозга. Из висцеральных реакций наиболее изучены механизмы, обеспечивающие регуляцию уровня кровяного давления за счет изменения просвета сосудов. По такому функциональному признаку в спинном мозгу разделяются лишь эфферентные нейроны. Что касается чувствительных и особенно вставочных, то они способны активизировать и соматические двигательные нейроны, и висцеральные, управляющие сосудодвигательной функцией, регуляцией сокращений мочевого пузыря и др.

Значительно сложнее деятельности спинного мозга рефлекторная деятельность продолговатого мозга и мозжечка (ромбовидный мозг). Их нервные образования (ретикулярная формация ствола, подкорковые ядра, кора мозжечка) не получают сенсорных сигналов непосредственно от рецепторных структур и не отдают также эфферентных сигналов непосредственно исполнительным органам. Они связаны только с другими центрами мозга и являются, строго говоря, надстройкой над первичной сегментарной структурой ЦНС. Осуществляемые ядрами расположенных здесь черепных нервов рефлекторные реакции, как и в спинном мозгу, по характеру конечного эффекта разделяются на соматические и висцеральные. Первые направлены главным образом на поддержание позы, вторые - на обеспечение последовательности восприятия, жевания, глотания и продвижения пищи по пищеварительному каналу.

Ряд важнейших висцеральных функций связан непосредственно с ретикулярной формацией продолговатого мозга. В ней имеются комплексы клеток, ритмичность деполяризации мембран которых у одной части соответствует фазе вдоха, у другой - фазе выдоха ("вдыхательные" и "выдыхательные" нейроны). На деятельность этих групп нейронов специфическое действие оказывает парциальное давление CO2 в крови. Чем оно выше, тем чаще ритм, и наоборот. Эта автоматическая деятельность может изменять свою активность под влиянием импульсов из различных рецептивных зон, а также в определенной мере произвольным волевым усилием.

Кроме того, в продолговатом мозгу находятся и комплексы нейронов, связанных с регуляцией сосудистого тонуса: одни из них учащают свою деятельность при повышении артериального давления, другие - при его понижении ("сосудосуживающие" и "сосудорасширяющие" нейроны). Нисходящие пути, образованные такими клетками, направляются в спинной мозг, где синаптически контактируют с преганглионарными симпатическими нейронами, обладающими сосудодвигательными функциями. Подобно дыхательным нейронам, клетки сосудодвигательного центра обладают высокой чувствительностью к изменениям химического состава крови.

Функции сосудодвигательного центра тесно связаны с деятельностью группы нейронов, регулирующих работу сердца. Эти нейроны находятся в постоянной тонической активности, которая модулируется влиянием со стороны сосудодвигательного центра. Возбуждение клеток сердечной, области через соответствующие ганглионарные нейроны (главным образом метасимпатической природы) вызывает торможение деятельности сердца.

Нейронные механизмы среднего мозга обслуживают в основном дистантные функции организма - зрение, слух, а также регулируют определенные двигательные процессы. Нейроны последней специализации находятся под непосредственным контролем и влиянием коры больших полушарий и подкорковых ядер. Они образуют систему экстрапирамидных двигательных путей.

Рефлекторная деятельность промежуточного мозга, который включает большое число различных структур, локализующихся вокруг III желудочка (главными среди них являются таламус и гипоталамус), исключительно сложна. Все сенсорные системы, за исключением обонятельной, проходят через ядра таламуса перед вступлением в кору. Помимо проекционных нейронов ядер таламуса, в нем имеются клетки, аксоны которых следуют в другие подкорковые структуры. Комплексы таких нейронов обозначают как неспецифические ядра таламуса. Посредством двусторонних связей с другими подкорковыми структурами таламус регулирует взаимодействие ряда сложнорефлекторных функций, требующих интеграции соматических и вегетативных реакций.

В этом отношении исключительно важное значение принадлежит гипоталамусу. За счет связей со стволовыми структурами мозга и ведущей эндокринной железой - гипофизом - гипоталамус выполняет функцию высшего центра интеграции висцеральных функций, которые далее регулируются симпатическими, парасимпатическими и метасимпатическими частями автономной нервной системы, а также эндокринными влияниями. В этом случае центральные процессы, направляющие деятельность организма на поиск удовлетворения или избегания неблагоприятных ситуаций, обозначают понятием мотивация.

Самой новой в эволюционном отношении структурой нервной системы является конечный мозг. Все поверхности его полушарий покрыты корой большого мозга, образованной серым веществом. Вместе с другими структурами нервной системы кора участвует в регуляции и координации функций организма, играет исключительную роль в психической или высшей нервной деятельности.

Высшая нервная деятельность представляет собой интегративную деятельность высших отделов мозга, обеспечивающую индивидуальное поведенческое приспособление человека и высших животных к изменяющимся условиям внутренней и окружающей среды. При введении этого понятия И. П. Павлов определил его отличие от низшей нервной деятельности. Последняя объединяет совокупность безусловных рефлексов, обеспечивающих координированную деятельность организма, направленную на поддержание постоянства внутренней среды, например уровня кровяного, осмотического, онкотического давления.

Следовательно, высшая нервная деятельность представляет собой аналитико-синтетическую деятельность коры и ближайших подкорковых образований головного мозга. Она проявляется в способности выделять из окружающей среды ее отдельные элементы и объединять их в комбинации, которые точно соответствуют биологической значимости явлений окружающего мира.

Главная структурная особенность коры - огромное число (более 10 млрд.) нейронов. Клетки всех слоев, которые расположены перпендикулярно по отношению к поверхности коры и тесно связаны между собой и подкорковыми образованиями, образуют комплекс, называемый колонкой клеток. Каждая подобная колонка отвечает за восприятие по преимуществу одного вида чувствительности. В коре выделяют сенсорные зоны, к клеткам которых проецируются основные сенсорные системы (вкусовая, слуховая, зрительная и др.), а также моторные зоны, которые посылают команды по пирамидным и экстрапирамидным путям в ствол мозга и в спинной мозг. Клетки этих зон также посылают сигналы к эффекторным нервным клеткам.

Одним из узловых вопросов физиологии высшей нервной деятельности является научение. Сейчас принято различать ряд его форм: 1) облигатное, стимулзависимое (суммация, привыкание, импринтинг, подражание); 2) факультативное, эффектзависимое (условные рефлексы, классические и инструментальные); 3) когнитивное (основанное на образной памяти, элементарной рассудочной деятельности, вероятностном прогнозировании).

Важнейшими принципами интегративной деятельности мозга являются принцип условного рефлекса (И. П. Павлов) и принцип доминанты (А. А. Ухтомский), сочетание которых обеспечивает активно-творческий и высокоадаптивный характер целостного поведения. В качестве главного субстрата управления интегративной деятельностью мозга сейчас рассматривают высшие ассоциативные системы; что касается психики человека, то биологические предпосылки ее формирования зависят от трех видов потребностей - витальных, социальных и идеальных.

Человеческий мозг характеризуется функциональной и межполушарной асимметрией: правое полушарие работает по принципу дедукции, т. е. сначала осуществляет синтез, а затем анализ, левое - по принципу индукции, т. е. сначала анализирует, а затем синтезирует информацию. В формировании речевой деятельности и мышления человека особую роль играют активно развивающиеся в онтогенезе ассоциативные системы больших полушарий мозга.

Барьер между кровью (гемолимфой) и ЦНС независимо возник не менее чем в трех ветвях эволюции: у позвоночных, головоногих моллюсков и высших членистоногих в связи с усложнением функций мозга и возросшей потребностью в чрезвычайно строгом поддержании постоянства его внутренней среды.

У позвоночных основу гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) составляют эндотелиоциты капилляров мозга, соединенные между собой особого рода контактами. Важную роль играют также вещества, секретируемые отростками астроцитов, и энзимы, находящиеся в тканях между кровью и нейронами мозга.

Способность веществ проникать сквозь ГЭБ определяется в первую очередь их растворимостью в жирах; для некоторых других веществ, необходимых мозгу (например, для глюкозы и аминокислот), в барьере существуют системы переносчиков.

На границе между кровью и мозгом есть небольшие по площади, но очень важные участки, в которых функцию барьера выполняет не эндотелий капилляров, а эпендима желудочков мозга. Существуют также пути "обхода" барьера, самым известным (и, тем не менее, малоизученным) у человека является путь, начинающийся на слизистой оболочке полости носа.

ГЭБ не только обеспечивает поддержание особого гомеостаза мозга, но и является сложной коммуникационной системой, связывающей мозг и периферические органы. Эти связи могут осуществляться и без проникновения каких-либо веществ сквозь барьер (например, гормоны могут связываться с рецепторами на внешней стороне барьера). Проникновение сквозь барьер осуществляется в обе стороны (из крови в мозг и из мозга в кровь). Транспортные системы, выносящие вещества из мозга, играют важную роль в поддержании его гомеостаза. Средства, которые применяют для повышения проницаемости ГЭБ (резкое повышение напряжения CO2 или осмотического давления плазмы крови и т. п.), нельзя считать физиологическими - они приводят не к вскрытию, но скорее к взлому барьера.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Айрапетянц М. Г., Вейн А. М. Неврозы в эксперименте и в клинике. М., 1982.

Альтман Я. А. Психофизиологический анализ поэтического вдохновения. СПб., 1994.

Анохин П. К. Биология и нейрофизиология условного рефлекса. М., 1968.

Батуев А. С. Высшая нервная деятельность. М., 1991.

Батуев А. С. Высшие интегративные системы мозга. Л., 1981.

Бериташвили И. С. Избранные труды: Нейрофизиология и нейропсихология / И. С. Бериташвили. Л., 1975.

Бернштейн Н. А. Очерки по физиологии движений и физиологии активности. М., 1966.

Бехтерева Н. П. Здоровый и больной мозг человека. Л., 1988.

Бехтерева Н. П. Магия мозга и лабиринты жизни. СПб., 1999.

Бехтерева Н. П. О мозге человека: Размышления о главном. СПб., 1994.

Блум Ф., Лейзерсон А., Хофстедтер Л. Мозг, разум и поведение. М., 1988.

Брёже М. Электрическая активность нервной системы. М., 1979.

Буреш Я., Бурешова О., Хьюстон Дж. Методики и основные эксперименты по изучению мозга и поведения. М., 1991.

Вартанян Г. А., Пирогов А. А. Эмоциональный анализатор мозга. СПб., 1994.

Вейн А. М., Хехт К. Сон человека: Физиология и патология. М., Берлин, 1989.

Гельгорн Э. Луфборроу Дж. Эмоции и эмоциональные расстройства. Нейрофизиологическое исследование. М., 1966.

Громова Е.А. Эмоциональная память и ее механизмы. М., 1980.

Дельгадо X. Мозг и сознание. М., 1971.

Дьюсбери Д. Поведение животных: Сравнительные аспекты. М., 1981

Карамян А. И. Эволюция конечного мозга позвоночных. Л., 1976.

Кассиль В. Г. Пищевое поведение в онтогенезе. Л., 1990.

Кассиль Г. Н. Наука о боли. М., 1975.

Ковбаса С. И., Ноздрачев А. Д. Информационные характеристики систем нейронов. Л., 1990.

Ковбаса С. И., Ноздрачев А. Д., Ягодин С. В. Анализ взаимосвязи нейронов. Л., 1984.

Костюк П. Г. Физиология центральной нервной системы. Киев, 1977.

Котляр Б. И., Шульговский В. В. Физиология центральной нервной системы. М., 1979.

Кругликов Р. И. Нейрохимические механизмы обучения и памяти. М., 1981.

Крушинский Л. В. Биологические основы рассудочной деятельности. М., 1986.

Куффлер С., Николе Дж. От нейрона к мозгу. М., 1979.

Кэндел Э. Клеточные основы поведения. М., 1980.

Лапицкий В. П. Головные ганглии и двигательная активность насекомых. Л., 1990.

Мак-Фарленд Д. Поведение животных: Психобиология, этология и эволюция. М., 1988.

Милейковский Б. Ю., Ноздрачев А. Д. Торможение двигательной активности. Стволовые механизмы. СПб., 1998.

Ноздрачев А. Д., Поляков Е. Л. Анатомия кошки. СПб., 1998.

Ноздрачев А. Д., Поляков Е. Л. Анатомия лягушки. М., 1994.

Ноздрачев А. Д., Поляков Е. Л" Гнетов А. В. Исследование функций головного мозга: некоторые современные методы. Л., 1987.

Ноздрачев А. Д., Поляков Е. Л., Лапицкий В. П., Осипов Б. С., Фомичев Н. И. Анатомия беспозвоночных: пиявка, прудовик, дрозофила, таракан, рак.

Ноздрачев А. Д., Чумасов Е. Н. Периферическая нервная система. СПб., 1999.

Ноздрачев А. Д.. Чернышева М. П. Висцеральные рефлексы. Л., 1989.

Поляков Г. И. Проблема происхождения рефлекторных механизмов мозга. М., 1964.

Раус С. Устройство памяти. От молекул к сознанию. М., 1995.

Серков Ф. Н. Корковое торможение. Киев, 1986.

Симонов П. В. Мотивированный мозг: высшая нервная деятельность и естественнонаучные основы общей психологии. М.,1987.

Симонов П. В. Эмоциональный мозг. М., 1981.

Слоним А. Д. Инстинкт: загадки врожденного поведения организмов. Л., 1967.

Соколов Е. Н. Нейронные механизмы памяти и обучения. М., 1981.

Сравнительная физиология животных. В 3 т. / Под ред. Л. Проссера. М., 1977.

Ухтомский А. А. Доминанта. М.-Л., 1966.

Физиология поведения. Нейробиологические закономерности / В. П. Бабминдра и др. Л., 1987.

Физиология поведения. Нейрофизиологические закономерности / А. С. Батуев, А. Д. Солоним, П. В. Симонов и др. Л., 1986.

Функциональные системы организма / Под ред. К. В. Судакова. М., 1987.

Хайнд Р. Поведение животных. Синтез этологии и сравнительной психологии. М., 1975.

Хьюбел Д. Глаз, мозг, зрение. М., 1990.

Черниговский В. Н. Интероцепция: Сборник. Л., 1985.

Шаде Д., Форд Д. Основы неврологии. М., 1976.

Шаповалов А: И. Механизмы синаптической передачи. Избранные труды. СПб., 1997.

Шеперд Г. Нейробиология. В 2 т. М., 1987.

Эволюционная физиология. В 2-х ч. / Отв. ред. Е. М. Крепе. Л., 1983. Ч. 2. Руководство по физиологии.

4 ФИЗИОЛОГИЯ СЕНСОРНЫХ СИСТЕМ

ВЕХИ ИСТОРИИ

1756 - М. В. Ломоносов (Россия) в "Слове о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее" высказал гипотезу о достаточности трех основных цветов для получения многообразия цветовых оттенков.

1804 - Е. О. Мухин (Россия), в диссертации "О стимулах, действующих на живое человеческое тело" привел экспериментальные данные о действии раздражителей на органы чувств.

1826 - И. Мюллер (J. Muller, Германия) выпустил монографию "К сравнительной физиологии чувства зрения". В 1837 г. - "Руководство по физиологии человека", в котором обобщил работы по сенсорной физиологии и провозгласил "закон специфических нервных энергий".

1834 - Э. Вебер, (Е. Weber, Германия) установил логарифмическую зависимость между величиной раздражителя и вызываемым ощущением.

1856 - Г. Гельмгольц (Н. Helmholtz, Германия) выпустил "Руководство по физиологической оптике", в 1862 г.- книгу "Учение о слуховых ощущениях как физиологическая основа теории музыки", в 1863 г. обосновал резонансную теорию слуха.

1862-1864 - К. Геринг (К. Hering, Германия) издал серию работ по восприятию пространства с помощью зрения, создал теорию цветового зрения.

1866 - И. М. Сеченов (Россия) в "Физиологии нервной системы" описал "темное мышечное чувства", и его роль в координации движений.

1869 - Г. Фехнер (G. Fechner, Германия) повторил открытие Э. Вебера, которое позднее получило название основного психофизического закона, или закона Вебера-Фехнера.

1860-е - Э. Мах (Е. Mach, Австрия) и И. Брейер (J. Breuer, Австрия) создали теорию вестибулярного восприятия.

1872 - И. Ф. Цион (Россия) на основе экспериментального изучения вестибулярного аппарата выдвинул гипотезу о его роли в восприятии пространства.

1889 - И. Р. Тарханов (Россия) в труде "О гальванических явлениях в коже человека при раздражении органов чувств и различных формах психической деятельности" описал кожно-гальваническую реакцию.

1911 - А. Гульстранд (A. Gullstrand, Швеция) - Нобелевская премия за открытие механизма аккомодации.

1914 - Р. Барани (R. Ваrапу, Австрия) - Нобелевская премия за работы по физиологии и патологии вестибулярного аппарата и его связи со зрительной и проприоцептивной системами.

1928 - К. М. Быков (СССР) описал условный рефлекс с интероцепторов желудка.

1937 - Г. В. Гершуни (Россия) впервые зарегистрировал микрофонный потенциал улитки, исследовал пространственно-временную организацию слуховой системы.

1949 - Д. Хебб (D. Hebb, США) создал теорию инвариантного опознавания образов.

1950 - С. В. Кравков (СССР) установил закономерности изменения зрения под влиянием световых, слуховых, обонятельных и вкусовых раздражителей.

1957 - А. Л. Ярбус (СССР) впервые зарегистрировал движения глаза человека при длительном восприятии изображений.

1958 - Д. Гриффин (D. Griffin, США) в книге "Слушая в темноте" обобщил данные об эхолокации у животных.

1960 - В. Н. Черниговский (СССР) издал монографию "Интероцепторы".

1961 - Д. Бекеши (G. Bekesy, США) - Нобелевская премия за открытие механизма возбуждения в улитке внутреннего уха.

1967 - Р. Гранит (R. Granit. Швеция), X. Хартлайн (Н. Hartline, США), Дж. Уолд (G. Wald, США) - Нобелевская премия за открытие роли палочек и колбочек, превращения зрительных пигментов, процессов кодирования зрительной информации.

1981 - Д. Хьюбел и Т. Визел (D. Hubel, \. Wiesel, США) - Нобелевская премия за открытие закономерностей переработки информации верительной системе.

1987 - Г. Шеперд (G. Shepherd, США) в руководстве "Нейробиология" дал сравнительно-физиологический анализ организации сенсорных систем животных.

Все живые организмы нуждаются в информации об окружающей среде для поисков пищи и особей другого пола и при избегании разного рода опасностей. Для этого они должны ориентироваться в пространстве и оценивать его важнейшие свойства. Эту возможность обеспечивают сенсорные (от лат. sensus - чувство, ощущение, восприятие) системы.

Разнообразные раздражители классифицируют прежде всего по модальности, т. е. по той форме энергии, которая свойственна каждому из них. Так, раздражители делят на механические, химические, тепловые, осмотические, световые, электрические и др. Эти раздражители передаются с помощью различных форм энергии: например, свет - фотонами, химические раздражители - молекулами и ионами, тепловые - с помощью температуры, механические - посредством соответствующей формы энергии.

Кроме того, все раздражители независимо от их модальности подразделяются на адекватные и неадекватные. Адекватность раздражителя проявляется в том, что его пороговая интенсивность значительно ниже по сравнению с неадекватными раздражителями, например воздействие светового и механического стимулов на рецепторы глаза. Ощущение света возникает у человека, когда минимальная интенсивность светового раздражителя составляет 10-17- 10-18 Вт. Но ощущение вспышки можно вызвать и при механическом воздействии на глаз (это явление называют механическим фосфеном). Большинству людей оно знакомо по собственному опыту. Так, механическое давление на глазное яблоко воспринимается как свет, а от резкого удара по глазам "из глаз сыплются искры", хотя никакого света при этом не было. Для возникновения вспышки света механическим путем мощность стимула должна быть более 10-4 Вт. Следовательно, разница между световым и механическим пороговым раздражителями для рецепторов глаза человека достигает 13-14 порядков.

Деятельность любой сенсорной системы начинается с восприятия рецепторами внешней для мозга физической и химической энергии, трансформации ее в нервные импульсы и передачи их в мозг через цепи нейронов, образующих ряд уровней.

Рецепторам принадлежит важнейшая роль в получении организмом информации о внешней и внутренней средах. Благодаря их большому разнообразию в организме животные и человек способны воспринимать стимулы разных модальностей. Процесс передачи сенсорного сообщения сопровождается многократным преобразованием и перекодированием и завершается общим анализом и синтезом (опознаванием образа). После этого происходит выбор или разработка программы ответной реакции организма. Без информации, поступающей в мозг, не могут осуществляться простые и сложные рефлекторные акты вплоть до психической деятельности человека.

Прежде чем перейти к рассмотрению отдельных сенсорных систем, следует остановиться на основных механизмах физиологии рецепции, которые свойственны всем сенсорным модальностям.

4.1. МЕХАНИЗМЫ СЕНСОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И ПРОВЕДЕНИЯ СИГНАЛОВ

4.1.1. Рецепторы и их классификация

Рецепторы представляют собой конечные специализированные образования, предназначенные для трансформации энергии различных видов раздражителей в специфическую активность нервной системы.

Рецепторные клетки отличаются от остальных по крайней мере в двух отношениях. Во-первых, энергия раздражителя служит для них лишь стимулом к запуску процессов, совершаемых за счет потенциальной энергии, которая накоплена вследствие обменных реакций в самой клетке. Во-вторых, рецепторная клетка обладает на выходе электрической энергией, обязательно передаваемой другим клеткам, которые сами не способны воспринимать энергию данного внешнего воздействия.

Основной структурной единицей большинства рецепторных аппаратов является клетка, снабженная подвижными волосками, или ресничками. Эти волоски представляют собой как бы периферические подвижные антенны, действующие подобно усилителям по отношению к воспринимаемым раздражителям и участвующие в трансформации раздражителя в нервную сигнализацию. Волоски содержат в своем составе 9 пар периферических и 2 центральные фибриллы. Центральные фибриллы выполняют опорную роль, а периферические, содержащие миозиноподобные макромолекулы, сокращаются под воздействием АТФ. Благодаря их автоматическим движениям осуществляются непрерывные поиски адекватного стимула и обеспечиваются наилучшие условия для взаимодействия с ним. Следовательно, в одной и той же клетке представлены и соответственно рецепторная, и моторная функции.

Другая сторона деятельности рецепторных элементов заключается во взаимодействии энергии внешнего стимула с поверхностью антенн, которые покрыты мембраной (мембрана образована из двойного слоя липидов, ограниченного с обеих сторон слоем белковых молекул). Специфической особенностью рецепторных мембран является включение в их состав биологически активных веществ - пигментов, ферментов, ацетилхолинэстеразы и др.

Следовательно, общий механизм рецепции слагается из механо-химических молекулярных процессов, обеспечивающих движение антенн, и общих биохимических циклов при взаимодействии специфического стимула с рецепторными мембранами антенн.

Однако не следует думать, что этой схемой ограничивается восприятие стимула рецепторной клеткой. У некоторых рецепторов во взаимодействии со стимулом принимает участие вся клетка (например, хеморецепторные клетки, чувствительные к напряжению кислорода в крови), у других (вкусовые луковицы позвоночных) восприятие осуществляется микроворсинками. В большей части рецепторов кожи, внутренних органов и мышц участки преобразования стимула находятся в окончаниях нервных волокон.

Пороги восприятия высокоспециализированными рецепторами адекватных стимулов чрезвычайно низки. Для возбуждения фоторецептора достаточно одного кванта света, обонятельные рецепторы информируют организм о появлении в атмосфере единичных молекул пахучих веществ, волосковые рецепторы лабиринта способны обнаружить движение примерно такое же малое, как диаметр атома водорода.

По характеру взаимодействия раздражителей всю совокупность рецепторов подразделяют на экстероцепторы, воспринимающие раздражения внешних агентов, и интероцепторы, сигнализирующие о раздражителях внутренней среды. К первым относят такие высокоспециализированные образования, как рецепторы органов слуха, зрения, обоняния, вкуса, осязания; ко вторым - рецепторы внутренних органов. Одной из разновидностей интероцепторов следует считать проприоцепторы (рецепторы опорно-двигательного аппарата).

У экстероцепторов в большей степени выражена так называемая специализация, под которой понимают высокую избирательную чувствительность к адекватному раздражителю (закон специфической нервной энергии Мюллера). Обладая чрезвычайно высокой чувствительностью к адекватному раздражителю, экстероцепторы, как правило, могут реагировать и на неадекватные стимулы, но лишь на очень интенсивные. Поэтому принято считать экстероцепторы мономодальными рецепторными приборами.

Среди интероцепторов также есть мономодальные образования, например хеморецепторы каротидной зоны, предназначенные для химического анализа крови, направляющейся к мозгу. Однако большинство интероцепторов являются полимодальными, т. е. способными реагировать не на один, а на несколько разных по модальности раздражителей, например на температурные, химические и механические. Разница в порогах восприятия адекватных и неадекватных раздражителей у полимодальных рецепторов не столь ярко выражена, как у мономодальных.

Наиболее понятная и удобная классификация рецепторов исходит из различной модальности воспринимаемых ими раздражителей. В соответствии с этим разнообразием все рецепторы живых организмов можно разбить на несколько групп.

1. Механорецепторы приспособлены к восприятию механической энергии раздражающего стимула. Восприятие механического раздражителя необходимо самым низшим организмам, таким как бактерии и простейшие, и высокоорганизованным позвоночным животным. У беспозвоночных они представлены первичной механочувствительностью всей поверхностной мембраны (бактерии, простейшие), а также специализированными рецепторами, выполняющими экстеро- и проприоцептивные функции у многоклеточных. У позвоночных механорецепторы подразделяются на рецепторы кожи, сердечно-сосудистой системы, внутренних органов, опорно-двигательного аппарата и акустико-латеральной системы. Механорецепторную функцию различных тканей и органов выполняют рецепторы ареснитчатого типа, тогда как в акустико-латеральной системе рецепторными клетками являются волосково-реснитчатые. Механорецепторы представляют периферические отделы соматической, скелетно-мышечной, слуховой и вестибулярной сенсорных систем, а также боковой линии.

2. Терморецепторы воспринимают тепло и холод. Они объединяют рецепторы кожи и внутренних органов, а также центральные термочувствительные нейроны. У позвоночных терморецепторы подразделяются на холодовые и тепловые; они обнаруживают тепловое излучение косвенно по его влиянию на температуру кожи. У некоторых позвоночных (гремучие змеи) имеются специализированные рецепторы, непосредственно воспринимающие инфракрасные лучи.

3. Хеморецепторы чувствительны к действию различных веществ. У наземных животных они образуют периферические отделы обонятельной и вкусовой сенсорных систем, тогда как для водных животных эти понятия теряют смысл, что заставляет использовать термин хеморецепция, или химическая чувствительность. Интероцепторы (сосудистые и тканевые) участвуют в оценке химического состава внутренней среды.

4. Фоторецепторы воспринимают световую энергию. Они представлены цилиарными рецепторами, т. е. производными клетки со жгутиком, и рабдомерными, у которых жгутик отсутствует, а собственно фоторецепторная часть клетки образована совокупностью микровилл (микроворсинок).

Электрорецепторы чувствительны к действию электромагнитных колебаний. Они обнаружены в составе боковой линии у круглоротых, пластиножаберных, многих костистых рыб и некоторых хвостатых амфибий. К ним относятся ампулированные и бугорковые электрочувствительные рецепторные органы.

6. Болевые (ноцицептивные) рецепторы воспринимают болевые раздражения. Однако наряду со специализированными нервными окончаниями болевые стимулы могут восприниматься также и другими типами сенсорных аппаратов.

На уровне молекул и клеточных мембран основные рецепторные механизмы в пределах данной модальности имеют много общих свойств у разных типов и видов животных. Однако в зависимости от образа жизни, среды обитания и ряда других биологических факторов рецепторные приборы организмов могут существенно различаться. У некоторых животных организм может быть вообще лишен многих рецепторов, например в случае крайней степени адаптации ленточного червя к паразитическому существованию в кишечнике хозяина. В других случаях живые организмы не могут воспринимать ту или иную модальность или имеют ограниченный диапазон для ее анализа. Например, у человека не обнаружены электрорецепторы, существующие у рыб; нет рецепторов, воспринимающих прямое инфракрасное излучение, как у гремучей змеи; глаз человека не воспринимает поляризацию света, как глаза некоторых насекомых; его ухо не ощущает ультразвуковых колебаний, как слуховой аппарат летучих мышей и многих ночных млекопитающих.

Однако бесспорно, что рецепторные аппараты обеспечивают каждый организм достаточным количеством информации, которая необходима для его нормального существования, так как они приспособлены к восприятию именно тех сигналов, которые существенны именно для данного вида животного.

Важнейшее свойство рецепторов - избирательная чувствительность К адекватным раздражителям. Выраженность этого свойства у тех или иных рецепторных аппаратов обусловлена в значительной мере их структурными особенностями. На основании этого все рецепторы могут быть разделены на

Рис. 4.1 Специализированные первичные (А) и вторичные (Б-Г) рецепторные клетки позвоночных

А - обонятельный рецептор; В - вкусовой; В - фоторецептор; Г - вестибулярный и слуховой: 1 - митральная клетка, 2 - обонятельный клубочек, 3 - обонятельные нити, 4 - аксон, 5 - реснички, 6 - волокна барабанной струны, 7 - микроворсинки, 8 - биполярная клетка, 9 - волокна, 10 - ядро, 11 - внутренний членик, 12 ~ рудимент реснички, 13 - наружный членик, 14 - афферентное нервное волокно, 15 - эфферентный аксон, 16 - наружная волосковая клетка (улитка), 17 - волоски.

две группы: первичные (первичночувствующие) и вторичные (вторичночувствующие) (рис. 4.1).

К первичным относят такие рецепторные аппараты, у которых восприятие действия адекватного стимула осуществляется непосредственно периферическим отростком сенсорного нейрона, который, таким образом, первично встречается с раздражителем. Этот сенсорный нейрон находится на периферии, а не в центральной нервной системе, и представляет собой преобразованный в ходе эволюции биполярный нейрон, на одном полюсе которого расположен дендрит с ресничкой или дендритными отростками, на другом - центральный отросток - аксон, по которому возбуждение передается в соответствующий центр.

К вторичным рецепторам относят такие рецепторы, у которых между окончаниями сенсорного нейрона и точкой приложения стимула располагается дополнительная специализированная (рецептирующая) клетка ненервного происхождения. Возбуждение, возникающее в рецептирующей клетке, передается через синапс на сенсорный нейрон. Следовательно, сенсорный нейрон возбуждается уже не первично внешним стимулом, а опосредованно (вторично) благодаря воздействию рецептирующих клеток. Последние не имеют периферических и центральных отростков, но восприятие стимула у них осуществляется с помощью жгутикообразных волосков.

Первичные рецепторы, впервые появляющиеся уже у кишечнополостных, являются основным универсальным типом рецепторных элементов, с которыми связаны все виды рецепции у беспозвоночных. Интересно отметить, что вторичночувствующие эпителиальные клетки обнаружены в органах гравитации у таких низкоорганизованных животных, как гребневики.

У позвоночных животных первичные рецепторы представлены тканевыми рецепторами и проприоцепторами, а также терморецепторами и обонятельными клетками. К вторичным рецепторам следует отнести рецепторные элементы органов боковой линии (механо- и электрорецепторы), волосковые клетки внутреннего уха, рецепторные клетки вкусовых луковиц и фоторецепторы глаза позвоночных.

4.1.2. Преобразование сигналов в рецепторах

Практически все сенсорные приборы между раздражителем и рецептирующим субстратом имеют вспомогательные структуры. Все они существенно изменяют характеристики раздражающих воздействий, обеспечивают лучшее восприятие стимулов и поэтому играют важную роль в деятельности сенсорных систем.

Вспомогательные структуры могут быть очень сложными, как, например, ухо или глаз, или более простыми - тактильные рецепторы в коже.

Этапы рецепторного акта в первичных и вторичных рецепторах. Через вспомогательные структуры внешний стимул доходит до рецептирующего субстрата, определяющего модальность рецептора, и взаимодействует с ним. Этот первый этап специфического взаимодействия между стимулом и специальными рецепторами на молекулярном уровне еще недостаточно изучен: рецепторные участки очень малы, часто труднодоступны для исследования, а сами процессы взаимодействия протекают чрезвычайно быстро. Однако каковы бы ни были эти механизмы, следствием их является изменение проницаемости плазматической мембраны рецептора.

В качестве второго этапа рецепторного акта в рецепторе рассматривают изменение мембранной проницаемости. Вследствие этого происходит возникновение ионного тока через мембрану (в основном для ионов Na+, а также и для других ионов), создающего на ней локальный электрический потенциал. В результате мембранный потенциал, величина которого составляет -70 мВ, смещается в направлении равновесного потенциала, примерно равного 0. Это изменение мембранного потенциала рецепторной клетки, возникающее под воздействием раздражителя, называется рецепторным потенциалом (РП). А. Ходжкин и А. Хаксли доказали, что проницаемость мембраны для каждого иона обусловлена специальными каналами, позволяющими данному иону свободно проходить через мембрану по градиенту концентрации (см. разд. 1.1). Многие исследователи, работающие в данной области, представляют себе такие каналы, как поры в мембране.

В случае деполяризации мембраны рецептора происходит увеличение проницаемости каналов мембраны для ионов, тогда как при гиперполяризации - закрытие этих каналов. Важно подчеркнуть, что проницаемость мембраны изменяется лишь в той ее точке, где произошло взаимодействие стимула с рецептирующим субстратом. Именно здесь и развивается РП.

Во время возникновения РП внутрь рецепторной клетки входит положительный ток, создаваемый ионами Na+ или Са2+. Для того чтобы цепь была замкнута, ток должен выходить через мембрану наружу. Однако, так как выход его через тот же участок, где находится вход, невозможен, ток пассивно распространяется вдоль волокна и выходит из последнего в области наименьшего сопротивления. Расстояние, на которое распространяется этот ток по волокну рецептора, определяют три фактора: сопротивление цитоплазмы, сопротивление клеточной мембраны и диаметр дендрита. Чем меньше сопротивления цитоплазмы и чем больше диаметр дендрита, тем легче и дальше ток распространяется через внутреннюю среду рецепторной клетки.

Распространение электрического тока, зависящее от постоянного сопротивления и емкости мембраны, называется электротоном. Поэтому пассивное распространение РП вдоль нервного волокна называют электротоническим. Электротоническое распространение РП через дендриты и тело клетки к аксону является третьим этапом рецепторного акта.

Последний, четвертый, этап на рецепторном уровне состоит в перекодировании переданного электрического ответа рецептора в импульсный разряд, или потенциал действия (ПД), в афферентном нервном волокне, который несет в себе информацию для остальных отделов нервной системы.

Потенциалы действия, или нервные импульсы, появляются, когда деполяризующее действие локальных ионных токов достигает некоторого критического уровня в зоне, наиболее приспособленной к возникновению спайков. Их величина составляет +55 мВ. Возникнув, нервные импульсы пробегают в форме волны по нервному волокну. В состоянии же покоя все части поверхностной мембраны поляризованы в равной мере и по аксоплазме или по окружающему ее жидкому внеклеточному проводнику электрический ток не течет. Но изменивший полярность мембранный потенциал активной области (т. е. там, где возникает нервный импульс) создает градиент с уклоном по направлению к участкам нерва, находящимся в покое, и тем самым создает ток. Ток заставляет потенциал этого участка мембраны смещаться в положительную сторону, начиная новый цикл активации.

Таким образом, импульс распространяется от одной точки к другой быстро и непрерывно. Потенциалы действия проводятся по аксону в центростремительном направлении (т. е. ортодромно (от греч. orthos - прямой и dromos - бег), но одновременно электротонически распространяются по телу клетки и ее дендритам антидромно (от греч. antidromeo -бежать в противоположном направлении). Поэтому если установить электрод в теле рецепторной клетки, то будут одновременно регистрироваться и РП, и ПД.

Чаще всего ПД возникает у основания аксона, но возможно его появление и внутри тела клетки, и в нервном волокне. Потенциал действия распространяется по аксону активно, что обусловлено регенеративными механизмами, т. е. самоусилением натриевой проходимости.

Представленные этапы преобразования раздражителя в нервные импульсы относятся к свободным нервным окончаниям и первично-чувствующим рецепторам, в которых возникновение РП и ПД происходит в одном и том же сенсорном нейроне (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Возникновение электрических потенциалов в первичных (А) и вторичных (Б) рецепторах

1, Г - апикальные отростки специальных клеток (обонятельной и вкусовой), 2, 2' - тела специальных клеток, 3 - синапс между специальной клеткой и нервным волокном вторичночувствующего рецептора, 4 - центральный отросток специальной клетки первичночувствующего рецептора (афферентное волокно), 4' - периферический отросток чувствительного нейрона, тело которого расположено на некотором удалении от рецептора (афферентное волокно вторичночувствующего рецептора); / - действие стимула, // - развитие рецепторных потенциалов в рецепторах; .III - развитие генераторного потенциала на постсинаптической мембране вторичночувствующего рецептора,IV - образование потенциалов действия в афферентных волокнах.

Во вторичночувствующих рецепторах РП сам по себе не может быть источником генерации распространяющегося ПД, так как на пресинаптической мембране специализированной рецептирующей клетки отсутствуют электрогенные участки. Поэтому у вторичных рецепторов место протекания специфических трансформационных явлений и область генерации нервных импульсов находятся в разных клетках и сам рецепторный акт протекает сложнее чем в первичных рецепторах.

В нем можно выделить дополнительно несколько звеньев: 1) электротоническое распространение РП от места его возникновения к пресинаптической мембране рецептирующей клетки; 2) выделение там медиатора (например ацетилхолина) под действием РП в синаптическую щель; 3) возникновение возбудительного постсинаптического потенциала (ВПСП) на мембране контактирующего с рецепторной клеткой нервного окончания под действием медиатора-4) электротоническое распространение ВПСП с постсинаптичёской мембраны на участки волокна, обладающие электрогенными свойствами; 5) электрогенные участки мембраны нервного волокна генерируют ПД, распространяющиеся вдоль всего этого волокна и достигающие ЦНС.

Таким образом, во вторичных рецепторах местные потенциалы образуются дважды в течение одного рецепторного акта: РП рецептирующей клетки и ВПСП нервного волокна.

Для того чтобы избежать терминологической путаницы, было предложено называть градуальный электрический ответ рецептирующей клетки рецепторным потенциалом (РП), а постсинаптический потенциал связанного с нею через синапс нервного волокна - генераторным потенциалом (ГП) имея в виду, что он генерирует в нервном волокне потенциалы действия. В первичных рецепторах РП, являясь источником ПД, по существу выполняет функцию генераторного потенциала. Все представленное выше можно изложить в виде схемы рецепторного акта.

Для первичночувствующих рецепторов, этапы: I - специфическое взаимодействие раздражителя с мембраной рецептора на молекулярном уровне- II - возникновение РП в месте взаимодействия стимула с рецептором (следствие изменения проницаемости мембраны рецептора); III - электротоническое распространение РП к аксону сенсорного нейрона; IV - генерация ПД; V - проведение ПД по нервному волокну в ортодромном направлении.

Для вторичночувствующих рецепторов: I-III этапы совпадают с аналогичными этапами первичночувствующих рецепторов, но протекают в специализированной рецептирующей клетке и заканчиваются на ее пресинаптической мембране, IV этап - выделение медиатора пресинаптическими структурами, V- возникновение ГП на постсинаптичёской мембране нервного волокна VI- электротоническое распространение ГП по нервному волокну VII - генерация ПД электрогенными участками этого волокна; VIII - проведение ПД по нервному волокну в ортодромном направлении.

Данную схему рецепторного акта в основном принимает большинство исследователей, но некоторые ее детали пока еще недостаточно обоснованы экспериментально.

Основные свойства рецепторного потенциала и потенциалов действия. Систематические исследования функционирования рецепторов (с помощью электрофизиологических методов) стали проводиться с начала XX в., но и по сей день первичные трансформационные процессы, протекающие в различных рецепторах остаются малоизученными. Основные работы в этом направлении были выполнены на первичных механорецепторах (мышечные веретена, рецепторы растяжения ракообразных, тельца Пачини) и фоторецепторах беспозвоночных. Именно в этих исследованиях и были выяснены наиболее важные свойства РП и ОД.

Прежде всего следует подчеркнуть, что РП является градуальным и его амплитуда зависит от интенсивности стимула. Для многих рецепторов установлена логарифмическая зависимость между силой раздражителя и амплитудой РП. Однако встречаются рецепторы, кривая зависимости амплитуды локальной деполяризации которых от величины воздействия носит 8-образный Характер В рецепторном потенциале обычно можно различить два компонента:

быстрый и медленный. Быстрый возникает в момент нанесения раздражения (оn-ответ), медленный в период его стационарного действия. Соотношение между ними, равно как и временное течение РП, определяется при прочих равных условиях адаптационными свойствами рецепторов.

Потенциал действия в отличие от РП развивается по правилу .все или ничего". Очень слабый стимул не вызывает ПД; для этого нужен стимул определенной минимальной (пороговой) силы. Однако на величину ПД, т. е. на его амплитуду сила стимула не влияет. Даже если удвоить или утроить силу надпорогового раздражителя, ПД будет оставаться прежним. Поэтому стимул либо вызовет полный ПД, либо совсем не вызовет его.

Во многих рецепторах временные параметры РП определяются в основном временными параметрами, стимула, т. е. этот потенциал существует в течение действия раздражителя. Однако в некоторых, быстро адаптирующихся рецепторах, таких как тельца Пачини, медленный компонент ответа практически отсутствует. Помимо динамической реакции рецептора на включение раздражителя (оn-ответ) часто возникает и динамический ответ на выключение воздействия (оff/ответ). Его возникновение в значительной степени обусловлено механическими свойствами вспомогательных структур и для телец Пачини зависит от упругих свойств многослойной капсулы рецептора. Длительность же ПД обусловлена прежде всего электрогенными и кабельными свойствами нервного волокна и не зависит от параметров стимула.

Рецепторный потенциал распространяется по нервному волокну пассивно электротоническим путем и с декрементом, т. е. амплитуда его постепенно понижается. Потенциал действия распространяется по аксону активно, что обусловлено регенеративными механизмами, т. е. самоусилением натриевой проводимости. Благодаря этому ПД обладает порогом возбуждения, создает короткую рефрактерность (т. е. невосприимчивость нерва к новому раздражению) и характеризуется постоянством амплитуды при распространении на большие расстояния. Такой способ проведения называется бездекрементным проведением и составляет главную особенность аксона, отличающую его, например, от пассивного проводника электрических сигналов.

Таким образом, наиболее отличительными чертами РП по сравнению с потенциалами действия являются зависимость его параметров (амплитуды, длительности, скорости нарастания и спадения и т. д.) от различных характеристик раздражающего воздействия, а также декрементный характер распространения.

Спонтанная активность рецепторов. Для многих рецепторных структур, например таких, как волосковые механорецепторы, некоторые хемо- и электрорецепторы и др., характерно наличие фоновой, или спонтанной, активности. Она, по-видимому, связана с флуктуационными изменениями мембранного потенциала, спонтанно происходящими в рецепторных клетках, что находит свое отражение в колебаниях амплитуды РП и генерации ПД при отсутствии стимуляции. На первый взгляд это может показаться бесполезным, но в действительности дает ряд важных преимуществ перед рецепторами, не обладающими фоновой активностью. Главное из них состоит в повышении чувствительности рецептора. Очень слабый стимул, который сам по себе не может вызвать деполяризацию, повышает частоту импульсных разрядов. Это означает, что не существует подпорогового стимула: любое малое его усиление меняет частоту разряда.

Другое преимущество спонтанной активности рецептора заключается в возможности кодировать изменения в обоих направлениях, в сторону усиления импульсации и в сторону ее уменьшения.

Таким образом, спонтанная активность не только обеспечивает высокую чувствительность, но и позволяет определять, в каком направлении изменяется стимул.

Чрезвычайно низкие пороги возникновения возбуждения, существующие практически у всех высокоорганизованных рецепторов, а также наличие спонтанной активности у многих из них заставляют предполагать стационарное неустойчивое состояние всех возбудимых систем этих сенсорных образований.

4.1.3. Адаптация рецепторов

Постоянно действующий стимул лишь в редких случаях создает в рецепторах постоянный уровень возбуждения на неопределенный срок. Чаще при длительном раздражении возбуждение слабеет в большей или меньшей степени. Это явление называется адаптацией рецепторов. В его основе лежат весьма сложные процессы, протекающие в рецепторах и в центральных отделах нервной системы. Субъективно адаптация проявляется по отношению к воздействию постоянного раздражителя. Например, войдя в прокуренное помещение, человек через несколько минут перестает ощущать столь резкий вначале запах табака. Точно так же мы не замечаем непрерывного давления на кожу привычной одежды или яркого света, который вначале нас ослепляет.

В зависимости от способности изменять свою активность в ходе действия длительного раздражения все рецепторы могут быть разделены на две группы: быстро адаптирующиеся, или фазные, и медленно адаптирующиеся, или тонические (рис. 4.3). Существует также и промежуточный тип рецепторов - фазно-тонические.

фазные рецепторы возбуждаются в начальный и конечный периоды деформации их мембран при низких (тактильные рецепторы) и высоких (фонорецепторы) частотах механического раздражения. Примером очень быстро адаптирующегося рецептора может служить тельце Пачини, генерирующее всего один-два импульса (оn-ответ) в момент начала действия стационарной деформации и один-два ПД (оff-ответ) в момент выключения раздражения.

Рис. 4.3 Реакции фазных (А), тонических(Б) и фазно-тонических (В) рецепторов при стационарном раздражении

1 - рецепторный потенциал, 2 - спайковая активность, 3- фазный компонент рецепторного потенциала, 4 - тонический компонент рецепторного потенциала; вверху- отметка раздражения

Тонические рецепторы возбуждаются в течение всего периода деформации их мембран. В начальный момент действия раздражителя наблюдаются высокочастотные разряды, после которых импульсация останавливается на более низком уровне соответственно величине приложенного давления и сохраняется в течение всего времени действия раздражителя. Примером тонического рецептора является медленный рецептор растяжения у ракообразных, активность которого может сохраняться на одном уровне в течение нескольких часов.

В фазно-тонических рецепторах электрические процессы регистрируются все время, пока длится раздражение, однако амплитуда РП и частота ПД резко снижаются при длительном его воздействии. Рецепторный потенциал таких рецепторов имеет два четко выраженных компонента: начальный - фазный, последующий - тонический.

Таким образом, организм, имея в своем составе все три типа рецепторов, получает информацию о начальных и конечных моментах воздействия раздражителя, а также о его силе и длительности.

На основе деятельности тонических рецепторов может постоянно анализироваться и прослеживаться уровень сенсорного воздействия. Разный тип реагирования обеспечивает возможность отражать моменты изменения этого уровня, а фазно-тонический - объединяет в себе те и другие свойства.

Адаптационные процессы в рецепторах могут определяться внешними и внутренними факторами. В качестве внешнего фактора в механизме адаптации могут выступать свойства вспомогательных структур. Например, как показали специальные эксперименты, основной причиной быстрой адаптации телец Пачини являются свойства вспомогательных структур (капсулы рецептора), которые не пропускают к нервному окончанию статической составляющей раздражающего действия. Динамическая же составляющая стимула хорошо проходит через элементы капсулы, хотя и уменьшается несколько по амплитуде. Однако после удаления капсулы рецептор начинает вести себя как тонический и генерировать РП в течение действия достаточно продолжительного стимула.

Внутренние факторы механизма адаптации связаны с изменениями физико-химических процессов в самом рецепторе. Сравнительный анализ характеристик мембранных ионных каналов быстро адаптирующихся и медленно адаптирующихся волокон свидетельствует о различии их натриевых и калиевых систем. Различный набор этих ионных каналов может, по-видимому, определять фазный или тонический тип активности сенсорного прибора.

В явлениях адаптации важную роль могут играть также эфферентные влияния от расположенных выше нервных центров. При наличии тормозной эфферентной регуляции процессы адаптации в рецепторах ускоряются. Например, стационарная импульсация, поступающая от центров к рецепторам .растяжения ракообразных, способна превратить ответ тонического рецептора в фазный.

Таким образом, для адаптации рецепторов нет единого общего закона и. в каждой сенсорной системе может быть свое сочетание факторов, которое и определяет изменение возбудительного процесса.

4.1.4. Сенсорные пути

Выше было показано, что в рецепторах происходит преобразование сигналов в нервные импульсы, которые по соответствующим сенсорным нервам направляются в ЦНС. Для нее характерна передача сенсорной информации через ряд центров, в каждом из которых существуют условия для переработки сигналов и их интеграции с другими типами информации.

Центральные пути бывают нескольких видов. Одни оценивают главным образом физические параметры стимула и преимущественно передают сигналы от рецепторов одного типа. Поэтому их называют специфическими сенсорными

Рис. 4.4 Общая конструкция нейронных переключении в сенсорных системах А - простая конструкция; Б - более сложная конструкция: 1 - рецепторы, 2 - периферические чувствительные нейроны, 3 - низшая переключательная инстанция, 4 - средняя инстанция, 5 - высшая переключательная инстанция в коре.

путями. Другие вследствие дивергенции их волокон и конвергенции с другими входами становятся все более мультимодальными, или неспецифическими. Неспецифические структуры мозга имеют особое значение для поддержания общего уровня возбудимости мозговых аппаратов. Третьи - ассоциативные таламокортикальные пути с их проекцией в соответствующие области коры больших полушарий - связаны с оценкой биологической значимости стимулов. Показано, что с деятельностью таламокортикальных ассоциативных систем связана межсенсорная интеграция.

Следовательно, сенсорная функция осуществляется на основе взаимосвязанной деятельности специфических, неспецифических и ассоциативных образований мозга, которые и обеспечивают формирование поведенческого статуса всего организма.

Одним из существенных факторов эволюции сенсорных систем является постепенное формирование многоканальности передачи сигнализации в высшие этажи мозга (рис. 4.4). Это свойство определяется уже на рецепторном уровне в виде специализации отдельных элементов, а в дальнейшем по мере филогенетического развития организмов все большее число специализированных каналов передачи может быть выделено в пределах одной и той же сенсорной системы. Чем большее число каналов существует в пределах данной сенсорной системы, тем большее число переключении характерно для каждого канала. Вся система переключении строится так, чтобы обеспечить и точную связь однозначных элементов на всех уровнях и более широкое взаимодействие между всеми элементами каждого уровня. При такой организации нейрон не нуждается в особых сигнальных признаках приходящей к нему импульсации, отражающих качественные свойства раздражителя. Приход к нейрону любого по форме сигнала обеспечит лишь то ощущение, за которое ответственна эта нервная клетка.

Рис. 4.5 Некоторые общие принципы организации сенсорных сетей А - нейрон.

Многоканальность передачи сигнализации подразумевает наличие в пределах каждого из каналов соответствующих релейных аппаратов, где происходит дальнейшая обработка импульсного потока, т. е. предполагает многоуровневый или многоэтажный характер передачи сенсорных сообщений, причем чем большее число каналов расположено в пределах данной сенсорной системы, тем большее число таких переключении характерно для каждого из них.

Пути развития принципов многоканальности и многоуровневое в сенсорных системах иллюстрирует схема (см. рис. 4.4), из которой следует, что строение системы переключении обеспечивает и точную связь однозначных элементов на всех уровнях, и возможно более широкое взаимодействие между всеми элементами каждого уровня. Эти оба механизма необходимы для неискаженной передачи сведений об отдельных признаках и деталях наряду с объединением их при формировании целостного образа.

Однако установлено, что в пределах сенсорных систем существуют афферентные каналы срочной передачи информации (без переключении) в высшие мозговые центры. Считают, что по этим каналам осуществляется преднастройка высших мозговых центров к восприятию последующей информации. Появление таких каналов у высокоорганизованных животных и человека отражает общую тенденцию в совершенствовании конструкции мозга и повышении надежности его сенсорных систем.

В действительности надежность обеспечивается более сложным путем благодаря частичному взаимному перекрытию нейронов. Концевые разветвления одного и того же нейрона подходят к нескольким нейронам следующего уровня (дивергенция, мультипликация). Но тот же нейрон может устанавливать контакты, получая импульсацию сразу от нескольких нейронов предыдущего уровня переключения (конвергенция) (рис.4.5).Таким образом, наличие ряда уровней в сенсорных системах, каждый из которых работает по принципу дивергенции и конвергенции, выявляет возможность многомерной пространственной упорядоченности расположения нейронов, избирательно реагирующих на набор простых признаков сенсорных стимулов и поэтапную обработку информации.

Одной из общих черт организации сенсорных систем является принцип двойственной проекции их на кору больших полушарий. Этот принцип тесно связан с многоканальностью организации проводящих систем и заключается в существовании двух различных типов корковых проекций. В самой общей форме их можно разделить на первичные и вторичные проекции. Как правило, корковые проекции окружены ассоциативными корковыми зонами той же сенсорной системы.

В каждой сенсорной системе наряду с восходящими (афферентными) путями находятся и нисходящие (эфферентные, центрифугальные) пути. Восходящие и нисходящие волокна в сенсорных системах, переключаясь в одних и тех же мозговых центрах, теснейшим образом связаны друг с другом, что дает им возможность функционировать в надежном взаимодействии.

Наличие у различных стволовых и таламических образований сенсорных систем входов нисходящих путей указывает на то, что эти образования не следует рассматривать как просто релейные станции. В своей совокупности они представляют собой не пассивный канал линии связи, а являются аппаратами, где может осуществляться управление процессом передачи афферентной импульсации с нижележащих уровней на вышележащие.

Таким образом, существование нисходящих путей и их функциональная значимость позволяют признать наличие общего принципа обратных связей для всех сенсорных систем.

Нисходящие связи, по-видимому, выполняют роль "настроечной" функции, и данная функция должна быть тесно связана с аппаратом межсенсорной интеграции.

Рассмотрение процессов регуляции в сенсорных системах с точки зрения интегративной деятельности целого мозга позволяет представить нисходящие пути не только как систему внутрисенсорных связей, но и как систему общего конечного пути к рецепторным образованиям.

Учитывая многоканальность и многоуровневость организации любой сенсорной системы и существование специфического и ассоциативного каналов проведения информации, в пределах сенсорной системы можно выделить следующие уровни: рецепторный, стволовой, таламический и кортикальный. Оба канала связаны двусторонними взаимоотношениями внутри одного уровня и межуровневыми. Ассоциативный канал на всех его уровнях получает афферентацию от специфического канала и с помощью обратных связей может регулировать деятельность последнего.

Управляющая роль ассоциативных структур и функциональная значимость обратных связей при обработке афферентного потока свидетельствуют о том что неотъемлемой частью процессов распознавания являются механизмы фильтрации. Последние возникают за счет целенаправленного взаимодействия прямых и обратных функциональных связей. При этом они обобщенно отражают комплекс функциональных операций, преобразующих информацию к некоторому виду, который обеспечивает дальнейшую и эффективную обработку.

Такое множество операций организуется за счет кортикального управления афферентным потоком в специфическом канале. Направленность подобного рода управляющих воздействий обеспечивается процессом избирательного внимания к некоторому набору биологически значимых признаков, характеризующих ситуацию.

Таким образом, вектор эволюции периферических и центральных звеньев сенсорных систем направлен на развитие способности животных получать все большую информацию об окружающей среде, все более подробно анализировать признаки сложных раздражителей, выявляя из них такие, которые выделяют адаптивное поведение и ориентацию в пространстве.

4.1.5. Сенсорное кодирование

Механические, химические, световые и другие раздражители, имея разнообразную природу и неся многостороннюю информацию об окружающей среде, преобразуются рецепторами в универсальные для мозга сигналы - нервные импульсы. В технике отображение одного сигнала другим принято называть кодированием. Следуя этой терминологии, можно говорить, что рецепторы кодируют информацию о среде, т. е. преобразуют сигналы, не воспринимаемые мозгом, в другие сигналы, "понятные" ему.

Какие же свойства раздражителя любой модальности способны преобразовывать и передавать рецепторные приборы в высшие центры? Прежде всего это относится к качеству раздражителя, а затем к его количественным характеристикам: изменению, интенсивности, временным показателям и пространственным признакам. Во всех этих преобразованиях участвуют не только рецепторы, но и следующие за ними цепи и центральные отделы нервной системы.

Кодирование качества. Очевидно, что различение действующих на организм внешних сил по их физической и химической природе происходит уже при первой встрече с ними соответствующих рецепторов. Это различение достигается избирательной чувствительностью рецепторов к определенной адекватной для них модальности раздражителя и исключительно низкими порогами возбуждения. Например, глаз раздражается светом, но не реагирует на звук, к которому чувствительно ухо, безразличное к свету. Однако встает вопрос: каким же образом мозг "узнает" модальность действующего стимула, т. е. распознает свет и звук, прикосновение и химическое воздействие? Если потенциалы действия всех нервных волокон в принципе одинаковы, то почему раздражители разных модальностей ощущаются не одинаково?

На первый взгляд ответ кажется очевидным - к каждому виду раздражителей приспособлены соответствующие рецепторы, связанные с вполне определенными отделами ЦНС. Однако в настоящее время установлено, что даже на уровне рецепторов в пределах одной и той же модальности существует своя специализация. Так, области поглощения трех цветовых пигментов в наружных сегментах колбочек у приматов хотя и перекрываются, но каждый рецептор имеет свои характерные максимумы. Или, например, вкусовые рецепторы способны в разной мере отвечать на различные по вкусовым качествам стимулы.

Таким образом, анализ отдельных признаков сенсорных стимулов в нервной системе не может быть основан на показании одного рецепторного элемента, а должен осуществляться их совокупной деятельностью.

Сенсорный проводящий путь состоит из ряда модально-специфических нейронов, соединенных синапсами. Такой принцип организации получил название меченой линии, или топической организации. Этот принцип заключается в пространственно упорядоченном расположении нейронов на различных уровнях сенсорных систем соответственно характеристикам их рецептивных полей.

Понятие рецептивное поле имеет важное значение в сенсорной физиологии. С морфологической точки зрения, рецептивное поле - это тот участок рецепторной поверхности (например, кожи, сетчатки глаза и т. д.), с которым данная нервная структура (волокно, .нейрон 1-го, 2-го, ..., n-го порядка) связана анатомически, т. е. жестка.

При функциональном подходе рецептивное поле - понятие динамическое означающее, что один и тот же нейрон в различные отрезки времени в завись мости, например, от характеристики раздражения может оказаться связанным с различным числом рецепторов. Максимальная величина рецептивного поля нейрона в этом случае определяется его анатомическими связями, а минимальная - может ограничиваться ВСЕГО одним рецептором.

Свойства рецептивных полей отражают возрастающую степень переработки информации и извлечения признаков, которое происходит в нейронах на все более высоких уровнях сенсорных путей.

Наличие дивергирующих и конвергирующих структурных связей могло бы вызывать обширнейшую иррадиацию возбуждения, тогда как слабый сенсорный стимул должен был бы запустить цепную реакцию нейронной сети всего мозга. Однако этого не происходит благодаря явлению латерального торможения, которое ограничивает иррадиацию возбуждения и тем самым обусловливает наличие рецептивных полей у центральных нейронов и, следовательно, топическую организацию сенсорных систем. Механизм латерального торможения основан на реципрокном тормозном взаимодействии между рецепторными элементами и между нейронами более высокого порядка.

За счет латерального торможения обеспечиваются избирательный характер реагирования нейронов при воздействии на определенные участки рецепторной поверхности и ее пространственно упорядоченная проекция в целом.

Принципу меченой линии до недавнего времени противопоставляли теорию "структуры ответа", согласно которой рецепторы кодируют качественные особенности раздражителей структурой импульсного ответа. Эта теория предполагала отсутствие жестких связей между рецепторами и соответствующими центральными нейронами; Основанием для нее послужило наблюдение, что кодирование информации осуществляется не одиночными импульсами, а группой равномерно следующих ПД. При этом появляется возможность использовать в качестве сигнальных признаков такие дополнительные параметры выходных сигналов, как частота импульсации или продолжительность межимпульсных интервалов.

Для неравномерно следующих импульсов сигнальными признаками могут служить число импульсов в "пачке" или продолжительность пачек, а также интервалы между ними и периодичность их следования. Возможности такого кодирования безграничны, так как вероятны самые разнообразные вариации с пачками импульсов. Пространственно-временные распределения электрической активности нервных волокон принято называть паттернами.

Разнообразные качества стимулов, согласно этой теории, отображаются характерными "узорами" паттернов. Нейроны способны расшифровывать эти сигналы и в зависимости от их структуры формировать ощущения, которые соответствуют раздражителям, кодируемым определенными паттернами.

Нейрон, реагируя по-разному на различные паттерны, может участвовать в выполнении нескольких функций, причем каждый оттенок качества ощущений возникает в результате деятельности комплекса нейронов, образующих динамические ансамбли. Возникновение того или иного нейронного ансамбля зависит от характера паттернов, пришедших от рецепторов.

Различия в организации сенсорных систем по принципу меченой линии и в соответствии с теорией структуры ответа можно сравнить с путями развития телефонной связи. Прежде каждый провод телефонной сети связывал между собой лишь двух абонентов. Теперь по одному проводу могут вести переговоры десятки пар абонентов, так как сигналы на выходе телефона каждого абонента имеют свой код.

Экспериментальные исследования проблемы кодирования сенсорной информации привели к выводу, что невозможно 'объяснить всякое различение качества раздражителей лишь одной теоретической схемой. Для каждой основной модальности эволюция нашла свое решение в соответствии с физическими свойствами различаемых стимулов. Оказалось, что одни качества распознаются сенсорными системами, функционирующими по принципу топической организации, другие - кодируются паттернами. Так, распознавание многих качеств зрительных образов осуществляется мечеными линиями, а вкусовые раздражители кодируются паттернами.

Важной задачей, стоящей перед исследователями механизмов и способов кодирования информации рецепторными аппаратами, является количественная оценка информационных процессов.

Кодирование интенсивности. Количественный анализ раздражителей внешнего мира начинается со сравнительной оценки их интенсивности - более сильное раздражение вызывает более сильное ощущение. Так как частота афферентной импульсации зависит от амплитуды рецепторного потенциала, а она, в свою очередь, пропорциональна интенсивности раздражителя, то кодирование интенсивности стимула осуществляется посредством изменения частоты следования нервных импульсов от рецепторов в мозговые центры. Увеличение интенсивности раздражителя отображается в повышении частоты импульсной активности.

Как правило, между интенсивностью стимула и частотой потенциалов действия существует логарифмическая зависимость, т. е. ощущения увеличиваются пропорционально логарифму интенсивности раздражения. Это выражение получило название закона Вебера-Фехнера (психофизический закон).

За счет логарифмического преобразования интенсивности рецепторы как бы сжимают информацию в нервных каналах связи, что обеспечивает высокую точность оценки интенсивности при малых ее изменениях. Предполагают, что логарифмическое преобразование информации в рецепторах облегчает ЦНС анализ и синтез сенсорной сигнализации.

Кроме того, способом кодирования интенсивности сенсорных стимулов является кодирование числом нервных элементов, участвующих в ответе. Этот способ кодирования имеет существенное значение, так как не все афференты обладают одним и тем же порогом возбуждения. Разница в порогах возбуждения обусловлена или различием генераторных потенциалов у рецепторов, или различием в легкости запуска механизма генерации импульсов, но так или иначе одни чувствительные волокна активируются при более слабых стимулах, чем другие.

Благодаря разнопороговым элементам зависимость количества рецепторов от интенсивности стимула будет иметь существенно большее значение для динамического диапазона, чем для одного нейрона. Есть основания полагать, что ЦНС "считывает" интенсивность по числу реагирующих элементов, умноженному на среднюю частоту импульсации.

Таким образом, изменения интенсивности раздражителя отображаются колебаниями частоты импульсации в отдельных афферентных волокнах и количеством каналов связи, по которым сигнализация поступает в мозг.

Пространственное кодирование. В некоторых сенсорных системах естественная стимуляция рецепторов характеризуется тем или иным распределением локальных стимулов. Способность определять место или конфигурацию стимулов называется пространственным различением.

Наиболее простым способом воспроизведения пространственного расположения стимулов на рецептирующей поверхности является поточечное нанесение их на поверхность в ЦНС. Топическая (от греч. topos - место, положение) организация сенсорных систем свидетельствует о многоканальной передаче сигнализации в высшие этажи мозга. Но каждый отдельный канал связи собирает информацию с более или менее широкой рецептивной области, а кроме того, рецептивные поля смежных элементов часто перекрываются. Это перекрытие, во-первых, обеспечивает надежность функции, так как она всегда представлена большим числом элементов, а во-вторых, позволяет стимулам малой амплитуды вступать в контакт с более чувствительными рецепторами, а также вовлекать в возбуждение другие, менее чувствительные рецепторы.

В зрительной и слуховой системах удалось выделить афферентные каналы, пространственно разнесенные в центральных структурах и связанные с обработкой информации о локализации источника раздражения и его перемещения, а также о хроматических и частотных качествах сигнала.

.Способность оценивать направление воздействия стимула присуща и самим рецепторам. Она выражается в том, что рецептор максимально возбуждается при каком-то определенном направлении действия стимула, а при другом не только не возбуждается, но даже тормозится. Например, импульсация в волосковых механорецепторах боковой линии рыб. Обладающих в покое фоновой активностью, усиливается при движении жидкости в канале в одном направлении, вызывая деполяризацию, и угнетается при обратном токе, вызывая гиперполяризацию.

Чувствительность к направлению раздражения отмечена для тканевых механорецепторов (тельце Начини), а также для электрорецепторов в различной реакции на действие катода и анода. Причинами направленной чувствительности рецепторов являются, по-видимому, особенности их микроструктуры, а также наличие полярной организации и строгой ориентации молекул воспринимающего субстрата.

Временное кодирование. Обсуждение оценки времени невозможно отделять от других аспектов кодирования. В самом общем виде частота нервных разрядов - это универсальная переменная величина, которая измеряется во времени. Кодирование информации, как правило, осуществляется группой равномерно следующих импульсов. При этом появляется возможность использовать в качестве сигнальных признаков такие временные параметры выходных сигналов, как частота импульсации или продолжительность межимпульсных интервалов. При неравномерно следующих импульсах сигнальными признаками могут служить число импульсов в пачке или продолжительность пачек, а также интервалы между ними.

Для временного различения двух раздражителей также необходимо, чтобы вызванные ими нервные процессы не сливались во времени и чтобы сигнал, вызванный последующим стимулом, не попадал в рефракторный период от предыдущего раздражения.

Помимо временных интервалов и длительности существуют и другие аспекты сенсорной стимуляции, связанные с временем. Они относятся к адаптационным процессам в рецепторах. Как было описано выше, адаптация определяет профиль ответа нервных элементов в зависимости от временной размерности.

Таким образом, уже на уровне рецепторов осуществляется первичное кодирование качества стимулов и их количественных характеристик: переход из присущей им формы физической и химической энергии в форму нервных импульсов. Преобразованные сообщения поступают на следующий уровень сенсорной системы, где подвергаются дальнейшим преобразованиям, приводящим к изменению кода. Однако ни на одном из уровней сенсорной системы не происходит восстановление стимула в его первоначальной форме, т. е. декодирование. Этим физиологическое кодирование отличается от большинства технических систем связи, где сообщение, как правило, восстанавливается в первоначальном, декодированном виде.

4.2. СОМАТИЧЕСКАЯ СЕНСОРНАЯ СИСТЕМА

Кожа или какой-либо другой наружный покров, отделяющий тело от внешней среды, существует у каждого организма. Через этот наружный покров и его производные животные получают информацию о физических изменениях среды, воздействиях со стороны других живых организмов и различных предметов. Покровы представляют собой сложные по структуре образования и выполняют многообразные функции: защитную, выделительную, обменную, дыхательную и др. Одной из них является сенсорная рецепция.

У беспозвоночных сенсорная функция покровов сводится в основном к дистантной тактильной рецепции механических раздражителей. Соматическая сенсорная система позвоночных животных в своем составе содержит три категории рецепторов, реагирующих на разные модальности раздражителей. Наиболее примитивной является болевая, или ноцицептивная, рецепция стимулов, которая сигнализирует о возможности повреждения организма. Второй вид рецепции - способность чувствовать окружающую температуру. Восприятие этих раздражителей осуществляется терморецепторами. И наконец, третьим видом рецепции покровов является механорецепция, или тактильная чувствительность, реагирующая на разные виды механических стимулов (прикосновение, давление, вибрация и др.).

4.2.1. Соматическая сенсорная система беспозвоночных животных

Формирование всех типов животных происходило в водной среде. Эта среда обладает рядом специфических свойств, которые наложили отпечаток на развитие всех фундаментальных систем организмов, в том числе и на сенсорные. При движении, объектов в водной среде возникают сложные физические явления. Ввиду малой сжимаемости воды вблизи движущегося объекта происходит смещение частиц среды - так называемый эффект ближнего поля.

Мелкие подвижные организмы, обладающие ритмически работающими органами (мембраны, жгутики, реснички, плавники и др.), в силу большой амплитуды колебаний и высокой плотности воды являются эффективными источниками ближнего поля. Отсюда становится очевидным, что уже первые живые организмы сталкивались с эффектами ближнего поля и могли выработать рецепторную систему для их восприятия, чтобы успешно ориентироваться в среде, населенной другими организмами. Способность обнаруживать подвижные объекты на расстоянии создавала явные преимущества в пищевом и оборонительном поведении,

Рис. 4.6 Дистантные механорецепторы гидроидных полипов

А - гидроидный полип с пятью ярусами булавовидных щупалец и одним ярусом нитевидных щупалец; Б - реакция изгибания полипа в сторону механического раздражения одного из щупалец; В - продольный разрез через верхушку нитевидного щупальца (видны торчащие наружу реснички механорецепторов).

и неудивительно, что такая рецепторная система возникла уже на самых ранних этапах эволюции. Она свойственна уже бактериям и простейшим.

Хорошо известны реакция реверсии (изменение на противоположное) направления движения бактерий при приближении к препятствию или направленное перемещение по (или против) градиента силы тяжести. У инфузорий слабое тактильное раздражение вызывает местную реакцию реверсии биения ресничек, а при большой интенсивности раздражения возникает направленная реакция избегания стимула. Эта реакция может быть вызвана при раздражении любой части тела простейшего. Реакция на тактильную стимуляцию связана у них с первичной механочувствительностью всей поверхностной мембраны.

При механической стимуляции поверхности мембраны простейших возникает градуальное де- или гиперполяризационное изменение мембранного потенциала, распространяющееся во все стороны с декрементом, которое можно рассматривать как РП. При достижении определенной амплитуды рецепторный потенциал переходит в спайковый, распространяющийся без декремента и вызывающий реверсию биения ресничек или сокращения тела. Генерация спайков происходит в любом участке тела клетки, где амплитуда РП достигла надпорогового уровня. Предполагают, что первичные механорецепторные процессы приводят к высвобождению ионов кальция, в покое связанных мембранным матриксом, которые активируют АТФазную систему актомиозиновых комплексов сократительных органелл.

У многоклеточных беспозвоночных животных начиная с кишечнополостных уже существует специализированная сенсорная система, способная к восприятию смещений ближнего поля. В ходе эволюции она совершенствуется в связи с необходимостью обеспечения пищевого, полового и оборонительного поведения или ориентации по отношению к водным и воздушным потокам.

Гидроидные полипы реагируют на проплывающих мимо рачков изгибанием тела и щупалец в направлении добычи и последующим ее захватом. В этом случае стимулом служат низкочастотные смещения частиц воды в ближнем поле, к которым полипы очень чувствительны. Пороговая величина смещения составляет всего 2-3 мкм. Рецепторами являются гиподермальные чувствительные клетки, несущие на дистальном конце длинную ресничку (рис. 4.6).

Рис. 4.7 Строение механорецепторной трихоидной сенсиллы (А) и ее электрический ответ на изгиб волоска (Б)

1 - аксон рецепторного нейрона, 2 - сочленованная мембрана, 3 - волосок, 4 - кутикула, 5 - дендрит, в - клетка, образующая сочленованную мембрану, 7 - трихогенная клетка, 8 - клетка эпидермиса, 9 - нейрон; на осциллограмме регистрируются медленный рецепторный потенциал (отклонение основной линии вниз) и быстрые колебания потенциала действия;

стрелкой обозначено начало раздражения.

Эти клетки расположены диффузно на поверхности щупалец. Реснички торчат наружу и непосредственно подвергаются действию внешнего стимула. Эти рецепторы еще не имеют нейрита и, по-видимому, передают возбуждение прямо на соседние эпителиально-мышечные клетки. В ответ на раздражение гиподермальные рецепторы генерируют лишь градуальный РП, а спайковый ответ возникает только в нервной сети в результате суммации сигналов рецепторов.

Впервые у плоских червей происходят окончательная дифференциация гиподермальных рецепторов на хемо- и механорецепторы. В свою очередь, механорецепторы подразделяются на контактные тактильные и дистантные рецепторы, предназначенные для восприятия водных смещений. Эти последние несут на дистальном конце длинные немоторные реснички, далеко выступающие за уровень ресничек покровного эпителия. Сома рецепторов лежит глубоко под эпителием, а нейрит уходит в ЦНС. Как и у кишечнополостных, между соседними рецепторами существует прямое взаимодействие на уровне нервного сплетения. У кольчатых червей - полихет - в гиподерме обнаружено несколько типов сенсорных образований, которые по своей морфологии могут рассматриваться как механорецепторы.

У членистоногих основным биохимическим компонентом кутикулы служит хитин. Так как в кутикуле кольчатых червей хитина нет, считают, что его появление у членистоногих представляет значительный эволюционный шаг и служит важной биохимической меткой при изучении эволюции. У большинства членистоногих хитиновые покровы жестки, что придает необходимую твердость экзоскелету, но требует и соответствующих приспособлений сенсорных рецепторов для обнаружения механических и других стимулов.

Простым тактильным рецептором может служить трихоидная сенсилла, обслуживаемая одним биполярным нейроном (рис. 4.7). Воспринимающая часть сенсиллы представлена волоском - пустотелым выростом кутикулы, подвижно сочлененным с покровами с помощью сочленовной мембраны. К его основанию подходит дендрит биполярного нейрона, на кончике которого расположен специализированный цилиарный аппарат в виде одной или нескольких подвижных ресничек. Как и в других типах рецепторов, через этот аппарат осуществляется преобразование энергии внешнего стимула в электрическую энергию первичного импульса. При отклонении волоска в предпочтительном направлении в чувствительном нейроне возникает деполяризационный РП, а при отклонении в противоположную сторону - гиперполяризационный. Когда РП достигает критического уровня, в основании аксона возникают распространяющиеся бездекрементно потенциалы действия.

Кроме нейрона, каждая сенсилла включает еще три эпителиальные клетки, окружающие рецептор. Появление дополнительных клеток, взявших на себя часть функций, которые у низших беспозвоночных выполнялись самим рецепторным нейроном, - несомненно прогрессивное явление. Оно обеспечило большую автономность рецепторных единиц и создало возможность для более глубокой и пластичной специализации каждого из компонентов сенсиллы.

Разбросанные по всему телу насекомых однонейронные трихоидные сенсиллы выполняют функцию осязательных рецепторов. Любая сила, смещающая волосок, - прикосновение, движение воздуха или воды, изменение давления - стимулирует сенсорную клетку. Сенсорные клетки в кутикуле поверхности тела посылают волокна к соответствующему сегментарному ганглию нервной цепочки.

Таким образом, параллельно с развитием рецепторного отдела механорецепторных сенсилл возникают специализированные центральные нервные элементы для независимой обработки сигналов от каждого из видов рецепторов. Развиваются центры, формирующие разнообразные и значительно более тонкие реакции организма в соответствии с требованиями окружающей среды, чем это наблюдалось у низших беспозвоночных. Центральные проекции рецепторов становятся более детерминированными, т. е. менее диффузными.

Следовательно, эпидермальные рецепторы перестают работать как диффузная чувствительная нервная система, а функционируют теперь как дискретные рецепторные органы. Они связаны с нервными структурами, ответственными за контроль определенных поведенческих реакций целостного организма.

4.2.2. Соматическая сенсорная система позвоночных животных

В отличие от беспозвоночных животных все позвоночные лишены кутикулы и их тела покрывает кожа. Кожный покров позвоночных может содержать разнообразные добавочные структуры (например, чешуя рыб, пластинки панциря у черепах, перья у птиц, волосы у млекопитающих и т. д.). Многие рецепторные приборы поразительно приспособлены к этим специализированным покровным образованиям, но наиболее полные сведения об общей соматосенсорной системе у позвоночных относятся к млекопитающим.

Кожу млекопитающих делят на два основных типа: голую, т. е. лишенную волос, и волосистую. Структуры рецепторов, заключенные в голой и волосистой коже, представлены на рис. 4.8. Кожа обоих типов разделена на два главных слоя: эпидермис и дерму. Эпидермис является истинной наружной кожей и происходит из эктодермального зародышевого слоя эмбриона. Эпидермис образует также разные специализированные структуры (волосы, перья, когти и железы), которые особенно развиты у высших позвоночных. В эпидермисе непрерывно происходят митозы и миграции клеток к поверхности. В ходе этой миграции клетки образуют на поверхности слой мертвых уплощенных клеток - роговой слой. Он богат кератином, волокнистым белком (содержащим цистин), устойчивым к воде, химическим веществам и ферментативному перевариванию. Для позвоночных кератин то же, что хитин для беспозвоночных.

Рис. 4.8 Механорецепторы. голой (А) и волосистой (В) кожи человека

1 - меланоцит, 2 - герминативный слой, 3 - роговой слой, 4 - эпидермис, 5 - свободные нервные окончания, б - сосочки дермы, 7 - потовая железа, 8 - тельце Пачини, 9 - диски Меркеля (окончания Руффини), 10 - тельце Мейсснера, 11 - окончание волосяного фолликула.

Под эпидермисом лежит дерма (собственно кожа). Это тот слой, который образует например, чешую у рыб. У высших позвоночных дерма образовала мягкую, гибкую структуру благодаря толстому слою из коллагеновых и эластических волокон.

В коже располагается целый ряд своеобразных рецепторных образований, реагирующих на три вида модальности: болевую, температурную и механическую. Наиболее простым типом сенсорного рецептора являются свободные нервные окончания. Свободные нервные окончания встречаются в дерме и эпидермисе, образуя часто плотные сети и сплетения.

Разветвления нервных волокон на своих концевых отделах всегда прикрыты глией. Глия присутствует в виде либо тонкой мембраны, либо ядерно-плазменной массы, поэтому свободные нервные окончания делят на простые нервные окончания, отделенные от окружающих тканей тонким слоем цитоплазмы, и несвободные неинкапсулированные, глиальный компонент которых состоит из многочисленных ядер, погруженных в протоплазматическую массу.

В процессе эволюции происходило постепенное усложнение тканевых механорецепторов, что морфологически выражалось в увеличении массы глиального компонента и его дифференцировке. Так, у круглоротых и хрящевых рыб преобладают простые нервные окончания. У костистых рыб и амфибий вместе с простыми появляются и сложные неинкапсулированные рецепторы. У рептилий, птиц и млекопитающих наряду с рецепторами первого и второго типов появляются рецепторы третьего типа, в которых представлены два разнокачественных вида глиальных элементов. В наиболее высокоорганизованных рецепторах они образуют наружную капсулу и внутреннюю колбу, имеющие разное функциональное значение.

В сосочковом слое кожи человека без волосяного покрова - дерме пальцев рук и ног, ладонях, подошвах, губах, языке, половых органах и сосках груди - выявлены свободные нервные окончания, а также морфологически дифференцированные образования. В коже пальцев, ладоней и подошвенной поверхности находятся осязательные тельца (Мейсснера). Эти тельца имеют конусовидную форму, сложное внутреннее строение и покрыты капсулой. В более глубоких слоях кожи, в дерме и подкожной клетчатке у основания сухожилий располагаются пластинчатые тельца (Фатер-Пачини, Пачини), осязательные мениски (диски Меркеля), концевые колбы Краузе и др., которые представляют собой сложно организованные аппараты, предназначенные для рецепции локальных изменений давления и растяжения.

В волосистой коже основным типом рецепторов являются свободные нервные окончания, которые представляют собой диффузные разветвления нервных волокон, переплетающихся с другими нервными волокнами. Еще одним видом окончаний являются волосяные мешочки, которые состоят из плотных корзинчатого типа разветвлений и тонких нервных волокон между клетками вокруг волосяного фолликула. Рецепторы волосяного мешочка связаны с мякотными нервными волокнами. Каждый волос иннервируется несколькими волокнами. В свою очередь, одно и то же волокно может иннервировать большое количество волос. Таким образом, зоны иннервации отдельных волокон широко перекрывают друг друга. В нижних слоях волосистой кожи встречаются осязательные клетки Меркеля, которые группируются в приподнятых участках кожи называемых куполами Пинкуса. В толще дермы заложены тельца Руффини и тельца Пачини.

Физиологи уже давно интересовались корреляциями между типом концевого органа и специфическим ощущением. Первоначально свободные нервные окончания считали рецепторами боли, тельца Руффини - тепловыми рецепторами, концевые колбы Краузе - холодовыми рецепторами, тельца Пачини - рецепторами давления, тельца Мейсснера и окончания в волосяных фолликулах - рецепторами, реагирующими на прикосновение. Такие корреляции представлялись логичным выражением доктрины специфических нервных энергий, выдвинутой в 30-х годах прошлого века И. Мюллером.

Современные представления о функциях различных концевых рецепторов несколько отличаются и не столь категоричны. Тем не менее оказалось что большинству специализированных концевых образований присуща предпочтительная чувствительность к определенным видам стимуляции, тогда как свободные нервные окончания являются полимодальными рецепторами. Эти последние отвечают на ноцицептивные и температурные стимулы, а также на механическое раздражение.

Ноцицептивная (болевая) чувствительность. В организме животных и человека боль возникает при действии самых разнообразных раздражителей. Некоторые физиологи считают, что существуют специфические болевые рецепторы с собственными нервными проводящими путями. Однако более правдоподобной кажется связь болевых ощущений с величиной энергии раздражителей, а не с их модальностью.

Рис. 4.9 Главные нервные пути, участвующие в восприятии стимулов, вызывающих боль

Представлены главные неравные пути, которые участвуют в восприятии стимулов, вызывающих боль. Они идут от кожных рецепторов через синаптические переключения в спинном мозгу, таламусе, сенсорной коре и лимбической системе. Стрелками обозначены пути, по которым передается специфическая сенсорная информация. 1 - лобная кора, 2 - сенсорная кора, 3 - спинной мозг, 4 - спинномозговой ганглий, 5 - спинно-таламический путь, 6 - ретикулярная формация, 7 - миндалина, 8- гипоталамус, 9- таламус, 10- к лимбической системе, 11 - болевой рецептор, 12 - сенсорное волокно.

Причиной возникновения боли считают нарушение метаболизма клетки и изменение рН среды. Эти процессы могут возникать либо при токсическом влиянии на дыхательные ферменты, либо при прямых механических и термических воздействиях, либо при повреждении клеточных мембран и подходящих к клеткам капилляров.

Из повседневного опыта известно, что у человека при коротком болевом воздействии вначале возникает ощущение прикосновения - давления, затем появляется чувство первичной острой боли, после которой - ощущение вторичной "жгучей" боли. Вероятно, это связано с тем, что болевые импульсы проводятся по волокнам с разной скоростью и участием в их восприятии двух систем: лемнисковой и спинно-таламической. Первый вид боли ощущается в момент действия раздражителя, для второго вида характерно продолжительное ощущение боли даже некоторое время спустя после прекращения действия раздражителя. Другой важной характеристикой болевых ощущений является отсутствие эффектов адаптации и довольно стабильные величины порогов. (Главные нервные пути, которые участвуют в восприятии стимулов, вызывающих боль, представлены на рис. 4.9.)

Температурная чувствительность. Температурные рецепторы объединяют рецепторы кожи и внутренних органов, а также центральные термочувствительные нейроны, находящиеся во всем теле животного. Тепло и холод воспринимаются в коже разными терморецепторами, которые соответственно называют тепловыми и холодовыми. У гомойотермных животных и человека температура кожи характеризуется значительным постоянством (небольшое ее повышение служит признаком заболевания). Окружающая среда всегда имеет некоторую температуру, поэтому деятельность терморецепторов характеризуется отсчетом температуры относительно нормальной температуры тела: все, что оказывается ниже этой температуры, кажется холодным, все, что выше, - теплым и горячим. Таким образом, терморецепторы обнаруживают тепловое излучение только косвенно, по его влиянию на температуру кожи.

В экспериментах на млекопитающих было показано, что тепловые рецепторы "молчат" примерно до +37°С. Выше этой точки их активность быстро растет, в области +43 °С наблюдается максимум активности, после чего она снова резко падает. Ниже 37 °С примерно пропорционально падению температуры начинают усиливаться ответы холодовых рецепторов. Ниже определенного уровня их активность уменьшается и при температуре +12 °С падает до нуля.

В узком нейтральном диапазоне, который соответствует нормальной температуре кожи того или иного представителя гомойотермных животных в состоянии теплового равновесия, проявляется низкий уровень активности тепловых и холодовых рецепторов. Поэтому даже небольшой сдвиг в ту или другую сторону воспринимается быстро и точно, что делает возможной чувствительную систему контроля, основанную на получении точной информации о небольших изменениях температуры кожи, а значит, и об изменениях теплообмена между кожей и окружающей средой.

Температурная рецепция у человека и приматов распределяется между различными волокнами: охлаждение ощущается главным образом через аксоны с тонким слоем миелина - А?-волокна, а нагревание - через немиелинизированные аксоны (С-волокна). При очень высоких температурах многие терморецепторы сигнализируют также острую боль.

Таким образом, свободные нервные окончания служат для весьма разнообразной полимодальной рецепции. Они относятся к медленно адаптирующимся рецепторам и продолжают отвечать весь период времени, пока действует стимул.

Некоторые животные могут непосредственно воспринимать тепловое, или инфракрасное, излучение с помощью особых сенсорных систем, реагирующих на радиацию этого типа. Такими специализированными рецепторами инфракрасных лучей являются лицевые ямки на голове некоторых змей. Например, у гремучей змеи с каждой стороны головы между ноздрей и глазом расположено по одной ямке. Змеи, обладающие лицевыми ямками, питаются преимущественно теплокровной добычей, и, если к голове змеи приблизить предмет, температура которого отличается от температуры окружающей среды, это сразу вызывает повышение активности нерва, иннервирующего рецепторы ямки. Лицевые ямки очень чувствительны и реагируют на изменение температуры среды всего на 0,1 "С. Кроме того, лицевые ямки, по-видимому, обеспечивают стереоскопическое восприятие, что способствует точной локализации добычи.

Механорецепторная чувствительность. Все другие рецепторы в коже связаны со специальными концевыми органами и являются окончаниями миелинизированных волокон средней величины типа Aft. Это типичные механорецепторы, как правило, инкапсулированные. Большая часть из них расположена в коже поверхностно, близ соединения дермы с эпидермисом, поэтому их называют поверхностными концевыми органами. Эти рецепторы специализированы на чувствительности к разным свойствам тактильных стимулов.

По степени адаптации к механическим раздражителям поверхностные концевые органы подразделяют на статические, или медленно адаптирующиеся (например, диски и клетки Меркеля, реагирующие на статические изменения прикосновения и давления), а также динамические, быстро адаптирующиеся (например, тельца Мейсснера, волосяные фолликулы, способные реагировать на

легкое прикосновение и осуществлять пространственное и временное тактильное различение). Очень быстро адаптирующимися рецепторами являются тельца Пачини, которые можно рассматривать как обобщенную модель механочувствительного органа. Типичные тельца Пачини и многочисленные их разновидности относятся к числу наиболее распространенных в организме специализированных тканевых рецепторов.

Тельца Пачини представляют собой наиболее крупные (у человека их размер может достигать 0,4-0,7 мм в длину) и наиболее дифференцированные рецепторные образования в тканях. Они локализуются в нижних слоях и подкожной жировой клетчатке, а более мелкие пачиниподобные тельца чаще всего встречаются во внутренних органах, в местах мышечно-сухожильных соединений и в тканях суставов.

Под микроскопом тельце Пачини напоминает луковицу (рис. 4.10). Оно состоит из многослойной наружной капсулы, внутренней колбы и заключенной в нее части афферентного нервного волокна, лишенного миелина. Пространство между пластинами заполнено жидкостью. Наружная капсула телец Пачини образована 30-40 концентрически организованными пластинами, расстояния между которыми уменьшаются по мере приближения к внутренней колбе. На поверхности тельца несколько тесно связанных друг с другом пластин образуют единую наружную оболочку всей капсулы рецептора. Внутренняя колба также состоит из тесно прилегающих друг к другу пластин (их около 60), которые разделены узкой щелью на две равные симметричные части. В центре пластинчатые структуры вплотную примыкают к нервному волокну.

Тельца Пачини иннервируются толстыми мякотными волокнами диаметром от 3 до 13 мкм. К каждому тельцу подходит одно афферентное волокно, которое обычно в месте вхождения во внутреннюю колбу теряет миелин, сужается, а затем вновь увеличивается в размере и заканчивается утолщением. По ходу терминали имеются пальцеобразные выросты длиной 0,3-3,0 мкм. Внутри наружной капсулы на изогнутом отрезке миелинизированное нервное волокно имеет первый перехват Ранвье, тогда как второй перехват Ранвье располагается уже вне ее. Рецептор возбуждается при кратковременном смещении на 0,5 мкм (в течение 0,1 мс).

В ответ на механический стимул в тельце Пачини возникает РП, который распространяется вдоль нервного волокна с декрементом, из-за чего на расстоянии далее чем 3-5 мм от рецептора он не регистрируется. При раздражении тельца Пачини коротким толчком умеренной силы деполяризационный РП имеет довольно типичный вид (рис. 4.10). Он возникает

Рис. 4.10 Строение тельца Пачини (А) и его электрические реакции на механическое раздражение (Б)

I - без поляризации током, II - с поляризацией анодным током;

1, 2, 3 - перехваты Ранвье, 4 - рецепторный потенциал; N1-3 - фазы реакций, возникающие в соответствующих узлах.

после небольшого скрытого периода, плавно нарастает, а затем плавно падает до нуля. Считают, что восприятие механического стимула в тельцах Пачини осуществляется пальцевидными отростками. Ранее же на основании электрофизиологических опытов предполагали, что вся поверхность немиелинизированной части нервного волокна является механочувствительной.

Во всяком случае, механический стимул, действующий на тельце Пачини, трансформируется элементами капсулы, после чего эта модифицированная механическая сила деформирует мембрану нервного окончания. Мембрана или пальцевидные отростки нервного окончания являются местом преобразования механической деформации в электрическую энергию РП. Тельце Пачини - фазный, быстро адаптирующийся рецептор. Его РП падает до нуля примерно через 6 мс после стимуляции. Однако если убрать вспомогательный аппарат рецептора, то РП обнаженного нервного окончания может длиться до 70 мс от начала непрерывной стимуляции. Следовательно, адаптация в большей степени зависит от строения вспомогательного аппарата, чем от свойства нервного окончания. После достижения рецепторным потенциалом некоторого критического значения в рецепторе начинают возникать ПД.

Таким образом, тельце Пачини специализировано для сигнализации о быстрых изменениях прикосновения - давления. Максимальная чувствительность этого органа на вибрационный стимул лежит в пределах 200-300 Гц.

Восходящие пути. Информация от рецепторов кожи передается в головной мозг двумя основными путями: спинно-таламическим и лемнисковым (рис. 4.11).

Спинно-таламический путь считают филогенетически наиболее древним. Он состоит из безмиелиновых волокон, которые заканчиваются на нейронах различных ядер серого вещества спинного мозга. Основная часть волокон этой группы после синаптического перерыва идет от клеток задних рогов, пересекает среднюю линию и образует путь в переднебоковой части белого вещества спинного мозга. Эти волокна идут по всему спинному мозгу и стволу головного мозга и оканчиваются в таламусе. Они проводят главным образом болевые и температурные сигналы, но также и некоторую часть тактильных сигналов. Эта полимодальная информация передается по спинно-таламическому пути со сравнительно небольшой скоростью - примерно 30 м/с.

Лемнисковый путь (лемнисковая система) филогенетически более новый. Он состоит из быстропроводящих афферентных волокон, которые вступают в дорсальные рога спинного мозга и, не перекрещиваясь, восходят в составе столбов до тонкого и клиновидного ядер продолговатого мозга. Начинающиеся от этих ядер волокна полностью перекрещиваются на уровне олив, образуя медиальную петлю (лемниск), и, поднимаясь дальше, заканчиваются в вентробазальном комплексе таламуса. Лемнисковая система проводит точную и сложную информацию о прикосновении/давлении со скоростью до 80 м/с. В филогенезе эта система впервые выделяется как часть соматосенсорного пути у рептилий.

Восходящие пути оканчиваются в таламусе и образуют там синапсы с релейными клетками, которые посылают волокна в кору большого мозга. Таким образом, таламус служит воротами в кору и выполняет эту функцию для всех путей, восходящих от спинного мозга и ствола мозга.

Лемнисковая система обладает определенной избирательностью и модальной специфичностью по отношению к различным сенсорным потокам. Для всех частей системы (дорсальных столбов, тонкого и клиновидного ядер, таламических ядер и корковых областей) выявлена топографическая организация проекции кожи.

Рис. 4.11 Схема восходящих ноцицептивных путей (А) и системы нисходящих путей, модулирующих ноцицептивные сигналы (Б)

Из восходящих систем показаны только спинно-таламический путь и соединяющиеся с ним тройнично-таламические пути. Другие пути, участвующие в восходящем проведении ноцицептивной информации (например, спинно-ретикулярный и спинно-цервикальный), опущены для простоты изображения. Специфические таламо-кортикальные пути начинаются в латеральном таламусе и оканчиваются главным образом в соматосенсорной коре. Эфференты медиальных таламических ядер более диффузны; они проецируются не только на обширные области лобной коры, но и на подкорковые структуры, особенно на лимбическую систему (лимбическая система и ретикулярные входы в ядра не показаны). Нисходящие системы функционируют преимущественно на спинальном уровне. Центральная вырезка - вид сбоку ствола мозга с уровнями разреза: 1 - краниальный край оливы; 2 - середина моста; 3 - нижняя часть среднего мозга; ЦСВ - центральное серое вещество среднего мозга; БЯШ - большое ядро шва.

В вентробазальном комплексе таламуса человека, обезьяны и других млекопитающих наблюдается строгое соматотопическое представительство поверхности тела. Каждый участок кожи контралатеральной части тела занимает определенную зону, площадь которой зависит от функционального развития этой части тела у данного вида животного; зона представительства головы и конечностей обычно оказывается наибольшей по сравнению с остальной кожной поверхностью. Зоны представительства отдельных участков кожи могут перекрываться. Так как таламические проекции в отличие от корковых организованы в трех измерениях, чувствительность ростральных участков тела (голова, лицо) находится в заднемедиальной части ядра, а чувствительность средних и каудальных участков тела (грудные конечности, туловище, тазовые конечности) представлена в среднелатеральной части.

В то же время в спинно-таламической системе на уровне таламических ядер правильная соматотопическая организация представительства поверхности тела отсутствует.

В коре выделяют классическую первичную соматосенсорную область, на клетках которой оканчиваются аксоны нейронов вентробазального комплекса таламуса (рис. 4.12). Она, собственно, и составляет ядро кожной системы и отличается от других областей коры высокой степенью топографической организации.

При раздражении поверхности кожи короткими точечными прикосновениями первичный ответ в соматосенсорной коре локализуется в строго ограниченном участке.

Рис. 4.12 Ощущения с поверхности тела .

Показаны связи, идущие от кожных рецепторов через вставочные нейроны спинного мозга и таламуса к первичной сенсорной зоне коры. 1 - сенсорная кора, 2 - передаточное ядро в таламусе, 3 - передний спинно-таламический путь, 4 - спинной мозг, 5 - ганглий заднего корешка, в - нервное волокно от осязательного рецептора кожи, 7 - ретикулярная формация.

Методом сравнения точек раздражения на поверхности кожи с точками коры, дающими ответ, удалось обнаружить проекции различных областей тела на соматосенсорную кору "точка в точку". Такое расположение называют соматотопией, или топографическим представительством; оно создает хорошо известное изображение "гомункулуса" (см. рис. 3.63) с особенно обширными участками для губ, лица и кистей рук, что отражает высокую чувствительность и тонкое различение для этих частей тела. Показано также, что размеры представительства периферических частей тела у разных животных связаны не с величиной поверхности их тела, а зависят от видимой специфичности, биологической значимости информации, воспринимающейся тем или иным участком кожи животного или человека.

Размеры и расположение рецептивных полей нейронов, обнаруженных при каждой "проходке" в коре различных животных, оказываются сходными и в

большей или меньшей степени накладываются друг на друга. Нейроны, расположенные вертикально относительно поперечника коры, получают в большинстве случаев импульсы одной модальности с одного рецептивного поля. Вертикально организованные колонки клеток образуют своеобразные функциональные единицы (блоки) коры. Это происходит за счет возрастающей дивергенции системы передачи от кожи к коре (отдельная точка на периферии может активировать множество корковых клеток).

Аксоны нейронов задней группы ядер таламуса проецируются главным образом во вторую соматосенсорную зону коры. Установлено, что эта область получает импульсы от конечностей "своей" и противоположной сторон.

Вторая соматосенсорная область близко примыкает к слуховой зоне, и здесь нередко наблюдается перекрытие соматических полей слуховыми проекциями. Эта область содержит точное и детальное представительство поверхности тела как и первая соматическая зона, с тем различием, что проекции обеих половин тела во второй соматической зоне полностью перекрываются. Считают также что вторая соматосенсорная зона может осуществлять контроль над афферентной передачей сигналов в таламических ядрах.

4.3. СКЕЛЕТНО-МЫШЕЧНАЯ, ИЛИ ПРОПРИОЦЕПТИВНАЯ, СЕНСОРНАЯ СИСТЕМА

Скелетно-мышечный аппарат является исполнительной системой организма, а его рецепторы - проприоцепторы - играют особо важную роль среди других чувствительных образований.

Проприоцепторами называют механорецепторы, посылающие в ЦНС информацию о положении, деформации и смещениях различных частей тела. Их функционирование обеспечивает координацию всех подвижных органов и тканей животного в состоянии покоя и во время любых двигательных актов. При экспериментальном выключении проприоцепторов животные теряют способность поддерживать естественные позы, двигаться и целесообразно реагировать на внешние воздействия.

Проприоцепция (проприоцепция - термин, введенный Ч. Шеррингтоном для обозначения всех сенсорных сигналов от скелетно-мышечной системы) не предполагает обязательно осознаваемого восприятия, и поэтому этот термин применим в равной степени к беспозвоночным и позвоночным животным любого уровня.

4.3.1. Скелетно-мышечная сенсорная система беспозвоночных животных

Проприоцепторы имеются у многих беспозвоночных, но особенно важную роль они играют у членистоногих. Различают две группы проприоцепторов:

наружные, которые расположены у поверхности кутикулы и реагируют на ее смещения, растяжения, сжатия или перемещения различных склеритов друг относительно друга, и внутренние, представленные рецепторами растяжения, которые по своему происхождению и топографии связаны не с покровами, а с соединительной тканью и мышцами. Рассмотрим обе эти группы более подробно.

Наружные, или кутикулярные, проприоцепторы. Функции наружных, или кутикулярных, проприоцепторов выполняют чувствительные элементы трихоидных, кампаниформных и хордотональных сенсилл.

Трихоидные сенсиллы, группируясь вдоль границ двух сегментов, члеников ноги, антенны и т. д., образуют своеобразный проприоцептор, называемый волосковой пластинкой (рис. 4.13). Волоски проприоцептора ориентированы так, что смещение одного членика или сегмента относительно другого действует подобно тактильному раздражителю. Пограничный участок кутикулы надавливает на кончики волосков и вызывает возбуждение чувствительных нервных клеток. Электрические реакции отдельной сенсиллы, входящей в состав волосковой пластинки, не зависят от возбуждения соседних сенсилл и носят фазотонический характер. Импульсы от этих волосков поступают в нервный центр, создавая представление о положении головы, груди, брюшка, придатков тела и отдельных сегментов.

Кампаниформные, или колоколовидные, сенсиллы рассеяны по всей поверхности тела, но, как правило, они концентрируются на тех участках кутикулы, которые испытывают более или менее значительную деформацию в сочленениях. Эти сенсиллы реагируют на изгибы, сжатия и растяжения покровов ('см. рис. 4.13).

Кампаниформные сенсиллы участвуют в регуляции различных двигательных актов. Очень важную роль они играют в регуляции полета. Поступающая от них информация влияет на работу мышц, обеспечивающих изменение подъемной силы крыльев.

Рис. 4.13 Наружные проприоцепторы членистоногих

А - одиночная волосковая пластинка, расположенная в месте причленения ноги к телу таракана; Б - кампаниформная сенсилла; В - хордотональная сенсилла: 1 - плейрит туловищного сегмента, 2 - волосковая пластинка, 3 - тазик, 4 - кутикулярный купол, 5 - дистальный отросток нейрона, 6 - образующие клетки сенсиллы, 7 - сколопоидная оболочка, 8 - рецепторный нейрон, 9 - клетки, образующие оболочку нейронов и нервных отростков, 10 - прокси-мальный отросток кутикулы нейрона, 11 - шапочковая клетка, 12 - шапочка, 13 - утолщение реснички, 14 - ресничка,15 - сколопс, 16 - обкладочная клетка, 17 - фиброзная клетка; I-IV - поперечные срезы.

Хордотональные (от греч. chorde - струна и tonos - натяжение) органы возникают в результате функционального объединения своеобразных сенсилл, называемых сколопидиями (см. рис. 4.13). В простейшем типе проприоцептивного хордотонального органа каждый сколопидий имеет один биполярный нейрон, от дендрита которого отходит длинная ресничка. Снаружи дистальная часть дендрита и ресничка заключены в своеобразную кутикулярную трубку, образующую сколопоидное тельце, или сколопс (штифт) - внутриклеточный продукт обкладочной клетки. Дистальные концы сколопса примыкают к конусовидной или колоколовидной шапочке - экстраклеточному образованию, которое как крышка закрывает эту трубку. В центральной части шапочки расположен канал, в него входит дистальная часть реснички. Концы ресничек плотно закреплены в шапочках. Поэтому колебания шапочки должны вызывать продольные смещения самой реснички.

Рецепторная клетка окружена клетками-сателлитами: обкладочной клеткой, фиброзной покровной клеткой, которая служит оболочкой для проксимальной части дендрита, и шванновской клеткой, которая как в капсуле заключает в себе тело и аксон рецепторного нейрона, отделяя их от других рецепторов.

Хордотональные сенсиллы, выполняющие проприоцептивную функцию, обнаружены почти во всех отделах тела насекомого и в его придатках: в ротовом аппарате, антеннах, груди, брюшке, ногах, основаниях крыльев и жужжалец. Во многих случаях они прикрепляются к стенкам трахей и воздушных мешков, входя в состав тимпанальных и джонстоновых органов, ответственных за восприятие звуковых сигналов насекомыми.

Внутренние, или субкутикулярные, проприоцепторы. Среди субкутикулярных (мышечных) рецепторных приборов у беспозвоночных наиболее изучены абдоминальные (брюшные) рецепторы растяжения у ракообразных. Как известно, брюшко рака состоит из ряда абдоминальных сегментов, у которых кутикулярные пластинки подвижно соединены друг с другом. При сокращении сегментарных мышц брюшко сгибается. Мышцы состоят из волокон двух типов: из обычных мышечных волокон, приводящих в движение абдоминальные сегменты, и из видоизмененных мышечных волокон, содержащих окончания сенсорных нейронов. Эти видоизмененные мышечные волокна почти не участвуют в движении, но сигнализируют через свои сенсорные структуры в ЦНС о состоянии напряжения или удлинения обычных мышц. Во всех брюшных сегментах омаров и раков у дорсальной поверхности разгибательных мышц обнаружено по две пары этих рецепторов.

Каждый мышечный рецепторный орган включает две мышцы (PM1 и РМ3), идущие от одного сегмента к другому. Они состоят из более тонких поперечно-полосатых волокон, чем волокна поверхностных мышц. В зоне сенсорной иннервации эти мышцы заключены в общую соединительнотканную капсулу. Каждая из мышц иннервируется собственным сенсорным нейроном (рис. 4.14).

Рис. 4.14 Строение абдоминального мышечного рецепторного органа омара в средней части рецепторных мышц 1,2 - рецепторные клетки (сенсорные нейроны), 3 - эфферентное х-волокно, 4 - эфферентные толстые и тонкие нервные волокна, 5 - моторные нервные волокна, 6 - глубокие (быстрые) разгибатели брюшка, 7 - поверхностные (медленные) разгибатели брюшка, 8,9 - рецепторные мышцы (PM1, РМ2).

Тела обоих нейронов лежат в непосредственной близости к рецепторным мышцам, и их дендриты входят в свою специфическую мышцу. При этом в PM1 дендритные стволы расходятся в противоположные стороны по продольной оси волокна, а в РМ3 ветвящиеся дистальные отростки трех или четырех дендритов собраны в одной зоне. Разница в дендритной архитектонике рецепторных мышц может быть связана с различиями в ответе этих двух нейронов. Один из них реагирует на стационарное растяжение импульсной активностью, что позволяет отнести его к тоническому, или медленно адаптирующемуся, рецептору, другой бывает активен лишь в начальный период действия раздражителя и рассматривается как быстро адаптирующийся рецептор.

Аксоны сенсорных нейронов входят в брюшную нервную цепочку и образуют специальный пучок - тракт мышечного рецепторного органа.

Физиологические исследования свидетельствуют о том, что абдоминальные мышечные рецепторы раздражаются при сгибании брюшка, т. е. при пассивном растяжении структур рецепторной мышцы, в которую погружены терминали сенсорного нейрона. В этот момент разветвления дендритов испытывают максимальную деформацию, что приводит к возникновению в них РП, который в основании аксона преобразуется в ПД. Напротив, сокращение рецепторных мышц служит лишь для возвращения мышечно-рецепторного органа в исходное положение, что происходит при разгибании брюшных сегментов.

Кроме сенсорной иннервации рецепторные органы получают и моторную иннервацию в виде двигательных аксонов (возбуждающих и тормозных), идущих к главным мышечным волокнам. Когда мотонейроны посылают импульсы в свои аксоны, подавая основным мышцам команду к сокращению, они одновременно вызывают сокращение и рецепторных мышц. Смысл этой реакции заключается, видимо, в том, что рецепторные органы таким образом приспосабливаются к новой длине основной мышцы и могут реагировать на любое отклонение от нее. При возбуждении аксонов сокращаются концы рецепторных мышц, что приводит к растягиванию и деформации дендритов сенсорных нейронов, расположенных в середине.

Сенсорные нейроны в рецепторах растяжения испытывают на себе также действие тормозных эфферентных аксонов, которое выражается в угнетении или прекращении импульсного разряда в рецепторе. Импульсация тормозных нейронов обычно стимулируется, когда рак при плавании производит сильные сгибательные и разгибательные движения брюшка. Это не позволяет рецепторам растяжения разряжаться при растяжении мышц-экстензоров и уменьшать тем самым силу плавательных движений.

4.3.2. Скелетно-мышечная сенсорная система позвоночных животных

В отличие от беспозвоночных у позвоночных животных отсутствуют наружные проприоцепторы и существуют только внутренние, локализованные в мышцах, сухожилиях, сухожильных влагалищах, межкостных мембранах, фасциях, суставах, надкостнице и т. д. Здесь можно обнаружить рецепторные образования, встречающиеся и в других частях тела (свободные нервные окончания, инкапсулированные рецепторы, такие как тельца Руффини, тельца Пачини), но также и специализированные сенсорные приборы, несущие информацию только данным тканевым образованиям. Такими наиболее специфическими рецепторами скелетно-мышечной системы являются мышечные веретена и сухожильные органы Гольджи.

В эволюции позвоночных специализированные мышечные рецепторы появляются довольно поздно. У рыб они практически отсутствуют, однако большое количество простейших проприоцепторов в виде свободных нервных окончаний располагается в плавниках. Эти волокна сигнализируют о растяжении и сжатии, вызываемых в соединительной ткани удлинением и сокращением мышц, которые управляют сгибанием плавников.

Мышечные веретена. Впервые в ряду позвоночных мышечные веретена появляются у амфибий. Предполагают, что они возникли для обеспечения сенсорного притока, который требуется мышцам конечностей, чтобы противостоять силе тяжести и поддерживать определенную позу. Под световым микроскопом мышечное веретено представляет собой вытянутую структуру, расширенную посередине за счет капсулы и напоминающую по форме веретено, что и обусловило ее название. У лягушки, как и у других позвоночных, в составе скелетной мышцы конечностей можно выделить две группы волокон: экстрафузальные и интрафузальные. Первые образуют основную массу мышцы и выполняют всю работу, необходимую для движения и поддержания позы, вторые - это видоизмененные мышечные волокна, которые входят в состав веретена; их функция сводится к формированию восходящей афферентной импульсации.

Основу веретена составляют пучки параллельно расположенных интрафузальных волокон, которых у амфибий насчитывается до 12. Строение их у земноводных весьма однотипно. Каждое интрафузальное (веретенное мышечное) волокно состоит из центрального сенсорного участка и полярных моторных участков по обоим его концам (рис. 4.15). В центральной зоне мышечная ткань с ее правильной поперечной исчерченностью частично замещена соединительной и ретикулярной тканью, в которой находятся сенсорные окончания. Поэтому центральная часть волокна получила название ретикулярной зоны, а соседние с ней участки - переходных, или компактных, зон. В ретикулярной зоне каждое интрафузальное волокно окружено индивидуальной внутренней капсулой. Наружная капсула веретена заключает в себе несколько интрафузальных волокон.

Рис. 4.15 Строение мышечного веретена лягушки (А) и средней части мышечного веретена млекопитающих (Б)

1 - моторный аксон, 2 - сенсорный аксон; 3- моторная область, 4 - сенсорная компактная зона, 5 - сенсорная ретикулярная зона, 6 - сенсорная область, 7, 8 - афферентные волокна, 9 - волокно с ядерной сумкой, 10 - волокно с ядерной цепочкой, 11, 12 - первичные и вторичные окончания, ?- гаммамоторные нервные волокна.

Мышечные веретена лягушки обладают всего лишь одним типом сенсорных нервных окончаний, локализованных в центральной ретикулярной зоне. Полярные компактные зоны иннервируются веточками моторных нервов экстрафузальных мышц. Ретикулярная зона интрафузальных волокон несократима, поэтому при сокращении компактных моторных областей она и ее нервные окончания должны растягиваться, что приводит к их деполяризации.

У птиц и млекопитающих в строении мышечных рецепторов наблюдается ряд прогрессивных черт. Интрафузальные волокна в мышечных веретенах представлены у них двумя типами (см. рис. 4.15). В одном случае в центральной части, напоминающей мешочек, лежит группа ядер - такое волокно получило название волокна с ядерной сумкой (ЯС-волокно). Другой тип содержит цепочку ядер и называется волокном с ядерной цепочкой (ЯЦ-волокно). Эти два типа интрафузальных мышечных волокон различаются по сократимости. ЯЦ-волокна ведут себя как быстрые экстрафузальные волокна. ЯС-волокна больше напоминают медленные (тонические) экстрафузальные волокна; они реагируют лишь небольшим сокращением и укорачиваются максимально только после многократного возбуждения.

Мышечные веретена млекопитающих в отличие от амфибий имеют более сложную сенсорную иннервацию. В своей центральной части оба типа интрафузальных волокон получают спиральное окончание крупного сенсорного нервного волокна, называемое первичным окончанием. Оно отходит от аксона группы la - самого крупного из всех периферических нервных волокон. Недалеко от своей центральной части ЯЦ-волокно получает менее крупные спиральные окончания, называемые вторичными окончаниями. Они идут от аксона группы IIа. Одна небольшая веточка этого аксона оканчивается в ЯС-волокне.

Первичные окончания служат главным каналом передачи информации об изменяющемся растяжении мышцы и скорости ее удлинения, поэтому частота их разрядов максимальна во время динамической фазы, когда происходит растягивание мышцы. Вторичные окончания ведут себя иначе. Они относительно мало чувствительны к скорости растяжения, но реагируют на постоянное натяжение и специализированы для передачи информации о положении мышцы.

Таким образом, мышечные веретена обеспечивают ЦНС сведениями о состоянии мышц, их фактической длине и скорости ее изменения.

Моторная иннервация интрафузальных мышц осуществляется собственными ?-волокнами. Эти волокна являются аксонами соответствующих мотонейронов спинного мозга. Одни из них заканчиваются в волокнах в виде ?-пластинок, другие представляют собой диффузные окончания гроздевидной формы и называются ?-кустиковидными. Все эфферентные аксоны на мышечном веретене объединяются под термином фузимоторные волокна.

По современным представлениям, во время активных движений ?-мотонейроны поддерживают импульсацию веретен укорачивающейся мышцы, что дает возможность рецепторам реагировать на неравномерности движения увеличением и уменьшением частоты импульсации и участвовать, таким образом, в коррекции движений.

Следовательно, одна из основных задач, выполняемых эфферентными нервами, заключается в настройке чувствительности измерительных приборов (веретен), чтобы они могли работать при самой различной длине мышцы.

Сухожильные органы Гольджи. Эти органы располагаются в зоне соединения мышечных волокон с сухожилием, последовательно по отношению к мышечным волокнам. Сухожильные органы представляют собой структуру вытянутой веретенообразной или цилиндрической формы, длина которой у человека может достигать 1 мм. В отличие от мышечных веретен, которые при сокращении мышц разгружаются и частота импульсации в них снижается, сухожильные рецепторы, наоборот, слабо реагируют на растяжение мышцы, но возбуждаются при ее сокращении. Интенсивность их импульсации примерно пропорциональна силе сокращения мышцы, что позволяет рассматривать сухожильные рецепторы как источник информации о силе, развиваемой мышцей.

Восходящие пути. Информация от мышц и суставов поступает в спинной мозг, где она частично переключается на мотонейроны, а частично направляется по восходящим путям в высшие отделы головного мозга. Хорошо известны тонкий (Голля) и клиновидный (Бурдаха) пучки, проходящие в дорсальных канатиках спинного мозга. Эти пучки образованы аксонами афферентных нейронов спинальных ганглиев, которые заканчиваются в одноименных ядрах продолговатого мозга. Здесь происходит переключение на нейроны второго порядка, образующие мощный бульбо-таламический пучок, получивший название медиальной петли, который заканчивается в задневентральных ядрах таламуса. Отсюда берут начало пути, образованные нейронами третьего порядка и оканчивающиеся в коре больших полушарий.

4.4. СЕНСОРНАЯ СИСТЕМА БОКОВОЙ ЛИНИИ

Круглоротые, пластиножаберные и костистые рыбы, а также некоторые водные амфибии обладают сложной системой сенсорных каналов, которые располагаются по бокам тела и часто заходят на голову животного (рис. 4.16). Каждый канал представляет собой либо открытый желобок, либо закрытый по всей длине, но имеющий несколько отдельных выходов. Органы боковой линии расположены в коже и подкожных структурах, поэтому их можно отнести к кожной сенсорной системе.

Давно известно, что органы боковой линии выполняют четко выраженную механорецепторную функцию. Адекватным стимулом для этой системы являются смещения водной среды, возникающие при разного рода ее колебаниях, вибрациях и действии низкочастотных звуковых волн.

Однако в конце 50-х - начале 60-х гг. XX в. было установлено, что в составе боковой линии некоторых рыб наряду с механорецепторными структурами существуют и иные сенсорные образования, предназначенные для восприятия слабых электрических полей водной среды. Остановимся вначале на строении и функциях обычной системы боковой линии, выполняющей механорецепцию.

Рис. 4.16 Положение некоторых сенсорных структур на теле (А) и голове (Б) гольяна

1 - канальные поры, 2 - свободные невромасты, 3 - чувствительные каналы, 4 - поры, 5 - боковая линия на теле рыбы.

4.4.1. Механорецепторные органы

Основной структурной единицей боковой линии является одиночный эпидермальный орган - невромаст. Невромасты могут располагаться на поверхности тела у водных амфибий и рыб (свободные) или внутри системы каналов боковой линии у большинства рыб (канальные). Каналы заполнены жидкостью или слизистым содержимым и контактируют с внешней средой через поры, закрытые у некоторых видов мембраной.

Рис. 4.17 Свободный невромаст у личинки костистой рыбы (разрез)

1 - опорная клетка. 2 - сенсорная клетка, 3 - купула, 4- киноцилия, 5 - стереоцилии, 6 - мантийная клетка, 7 - эфферентное нервное окончание, 8 - афферентное нервное окончание.

Каждый невромаст содержит группу волосковых клеток, расположенных среди опорных клеток (рис. 4.17). На апикальной поверхности волосковой клетки находится набор сенсорных волосков (цилий) - 30-40 стереоцилий и единичная эксцентрично расположенная киноцилия. На противоположной, базальной поверхности волосковая клетка образует синаптические контакты с нервными окончаниями, которые могут быть афферентными и эфферентными, что позволяет рассматривать эти клетки как типичные вторичночувствующие рецепторные образования. С поверхности волосковых клеток цилии вдаются в купулу из желатинообразного слизистого вещества, которая лежит над сенсорной областью каждого невромаста. Купулы свободных невромастов, например у шпорцевой лягушки, часто имеют удлиненную форму и выдаются в водную среду, купулы канальных невромастов с овальными дискообразными сенсорными полями, как у налима, часто представлены сводчатой формой.

Таким образом, у свободных невромастов вся вспомогательная структура рецепторного аппарата ограничена купулой, тогда как у канальных между внешним стимулом и рецептирующей волосковой клеткой могут находиться не только вещество купулы, но еще и структуры, образующие стенку канала, а также жидкость, заполняющая этот канал с повышенным содержанием калия. Слизистые купулы содержат сеть микрофибрилл и прикрепляются ими к цилии волосковой клетки.

Ответ волосковой клетки вызывается усилением сдвига, создаваемого движением основания купулы, где расположены цилии. Микрофибриллы, связанные с цилиями, передают этим сенсорным структурам информацию о степени смещения. В результате возникающее движение вызывает градуальный потенциал волосковой клетки.

Свободные невромасты рыб и амфибий стимулируются преимущественно струями воды, омывающими поверхность тела. Канальные невромасты в большей или меньшей степени изолированы от этих раздражении и восприимчивы к гидродинамическим полям и инфразвуковым вибрациям. Установлено, что волосковые клетки невромастов реагируют на смещение водных частиц, вызываемое близлежащими источниками колебаний. У некоторых видов они также проявляют высокую чувствительность к температуре и солености воды.

4.4.2. Электрорецепторы

По способности воспринимать и использовать в своей жизнедеятельности электрические поля водные животные разделяются на две группы. У большинства рыб - неэлектрочувствительные виды. - реакции на электрическое поле появляются при градиентах потенциала более 1 мВ/см. Эти реакции носят, как правило, непроизвольный характер и не связаны с наличием специфических электрорецепторов.

У электрочувствительных первичноводных позвоночных (пластиножаберных, ганоидных, сомообразных и других рыб, а также круглоротых и некоторых амфибий) поведенческие реакции возникают при напряженностях электрического поля 0,01-100 мкВ/см, что связано с наличием, в составе органов боковой линии специализированных электрорецепторных образований.

У ряда водных животных в процессе эволюции возникли высокочувствительные сенсорные системы, предназначенные для восприятия электрических сигналов в водной среде. Впервые существование таких специализированных органов было предсказано в 1951 г. Г. Лиссманом. Исследуя поведение гимнарха, или нильского длиннорыла, Лиссман обнаружил, что эта рыба может ориентироваться в пространстве, не используя зрения. Кроме того, оказалось, что гимнарх непрерывно генерирует низкоамплитудные электроразряды, величина которых на расстоянии 1 м от животного составляла 30 мкВ. Такие разряды, очевидно, не могли служить для целей нападения и обороны. В дальнейших опытах выяснилось, что гимнарх способен различать объекты, одинаковые по величине, но сделанные из разных материалов - проводника или диэлектрика, только на основании электрического чувства.

Схематически процесс электровосприятия, по Лиссману, состоит в том, что в отсутствие раздражителя животное окружено электрическим полем определенной конфигурации. Оно создается непрерывно работающим электрическим органом, расположенным у основания хвоста. Это поле воспринимается электрорецепторами боковой линии. Объект, отличный по электропроводности от окружающей воды, искажает электрическое поле рыбы и изменяет активность электрорецепторов.

Дальнейшие исследования подтвердили существование у ряда первичноводных позвоночных специализированных электрорецепторов, которые по строению и функциям отличаются от обычных механорецепторов боковой линии. Электрорецепторные сенсорные клетки, так же как и волосковые клетки невромастов, образуют синаптические контакты с подходящими к ним волокнами нерва боковой линии, т. е. тоже являются вторичночувствующими. Однако на базальной поверхности у них расположены только афферентные синапсы; эфферентной иннервации не обнаружено. Синаптические контакты имеют вид ленты, которая проникает в глубь рецепторной клетки на значительное расстояние. На одной клетке может быть несколько синапсов, а одно и то же нервное волокно способно контактировать сразу с сотнями соседних клеток.

Электрорецепторные органы подразделяются на две группы: ампулированные и бугорковые (рис. 4.18). Ампулированные электрорецепторы встречаются у всех морских и пресноводных электрочувствительных животных. Бугорковые рецепторы, обнаружены только у пресноводных слабоэлектрических костистых рыб (гимнарха, клюворылых и гимнотовидных). Между ними существуют морфологические и функциональные различия.

В ампулированных органах рецепторные клетки сообщаются с наружной средой через более или менее длинный, заполненный желеобразной массой

Рис. 4.18 Строение электрорецепторных органов боковой линии

А - ампулированный орган; Б - бугорковый орган: 1 - базальная мембрана кожного эпителия, 2 - опорные клетки, 3 - нервные волокна, 4 - рецепторные клетки, 5 - запирающие клетки, 6 - клетки, выстилающие полость бугоркового органа.

канал. Например, ампулы Лоренцини у акул и скатов представляют собой луковицеобразные рецепторы, особенно многочисленные на голове рыб. Отдельный орган состоит из канала, идущего от поверхности кожи, и заканчивается слепым расширением -ампулой, в основании которой располагаются рецепторные клетки. Канал ампулы открывается на поверхности тела рыбы в виде поры.

В бугорковых органах таких каналов нет. Рецепторные клетки расположены в полости, которая сообщается с наружной средой не прямо, а через пространство, заполненное специализированными эпидермальными клетками, покрывающими рецепторный орган. Возможно, что такое устройство органа связано с необходимостью предотвратить контакт большой площади апикальных мембран рецепторных клеток с гипотонической окружающей средой.

Афферентные нервные волокна, контактирующие с рецепторными клетками ампулированных органов, обладают фоновой импульсной активностью, тогда как в бугорковых электрорецепторах она отсутствует. Кроме того, ампулированные рецепторы являются тоническими, а бугорковые - фазными.

Ампулированные рецепторы обладают более высокой чувствительностью к электрической стимуляции и предназначены для восприятия низкочастотных (0-10 Гц) электросигналов. Именно этот частотный диапазон характерен для слабых электрических полей, возникающих при обычной мышечной активности гидробионтов, которые служат пищей для этих рыб.

Помимо электрических свойств ампулированные органы морских и пресноводных рыб обладают высокой чувствительностью к стимуляции магнитным полем. Реакции рецепторов на магнитное поле опосредованы через восприятие индукционных электрических полей, которые возникают в теле рыбы и окружающей среде при изменении магнитного потока через тело животного или при перемещении рыбы и воды в постоянном магнитном поле по закону электромагнитной индукции. Чувствительность электрорецепторов достаточна для восприятия ряда естественных факторов внешней среды, обусловленных магнитными полями.

Например, некоторые биологически важные геофизические процессы (подводные землетрясения, штормы, ураганы) сопровождаются электромагнитным излучением от 6 до 8 Гц, которое быстро распространяется на значительные расстояния (до 500-1000 км). Считают, что рыбы, обладающие ампулированными органами, способны воспринимать электромагнитные предвестники штормов, что позволяет им заблаговременно покинуть опасную акваторию. Нельзя также исключать возможности геомагнитной электроориентации у пелагических рыб, обладающих электрорецепторными органами.

Бугорковые рецепторы менее чувствительны к электрическому полю и предназначены для восприятия высокочастотных (50-2000 Гц) разрядов собственно электрического органа. Поэтому они являются приборами активной локации, информируя организм о присутствии различных по своим электрическим свойствам предметов, а также о скорости и направлении их движения. Кроме того, полагают, что разряды электрического органа играют роль зоосоциальной связи между разными особями. Существует даже точка зрения, согласно которой главным эволюционным стимулом для развития электрических органов явился зоосоциальный фактор.

Экспериментальные исследования, выполненные на ампулированных и бугорковых органах, показали, что электрорецепторы являются типичными датчиками напряжения и воспринимают разность потенциалов между порой или кожей и базальной поверхностью рецепторного эпителия. Приложенная к рецепторному эпителию разность потенциалов воздействует на электрорецепторные клетки и, изменяя поляризацию их мембран, приводит к сдвигам секреции медиатора.

4.4.3. Восходящие пути

Механо- и электрорецепторы системы боковой линии иннервируются нервами боковой линии. Их аксоны оканчиваются в акустико-латеральной области продолговатого мозга. Нервы боковой линии (передний и задний) не имеют собственных порядковых номеров, так как передний нерв считается частью VII нерва, а задний - X. Однако в последнее время такую точку зрения пересматривают, так как ряд эмбриологических данных указывает на самостоятельное происхождение нервов боковой линии.

Передний боковой нерв иннервирует механорецепторы (невромасты) и электрорецепторы, расположенные на голове животного. У круглоротых и хрящевых рыб этот нерв снабжает афферентными волокнами все электрорецепторные органы. Задний боковой нерв иннервирует механорецепторные и электрорецепторные органы (у костистых рыб), расположенные на туловище.

Акустико-латеральная область занимает дорсальную часть продолговатого мозга, и в ней выделяют дорсальное, медиальное и вентральное ядра. Дорсальное ядро представляет собой исключительно электрорецептивное образование. Медиальное ядро получает волокна от механорецепторов боковой линии. Вентральное ядро связано со слуховой и вестибулярной системами. Такая организация акустико-латеральной области продолговатого мозга свойственна большинству первичноводных животных.

Волокна нервов боковой линии, входящие в акустико-латеральную область, образуют моносинаптические контакты с дендритами больших мультиполярных нейронов второго порядка. Аксоны этих клеток идут в ретикулярную формацию, тогда как сложные дендритные отростки входят в гребень мозжечка, где вступают в контакт с аксонами звездчатых клеток. Важно подчеркнуло, что у многих электрочувствительных рыб наблюдается необычайно сильное развитие мозжечка, что может быть связано с электрорецепцией.

В дальнейшей обработке информации от органов боковой линии принимают участие структуры среднего мозга. Соответствующий центр имеется в покрышке среднего мозга. Он называется латеральным ядром. Латеральное ядро связано с акустико-латеральной областью продолговатого мозга через систему латеральной петли. Относительно связей органов боковой линии со структурами переднего мозга мнения исследователей расходятся, и этот вопрос нуждается в дальнейшем изучении.

4.5. ГРАВИТАЦИОННАЯ СЕНСОРНАЯ СИСТЕМА

Все организмы, когда-либо жившие на Земле, развивались в условиях действия на них силы тяжести, или, иными словами, в гравитационном поле Земли. Жизнь в гравитационном поле заставила живые организмы принимать определенное положение по отношению к линии действия силы тяжести, т. е. к вертикали. Однако необходимость сохранять определенное положение по отношению к гравитационному полю Земли в процессе эволюции у большинства организмов пришла в противоречие с необходимостью координированной двигательной активности (добывание пищи, защита от врагов), которая зачастую требует значительного отклонения положения тела от нормального. Это привело к тому, что у животных появились моторно-сенсорные системы, позволяющие им не только определять "верх", "низ" и величину отклонения положения тела от нормального, но и корректировать установку тела, поддерживать ее в необходимых изофизиологических пределах.

Иными словами, гравитационное поле Земли стало для животных ориентиром в окружающем их трехмерном пространстве.

Ориентация животных в гравитационном поле Земли отличатся от ориентации по каким-либо физическим характеристикам среды, которые воспринимаются органами чувств. Это отличие связано с двумя особенностями гравитационного поля. Во-первых, оно практически постоянно по величине и направлению к центру Земли. Во-вторых, оно "всепроникающее", т. е. действует на любое тело на Земле и от его воздействия нельзя "экранироваться".

Для ориентации по отношению к гравитационному полю Земли большинство животных имеет датчик положения тела, т. е. специальный отолитовый орган, достигший большего или меньшего совершенства в процессе эволюции, но тем не менее построенный по одному и тому же принципу. Орган равновесия, или грави-рецептор, состоит из двух частей: "пробной массы", т. е. отолита (от греч. otos - ухо и lithos - камень), обладающего большей или меньшей свободой перемещения в пределах органа, и системы рецепторов, воспринимающих положение или перемещение этой массы в органе. Любое отклонение в положении тела сопровождается смещением пробной массы (отолита, отоконий, отолитовой мембраны), возбуждающей соответствующую группу рецепторов органа равновесия. Сигнал этих рецепторов обрабатывается ЦНС, которая и посылает команды к мышцам, корректирующим положение тела.

Несколько иначе воспринимаются угловые ускорения. Структуры, ответственные за это, представляют собой каналы, заполненные жидкостью, в стенках которых располагаются рецепторные клетки. Когда животное перемещается в пространстве, жидкость в канале приходит в движение и отклоняет реснички клеток в направлении, которое зависит от направления ускорения. Многие виды животных имеют и гравирецептор, и рецепторы ускорения, но некоторые только один из них.

4.5.1. Гравитационная сенсорная система беспозвоночных животных

Одним из наиболее универсальных органов для восприятия гравитационного поля является статоцист, который имеется у всех типов беспозвоночных животных, за исключением класса насекомых. Статоцисты представляют собой, как правило, замкнутые полости, заполненные жидкостью и содержащие статолит, или статоконии, которые у разных видов могут быть биологического происхождения, т. е. секретироваться самим статоцистом или специальными клетками, или привнесенными из окружающей среды (например, песчинки).

Полость статоциста выстлана реснитчатыми клетками, которые у одних животных расположены равномерно, у других - образуют скопления, называемые манулами. При изменении положения тела происходит смещение статокониев в статоцисте, которое, в свою очередь, вызывает отклонение ресничек рецепторных клеток.

Статоцисты были известны морфологам еще в прошлом веке, но первоначально им приписывали слуховые функции. В 1893 г. Крейдль в своих классических опытах показал, что статоцист у омара выполняет в основном гравитационные функции. У высших ракообразных (омаров, креветок) статоцисты располагаются у основания первых антенн и открываются наружу. В качестве статолитов в них используются песчинки, которые во время линьки животных обновляются. Крейдль заменил песок в аквариуме железными опилками и показал, что с помощью сильного магнита он может заставить омаров располагаться в разных плоскостях соответственно результирующему действию магнитного и гравитационного полей. С тех пор статоцисты и их гравирецепторная функция были обнаружены во всех типах беспозвоночных (кроме насекомых).

Впервые, по-видимому, подобие гравитационного рецептора намечается у одноклеточных. У инфузорий это мюллеровские пузырьки, заполненные круглыми минеральными конкрециями. У кишечнополостных (медузы) уже появляются все основные элементы сенсорной и моторной систем для оценки и удержания равновесия (рис. 4.19). По краю купола у них располагаются статоцисты, в которых статолит находится внутри специальной клетки - литоцита - и непосредственно связан с ее цитоплазмой. Рядом находится сенсорная клетка с ресничкой, которая в нормальном положении медузы не касается литоцита. При отклонении медузы от вертикали литоцит начинает давить на ресничку, заставляя ее изгибаться. Это возбуждает мембрану сенсорной клетки и приводит к возникновению РП и импульсов, которые распространяются по нервному кольцу и вызывают соответствующие рефлексы у медузы. Рецептор гравитации достигает особого развития у моллюсков (рис. 4.20).

Рис. 4.19 Статоцист медузы в горизонтальном положении (А) и при наклоне (В) 1 - литоцит, 2 - парус, 3 - подзонтичное нервное кольцо, 4 - чувствительный волосок (ресничка), 5 - сенсорная клетка, 6 - нейрограмма подзонтичного нерва.

Рис. 4.20 Строение статоциста брюхоногого моллюска

1,8 - оболочки статоциста, 2 - центральный отросток, 3 - статический нерв, 4 - глиальная клетка, 5 - опорные эпителиальные клетки, 6 - базальная мембрана, 7 - мышечный элемент, 9 - вакуоль, 10 - статоконии, 11 - чувствительная поверхность.

Статоцисты у моллюсков представлены парными сферическими пузырьками диаметром 50-500 мкм, заполненными вязкой жидкостью и содержащими один или много свободных статокониев. Полость статоциста выстлана сенсорным эпителием, состоящим из чувствительных реснитчатых клеток, каждая из которых окружена опорными клетками. Рецепторные клетки статоциста обычно называют волосковыми, хотя в отличие от типичных волосковых клеток позвоночных они являются первичночувствующими и имеют центральные отростки. Аксоны рецепторных клеток образуют статический нерв, оканчивающийся в церебральных ганглиях.

Статоцисты головоногих моллюсков являются наиболее высокоорганизованными и по своим функциональным возможностям, видимо, не уступают лабиринту позвоночных. Вероятно, это связано с повышением двигательной активности и, в частности, с реактивным способом передвижения этих животных.

Рецепторные элементы статоцистов головоногих моллюсков впервые среди беспозвоночных сгруппированы в те же основные структуры, что и у позвоночных, и выполняют такие же функции. Это макулы, снабженные статолитами, и кристы - группы волосковых клеток, покрытые купулами. Более подробно об их строении речь пойдет ниже, при рассмотрении лабиринта позвоночных. Здесь же лишь необходимо указать, что макулы головоногих слушав: рецепторами гравитации, т. е. обеспечивают статическое равновесие, тогда как кристы - рецепторы угловых ускорений -обеспечивают динамическое равновесие.

Таким образом, с развитием двигательной активности животных статоцист, возникший как орган чисто статического равновесия, превращается в орган, обладающий способностью регуляции не только поведения организма в гравитационном поле, но и координации его движений в трехмерном пространстве.

Система статоциста функционально связана с другими сенсорными системами, например зрительной, хеморецепторной, с системой рецепторов растяжения. Такие взаимодействия обеспечивают координацию двигательных актов, регуляцию мышечного тонуса и адаптивное поведение.

Наряду с гравитационной функцией система статоциста обладает способностью к сейсмо- и виброрецепции, а у некоторых высокоорганизованных форм и к акустическому приему. Это позволяет считать сенсорную систему статоциста ракообразных и моллюсков своего рода аналогом акустико-вестибулярных систем позвоночных животных.

У насекомых нет статоцистов. Однако чувство равновесия для насекомых чрезвычайно важно, и соответствующую информацию им поставляют наружные проприоцепторы - волосковые пластинки. Так как отдельные волосковые сенсиллы чрезвычайно чувствительны к любому механическому смещению, то действие силы тяжести на придатки тела определяет различные типы тонических реакций всего набора волосковых пластинок в теле насекомого, формируя гравитационную систему отсчета для ориентирования мышц насекомого.

У насекомых существует также механизм для восприятия вращения, т. е. получения информации об угловых ускорениях. У двукрылых насекомых для этой цели служат жужжальца. Они представляют собой два гантелевидных придатка и являются модифицированными задними крыльями. Когда насекомые летят, жужжальца быстро колеблются вверх и вниз и напоминают гироскопы, предназначенные для стабилизации самолетов и подводных лодок.

4.5.2. Гравитационная сенсорная система позвоночных животных

Строение лабиринта. Рецепторы гравитации у всех позвоночных животных располагаются в лабиринте (рис. 4.21). Лабиринт представляет собой костное образование, внутри которого расположен перепончатый лабиринт. Пространство между костным и перепончатым лабиринтами заполнено жидкостью - перилимфой. Изнутри перепончатый лабиринт также заполнен жидкостью - эндолимфой. На первый взгляд перепончатый лабиринт напоминает усложненный статоцист, типичный для высших первичноротых. В действительности же он имеет более сложное строение.

Лабиринт позвоночных состоит из нескольких отделов и представлен двумя (у миноги) и тремя (у всех остальных позвоночных) полукружными каналами, эллиптическим мешочком (утрикулюсом), сферическим мешочком (саккулюсом) и лагеной. У высших позвоночных появляется еще один отдел - улитка, которая представляет собой вырост саккулюса, где располагается спиральный орган. Экспериментальные исследования показали, что верхняя часть лабиринта -

Рис. 4.21 Строение лабиринта позвоночных А - рыбы; Б - черепахи; В - птицы; Г - млекопитающие: I - саккулюс, 2 - утрикулюс, 3 - лагена, 4 - базилярная мембрана, 5 - улитка; б - ампулы полукружных каналов

полукружные каналы и утрикулюс с их сенсорными элементами - выполняют в основном гравитационные функции, а нижняя часть - саккулюс, улитка и лагена - слуховые функции. Поэтому верхнюю часть лабиринта обычно выделяют в качестве преддверия, или вестибулярного (от лат. vestibulum-преддверие) аппарата, противопоставляя его органу слуха - улитке.

Структура рецепторов. В основе организации рецепторных структур лабиринта лежат вторичночувствующие волосковые клетки, которые являются рецептирующими элементами, связанными через синапсы с афферентными и эфферентными нервными волокнами (рис. 4.22).

У рыб и амфибий это обычно небольшие (20-40 мкм в длину и 5-10 мкм в ширину) клетки цилиндрической формы, так называемые волосковые клетки II типа. У высших позвоночных начиная с рептилий к ним присоединяются колбообразные клетки I типа. Из кутикулы клеток обоих типов выступают пучки волосков, из-за наличия которых они и получили свое название.

Волоски бывают двух видов. Одни из них, тонкие и многочисленные, заполненные цитоплазмой и заключенные в трехслойную плазматическую мембрану, называются стереоцилиями. Полярно по отношению к ним располагается более длинная настоящая ресничка, содержащая 9 пар микротрубочек и называемая киноцилией. Смещение волосков в сторону киноцилии вызывает возбуждающий эффект, в противоположном направлении - тормозный.

Применение микроэлектродной техники позволило установить, что роль одиночной киноцилии сводится к регуляции степени скольжения, давления и точности отхождения на исходные позиции отолитовой мембраны в область каждой рецепторной клетки, тогда как стереоцилии являются как раз теми структурами, которые ответственны за процесс преобразования механического стимула в электрическую активность волосковой клетки.

К клеткам I типа подходит одно чашеобразное афферентное окончание, которое заключает в себе весь рецептор, за исключением его апикальной части. С ним, в свою очередь, контактируют эфферентные волокна. К клеткам II типа подходят афферентные и эфферентные нервные окончания, которые образуют синапсы с базальной мембраной цилиндрической волосковой клетки (см. рис. 4.22).

Макулы и кристы. В отолитовых частях лабиринта, т. е. в утрикулюсе, саккулюсе и лагене, клетки собраны в группы - пятна (макулы), причем нередко одно отделение лабиринта может иметь несколько макул. Киноцилии волосковых клеток макулы либо прикреплены к крупному отолиту (рыбы), либо пронизывают толстую отолитовую мембрану (остальные позвоночные), содержащую кристаллы CaCO3 (отоконии), которые склеены вместе желеобразным веществом (рис. 4.23). Дистальные концы стереоцилии волосковых клеток макулы свободно подпирают или "зачесывают" отолитовую мембрану. Смещение отолитовой мембраны при изменении положения тела в гравитационном поле сопровождается появлением режущих сил, действующих на волоски рецепторных клеток.

Волосковые клетки полукружных каналов сконцентрированы в ампулах, которые расположены у перехода канала в утрикулюс. В каждой ампуле волосковые клетки сгруппированы в гребешок (кристу), над которой расположен желеобразный купол. Волоски входят в этот желеобразный свод, который простирается от одной стороны ампулы до другой. Стимуляция волосковых клеток в кристе связана с отклонением купулы при движении, эндолимфы внутри каналов примерно так же, как в невромастах боковой линии.

Рис. 4.22 Волосковые клетки двух типов в лабиринте млекопитающих

1 - афферентное нервное окончание, 2 - эфферентное нервное окончание, 3 - волосковая клетка типа II, 4 - киноцилия, 5 - стереоцилия, 6 - опорная клетка, 7 - чаша афферентного нервного окончания, 8 - синаптическая полоска.

Рис. 4.23 Криста (А) и макула (Б) вестибулярного органа млекопитающего

1 - купол, 2 - волоски, 3 - волосковые клетки, 4 - опорные клетки, 5 - нервные волокна, 6 - отокония, 7 - желатиновый слой, 8 - базальная мембрана.

В функциональном отношении макула утрикулюса воспринимает положение организма по отношению к гравитационному полю, т. е. служит рецептором гравитации. Макула саккулюса (кроме рыб) является вспомогательной по отношению к утрикулюсу и, кроме того, хорошо реагирует на вибрацию. Кристы ампул трех полукружных каналов, расположенных в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, воспринимают угловые ускорения.

Центральные вестибулярные пути. Аксоны, по которым потенциалы действия от волосковых клеток передаются в ЦНС, образуют преддверную (вестибулярную) часть VIII пары черепных нервов. В ней при полном покое животного наблюдается спонтанная электрическая активность.

Волокна вестибулярной части нерва входят в продолговатый мозг и оканчиваются в вестибулярных ядрах. Вестибулярные ядра являются первым уровнем в ЦНС, где происходит обработка информации о движении или изменении положения тела в пространстве, поступающей от рецепторов лабиринта. Совокупность этих ядер получила название бульварного вестибулярного комплекса. В него входят ростральное (верхнее, ядро Бехтерева), латеральное (ядро Дейтерса), медиальное (ядро Швальбе) и каудальное (нижнее ядро Роллера) вестибулярное ядра.

Вестибулярные ядра продолговатого мозга связаны со всеми отделами ЦНС: спинным мозгом, мозжечком, ретикулярной формацией, глазодвигательными ядрами, корой головного мозга, автономной нервной системой. Среди этих связей можно выделить три основных проекционных системы (рис. 4.24).

Рис. 4.24 Вестибулярные ядра и их связь с различными структурами мозга

1 - медиальный преддверно-спинномозговой путь, 2- медиальный продольный пучок, 3-6 - вестибулярные ядра: верхнее, латеральное, медиальное и нижнее, соответственно, 7 - латеральный преддверно-спинномозговой путь; III, V, VI - черепные нервы.

Рис. 4.25 Чувство равновесия. Показаны связи, идущие от первичных рецепторов преддверия внутреннего уха (вестибулярного аппарата) к ядрам ствола мозга в таламуса. 1 - передаточное ядро в таламусе, 2 - мозжечок, 3 - полукружные каналы, 4 - вестибулярная часть преддверно-улиткового нерва, 5 - вестибулярное ядро.

Вестибулоспинальная система проецируется в спинной мозг, образуя преддверно-спинномозговой путь. Он делится на две ветви: медиальную и латеральную. Нисходящие волокна медиального продольного пучка оканчиваются в передних сегментах спинного мозга, где и контактируют с мотонейронами, управляющими мускулатурой шеи и туловища. В то же время волокна, связанные с мотонейронами, управляющими мышцами конечностей, берут начало в латеральных вестибулярных ядрах и спускаются по латеральной ветви. Все волокна латерального пути являются возбуждающими, тогда как медиальный путь содержит возбуждающие и тормозные волокна.

Вестибулоокулярная система играет важную роль в регуляции движений глаз. Это необходимо для сохранения стабильного изображения на сетчатке во время движения человека и животных. Вестибулоглазодвигательные рефлексы (глазной нистагм) состоят в движении глаз в противоположную вращению сторону, сменяющемся скачком глаз обратно. Возникновение и характеристика вращательного глазного нистагма являются важными показателями состояния вестибулярной системы, их широко используют в авиационной, космической и морской медицине, а также в экспериментах и клинике.

Вестибулоцеребеллярная система отражает тесное взаимодействие между вестибулярной системой и мозжечком в тонкой координации и регуляции движений.

Помимо названных проекционных систем существуют тесные связи с автономной нервной системой, которые выражаются в вестибуловегетативных реакциях сердечно-сосудистой системы, желудочно-кишечного тракта и других органов. Эти связи обеспечивают вегетативные компоненты вестибулярных реакций в пределах физиологической нормы.

Вестибулярные импульсы, как и импульсы других модальностей, поступают в кору мозга через таламические нейроны. Полагают, что существует два пути: прямой - через дорсомедиальную часть центрального постлатерального ядра и непрямой преддверно-мозжечково-таламический путь - через медиальную часть вентролатерального ядра.

Вестибулярные проекционные зоны в коре мозга, видимо, различаются у разных представителей млекопитающих. У кошки электрические стимулы, наносимые на вестибулярную часть нерва или вестибулярные ядра, сопровождаются генерацией потенциалов в передних участках супрасильвиевой и эктосильвиевой извилин височной коры обоих полушарий. Наряду с основной проекционной зоной в передней части височной коры обнаружена вторая вестибулярная зона, расположенная каудальнее.

У приматов основная вестибулярная зона в коре локализована в задней части постцентральной извилины между первой и второй соматосенсорными зонами. Вторая вестибулярная зона локализуется в моторной коре впереди от нижнего участка центральной борозды (рис. 4.25). Локализация вестибулярной зоны у человека окончательно не выяснена.

4.6. СЛУХОВАЯ СЕНСОРНАЯ СИСТЕМА

Слух представляет собой функцию организма, которая неразрывно связана по своему происхождению со звуком. Как физическое явление звук есть колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газах, жидкостях и твердых телах.

Звуковые волны, не будучи носителем значительной мощности и давления, возникают, однако, во множестве случаев одновременно с другими механическими явлениями, обладающими громадной энергией, способной нарушить или полностью разрушить целостность живого организма. Свойство звуковых волн определило в процессе эволюции животного мира появление специальных органов, способных реагировать на механические колебания. Развитие и совершенствование этих органов привело к возникновению специализированного приемника звуковых волн - органа слуха. Именно благодаря расширению возможностей восприятия колебательных процессов, сигнализирующих об опасности, существенно увеличились шансы на выживание. Постепенно звуки стали оцениваться не только как сигналы об опасности, но и как сигналы общения между особями одного и разных биологических видов.

4.6.1. Физические характеристики звуковых сигналов

В акустике все колебания подразделяются на три категории: 1) дозвуковые колебания, или инфразвуки с частотами меньше 20 Гц; 2) звуковые, или собственно звуки с частотами от 20 до 20 000 Гц (20 кГц); 3) сверхзвуковые, или ультразвуки с частотами выше 20 кГц. Указанное подразделение колебательных процессов связано только с физиологическими особенностями человеческого органа слуха воспринимать колебания именно звуковых частот. С точки зрения физики, колебания, например, в 5 Гц или в 50 кГц ничем специфическим не отличаются от колебаний в 20 Гц или 20 кГц.

Скорость распространения звука зависит от упругих свойств среды, в которой распространяется звуковая волна, и в меньшей степени от температуры и некоторых других факторов. Например, скорость звука в воздухе при температуре 18 °С равна примерно 340 м/с, а в морской воде при О °С - 1550 м/с. Таким образом, в воде акустическое сопротивление гораздо больше, чем в воздухе, и скорость звука также значительно выше.

Интенсивность, или сила, звука представляет собой энергию, переносимую звуковой волной через единицу площади в единицу времени. Однако прямое измерение интенсивности связано с определенными трудностями, и при решении практических задач в качестве измеряемого параметра звукового поля обычно выбирают звуковое давление. Звуковое давление характеризует силу, действующую на площадь, расположенную перпендикулярно движению частиц.

Минимальное давление звука, которое способно воспринимать человеческое ухо, составляет 2 • 10-5 Н/м2. Уровень звука при разговоре составляет примерно 0,1 Н/м2, а звук, вызывающий болевое ощущение, соответствует давлению 30 Н/м2.

Вместо абсолютных значений звукового давления часто используют понятие уровня звукового давления (L). Его выражают в децибелах (дБ) следующим образом:

L = 20lg(P/Po), где Р - среднее квадратичное значение звукового давления;

РО - порог слышимости человека равный 2 • 10-5 Н/м2 (относительный нуль).

Децибелы - логарифмические единицы, их применение делает возможным сравнение двух уровней звукового давления без знания абсолютных значений каждого из них. Повышение интенсивности в 10, 100, 1000, 10 000 раз относительно пороговой составляет соответственно 10, 20, 30, 40 дБ.

4.6.2. Слуховая сенсорная система беспозвоночных животных

На первых этапах развития слуховой рецепции у ряда морских беспозвоночных роль приемника акустических колебаний берут на себя полифункциональные органы - статоцисты, о которых более подробно рассказано в разд. 4.5. Так, например, медузы воспринимают инфразвуковые волны, которые являются ранними предвестниками бури, и уплывают в безопасные места литоральной зоны за 10-15 ч до наступления шторма. Диапазон восприятия их статоцистов охватывает самые низкие инфразвуковые частоты - 8-13 Гц. У морских и пресноводных моллюсков область восприятия расширяется и составляет от нескольких герц до 2 кГц. Однако система звукоизлучения у них отсутствует, и поэтому нельзя предполагать какую-либо внутривидовую звуковую коммуникацию.

Более развитая звуковая сигнализация обнаружена у членистоногих и, в частности, у насекомых. Эти животные издают звуковые сигналы с помощью ряда механизмов: трением подвижно сочлененных склеритов (фрикционный, или стридуляционный, механизм), вибрацией специализированных мембран (тимпанальный механизм), вибрацией крыльев, пропусканием воздуха через отверстия (пневматический механизм), ударением различными частями тела по субстрату (ударный механизм).

Акустическая сигнализация играет в жизнедеятельности многих насекомых очень важную роль. Достаточно сказать, что с ее помощью осуществляется встреча особей противоположного пола, поддерживается репродуктивная изоляция у близких видов и регулируется размещение насекомых в биотопе. Кроме того, у общественных насекомых акустическая сигнализация используется в момент опасности (сигналы тревоги, угрозы, бедствия), при добывании пищи, также при роениях (у пчел) и переселении в новые жилища.

Слуховые органы насекомых. Насекомые воспринимают звуковые колебания с помощью волосковых сенсилл, джонстоновых и тимпанальных органов. Две последние группы весьма сходны с хордотональными органами, подробно описанными в разд. 4.3.1, так как и в том и в другом случае их функциональной единицей является хордотональная сенсилла.

Рис. 4.26 Джонстонов орган комара

А - общий вид антенн самца комара; Б - организация джонстонова органа комаров семейства Culicidae: 1 - жгутик, 2 - волосок жгутика, 3 - хордотональная сенсилла, 4 - антеннальный нерв, 5 - нерв джонстонова органа, в - базальная пластинка (отросток III членика антенны); I, II - первый и второй членики антенны.

Волосковые сенсиллы играют роль фонорецепторов в воздушной среде у общественных насекомых. У термитов они располагаются на церках, у муравьев - на антеннах, у пчел - между фасеточными глазами и затылочным швом. Эти волоски дугообразно изогнуты и имеют волнистую форму. Поверхность волосков покрыта шиповидными выростами. Отклонение волосков от положения равновесия возрастает с увеличением интенсивности звука и зависит от его частоты. Высокочастотная граница звуковых колебаний интенсивностью до 80 дБ, отклоняющих волосок на 1°, находится между 200 и 400 Гц. Резонансный максимум самых низкочастотных волосков находится ниже 100 Гц.

Джонстоновы органы у большинства насекомых расположены во втором членике антенн и выполняют механорецепторные функции. Однако у комаров наблюдаются гипертрофия второго членика антенн и значительное увеличение числа хордотональных сенсилл до 30 000 (рис. 4.26). В середине XX столетия было экспериментально доказано, что комары воспринимают звуки с помощью антенн.

Жгутики антенн у самцов несут многочисленные жесткие волоски, торчащие в разные стороны. У самок антенны "голые" и волосков почти нет. Антенны самцов являются резонансными структурами, остро настроенными на основную частоту звука полета самки того же вида. Вибрация жгутика антенны воспринимается хордотональными сенсиллами, или сколопидиями, радиально расположенными во втором членике. Расположение рецепторов характеризуется полной радиальной симметрией, так что при отклонении жгутика в любую сторону возбуждаются равные количества рецепторов.

Тимпанальные (от греч. tympanon (лат. tympanum) - барабан) органы у насекомых разных отрядов возникли независимо из проприоцептивных или виброчувствительных хордотональных органов путем установления связи хордотональных сенсилл со специализированным тонким участком кутикулы, тимпанальной мембраной, способной колебаться под действием звуковых волн. Тимпанальная мембрана тесно связана с трахеальной системой, не только предохраняющей ее от демпфирования внутренними органами, но и выполняющей в ряде случаев важную роль в функциональной настройке слухового органа.

У насекомых тимпанальные органы обычно парные (по одному с каждой стороны тела) и расположены на самых разнообразных участках тела: на первых брюшных сегментах, на заднегруди, среднегруди, крыльях и передних

Рис. 4.27 Строение тимпанальных органов кузнечика (А) и ночной бабочки (Б)

А: 1 - передняя трахея, 2 - задняя трахея, 3 - хордотональная сенсилла, 4 - подколенный орган, 5 - нерв подколенного органа, 6 - тимпанальный нерв, 7 - промежуточный орган, 8 - слуховой гребень, 9 - тимпанальная впадина; Б: 1 - хордотональная сенсилла (А-клетка), 2 - тимпанальная мембрана, 3 - воздушные мешки, 4 - лигамент, 5 - нерв, 6 - контртимпанальная мембрана, 7 - В-клетка.

ногах. Такая локализация несомненно отражает их происхождение от посегментно расположенных множественных проприоцептивных органов, которые еще сохранились у низших членистоногих. Детали строения тимпанальных органов сильно варьируют в пределах не только отрядов, но и семейств, поэтому здесь будут рассмотрены наиболее типичные примеры.

У сверчков и кузнечиков тимпанальные органы расположены в голенях передних ног (рис. 4.27). На внутренней и внешней зонах голени находятся две тимпанальные мембраны, резко различающиеся по размерам. Большая трахея, поделенная на две ветви, проходит через ногу в области органа слуха. В проксимальной части голени расположены два хордотональных органа: подколенный и промежуточный. Они не контактируют непосредственно ни с одной из тимпанальных мембран. Подколенный (субгенуальный) орган состоит из множества длинных сенсилл, расположенных веерообразно; их шапочковые клетки сходятся в одной точке и прикрепляются к стенке голени. Промежуточный орган образован немногими сенсиллами, натянутыми между кутикулой и трахеей. Дистальнее промежуточного органа находится непосредственно тимпанальный орган, или слуховой гребень, который состоит из хордотональных сенсилл, шапочковые клетки которых не прикреплены к кутикуле.

У кузнечиков подколенный орган настроен на восприятие низкочастотных звуков до 1 кГц, промежуточный - от 1 до 15 кГц (оптимум 5-7 кГц), а слуховой гребень - от 2 до 100 кГц (оптимум 12-30 кГц). Аналогичные результаты получены при изучении функциональной организации тимпанальных органов сверчка. Таким образом, у сверчков и кузнечиков в тимпанальных органах еще не произошло полного разделения функций, так как они реагируют на звуковые компоненты и на вибрацию субстрата тех же частот.

Тимпанальные органы саранчовых, цикад и бабочек окончательно утратили проприоцептивную и вибрационную чувствительность и превратились в специализированные приемники звукового компонента колебаний. Эти органы например, у бабочек-совок располагаются в месте соединения третьего грудного и первого брюшного сегментов. Они представляют собой тимпанальный воздушный мешок, являющийся увеличенной частью трахеальной, системы (см. рис. 4.27). Тимпанальная мембрана разделяет воздушный мешок и открывающуюся наружу тимпанальную полость. Сколопариум тимпанального органа прикреплен к внутренней поверхности тимпанальной мембраны, идет вперед наискось и поперек тимпанальной полости. Он свободно подвешен в полости за счет прикрепления к тимпанальной мембране, а также за счет отходящих от него лигамента (связки) и тимпанального нерва. Сколопариум содержит две рецепторные клетки (А-клетки).

Тимпанальный нерв, состоящий из двух аксонов А-клеток, идет от сколопариума к кутикулярной складке, где к нему присоединяется аксон большой звездчатой, или грушевидной, клетки - В-клетки, которая находится в трахеальном эпителии, выстилающем складку.

Электрофизиологические исследования показали, что две А-клетки разряжаются самопроизвольно со скоростью 20-40 спайков/с. Обе они реагируют на ультразвук и наиболее чувствительны в диапазоне от 25 до 60 кГц, т. е. воспринимают ультразвуки охотящихся за насекомыми летучих мышей.

Быстрая адаптация А-клеток к действию непрерывного тона и продолжение разрядов импульсов в течение некоторого времени после прекращения щелчка или кратковременного звука позволяют предполагать, что тимпанальный орган специально приспособлен к восприятию пульсирующих звуков. В-клетка производит регулярные самопроизвольные разряды импульсов большой амплитуды, но ее роль в поведении ночных бабочек неизвестна.

Высокая чувствительность и широкий динамический диапазон слуха насекомых, обладающих тимпанальными органами, обеспечивают возможность внутривидовой акустической коммуникации или избегания хищников на относительно больших расстояниях.

Восприятие широкого диапазона частот обеспечивается благодаря дифференцировке рецепторов по частотным свойствам. Большая часть рецепторов тимпанального органа, например, сверчка обычно остро настроена на главную частоту спектра конспецифичных призывных сигналов около 5 кГц. Высокочастотные рецепторы, напротив, являются широкополосными и могут воспринимать самые разнообразные высокочастотные звуки, в том числе звуки летучих мышей, на которые насекомые реагируют избеганием.

Аксоны рецепторов тимпанального органа оканчиваются в переднегрудном ганглии и хорошо обособленной медиолатеральной области чувствительного нейропиля. Эту зону обычно называют акустическим, или слуховым, нейропилем. Здесь аксоны конвергируют в определенных комбинациях на группу специализированных интернейронов, осуществляющих первичную обработку передаваемой рецепторами информации на уровне брюшной нервной цепочки.

4.6.3. Слуховая сенсорная система позвоночных животных

У всех позвоночных животных рецепция звуковых колебаний осуществляется специальными структурами, расположенными во внутреннем ухе, или лабиринте. Возникновение лабиринта как замкнутой системы, расположенной глубоко под кожей головы, рассматривают как значительный прогресс в эволюции органов слуха. У самых примитивных водных позвоночных - круглоротых - уже имеется хорошо развитый лабиринт. У первичноводных позвоночных, так же как и у некоторых животных, ведущих смешанный образ жизни (земноводных), кроме лабиринта в восприятии звуковых колебаний участвуют еще и органы боковой линии (см. разд. 4.4). Рецепторные структуры органов боковой линии и внутреннего уха осуществляют различные функции при обнаружении и опознавании акустических сигналов.

Воспринимающие звуковые волны волосковые клетки лабиринта сгруппированы в виде макул, прикрытых желатиновидной отолитовой мембраной с одним крупным отолитом или многими мелкими отокониями и папиллами (от лат. papilla - сосочек), с односторонне прикрепленными кроющими образованиями - текториальными мембранами.

В разных группах позвоночных слуховые функции выполняют различные макулы и папиллы. У рыб это саккулярная и лагенарная макулы. Амфибиальная и базилярная папиллы выполняют слуховые функции у амфибий, новая базилярная папилла - у рептилий, птиц и млекопитающих.

При этом у последних базилярная папилла обособляется в виде улитки - прямой или спирально закрученной, образуя специализированный орган слуха. Рецепторные клетки, заключенные в улитку, функционируют как приемники давления и нуждаются в дополнительных системах, предварительно обрабатывающих сигналы и оптимизирующих их восприятие. Такие системы становятся совершенно необходимыми в связи с выходом позвоночных на сушу и существованием в воздушной среде, в которой их тела становятся непроницаемыми для звука. Этим объясняется появление в слуховом аппарате наземных позвоночных звукопоглощающих, звукопередающих, а позднее и звукоорганизующих структур, представленных в среднем и наружном ухе.

Эволюция слуховой системы позвоночных. Возникновение у животных специфического приемника звука неразрывно связано с водной средой, в которой на протяжении многих геологических эпох развивалась жизнь, предшествующая появлению разнообразных биологических форм на суше.

У рыб орган слуха представлен лишь внутренним ухом, которое размещается частично в боковых стенках черепа и большей частью на его внутренней поверхности. Уже в 30-х гг. XX века Г. Фриш доказал, что слуховую функцию несет нижняя часть лабиринта - саккулюс, тогда как утрикулюс и полукружные каналы участвуют в поддержании равновесия.

Волны звукового давления ближнего поля, распространяющиеся в водной среде, легко передаются через ткани и жидкости в теле рыбы и, таким образом, создают колебательные движения макулы, покоящейся на твердом субстрате. В результате реснички волосковых клеток, концы которых тесно прикреплены к отолиту с помощью текториальных тяжей, начинают двигаться одни относительно других. Силы, действующие на реснички, заставляют их сгибаться, что приводит к стимуляции волосковых клеток. Что касается волн давления, определяющих изменения дальнего поля, то, несмотря на их высокую амплитуду в определенных условиях, они непосредственно не возбуждают лабиринт, так как находятся вне предела чувствительности его сенсорных структур. Для их восприятия необходимо иметь прибор, который бы усиливал эти волны и переводил их, таким образом, в зону чувствительности лабиринтных структур. В качестве такого усиливающего воспринимающего прибора рассматривают плавательный пузырь.

Плавательный пузырь имеет определенный резонанс в пределах 100-1000 Гц. Руководствуясь резонансными свойствами плавательного пузыря, можно считать, что рыбы чувствительны к волнам дальнего поля в диапазоне колебаний 0,1-1,0 кГц. В процессе эволюции у наиболее высокоорганизованных водных позвоночных развивались специальные образования, усиливающие колебания дальнего поля при передаче их к структурам лабиринта. К подобным образованиям относятся прежде всего веберов аппарат и другие функционально гомологичные приспособления. Соединение плавательного пузыря с внутренним ухом осуществляется с помощью веберова аппарата - четырех пар подвижно сочлененных косточек, являющихся аналогом системы косточек среднего уха млекопитающих, тогда как плавательный пузырь считают функциональным аналогом барабанной перепонки.

При колебаниях плавательного пузыря движения его стенок через систему косточек передаются к непарному синусу, а затем к поперечному каналу и саккулюсу. Перемещение эндолимфы к сенсорному эпителию макулы осуществляется непосредственно за счет движения жидкости в поперечном канале. В этом случае отолит качается по своей длинной оси и возбуждает волосковые клетки макулы.

Важнейший этап в эволюции слуховой системы позвоночных был связан с переходом от водного к наземному образу жизни. Это потребовало развития у животных специализированных структур, согласующих сопротивление проводимых по воздуху звуков с сопротивлением жидкостей внутреннего уха.

Впервые по сравнению с рыбами в пределах класса земноводных, или амфибий уже у древних стегоцефалов (палеозой) появляется барабанная полость, образованная из щели между челюстной и гиоидными дугами. Несомненно существовала и барабанная перепонка, которая хорошо развита у современных бесхвостых земноводных. За исключением борнеосской лягушки, бесхвостые земноводные не имеют наружного слухового прохода и их барабанная перепонка располагается открыто по бокам головы. Аппарат среднего уха у них примитивен и представлен слуховым столбиком, который одним концом через хрящ соединен с барабанной перепонкой, а другим упирается в овальное окно, контактирующее с перилимфатической цистерной внутреннего уха.

Перепончатый лабиринт внутреннего уха амфибий находится во взвешенном состоянии внутри костной слуховой капсулы. В целом перепончатый лабиринт вместе с заключенными в нем амфибиальной и базилярной папиллами является эндолимфатической системой, а окружающее его пространство заполнено перилимфатической жидкостью. Предполагают, что базилярная папилла имеет преимущественное значение при восприятии высокочастотных звуковых колебаний в воздухе, а амфибиальная папилла - низкочастотных в воздухе и воде. Эффективный диапазон частот, вызывающий изменение частоты дыхания у лягушек, находится в пределах 30-15 000 Гц.

Слуховой аппарат рептилий устроен значительно сложнее амфибий и имеет ряд прогрессивных черт. Так, у гекконов, сцинков, ящериц и крокодилов появляется наружный слуховой проход, обладающий особыми кольцевыми мышцами, которые могут перекрывать или сильно суживать наружное слуховое отверстие. Барабанная полость среднего уха заполнена воздухом и широко открывается в гортань. В барабанную полость открывается отверстие, аналогичное окну улитки млекопитающих. Такая система проводит и усиливает

звуковые воздушные колебания.

Своеобразные изменения наблюдаются и в строении внутреннего уха. Базилярная папилла рептилий представляет собой совершенно новую структуру, лишенную непосредственного сходства с базилярной папиллой амфибий. Она располагается в улитковом канале, являющемся выростом саккулюса, и примыкает к лагенарной макуле. Существенная отличительная черта базилярной папиллы рептилий - расположение волосковых клеток на структурно дифференцированной базилярной мембране (рис. 4.28), что создает возможность для гармонического анализа звуков уже на уровне рецептора.

Рис. 4.28 Новая базилярная папилла у рептилий 1 - текториальная мембрана,2 - волосковые клетки, 3 - базилярная мембрана.

Поверхность папиллы покрывает текториальная мембрана. Благодаря такой организации стимуляция волосковых клеток происходит не за счет отклонения их ресничек (как у рыб и амфибий), а за счет движения тел самих клеток в результате изгибания базилярной мембраны под влиянием колебаний эндолимфы. Диапазон частот, воспринимаемых разными видами рептилий, составляет 50-10 000 Гц, причем максимальная чувствительность обнаруживается, как правило, в области частот ниже 1 кГц.

У птиц наружный слуховой проход обычно короткий, большого объема, очень сложный по рельефу складок. Длительное время считали, что наружное ухо птиц является исключительно защитным образованием, однако показано, что оно несет совершенно определенную акустическую нагрузку и влияет на частотные характеристики слуха. Среднее ухо птиц представлено обширной тимпанальной полостью. Звукопередающий аппарат среднего уха состоит из хрящевой экстраколюмеллы (столбика) с тремя отростками на барабанной перепонке. На них фиксируется единственная мышца среднего уха - тимпанальная, которая берет начало от боковой затылочной кости вблизи мыщелка. Единственная слуховая косточка птиц представляет собой пластинку, оканчивающуюся диском, который упирается в овальное окно.

Внутреннее ухо представлено короткой, слабо изогнутой трубкой. На базилярной мембране располагается вытянутый в длину спиральный орган, который состоит из опорных и рецепторных клеток, покрытых с поверхности текториальной мембраной. Дистальную часть улитки занимает лагена, тогда как в проксимальной части расположен собственно акустический рецептор - базилярная папилла.

Диапазон частот, воспринимаемый птицами, довольно широк и простирается от 30 Гц до 30 кГц. Отмечается высокая степень частотного различения. Например, дифференциальный порог по частоте у волнистых попугайчиков в диапазоне 0,3-1,0 кГц составляет всего 0,3-0,7%, т. е. близок к возможностям человеческого слуха.

Из всех позвоночных животных млекопитающие обладают наиболее развитым периферическим слуховым аппаратом. В каждом отделе наружного, среднего и внутреннего уха произошли существенные изменения по сравнению с рассмотренными классами, поэтому представляется целесообразным рассмотреть строение и функции периферических отделов слуховой системы млекопитающих более подробно.

Слуховая система млекопитающих. Наружное ухо млекопитающих (рис. 4.29) включает ушную раковину и наружный слуховой проход. По своей форме наружное ухо несколько напоминает воронку с усложненной внутренней поверхностью ушной раковины за счет развития системы дополнительных клапанов и увеличения ее размеров. Воронкообразная форма наружного уха обеспечивает свойство направленности - улучшенное восприятие звуков, идущих с определенного направления, по сравнению со звуками, идущими с других направлений. Ушные раковины отсутствуют только у китообразных и многих ластоногих, что является специальным приспособлением к водному образу жизни.

Рис. 4.29 Слуховая система человека

А - главные части; Б - полукружные каналы и улитка. Стремя удалено, чтобы лучше было видно окно преддверия. Стрелками показаны пути распространения слуховых сигналов.

Среднее ухо впервые представляет трехкосточковую звукопередающую систему, включая молоточек, наковальню и стремя, связанные с одной стороны с барабанной перепонкой, а с другой - с окном преддверия (овальным окном) внутреннего уха. Полость среднего уха, включая и водных животных, заполнена воздухом. Слуховые косточки выполняют двоякую роль.

Их первая функция состоит в том, что они образуют систему рычагов, с помощью которых улучшается передача энергии колебаний из воздушной среды слухового прохода к перилимфе внутреннего уха. Благодаря тому, что площадь основания стремени, укрепленного в окне преддверия, значительно меньше площади барабанной перепонки, а также благодаря специальному способу сочленения косточек, действующих наподобие рычагов, давление на мембране овального окна оказывается примерно в 20 раз большим, чем на барабанной перепонке. Этот механизм увеличения давления является чрезвычайно целесообразным приспособлением, направленным на обеспечение эффективной передачи акустической энергии из воздушной среды в жидкую.

Вторая функция заключается в способности системы косточек изменять характер движения при больших интенсивностях звука. Когда звуковое давление приближается к величинам порядка 120 дБ (над порогом слышимости), человек начинает ощущать покалывание в ушах. При таких интенсивностях стимула существенно меняется характер движения косточек, что резко снижает функцию среднего уха.

В среднем ухе есть также специальный механизм, предохраняющий слуховой рецепторный аппарат от длительных звуковых перегрузок. Достигается это сокращением мышц среднего уха, которых у млекопитающих уже две: мышца, напрягающая барабанную перепонку, и стременная мышца. Рефлекторное сокращение этих мышц при действии звука большой интенсивности приводит к уменьшению амплитуды колебания барабанной перепонки, косточек среднего уха и, соответственно, к уменьшению звукового давления, передаваемого улитке.

Внутреннее ухо (улитка) млекопитающего представляет собой спирально закрученный костный канал, приподнятый в области вершины. У человека улитка имеет 2,5 витка, у кошки - 3, а у однопроходных - всего 0,25 витка. В улитке млекопитающих (за исключением однопроходных) отсутствует лагенарная макула, и весь рецептор представлен базилярной папиллой, видоизмененной в спиральный (кортиев) орган.

Рис. 4.30 Спиральный орган1 - спиральный ганглий, 2 - внутренние чувствительные клетки, 3 - покровная мембрана, 4 - наружные чувствительные клетки, 5 - опорные клетки, 6 - базилярная пластинка, 7 - нервные волокна.

Внутри костной капсулы две мембраны (базилярная пластинка и преддверная мембрана, или мембрана Рейсснера) разделяют улитку на три лестницы:

барабанную, улитковый проток (среднюю) и лестницу преддверия. Барабанная лестница и лестница преддверия заполнены перилимфой, улитковый проток - эндолимфой. На базилярной пластинке располагается спиральный орган (рис. 4.30), который включает два типа рецепторных клеток: один ряд внутренних и три-четыре ряда наружных волосковых клеток.

Каждая рецепторная клетка увенчана пучком стереоцилий и в отличие от рептилий и птиц не имеет киноцилии (вместо нее располагается базальное тельце, или центриоль). Стереоцилий прикрепляются к нижней поверхности покровной мембраны. Волосковые клетки, так же как и у птиц, располагаются на опорных клетках, которые у млекопитающих подразделяются на клетки-столбы, клетки Хензена, наружные поддерживающие (Клаудиса) и наружные фаланговые (Дейтерса).

Базилярная пластинка не одинакова по ширине: у человека вблизи окна преддверия ее ширина составляет 0,04 мм, а затем по направлению к куполу улитки, постепенно расширяясь, она достигает в конце 0,5 мм. Следовательно базилярная пластинка расширяется там, где улитка сужается.

В базальной части спирального органа располагаются рецепторные клетки воспринимающие более высокие частоты, а в апикальной части (на вершине улитки) - клетки, воспринимающие только низкие частоты. Такой пространственный способ анализа частоты получил название принципа места. Однако представления о механизме, на котором основан такой способ кодирования, за последние сто лет претерпели существенные изменения.

Еще в 1863 г. Г. Гельмгольц сформулировал резонансную теорию слуха, согласно которой разные частоты кодируются своим точным положением вдоль базилярной пластинки. Базилярная пластинка может действовать как набор поперечно натянутых эластичных резонирующих полос, подобных струнам рояля. Самые короткие из них в узкой части близ основания улитки резонируют в ответ на высокие частоты, а те, что лежат ближе к куполу, в расширенной части базилярной пластинки, - на самые низкие частоты. Эта теория основывалась на том, что базилярная пластинка натянута по ширине и механическая связь по ее длине отсутствует, т. е. колебание одной части мембраны не должно передаваться соседним участкам.

Однако эти исходные предпосылки были опровергнуты в 50-60-е гг. XX столетия Д. Бекеши. Им прежде всего было доказано, что базилярная пластинка не натянута в поперечном направлении и что она имеет механическую связь по всей длине. Поэтому он предложил свою новую теорию, которую обычно называют теорией бегущей волны. Бекеши установил, что базилярная мембрана жестче всего у основания улитки, т. е. там, где она уже. По направлению к куполу ее жесткость постепенно уменьшается. При колебаниях мембраны волны "бегут" от ее основания к куполу. Градиент жесткости мембраны всегда заставляет волны двигаться от окна преддверия и никогда в обратном направлении. Высокочастотные колебания продвигаются по базилярной пластинке лишь на короткое расстояние, а длинные низкочастотные волны распространяются довольно далеко. Первая, самая жесткая часть базилярной пластинки служит высокочастотным фильтром.

Таким образом, энергия коротковолновых колебаний рассеивается, шунтируется, так что они затухают недалеко от основания, тогда как длинные волны проходят весь путь до вершины.

Бегущая волна имеет наибольшую амплитуду на строго определенном участке мембраны в зависимости от частоты. И хотя сама волна движется, ее огибающая для данной частоты стационарна. Смещения пиков для высоких частот направлены к основанию, а для низких частот - к куполу улитки.

Электрические явления в улитке, регистрируемые в ее средах при отсутствии звукового раздражения и возникающие при действии звукового стимула, можно подразделить на две группы. В первую входит постоянный эндолимфатический потенциал. Хотя он регистрируется при отсутствии звука, обнаружены его существенные изменения при колебаниях базилярной пластинки. Наличие эндолимфатического потенциала обеспечивает высокую поляризованность структур улитки, что приводит к высокой чувствительности механизма преобразования механической энергии в процесс возбуждения рецепторов.

Вторую группу электрических явлений, возникающих в улитке при действии звука, составляют микрофонный и суммационный потенциалы. Микрофонные потенциалы впервые были обнаружены в спиральном органе кошки, а затем в органах слуха других млекопитающих. Они повторяют в ряде случаев форму звуковой волны. Амплитуда микрофонного потенциала наиболее велика в тех участках улитки, которым соответствует максимум колебаний базилярной пластинки при данной частоте тона. С помощью внутриклеточного отведения была зарегистрирована активность одиночной волосковой клетки. Она показала довольно острую настройку на характеристическую частоту.

В отличие от микрофонного потенциала суммационный потенциал воспроизводит не форму звуковой волны, а ее огибающую. Различают положительный и отрицательный суммационные потенциалы. Считают, что отрицательный суммационный потенциал связан с внутренними, а положительный и микрофонный - с наружными волосковыми клетками.

Заключительный этап деятельности улитки характеризуется возникновением импульсации в волокнах слухового нерва, иннервирующих рецепторные волосковые клетки. Характер этой иннервации достаточно сложен. Примерно 95% сенсорных слуховых волокон связаны только с внутренними волосковыми клетками, которые у млекопитающих составляют лишь около 20% всех волосковых клеток (у человека их всего 3500). Напротив, более многочисленные наружные волосковые клетки (у человека их более 20 000) связаны только с немногочисленными сенсорными волокнами.

Таким образом, внутренние волосковые клетки обладают множественной иннервацией, которая, вероятно, обеспечивает большую надежность передачи в отличие от разветвляющейся иннервации многих наружных клеток от одного волокна, которая связывает активацию волокна одной волосковой клетки с одновременной активностью соседних.

Полагают, что основной поток слуховых ответов идет через внутренние волосковые клетки, причем наружные клетки вносят определенный вклад в свойства сигналов.

Кроме афферентных волокон, несущих сенсорную информацию, к волосковым клеткам подходят также и эфферентные волокна. Они идут от клеток ядра верхней оливы в стволе мозга и образуют синаптические связи с волосковыми клетками. Стимуляция этих волокон вызывает угнетение ответов волосковых клеток. Возможно, эти волокна каким-то образом защищают волосковые клетки от перераздражения, но в остальном их функции остаются неизвестными.

Диапазон воспринимаемых частот в пределах класса млекопитающих весьма различен, но основной тенденцией является хорошо выраженная чувствительность к высоким частотам. Расширение полосы высокочастотных сигналов является результатом эволюции цепи слуховых косточек в среднем ухе млекопитающих по сравнению с представителями других классов, обладающими всего одной слуховой косточкой.

Предельные возможности слуха млекопитающих находятся в диапазоне от 20-30 Гц до 150-200 кГц, т. е. простираются далеко в область ультразвуковых частот.

Слуховые центры позвоночных. Необходимость восприятия малых акустических уровней, развиваемых звуковой волной, определила возникновение в филогенезе позвоночных не только специализированных приемников, но и прогрессивное развитие мозговых слуховых центров.

В связи с тем что волосковые клетки позвоночных, будучи вторичночувствующими рецепторами, лишены аксона, слуховые сигналы передаются в ЦНС нейроном второго порядка. Это биполярная клетка, тело которой находится в улитке. Периферическое волокно этой клетки образует синапсы с волосковыми клетками, тогда как центральный отросток входит в состав слухового нерва. Аксоны нейронов слухового нерва заканчиваются на телах и дендритах нервных клеток продолговатого мозга.

У крутлоротых и хрящевых рыб первое центральное переключение слуховой импульсации находится в трех группах ядер продолговатого мозга: дорсальном, медиальном и вентральном. Считают, что вентральное ядро преимущественно связано с VIII парой черепных нервов, а дорсальное и медиальное - с системой органов боковой линии. Часть волокон идет также к обеим половинам мозжечка и к крупным двигательным клеткам ствола мозга.

У костистых рыб распределение волокон акустико-латеральной системы отличается от строения этой системы у круглоротых и хрящевых рыб. Основными акустическими ядрами у них считают тангенциальное ядро и ядро Дейтерса. Часть волокон VIII нерва, в особенности саккулярные волокна, заканчиваются на дендритах маутнеровских клеток. Известно, что аксоны маутнеровских клеток иннервируют мускулатуру туловища рыбы.

Аксоны клеток ядер продолговатого мозга идут в средний мозг и заканчиваются в высшем слуховом и оптическом центре, а также в ядре покрышки среднего мозга. Клетки центров среднего мозга имеют друг с другом двусторонние связи и являются высшими интегративными центрами звукового, зрительного и тактильного чувств. От этих центров берут начало пути, обеспечивающие сложные двигательные реакции животных.

Переход от водной к воздушной среде обитания привел не только к появлению специализированных рецепторных структур, но и к выделению чисто слуховых волокон, проходящих в составе преддверно-улиткового нерва. Четко идентифицированные слуховые волокна определяются только у лягушек, большую часть жизни проводящих на суше, тогда как водные амфибии имеют лишь незначительную слуховую часть VIII нерва.

Все слуховые волокна от амфибиальной и базилярной папилл оканчиваются в дорсальном ядре продолговатого мозга, которое можно считать гомологом улиткового ядра млекопитающих. Волокна от этих ядер идут к верхней оливе в составе пучка, представляющего собой зачаток трапециевидного тела, а от верхней оливы к среднему мозгу - в виде пучка, который в ходе эволюционного развития превращается в мощную систему латеральной петли. Четких ядерных групп в латеральной петле не обнаруживается. Слуховые пути, идущие от слуховых центров среднего мозга в передние отделы мозга, немногочисленны.

Таким образом, улитковое ядро, трапециевидное тело, верхняя олива, латеральная петля являются самыми древними центральными образованиями в эволюции слуховой системы у наземных позвоночных. В дальнейшем происходит увеличение объема и дифференциация этих древних отделов, а также проникновение слуховых волокон в передний мозг (таламус, конечный мозг, корковые структуры).

После возникновения таламической и корковой проекции развитие идет по пути усложнения структурно-функциональной организации всех отделов слуховой системы.

Рассмотрим это положение на примере млекопитающих. Схема восходящих слуховых путей у человека представлена на рис. 4.31.

Рис. 4.31 Проводящие слуховые пути в мозгу человека (А) и восходящие связи улитки и преддверно-улиткового нерва правой стороны (Б)

I. II. Ill - первый стволовой, второй среднемозговой и третий корковый перекресты слуховых волокон соответственно;

I _ преддверно-улитковый нерв, 2 - слуховая зона коры больших полушарий мозга, 3 - медиальное коленчатое тело, 4 - нижний холмик, 5 - улитковые ядра, 6 - верхняя олива, 7 - ядра латеральной петли, 8 - ретикулярная формация, 9 - ядра таламуса и базальные ядра; на рис. Б штриховыми линиями обозначены аксоны перекрещивающихся путей.

Рис. 4.32 Организация центрифугальных связей в слуховой системе МКТ - медиальное коленчатое тело, ВОК - верхнеоливный комплекс; ЗХ - нижние холмики, УЯ - улитковые ядра, СК - слуховая кора; У - улитка, ЯЛП - ядра латеральной петли.

Существует пять основных уровней переключения восходящих слуховых волокон: улитковые ядра, верхнеоливарный комплекс, нижние холмики, медиальное коленчатое тело и слуховая зона коры больших полушарий (рис. 4.32). Кроме того, по ходу слухового пути расположено большое количество небольших ядер, в которых осуществляется частичное переключение восходящих слуховых волокон.

У млекопитающих происходит разделение улиткового ядра на три основные части: передний и задний отделы вентрального улиткового ядра и дорсальное улитковое ядро, резко различающиеся по клеточному составу и системе связей. Каждое слуховое нервное волокно, войдя в ствол мозга и достигнув улитковых ядер делится на множество концевых ветвей. В ядре эти ветви распределены строго упорядоченным образом. Кроме того, вся тонотопическая последовательность рецепторов базилярной пластинки проецируется через слуховые волокна на различные участки улиткового ядра.

Таким образом, одна улитка имеет в улитковых ядрах множественное представительство. Такой же процесс дифференцировки и распределения на несколько ядер касается верхней оливы, которая у современных высокоорганизованных млекопитающих состоит из группы ядер, входящих в состав верхнеоливного комплекса.

Иннервация верхнеоливарного комплекса также тонотопическая. Ламинарная организация важнейших слуховых центров - нижних холмиков и медиального коленчатого тела - тоже предполагает тонотопическую организацию этих ядер, показанную в ряде электрофизиологических исследований. Это является одним из выражений принципа пространственного анализа звуков и одним из оснований тонкого частотного различения.

Главным таламическим релейным ядром для слуховой информации является медиальное коленчатое тело. У высокоорганизованных млекопитающих область проекции релейных клеток медиального коленчатого тела на кору соответствует первичной слуховой коре. Традиционно считали, что в коре существует только одна первичная слуховая зона, однако новые работы выявили множественные области и в таламическом ядре, и в коре, а также соединяющие их параллельные пути. У многих млекопитающих в первичной коре находится область с крупной и подробной картой частот, называемая AI, что свидетельствует о тонотопическом принципе организации и коры больших полушарий.

Многочисленными исследованиями показано существование в слуховой сенсорной системе нисходящих путей от височной коры к медиальному коленчатому телу, нижним холмикам, ядрам латеральной петли, верхней оливе, ядрам трапециевидного тела (см. рис. 4.32). Они начинаются в основном от первичного слухового поля коры AI и идут вместе с восходящими. Окончания кортико-фугальных волокон от височной области коры были обнаружены и в других неспецифических слуховых образованиях головного мозга.

4.6.4. Эхолокация

Одной из важных характеристик деятельности слуховой системы человека и животных является пространственный слух, т. е. ориентация в пространстве благодаря восприятию звуковых сигналов. В процессе эволюции были выработаны определенные виды пространственного слуха, с большой точностью используемые животными и человеком при акустической ориентации в пространстве. Подавляющему большинству видов животных, в том числе и человеку, обладающих достаточно развитой слуховой системой, свойственна пространственная акустическая ориентация с помощью пассивной локации. Этот вид пространственного слуха характеризуется локацией источников звуков, излучаемых внешними объектами. Благодаря пассивной локации биологическим объектам удается локализовать положение звучащего объекта в вертикальной и горизонтальной плоскостях и его удаленность от тела. Однако кроме этого наиболее распространенного типа локации, существует и другой, очень своеобразный тип пространственного слуха, присущий лишь некоторым видам животных, - эхолокация.

Эхолокация состоит в определении пространственного положения какого-либо объекта благодаря отражению этим объектом звуковых сигналов, излучаемых самим животным-наблюдателем. Данные свидетельствуют о том, что животные, обладающие эхолокационным механизмом, способны не только определять пространственное положение объекта, но и опознавать с помощью эхолокации размеры, форму и материал объектов, от которых отражается издаваемый самим животным звуковой сигнал. Следовательно, эхолокационный механизм помимо чисто пространственных характеристик объекта предоставляет животному сведения о других его свойствах, весьма существенных при ориентировке во внешнем мире.

Достоверно известно, что эхолокацией среди животных пользуются все летучие мыши, представители одного рода крыланов, несколько видов стрижей-саланганов из Юго-Восточной Азии, один вид козодоевых - гуахаро из Венесуэлы, по-видимому, все представители зубатых китов и один вид из отряда ластоногих - калифорнийский морской лев. Из этого перечисления следует, что эхолокация как способ дистантной ориентации развилась независимо у разных представителей позвоночных животных, столь далеких друг от друга в филогенетическом и экологическом отношении, что любое сопоставление на первый взгляд может показаться искусственным и неправомочным. И тем не менее только при таком сопоставлении можно лучше понять причины возникновения этого особого акустического способа контактирования со средой.

Прежде всего следует обратить внимание на то, что все указанные представители по крайней мере часть своей активной жизни проводят в таких условиях где функции зрительного анализатора ограничены или полностью исключаются!

Стрижи-саланганы - дневные насекомоядные птицы, но гнездятся на высоких скалах подземных гротов, куда дневной свет практически не проникает. Гуахаро и крыланы - фруктоядные животные, дневку проводят также в глубоких подземельях и вылетают на кормежку с наступлением сумерек. Для большинства видов летучих мышей пещеры являются родным домом, где они отдыхают в светлое время суток, размножаются и переживают неблагоприятные погодные условия, впадая в спячку. Таким образом, жизненная необходимость обитания в глубоких подземельях с постоянным режимом температуры и влажности в течение всех сезонов года, представляющих, кроме того, надежное укрытие от многочисленных хищников, послужила тем решающим обстоятельством, которое заставило сухопутных животных искать новые средства дистантной ориентации в условиях подземного мира.

Животные заняли новую экологическую нишу, и если не принять это положение, то мы встаем в тупик перед вопросом: почему другие ночные животные например ближайшие родственники летучих мышей из подотряда крыланов проводящие дневку открыто на деревьях, другие представители отряда козодоевых, кроме гуахаро, или, наконец, совы не приняли участия в эксперименте Природы при развитии столь прогрессивного и несомненно удачного способа ориентации в темноте, а ограничились лишь совершенствованием зрения к ночному видению и некоторыми дополнительными приспособлениями к пассивной слуховой локации? По-видимому, для ночных полетов в условиях естественной освещенности этого вполне достаточно, но явно не хватает для беспрепятственного передвижения в абсолютной темноте извилистых подземелий

Относительно причин появления эхолокации у некоторых водных млекопитающих (зубатых китов и одного вида ластоногих), которые охотятся за рыбой в основном в дневное время суток, следует иметь в виду три обстоятельства. Во-первых, при прохождении в водную среду дневной свет подвергается Рассеиванию и даже в самой прозрачной воде видимость ограничивается лишь

Рис. 4.33 Функциональная эволюция сонорных систем у позвоночных

несколькими десятками метров, тогда как вблизи побережья морей, особенно в местах впадения рек, видимость сокращается до нескольких сантиметров. Во-вторых, боковое расположение глаз на голове китов и некоторых ластоногих препятствует хорошему обзору непосредственно впереди плывущего животного. В-третьих, распространение звука в воде на более далекие расстояния, чем свет, создает благоприятные условия для более эффективного использования поиска косяков рыбы и своевременного обнаружения подводных препятствий.

Таким образом, возникновение эхолокации у животных можно оценить как способ замещения в определенных условиях зрительной функции.

Следующий важный вывод, вытекающий из сопоставления современных жизненных форм эхолоцирующих животных, заключается в том, что использование активной акустической локации стало возможным и более эффективным только тогда, когда животные оторвались от земли и освоили воздушное пространство или перешли в водную среду. Быстрое передвижение в свободном трехмерном пространстве создало благоприятные условия для распространения акустических колебаний и получения отчетливых эхо от встречаемых на пути предметов.

Процесс совершенствования эхолокации как функции дистантной ориентации в биологических системах включает в себя несколько последовательных этапов (рис. 4.33).

У истоков ее возникновения может быть поставлено так называемое чувство препятствия, или непроизвольная эхолокация, обнаруживаемая у слепых людей. Она основана на том, что у слепого человека очень обострен слух. Поэтому он подсознательно воспринимает звуки, отражающиеся от предметов, которые сопутствуют его движению. При закрытых ушах или при наличии постороннего шума эта способность у слепых пропадает. Аналогичные результаты были получены на ослепленных белых крысах, которые после длительной тренировки могли обнаруживать препятствия акустическими средствами.

Следующий этап естественным образом вытекал из предыдущего - требовалось уже преднамеренно издать какой-либо акустический сигнал, чтобы он вернулся как эхо от объекта. Этот этап уже сознательного (человек) или рефлекторного (животное) озвучивания пространства, который основан на использовании первоначально коммуникационных сигналов, характеризует начало освоения оптически неблагоприятных условий для обитания. Такие эхолокационные системы можно назвать неспециализированными.

В дальнейшем функциональная эволюция шла в направлении создания уже специализированных сонаров (от англ. so(und) na(vigation) and r(anging) - звуковая навигация и определение дальности) с отбором образцов специальных сигналов, определенных частотных, временных и амплитудных характеристик, предназначенных для сугубо локационных целей и соответствующих перестроек в слуховой системе.

Среди существующих специализированных биосонаров самыми примитивными являются звуковые сонары пещерных птиц, представителей рода летучих собак из семейства крылановых и ушастых тюленей, которые могут служить примером конвергентного развития одной и той же функции одними и теми же средствами у совершенно различных представителей разных отрядов и даже классов позвоночных животных.

Все они используют в качестве локационных сигналов широкополосные щелчки, основная энергия которых у птиц сосредоточена в слышимом диапазоне частот 4-6 кГц, у морского льва 3-13 кГц, у летучих собак захватывает и низкие ультразвуки. Щелчки эти издаются наиболее простым механическим способом - прищелкивание клювом или языком. Звуковое частотное заполнение сигналов обусловливает низкую разрешающую способность их сонаров, которые, по-видимому, выполняют единственную функцию - обнаружение препятствия и оценку расстояния до него. В комплексе дистантных анализаторов эхолокация у этих животных играет лишь соподчиненную роль при хорошо развитой зрительной рецепции.

Наибольшего совершенства эхолокационная функция достигла у представителей подотрядов летучих мышей и зубатых китообразных. Качественное отличие их эхолокации от эхолокации птиц и крыланов заключается в использовании ультразвукового диапазона частот.

Малая длина волны ультразвуковых колебаний создает благоприятные условия для получения четких отражений даже от небольших предметов, которые волны слышимого диапазона огибают. Кроме того, ультразвук можно излучать узким, почти параллельным пучком, что позволяет концентрировать энергию в нужном направлении. В формировании локационных сигналов у летучих мышей и зубатых китов участвуют специализированные гортанные механизмы и система носовых мешков, а в качестве каналов для излучения ультразвука используются ротовая и носовая полости, а также специализированный лобный выступ - мелон.

Таким образом, возникновение эхолокации стало возможным лишь после освоения животными трехмерного пространства (воздушной или водной сред) в таких экологических условиях, где оптическими средствами было невозможно получить какую-либо информацию о наличии препятствий (пещеры - для наземных позвоночных, подводный мир - для китообразных и ластоногих).

В своем развитии биологические сонары прошли, по-видимому, длительный путь от непроизвольной эхолокации с использованием различных коммуникационных сигналов до совершенных ультразвуковых систем с образцами импульсов, предназначенных специально для зондирования пространства.

4.7. ХЕМОРЕЦЕПТОРНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ

Одним из древнейших видов чувствительности является хеморецепция - восприятие химических стимулов из окружающей среды. Любая среда обитания характеризуется конкретными химическими свойствами, которые в значительной мере определяют видовой состав населяющих ее организмов. В процессе эволюции адекватные реакции на изменения химизма среды во многом определяли выживаемость видов.

Химическую чувствительность можно разделить на три основные категории: общую химическую чувствительность, вкус и обоняние. Хеморецепторы, обладающие очень высокой чувствительностью и специфичностью, способные к возбуждению при контакте даже с несколькими молекулами вещества, являются дистантными, или обонятельными, хеморецепторами. Рецепторы средней чувствительности, возбуждаемые относительно малыми количествами растворенных веществ, называются контактными, или вкусовыми, хеморецепторами. Наконец, есть малочувствительные и малоспецифичные рецепторные окончания, раздражение которых вызывает защитные реакции, т. е. рецепторы общего химического чувства.

Хеморецепция играет важную роль при поиске пищи, избегании хищников и вредных факторов, нахождении особей другого пола или узнавании представителей своего вида, определении мест для яйцекладок, нерестилищ, гнездовий и т. п. Особое значение хеморецепция имеет в процессах обмена информацией между особями одного вида: передача сигналов тревоги, мечение территории, феромонные коммуникации.

Несомненно важную роль хеморецепция играет и в жизни человека, предоставляя ему жизненно необходимую информацию о качестве окружающей среды, пищи, наличии токсических веществ. Обонятельные стимулы могут определенным образом влиять на эмоциональное состояние человека и мофидицировать его поведение.

4.7.1. Хеморецепторные сенсорные системы беспозвоночных животных

Чувствительность к химическим веществам и избирательное реагирование на некоторые из них свойственны организмам, не обладающим нервной системой. В исследованиях на бактериях, в частности на кишечной палочке было обнаружено, что хеморецептивные зоны клеточных мембран специфически реагируют на различные аминокислоты и сахара.

Процессы хеморецепции играют важную роль в жизнедеятельности и одноклеточных животных. Существующие в литературе данные свидетельствуют о дифференциальной чувствительности простейших к химическим воздействиям.

Таким образом, уже у организмов донервного уровня наблюдаются дифференцированные реакции на химические раздражители общего типа.

Хеморецепция является ведущей среди других видов сенсорного восприятия у моллюсков. Большое количество хеморецепторов у двустворчатых моллюсков расположено в мантии и сифоне. Такое положение чувствительных клеток связано с тем, что двустворчатые моллюски по типу питания являются фильтраторами и просеивают через свою мантийную полость большой объем воды. Хеморецепторные клетки мантии реагируют на неорганические соли щелочи, кислоты, сахара и изменения осмотического давления водной среды. Информация от хеморецепторов, расположенных в мантии, жабрах, области

Рис. 4.34 Осфрадий легочного моллюска А - общее строение; Б - рецепторный эпителий: 1 - нейроны наружного слоя осфрадиального ганглия, 2 - нейропиль, 3 - осфрадиальный нерв, 4 - нейросекреторная клетка. 5 - слизистые клетки, 6 - эпителий стенки, 7 - осфрадиальное отверстие, 8 - просвет канала, 9 - эпителий цилиарной зоны, 10 - секрет, 11 - рецепторный эпителий, 12 - соединительнотканная оболочка, 13 - рецепторные клетки, 14 - секреторная зона, 15 - секреторная клетка, 16, 19 - рецепторные окончания II и I типов, 17 - эпителиальная клетка, 18 - чувствительные реснички.

рта и специализированном хеморецепторном органе - осфрадии (новолат. osphradium, от греч. osphrainomai - нюхаю/обоняю), поступает в ЦНС через висцеропариетальный ганглий, который представляет собой первое центральное звено хемосенсорной системы двустворчатых моллюсков. Далее афферентный поток направляется к другим ганглиям по нескольким коннективам, причем по этим же путям осуществляется эфферентная регуляция деятельности хеморецепторных структур.

Удаление осфрадия, так же как и щупалец, нарушает поиск пищи у водных брюхоногих моллюсков. Наиболее хорошо осфрадии изучен у пресноводного лёгочного моллюска - обыкновенного прудовика (рис. 4.34). Это грушевидное образование, лежащее в стенке тела и включающее в себя Y-образный канал. Поверхность канала выстлана эпителиальными клетками, между которыми расположены периферические отростки рецепторных клеток. В разветвленной части канала находятся секреторные клетки, выделяющие слизь, которая близка по составу к слизи обонятельной выстилки позвоночных и играет важную роль в процессах хеморецепции.

Тела рецепторных клеток располагаются непосредственно под базальной мембраной. Чувствительные окончания этих клеток представлены двумя типами:

отростки с 1-5 киноцилиями и микроворсинами (микровиллами) и окончания с колбовидными расширениями, имеющими до 5 киноцилий, а также микровиллы. Аксоны первичночувствующих клеток, лежащих за стенкой осфрадиального канала, образуют в осфрадии нейропиль, или периферический осфрадиальный ганглий, где происходит начальный этап переработки хемосенсорной информации.

Наибольшего развития среди беспозвоночных хеморецепция достигает у членистоногих. Хеморецепторные структуры у насекомых представлены сенсиллами, которые по своему строению весьма разнообразны. По функциональной специализации они подразделяются на контактные и дистантные. К первым относятся вкусовые сенсиллы, осуществляющие оценку пищевой ценности объектов, вторые представлены сенсиллами, выполняющими обонятельную функцию. Сенсиллы - это кутикулярные образования, имеющие форму волосков, пластинок, стерженьков, папилл. Тела рецепторных клеток лежат у основания сенсиллы, а их дистальные отростки входят в нее и заканчиваются ресничками. На кончике сенсиллы находятся поры, через которые диффундируют молекулы различных веществ и входят в контакт с чувствительными окончаниями клеток. Это приводит к изменению проводимости мембраны рецепторной клетки и генерации рецепторного потенциала.

Контактные хемосенсорные сенсиллы обычно локализуются на челюстях, околоротовых придатках, дистальных члениках ног, реже на антеннах и яйцекладах. У многих видов насекомых существуют рецепторы, специализированные на восприятии различных органических веществ, являющихся компонентами пищи (углеводы, белки, аминокислоты). Специфические клетки могут реагировать более чем на одно вещество, однако интенсивность реакции на неспецифические соединения значительно ниже.

Хеморецепторные структуры, воспринимающие запахи, у большинства насекомых локализуются в основном на антеннах. Обонятельные сенсиллы отличаются своими системами поверхностных пор. В некоторых случаях количество этих пор может достигать 15 000 на сенсиллу. На дне углубления поры начинаются трубочки, пронизывающие кутикулярную стенку и сообщающиеся с пространством внутри сенсиллы, в котором располагаются чувствительные отростки рецепторных клеток. По имеющимся данным, пахучие молекулы адсорбируются на наружной кутикуле и диффундируют к поре, а оттуда через систему трубочек к периферическим отросткам клеток.

Особенно высокую чувствительность проявляют насекомые к запахам веществ, вырабатываемых специальными железами особей того же вида. Эти вещества называются феромонами. Они имеют сигнальное значение и играют важную роль в ориентационном и половом поведении. Наиболее хорошо изучены реакции насекомых на феромоны, выделяемые самками в период спаривания (половые аттрактанты (от лат. attraho - притягиваю к себе)). Самцы некоторых видов бабочек могут находить самок по запаху на расстоянии в несколько километров. В настоящее время идентифицированы феромоны некоторых насекомых, в частности феромон тутового шелкопряда - бомбикол. Достаточно одной молекулы этого вещества, вошедшей в контакт с хеморецептивной мембраной обонятельной клетки, чтобы вызвать ее возбуждение. Поведенческая реакция самца возникает при действии всего около 200 молекул феромона. Кроме половых аттрактантов существуют другие типы феромонов, используемых для целей коммуникации и ориентации.

4.7.2. Хеморецепторные сенсорные системы позвоночных животных

Вкус. Вкусовая чувствительность позвоночных животных и человека выполняет функцию контактной хеморецепции и служит для ориентации на близком расстоянии и оценки веществ, попадающих в ротовую полость. Вкусовые рецепторы локализованы главным образом в полости рта и в районе ротового отверстия. Они входят в состав специализированных хеморецепторных структур - вкусовых почек (луковиц). Вкусовые луковицы имеют принципиальное

Рис. 4.35.

Расположение вкусовых рецепторов на языке человека (А), строение вкусовых сосочков (Б) и ультраструктура вкусовой почки (В)

а - грибовидный сосочек, б - листовидный, в - желобоватый; V, IX - черепные нервы соответственно; 1 - вкусовая ямка, 2 - аппарат микроворсинки, 3 - пигментная гранула, 4 - митохондрия, 5 - опорная клетка, 6 - рецепторная клетка, 7 - нервные окончания, 8 - базальная мембрана, 9 - базальная клетка.

сходство в строении у представителей всех классов позвоночных; это эпителиальные образования округлой или колбовидной формы (рис. 4.35), расположенные в толще многослойного эпителия.

Вкусовые почки ориентированы перпендикулярно слоям эпителия так, что апикальный отдел каждой луковицы открывается наружу, т. е. сообщается с окружающей средой. Базальная часть луковицы граничит с соединительной тканью, отделенной базальной мембраной. В состав вкусовой луковицы входит несколько типов клеток; рецепторные вторичночувствующие клетки, опорные, базальные и перигеммальные. Каждая луковица включает несколько десятков клеток. Рецепторные клетки имеют многочисленные синаптические контакты с окончаниями афферентных и эфферентных нервных волокон.

В эволюционном ряду позвоночных вкусовая рецепция хорошо развита уже у рыб. В водной среде обитания роль вкусовой системы не ограничивается пищевым поведением. Она имеет определенное значение для ориентации в ближнем поле, оценки пригодности воды для дыхания, наличия в ней вредных соединений и т. п.

Количество и локализация вкусовых луковиц коррелирует с экологическими особенностями рыб и способом питания. У придонных рыб - обитателей мутных вод, питающихся малоподвижными животными и растениями, - вкусовые луковицы помимо ротовой полости, глотки и переднего отдела пищевода располагаются на всей поверхности тела, а также на жабрах и плавниках. У хищных рыб вкусовые почки располагаются лишь в полости рта и переднем отделе глотки.

Адекватное раздражение вкусовых рецепторов вызывает изменение электрической активности клеток крыши переднего и среднего мозга. Вкусовая система рыб имеет представительство в основных интегративных центрах, что обеспечивает ее участие в процессах формирования приспособительного поведения.

Выход позвоночных на сушу не вызвал принципиальных перестроек вкусовой сенсорной системы. У земноводных на поверхности языка образуются грибовидные сосочки. В верхней части каждого сосочка располагается единственная вкусовая луковица, включающая несколько десятков рецепторных клеток.

Рис. 4.36 Вкусовые пути в центральной нервной системе крысы (А) и обезьяны (Б) Римскими цифрами обозначены черепные нервы; 1 - латеральный гипоталамус, 2 - миндалевидное тело, 3 - ядро дна, 4 - лобная вкусовая область, 5 - соматосенсорная вкусовая область, 6 - таламус, 7 - вкусовое ядро моста, 8 - ядро одиночного пути, 9 - островковая корковая вкусовая область (вкус, осязание, температура), 10 - соматосенсорная вкусовая область (ипсилатеральная тактильная и температурная), 11 - соматосенсорная область языка (контралатеральная тактильная и температурная).

Вкусовые почки лягушек реагируют на вещества, обладающие всеми основными вкусовыми качествами: кислым, горьким, соленым и сладким. Отдельные рецепторные клетки отвечают не только на одно вкусовое качество, а на два и более, но чувствительность к одному из раздражителей, как правило, выше, чем к другим. Отсутствие жесткой специфичности реакций вкусовых клеток свойственно всем позвоночным. Расположение вкусовых почек у пресмыкающихся и птиц не выявляет существенных различий по сравнению с другими позвоночными. У млекопитающих вкусовые почки, за редким исключением, расположены на вкусовых сосочках. Различают три вида вкусовых сосочков: грибовидные, желобовидные и листовидные (см. рис. 4.35).

Грибовидные сосочки в большом количестве встречаются на передней трети языка. Желобовидные сосочки локализуются в поверхности задней трети языка. От окружающей ткани языка желобовидные сосочки отделяются желобком или ровиком, на дне которого открываются протоки серозных желез. Листовые сосочки представляют собой параллельные складки слизистой оболочки языка, боковая поверхность которых содержит большое количество почек.

К рецепторным клеткам подходят нервные волокна, причем взаимоотношения клеток вкусовых луковиц и нервных окончаний очень сложны и не до конца ясны. Имеются тонкие волокна, вступающие в контакт только с одной клеткой, и более толстые, разветвления которых контактируют с двумя и большим числом клеток. С одной рецепторной клеткой могут вступать в синаптическую связь до 30 волокон. Нервные окончания, образующие синаптические контакты с рецепторными клетками вкусовых почек, являются периферическими отростками афферентных нейронов, входящих в состав четырех пар черепных нервов: тройничного, лицевого, языкоглоточного и блуждающего. Язычный нерв (ответвление тройничного нерва) проводит импульсы не только от вкусовых рецепторов, но и от тактильных, болевых и терморецепторов, расположенных в передней части языка. Ветвь лицевого нерва - барабанная струна состоит преимущественно из волокон вкусовых клеток.

Центральные отростки вкусовых афферентных волокон образуют центральные синапсы в продолговатом мозгу на тонкой полоске клеток, именуемой ядром одиночного пути, где происходит переключение на нейроны П порядка. Аксоны этих нейронов образуют частичный перекрест в ретикулярной формации и в составе медиальной петли достигают вентромедиального комплекса ядер таламуса.

Наиболее изучены вкусовые пути у крысы и обезьяны, сведения о них представлены на рис. 4.36. У крысы на уровне моста происходит переключение вкусового пути на раздваивающиеся связи к базальной области переднего мозга и таламокортикальные проекции. У обезьян специфический вкусовой путь идет только к таламокортикальной системе. Путь к соматосенсорной коре, вероятно, определяет "осознаваемое" восприятие вкусового качества, а пути в гипоталамус, миндалину и островковую долю несут информацию о вкусе в лимбическую систему.

При изучении восприятия различных химических веществ и пищи у человека с помощью психофизических методов было выявлено четыре основных ощущения: сладкое, кислое, соленое и горькое. В естественных условиях при приеме пищи слизистая оболочка ротовой полости подвергается действию сложных стимулов, включающих несколько модальностей, так как в эпителии кроме хеморецепторов существует большое число механо- и терморецепторов. Поэтому вкусовое ощущение является мультимодальным.

Кроме основных вкусовых категорий описаны еще щелочной (мыльный) и металлический вкус. Фактором, во многом определяющим кислый вкус, служат ионы Н+. Остальные вкусовые ощущения обычно невозможно предсказать исходя из химической структуры веществ. Очевидно, что стимулы, действующие в обычных условиях, включают несколько качеств, поэтому большинство ощущений смешанные. Для разных вкусовых качеств пороги ощущений могут различаться. Так, вещества с горьким вкусом обнаруживаются при очень низких концентрациях. Пороги обнаружения сладкого и кислого примерно одного порядка.

Разные области языка человека варьируют по чувствительности к четырем основным качествам. Кончик языка особенно чувствителен к сладким веществам, средние части краев - к кислым. Горькие вещества сильнее всего действуют на рецепторы близ корня языка. Поэтому повреждение языкоглоточного нерва понижает способность к обнаружению горечи, а блокада проведения в лицевом нерве подавляет остальные типы ощущения.

Обоняние. Дистантная хеморецепция у позвоночных и человека представлена обонятельной чувствительностью, служащей для ориентации и межвидовой коммуникации, а также сигнализирующей о наличии биологически значимых химических сигналов в окружающей среде.

Периферический отдел обонятельной системы позвоночных представлен обонятельной выстилкой, расположенной у низших представителей в глубине носовых ямок, или мешков, а у высших - в полости носа.

Обонятельный эпителий позвоночных имеет толщину от 30 до 200 мкм. Он состоит из клеток трех типов: рецепторных, опорных и базальных (рис. 4.37). Апикальные поверхности опорных клеток низших позвоночных, включая костистых рыб, несут либо реснички, либо микровиллы. У высших позвоночных опорные клетки не имеют ресничек и снабжены только микровиллями. Базальные клетки никогда не выходят на поверхность эпителия. Обонятельные рецепторные клетки у позвоночных являются первичночувствующими.

У большинства позвоночных в обонятельной выстилке имеются рецепторные клетки жгутикового типа. Первичные процессы хеморецепции, по-видимому, осуществляются на мембране жгутиков: разрушение последних исключает хеморецепторную функцию, которая восстанавливается по мере их регенерации.

Широко распространены обонятельные рецепторные клетки и клетки микровиллярного типа. Вершина их периферического отростка не имеет жгутиков, а снабжена пальцевидными выростами цитоплазмы, называемыми микровиллами. Микровиллы короче жгутиков (3-5 мкм), не содержат фибриллярного аппарата. У круглоротых и костистых рыб микровиллярные рецепторы существуют в обонятельном эпителии наряду со жгутиковыми. У хрящевых и двоякодышащих рыб обнаружены только микровиллярные рецепторы.

Ультраструктура обонятельных клеток наземных позвоночных существенно не отличается от таковой водных позвоночных. У всех наземных позвоночных - от амфибий до млекопитающих - сохранились оба типа рецепторов с той особенностью, что в носовой обонятельной выстилке есть только жгутиковые рецепторы, тогда как микровиллярные сохранились лишь в сошниково-носовом (якоб-соновом) органе, который у человека редуцируется в эмбриональном периоде.

Таким образом, обонятельные рецепторы всех позвоночных независимо от филогенетического уровня развития и особенностей среды обитания имеют принципиально общий тип строения.

Обонятельные луковицы представляют собой образования округлой или овальной формы. Как правило, у позвоночных имеются две симметрично расположенные обонятельные луковицы. Внутри каждой из них расположена полость, или желудочек. Клеточное строение обонятельных луковиц всех позвоночных в общем сходно.

Различают шесть клеточных слоев (рис. 4.38), расположенных концентрически. I слой состоит из волокон обонятельных нейронов. Окончания волокон образуют синаптические контакты с отростками нескольких типов клеток, основную часть которых составляют

Рис. 4.37 Ультраструктура обонятельного эпителия млекопитающих

1 - базальная клетка, 2 - центральный отросток обонятельной клетки, 3 - рецепторная клетка, 4 - опорная клетка.

Рис. 4.38 Схема нейронных связей в обонятельной луковице

В клубочках (гломерулах) аксоны обонятельных рецепторов оканчиваются на первичных дендритах (D1) митральных клеток. Перигломерулярные клетки и клетки-зерна образуют реципрокные синапсы с первичными г. вторичными (D2) дендритами митральных клеток. К - коллатерали. Направление синаптической передачи показано стрелками.

митральные клетки. Терминалы обонятельных нейронов первого порядка и дендриты клеток луковицы образуют сферические переплетения, названные клубочками, или гломерулами (II слой). В клубочках, видимо, происходит суммация возбуждения. Тела митральных клеток образуют IV слой, по обе стороны которого расположены наружный (III) и внутренний (V) сетевидные слои. В III слое находятся многочисленные синапсы и тела пучковых клеток. V слой также представляет собой переплетение отростков нервных клеток. В VI слое, называемом зернистым, располагаются тела клеток-зерен. У разных групп позвоночных существуют особенности в цитоархитектонике обонятельных луковиц.

У млекопитающих волокна непосредственно из обонятельной луковицы идут в несколько образований конечного мозга: в обонятельный бугорок, переднее обонятельное ядро, препириформную и преамигдалярную кору, а также в медиальные и корковые ядра миндалевидного комплекса. Названные области мозга, так же как и образования, получающие обонятельную информацию через несколько синаптических переключении (гиппокамп, пириформная кора и др.), осуществляют интеграцию обонятельных сигналов с афферентацией других модальностей, в результате чего формируются сложные поведенческие акты, контролируемые лимбической системой мозга.

Современные представления о механизмах хеморецепции базируются на том, что в основе первичных процессов лежит адсорбция молекул адекватных раздражителей на хеморецепторной мембране клетки, которая обладает активными рецептивными центрами или участками, состоящими из специфических белков и способными вступать в связи с активными группировками молекул, атомами или ионами раздражителя. Поверхность хеморецепторов, как правило, покрыта слоем слизи, которая является структурированным матриксом, контролирующим доступность рецептивной поверхности для молекул раздражителя и способным изменять условия рецепции.

Теория обонятельной рецепции предполагает, что начальным звеном этого процесса могут быть два вида взаимодействий: контактный перенос заряда при соударении молекул запахового вещества с рецептивным участком и образование молекулярных комплексов и комплексов с переносом заряда. Постоянным компонентом образующихся комплексов являются белковые молекулы рецепторов, активные участки которых выполняют функции доноров и акцепторов электронов. Существенным моментом этой теории является положение о многоточечных взаимодействиях молекул пахучих веществ и рецептивных участков.

4.8. ЗРИТЕЛЬНАЯ СЕНСОРНАЯ СИСТЕМА

Зрение для многих животных и человека является одним из основных способов дистантной ориентировки в пространстве. С его помощью живые организмы получают информацию не только о смене дня и ночи, но и подробное изображение окружающей среды - ближней и дальней. В основе фотобиологических процессов лежат специфические химические реакции, для осуществления которых нужна энергия, поставляемая светом Солнца и всей остальной Вселенной. Эта энергия поступает в виде электромагнитного излучения и дискретных частиц - фотонов, или квантов. Скорость распространения света велика и составляет 300 000 км/с, но спектр солнечного излучения неоднороден и различается по длинам волн.

Излучение с короткими волнами (короче 300 нм) обладает слишком высоким уровнем энергии (400 кДж/моль); оно способно вызвать повреждение молекулярных комплексов. Сюда относятся гамма-лучи, рентгеновское и ультрафиолетовое излучения, которые губительны для жизненно важных макромолекул. Все они поглощаются в верхних слоях атмосферы защитным слоем озона, который в последнее время претерпевает серьезное истощение (озоновая дыра).

Излучения с длинными волнами (выше 900 нм) имеют низкую энергию и, за редким исключением, не способны воздействовать на живые организмы. К ним относятся инфракрасные лучи, микроволны и радиоволны, которые поглощаются парами воды в атмосфере. Однако существует узкая полоса длин волн от 300 до 800 нм, называемая видимым светом, которая обеспечивает все физиологические реакции живых организмов, включая и информационные, где свет используется для получения сведений об окружающей среде. Поэтому у растений и животных выработались специальные механизмы для его восприятия и использования в различных физиологических процессах и поведенческих актах. У разных животных имеются свои рабочие спектральные диапазоны, например у пчелы это 300-650 нм, у человека - от 400 до 750 нм.

У обитателей водной среды воспринимаемый свет ограничен еще более узким диапазоном длин волн в сине-зеленой области спектра (500-600 нм) из-за фильтрации излучения толщей воды. На глубинах более 1000 м солнечный спектр почти полностью поглощается и зрение должно обусловливаться светом люминесценции, испускаемым глубоководными обитателями.

Простейший вид чувствительности к свету - это способность различать разные интенсивности диффузного освещения. Это фундаментальное свойство можно назвать светочувствительностью. Светочувствительностью обладают уже одноклеточные животные, у которых, естественно, не существует специализированных зрительных реакций, а проявляется лишь общий тип генерализованных реакций клетки. Например, у водоросли эвглены выявлены цитоплазматические мембранные структуры, содержащие молекулы светочувствительного пигмента. Поглощение света этими пигментами приводит к изменению активности ферментативных систем, запускающих изменение двигательной активности. Такого рода реакции называются фототаксисом, или фототропизмом. Суть их заключается в перемещении всего организма или его части в область, наиболее благоприятную для жизнеобеспечения.

У большинства многоклеточных организмов появляются приспособления для восприятия быстрых изменений и локальных различий в освещении. Это свойство называется фоторецепцией, или просто зрением и осуществляется с помощью специализированных клеток - фоторецепторов.

4.8.1. Организация фоторецепторов

Общепринято разделение фоторецепторов эпидермального происхождения на две группы: цилиарные, являющиеся производным клетки со жгутиком, и рабдомерные, у которых жгутик отсутствует, а собственно фоторецепторная часть клетки - рабдом (от греч. rhabdos - палочка, полоска) - образована совокупностью микровилл.

Существует две главные линии эволюции фоторецепторов. Одна линия это - плоские черви > кольчатые черви > членистоногие. В ней для размещения зрительного пигмента и фоторецепции используются микроворсинки, собранные в рабдом. Другая линия >кишечнополостные > иглокожие > хордовые;

в ней для этой цели используются модифицированные реснички. В этих линиях встречаются некоторые исключения, однако схема (рис. 4.39) дает хорошее представление о бинарной классификации фоторецепторов.

Тем не менее не подлежит сомнению, что в ходе эволюции фоторецепторы членистоногих и позвоночных пошли разными путями. Членистоногие избрали микровиллярный (рабдомерный) принцип организации фоторецепторов, а позвоночные - цилиарный. Несмотря на такое фундаментальное морфологическое различие, процесс фоторецепции в рабдомерных и цилиарных рецепторах имеет много общего.

Прежде всего следует обратить внимание на то, что зрительный пигмент оказывается включенным в фоторецепторную мембрану, которая и в том и другом случае является производной плазматической мембраны фоторецепторной клетки. Такая организация дает возможность ориентировать молекулы пигмента по отношению к направлению распространения света и привести каждую молекулу в положение наилучшего поглощения света.

Рис. 4.39 Фоторецепторные органеллы отдельных групп цилиарной и рабдомерной линий эволюции

Зрительные пигменты цилиарных и рабдомерных рецепторов обладают сходной химической природой. Это позволило называть их родопсинами независимо от того, на какой длине волны находятся максимумы поглощения, хотя исторически родопсином был назван зрительный пигмент палочек сетчатки позвоночных.

Одной из фундаментальных физиологических особенностей фоторецепторов членистоногих и позвоночных следует признать передачу сигнала о восприятии кванта света в ЦНС не с помощью нервных импульсов, а электротоническим путем, т. е. постоянным током.

Почему же фоторецептор и следующий за ним интернейрон не используют импульсное кодирование, а реагируют на свет устойчивым изменением потенциала покоя, деполяризационным или гиперполяризационным, длящимся в течение всего времени действия стимула? Чтобы ответить на этот вопрос, надо иметь в виду, что нормальным режимом работы фоторецептора является счет отдельных фотонов. В ответ на поглощение фотона фоторецептор генерирует только короткий одиночный электрический импульс. Но так как свет имеет квантовую природу, т. е., по существу, стимул носит дискретный характер, то получается, что фоторецепторы используют обычный для нервной системы импульсный код, реагируя на каждый фотон квантовым всплеском.

Однако так как поглощение фотона не сопровождается появлением ПД, то возникающий импульсный сигнал распространяется по аксону электротонически, т. е. с декрементом. Это могло бы вызвать затруднения при передаче сигнала на следующий уровень нервной системы, но поскольку длины аксонов у членистоногих и позвоночных очень невелики, затухание квантового всплеска будет незначительным. Кроме того, амплитуда всплеска не кодирует свойства кванта, а лишь сам факт его наличия, даже частично ослабленного, является сигналом о поглощении кванта. Единственно, что необходимо, - это чтобы амплитуда всплеска была достаточной для однократного срабатывания синапса. Возможно, с целью обеспечения минимального затухания всплеска слои нервных клеток сетчатки позвоночных и оптические ганглии членистоногих максимально приближены к периферическому фоторецепторному аппарату.

Таким образом, импульсный принцип передачи сигнала, по всей вероятности, полностью сохраняется и в фоторецепторах, хотя природа импульсов здесь отличается от импульсов, возникающих в нейроне. Квантовая природа стимула - света - дала возможность животным отказаться от дополнительной надстройки, т. е. от потенциалов действия, и позволила ограничиться лишь квантовым всплеском, который и распространяется электротонически к синапсу фоторецептора.

4.8.2. Механизмы фоторецепции

Кванты света поглощаются в рецепторах специализированными молекулами, принадлежащими к классу так называемых каротиноидов, - хромолипопротеинами. Однако спектр поглощения молекулы обусловливается не всей молекулой в целом, а группой атомов, называемой хромофором. В качестве хромофора, определяющего максимум и интенсивность поглощения света в зрительных пигментах, выступают альдегиды спиртов витамина А, или ретинали.

Во всех зрительных пигментах ретиналь всегда находится в 11-цисформе, у которой длинная часть цепочки изогнута и скручена в весьма нестабильную конфигурацию и называется 11-цисретиналем. В норме 11-цисретиналь связан с бесцветным белком опсином, образуя зрительный пигмент родопсин с максимумом поглощения 500 нм. Последний в той или иной модификации служит универсальным молекулярным медиатором фоторецепции у животных.

При поглощении фотона совершается реакция цистрансизомеризации ретиналя, которая через ряд промежуточных стадий приводит к отщеплению ретиналя от опсина с выделением свободной энергии. При этом молекула теряет цвет, и этот эффект называют выцветанием, или обесцвечиванием.

Цистранспревращение ретиналя - это первая ступень выцветания зрительного пурпура - родопсина, приводящая к образованию интенсивно окрашенного прелюмиродопсина. При дальнейших превращениях образуются люмиродопсин и темно-оранжевый метародопсин I. Последний переходит в светло-желтый метародопсин II в результате обратимой реакции, связанной с потерей иона водорода (протона) на месте связи между ретиналем и опсином. Превращение метародопсина I в метародопсин II происходит очень быстро при температуре тела и требует существенных изменений в конфигурации белка, которые приводят к значительному развертыванию его молекулы.

После изомеризации трансретиналь остается связанным с опсином, во всяком случае на тех стадиях процесса выцветания родопсина, которые завершаются образованием метародопсина II. У позвоночных метародопсин II затем гидролизуется, превращаясь в трансретиналь и опсин.

Процесс зрительного возбуждения запускается в период между образованием люми- и метародопсина II. Восстановление родопсина позвоночных осуществляется путем ферментативного ресинтеза, требующего биохимической энергии.

В отличие от позвоночных метародопсин членистоногих не подвергается выцветанию, а представляет собой устойчивое соединение, обладающее собственной окраской. Это позволяет возобновлять запас родопсина за счет фотоизомеризации метародопсина обратно в родопсин. Такой способ более экономичен, чем ферментативный ресинтез у позвоночных, и объясняется тем, что членистоногие построили свою фоторецепторную мембрану так, что в ней невозможна свободная диффузия молекул родопсина. Следовательно, по сравнению с "жидкой" фоторецепторной мембраной позвоночных у членистоногих она обладает большей жесткостью.

Функция кванта света в фоторецепции является не столько энергетической, сколько информационной. Для ЦНС имеет значение лишь факт прибытия кванта, но не его количественные параметры (хотя для цветового зрения важна и энергия кванта). Поглощение одиночного фотона приводит к резкому изменению числа включенных ионных каналов, что, в свою очередь, вызывает изменение числа носителей заряда, т. е. ионов, проходящих через плазматическую мембрану клетки, и выражается в изменении трансмембранного тока и мембранного потенциала фоторецептора.

4.8.3. Зрительная сенсорная система беспозвоночных животных

Типы глаз. Для получения информации об окружающем пространстве у многоклеточных животных начинает формироваться специализированная зрительная сенсорная система.

Простейшим органом, специализированным для восприятия света, является глазик кишечнополостных, который представлен группой сенсорных клеток на поверхности тела (рис. 4.40). Его главная функция заключается в определении изменения уровня освещенности тела. Простые глаза в виде чаш, выстланных светоизолирующим пигментом, встречаются у плоских червей, турбеллярий и некоторых медуз. Светочувствительные клетки располагаются на дне ямки, и такой глаз уже обладает дирекционной чувствительностью и способен определять местоположение источника света. Вогнутая часть пигментного бокала обращена к поверхности тела, и свет, прежде чем попасть на светочувствительные окончания, проходит сквозь тела этих клеток. Такие сетчатки называют

Рис. 4.40 Различные типы глаз у беспозвоночных А - кишечнополостные (группа клеток на поверхности тела); В - чашевидный глаз медузы, В - ямкообразный глаз моллюска-наутилуса; Г - камерный глаз головоногого моллюска; Д - сложный глаз членистоногих

инвертированными. Однако и эти чашеобразные глазки не способны формировать изображение объектов внешнего мира.

Простейший способ формирования изображения на сетчатке основан на принципе камеры, с маленьким отверстием, открывающимся во внешнюю среду. По такому принципу сконструирован глаз одного из моллюсков (см. рис. 4.40). Из-за малой величины отверстия такой глаз может эффективно работать только при ярком свете.

Наиболее совершенные зрительные аппараты беспозвоночных, имеющие светопреломляющие и светоизолирующие структуры, относятся к двум совершенно разным типам: камерным и сложным глазам.

Камерные глаза (см. рис. 4.40) головоногих моллюсков напоминают по строению глаза позвоночных. Слой фоторецепторов занимает внутреннюю поверхность сферической полости глаза. Изображение на сетчатке создается при помощи линзы - хрусталика, отделенного от рецепторов полостью внутренней камеры глаза. Спереди глаз защищен роговицей, а входной зрачок ограничен радужной оболочкой. Многочисленные мышцы поворачивают глаз в нужном направлении, регулируют размер зрачка, положение и кривизну хрусталика. Рецепторы отделены друг от друга пигментными клетками, которые препятствуют рассеиванию света в латеральном направлении. Изнутри глаз окружен хрящевой оболочкой - склерой. Глаза кальмаров достигают рекордных размеров для всего животного мира: до 40 см в диаметре. Сетчатка обыкновенного осьминога содержит 20 млн. рецепторных клеток (у человека 140 млн.). Плотность рецепторов достигает 70-100 тыс./мм2 (у человека до 64 тыс.).

Глаза ракообразных, мечехвостов, многоножек и насекомых состоят из большого количества элементарных органов зрения - омматидиев (рис. 4.41), расположенных на выпуклой сферической поверхности головы или глазных стебельках. Таким расположением достигается экономия внутреннего объема и массы сферы, выгодная для животных маленького размера.

Сложные, или фасеточные, глаза насекомых - это парные органы зрения, расположенные по бокам головы и тесно связанные с обычно сильно развитыми зрительными долями мозга. Величина, форма и внутренняя организация их могут сильно отличаться у представителей различных таксонов и экологических групп. Как правило, более совершенные глаза и зрительные доли

Рис. 4.41 Строение омматидиев аппозиционного (А) и суперпозиционного (Б) типов

1 - хрусталик, 2 - кристаллический конус, 3 - дистальная пигментная клетка, 4 - проксимальная пигментная клетка, 5 - ретикулярная клетка, 6 - рабдом, 7 - аксон, 8 - кристаллический тракт.

Рис. 4.42 Образование изображения в аппозиционных (А) и суперпозиционных (Б) глазах

а - диоптрический аппарат омматидия, б - зрительные клетки, в - аксоны зрительных клеток; стрелками показан ход лучей.

встречаются у подвижных, быстро летающих форм. Поверхность глаза образует прозрачная хитиновая роговица, которая при увеличении выглядит как поверхность, состоящая из мельчайших шестиугольников - фасеток. Фасетка представляет собой хрусталик отдельной функциональной зрительной единицы - омматидия, совокупность которых и образует сложный глаз. Каждый глаз заключен в глазную капсулу, которая изнутри выстлана тонкой перфорированной перепонкой - базальной мембраной, сквозь которую проходят волокна зрительных клеток. Она отделяет омматидии от первой синаптической области в зрительной доле мозга. Омматидии, по крайней мере в средней части глаза, расположены так, что ось каждого из них является нормалью к поверхности роговицы. Поэтому поле зрения каждого глаза за счет его выпуклой полушаровидной формы у многих насекомых приближается к полусфере.

Сложные глаза большинства насекомых по строению омматидиев подразделяют на два морфологических типа: аппозиционные и суперпозиционные. Первые встречаются у насекомых, которые активны днем, вторые - у ночных и сумеречных видов.

Омматидии представляет собой длинную, похожую на карандаш структуру (см. рис. 4.41). Светопреломляющий аппарат омматидия представлен хрусталиком и вспомогательным диоптрическим приспособлением - кристаллическим конусом. Светочувствительный аппарат состоит из фоторецепторных клеток, каждая из которых имеет многочисленные микроворсинки, образующие рабдомер. В нем и содержится зрительный пигмент. Рабдомеры плотно прилегают друг к другу, так что возникает вытянутое вдоль оси омматидия (на 100-500 мкм) образование, называемое рабдомом. В аппозиционных глазах рабдомы длинные и простираются на всю длину ретинулы, или маленькой сетчатки от вершины кристаллического конуса до базальной мембраны.

Суперпозиционные глаза отличаются тем, что имеют относительно короткие, толстые рабдомы, расположенные у базальных концов ретинул. Между дистальными концами рабдомов и проксимальными частями кристаллических конусов находится кристаллический тракт. Перемещение светоизолирующего пигмента из области кристаллического тракта дает свету возможность попадать на данный рабдом от нескольких омматидиев, и изображение формируется путем суперпозиции (рис. 4.42).

В аппозиционных глазах изображение формируется путем приложения друг к другу (аппозиции) узких пучков света, распространяющихся параллельно оси омматидия. Лучи света от точечного источника, расходящиеся под большими углами, попадают на соседние омматидии и на разные рабдомы, причем в рабдом входят лишь центральные лучи. Благодаря таким свойствам каждый омматидий собирает свет из узкого угла, и энергия, которая достигает основания кристаллического конуса, затем направляется в рабдом. Считают, что у насекомых зрительный образ объекта складывается из стольких "точек", сколько омматидиев обращено к объекту. Поэтому такой тип формирования изображения называют поточечным, или мозаичным.

Оптические центры мозга. У высших беспозвоночных оптические центры мозга морфологически обособлены в виде оптических долей. У животных с хорошим зрением оптические доли имеют относительно большой размер и, например, у стрекоз и головоногих моллюсков занимают около 60-75% общего объема церебрального ганглия. Области мозга, в которых сплетаются отростки многочисленных нейронов и возникают синаптические контакты, называются нейропилями. Нейропили могут быть четко оформлены и разделены областями, которые заняты проводящими трактами. Оптические центры у членистоногих со сложными глазами имеют наиболее четкую структурную организацию. Три нейропиля оптической доли называются оптическими ганглиями. Ближе к глазу насекомого лежит первый оптический ганглий - оптическая, или ганглиозная, пластинка. За ним следует второй - медуллярная пластинка, или медулла, и, наконец, третий - лобула. Из лобулы зрительные пути идут в протоцеребрум.

4.8.4. Зрительная сенсорная система позвоночных животных

Строение глаза. У всех позвоночных глаз построен по камерному типу. Светопреломляющий аппарат образован роговицей и линзой - хрусталиком. Дно глазного бокала выстилает сетчатка, пространство между ней и хрусталиком заполнено стекловидным телом - прозрачным, оптически однородным гелем. У всех позвоночных, за исключением некоторых рыб и птиц, глазное яблоко приблизительно шаровидной формы.

Глаз достигает своего наивысшего развития у наземных позвоночных. Рыбы и амфибии, приспособленные к водному окружению, хуже видят на большие расстояния, так как вода плохо пропускает свет. Чтобы познакомиться со строением зрительной сенсорной системы, лучше всего рассмотреть глаз человека, который схематически изображен на рис. 4.44 и представляет собой типичный пример глаза позвоночных.

Рис. 4.44 Строение глаза человека 1 - зрительный нерв, 2 - диск зрительного нерва, 3 - сосудистая оболочка, 4 - склера, 5 - сетчатка, б - оптическая ось, 7 - ресничные отростки, 8 - ресничное тело, 9 - задняя камера, 10 - передняя камера, 11 - хрусталик, 12 - радужная оболочка, 13 - роговица, 14 - конъюнктива, 15 - ресничная мышца, 16 - ресничный поясок, 17 - зрительная ось, 18 - стекловидное тело, 19 - центральная ямка, 20 - пятно (сетчатки).

!

Снаружи глаз обтянут непрозрачной волокнистой тканью - склерой, которая на переднем полюсе глаза переходит в прозрачную роговицу. Хрусталик делит глазное яблоко на переднюю камеру, заполненную жидкостью, и камеру большего размера, расположенную сзади и заполненную стекловидным телом. Изнутри к склере прилегает сосудистая оболочка, богатая кровеносными сосудами, служащими для питания глаза. Продолжением сосудистой оболочки спереди являются ресничное тело и радужка.

Сокращение или расслабление волокон ресничного тела приводит к расслаблению или натяжению ресничного пояска (цинновых связок), ответственных за изменение кривизны хрусталика. Радужка, которая определяет цвет глаза, располагаясь непосредственно перед хрусталиком, играет роль диафрагмы. Отверстие в центре радужки называется зрачком. Зрачок способствует четкости изображения предметов на сетчатке, пропуская только центральные лучи и устраняя так называемую сферическую аберрацию. Суть ее заключается в том, что лучи, попавшие на периферические части хрусталика, преломляются сильнее центральных лучей, и если их не устранять, на сетчатке могут получаться круги светорассеяния.

Роговица, хрусталик и зрачок являются основными элементами оптической системы глаза, обеспечивающими его светопреломляющую функцию. Оптика глаза создает изображение объектов внешнего мира в виде распределения освещения на самой внутренней оболочке глаза - сетчатке.

Сетчатка представляет собой светочувствительный слой и состоит из рецепторов (палочек и колбочек) и нескольких типов нейронов. Наружные сегменты рецепторов обращены к пигментному эпителию, так что свет первоначально проходит через два слоя нервных клеток и внутренние сегменты рецепторов, прежде чем достигнет зрительного пигмента. Нервные клетки, граничащие со стекловидным телом, называются ганглиозными клетками, их аксоны по поверхности сетчатки направляются к слепому пятну (пятну Мариотта), где они собираются вместе, проходят через склеру и образуют зрительный нерв.

В месте пересечения сетчатки с оптической осью глаза расположена небольшая область - пятно (желтое пятно) диаметром около 1,5 мм. Желтая окраска обусловлена присутствием каротиноидов. В центре пятна находится углубление, называемое центральной ямкой. Она содержит наибольшее количество поверхностно расположенных колбочек; эта область сетчатки обладает наивысшей остротой зрения. Именно на ней и проецируются объекты, на которые в данный момент направлено внимание наблюдателя.

Формирование изображения. Глаз позвоночных часто сравнивают с фотокамерой, так как система линз (роговица и хрусталик) дает перевернутое и уменьшенное изображение объекта на поверхности сетчатки. Количество проходящего через хрусталик света регулируется переменной диафрагмой, а хрусталик способен фокусировать более близкие и более удаленные объекты. Приспособление глаза к ясному видению удаленных на разное расстояние предметов называют аккомодацией. При аккомодации происходит изменение кривизны хрусталика и, следовательно, его преломляющей способности.

Преломляющую силу любой оптической системы выражают в диоптриях (дптр). Одна диоптрия равна преломляющей силе линзы с фокусным расстоянием 1 м. Преломляющая сила глаза человека составляет 59 дптр при рассматривании далеких предметов и 70,5 дптр при рассматривании близких. Если человек рассматривает близкий предмет, его хрусталик делается более выпуклым, благодаря чему лучи, расходящиеся от светящейся точки, сходятся на сетчатке.

Организация сетчатки. Оптика глаза создает изображение объектов внешнего мира в виде распределения освещенности на фоторецепторах сетчатки. Сетчатка

Рис. 4.45 Строение палочки (А) и колбочки (Б) сетчатки позвоночных

1,2- наружный и внутренний сегменты, 3 - масляная капля, 4 - эллипсоид (митохондрии), 5 - параболоид, 6 - ядро, 7 - синаптическая область.

глаза появляется в процессе онтогенеза из передней стенки развивающегося мозга и выстилает внутреннюю поверхность глазного яблока. Сетчатка инвертирована, и свет, прежде чем достичь слоя фоторецепторов, проходит через всю сетчатку. Этим глаза позвоночных отличаются от сложных глаз беспозвоночных, в которых свет идет прямо к фоторецепторным мембранам, и от глаза головоногих моллюсков, хотя и работающего по рефракционному принципу, но имеющего фоторецепторы на внутренней (передней) поверхности. Предполагают, что такая особенность размещения связана с эмбриогенезом сетчатки. Именно на сетчатке и происходит первичная обработка зрительной информации.

Фоторецепторы. Фоторецепторы позвоночных поражают общим сходством своей структурной, цитохимической и функциональной организации у представителей всех классов, начиная от круглоротых и кончая приматами. Существует два типа рецепторов: палочки и колбочки (рис. 4.45).

В обоих типах наружные сегменты представляют собой модифицированные реснички, поэтому фоторецепторы позвоночных относят к цилиарному типу. Они содержат стопки мембранных дисков, образуемых складками плазматической мембраны и содержащих молекулы светочувствительного пигмента. Пигмент палочек называется родопсином, а в колбочках содержится родственный ему пигмент - йодопсин, чувствительный к красному, зеленому и синему свету.

Наружный сегмент связан с внутренним соединительной ножкой - цилией, которая сохраняется от реснички. Во внутреннем сегменте имеется скопление радиально ориентированных и плотно упакованных митохондрии. При освещении сетчатки митохондрии набухают и, вероятно, при этом в них повышается активность окислительных ферментов. Расположенное проксимальнее внутреннего сегмента ядерно-цитоплазматическое тело клетки переходит в синаптическую ножку, в которую врастают окончания вторых нейронов сетчатки - биполяров и горизонтальных клеток.

В 60-х гг. XIX в. немецкий гистолог М. Шультце разделил фоторецепторы позвоночных на два типа: палочки и колбочки. Палочками он назвал длинные тонкие клетки, имеющие цилиндрический наружный сегмент и равный ему по диаметру внутренний. Колбочки обладают более коротким и толстым, сужающимся к вершине внутренним сегментом. Наружный сегмент колбочек по диаметру меньше внутреннего и обычно имеет коническую форму. Палочки особенно многочисленны в сетчатках ночных животных, колбочки - у дневных. Это привело Шультце к заключению, что палочки обеспечивают скотопическое (от греч. skotos - темнота и ops, opos - глаз, зрение) зрение, или зрение при низком уровне освещенности, тогда как колбочки обеспечивают фотопическое зрение и работают при более ярком освещении. Впоследствии теория двойственности зрения получила физиологическое обоснование.

Ночное зрение имеет высокую чувствительность (яркость фона не более 0,01 кд/м2), низкую разрешающую способность (остроту) и является черно-белым (ахроматическим). Палочки очень чувствительны и могут возбуждаться в состоянии темновой адаптации при поглощении единственного фотона. Благодаря тому что с одним нервным волокном в конечном счете связано большое количество палочек, последние играют роль антенны и повышают чувствительность ганглиозных клеток. Абсолютный порог зрения соответствует одновременному поглощению шести-семи фотонов участком сетчатки, содержащим около 50 палочек.

Палочковое зрение нецветное, так как все палочки содержат один зрительный пигмент - родопсин, и, следовательно, различия в длине волны воспринимаются только как различия в интенсивности. Палочковое зрение неотчетливое потому, что конвергенция большого числа палочковых клеток на одно нервное волокно делает эффективную мозаику сетчатки довольно грубой.

Дневное, или колбочковое, зрение обладает более низкой абсолютной чувствительностью (яркость фона свыше 10 кд/м2), чем палочковое, в силу того, что колбочки по своей природе менее чувствительны и, кроме того, к одной ганглиозной клетке их сходится меньше, чем палочек. Однако уменьшение конвергенции приводит к повышению остроты зрения. Колбочковое зрение может быть цветным при наличии нескольких типов колбочек с разными зрительными пигментами, поглощающими в различных областях спектра. Палочки и колбочки в сетчатке позвоночных, у которых имеются и те и другие, распределены следующим образом: в центральной области - колбочки, на периферии _ палочки. В сетчатке человека колбочки в центральной ямке достаточно тонкие несколько похожие на палочки, к периферии они становятся толще. На определенном расстоянии от центра среди крупных колбочек начинают встречаться тонкие палочки, плотность которых к периферии быстро возрастает, а среди них подобно башням стоят крупные одиночные колбочки (рис. 4.46).

Разная форма наружного и внутреннего сегмента не всегда позволяет отличить палочку от колбочки, и для этой цели было введено несколько новых критериев. Наиболее надежным из них является строение составляющих наружные сегменты мембранных дисков. В колбочке диски представляют собой складки наружной плазматической мембраны, и внутридисковые пространства сообщаются с внеклеточной средой. В палочках диски - это замкнутые со всех сторон плоские мембранные мешки, отделенные от плазматической мембраны и окруженные ею.

Другим отличительным признаком, который характерен для рыб, амфибий рептилий, является наличие в колбочках масляной капли, расположенной между внутренним и наружным сегментами (см. рис. 4.45). Масляные капли избирательно поглощают свет, прежде чем он дойдет до зрительного пигмента колбочек. У всех позвоночных, кроме млекопитающих, в составе сетчатки присутствуют также двойные (амфибии, рептилии, птицы) и близнецовые (костистые рыбы) колбочки.

Очевидно, что зрение возникло в условиях хорошего освещения, а первый фоторецептор имел низкую чувствительность. Вывод о филогенетической первичности колбочкового типа клетки вытекает и из эмбриогенеза наружных сегментов палочек, в котором "колбочковая" стадия предшествует палочковой.

Примитивные позвоночные, такие как круглоротые, обладают хорошо дифференцированными системами дневного и ночного зрения, но фоторецепторы у них имеют колбочковое строение. Типичные палочки встречаются только начиная с пластиножаберных и у других позвоночных.

Таким образом, предполагают существование двух непрерывных и независимых линий эволюции дневных и ночных фоторецепторов, возникающих от общего колбочкового предшественника.

Рис. 4.46 Строение сетчатки позвоночных 1 - пигментный слой, 77, III - палочки и колбочки, IV - наружный сетчатый слой, V - слой горизонтальных клеток, VI-VII - внутренний ядерный слой, VIII - внутренний сетчатый слой, IX - слой ганглиозных клеток, Х - аксоны ганглиозных клеток; стрелкой обозначено воздействие светом.

Нервные сети сетчатки и типы синоптических контактов. Сетчатка позвоночных состоит из трех отчетливо разделяющихся клеточных слоев, характеризующихся скоплением клеточных ядер (рис. 4.46). Наружный клеточный слой, ближайший к пигментному эпителию, состоит из клеточных тел рецепторов - палочек и колбочек. Рецепторы образуют в сетчатке правильные мозаики, располагаясь в строго определенном порядке. Внутренний ядерный слой содержит клеточные тела вставочных нейронов трех типов:

биполярных клеток, оси которых вертикальны, а также горизонтальных и амакриновых клеток, которые расположены в сетчатке горизонтально. Слой ганглиозных клеток примыкает к стекловидному телу, аксоны этих клеток сходятся в области диска зрительного нерва, образуя зрительный нерв.

Между тремя слоями ядер располагаются две области синаптических контактов: в наружном синаптическом слое рецепторные клетки синаптически контактируют с биполярами и дендритами горизонтальных клеток, во внутреннем синаптическом слое биполярные клетки образуют связи с дендритами амакриновых и ганглиозных клеток.

Таким образом, наиболее коротким путем прохождения сигналов через сетчатку является рецептор > биполяр > ганглиозная клетка, которые образуют трехнейронную рецепторно-проводящую систему. Помимо этого в сетчатке существует интегративная система, включающая в себя горизонтальные и амакриновые клетки, которые связывают элементы сетчатки по горизонтали и осуществляют латеральные взаимодействия.

Большинство синапсов между рецепторами и вставочными нейронами сетчатки имеет характерное строение, выражающееся в наличии триад постсинаптических элементов. К расположенному центрально окончанию биполяра с боков примыкают два дендрита горизонтальных клеток, и эти три окончания входят в углубления в основании палочки или колбочки. Рецептор содержит синаптическую ленту, окруженную везикулами в центре триады, поэтому синапс получил название ленточного. В сетчатке встречаются и синапсы обычного типа без синаптических лент, связывающие лишь две клетки: рецепторы и биполяры, горизонтальные клетки и биполяры, две горизонтальные клетки.

Наибольшее разнообразие в организации синаптических связей наблюдается во внутреннем синаптическом слое.

Ганглиозные клетки крайне разнообразны по размерам, протяженности дендритов, характеру ветвления. Обычно чем больше клетка, тем больше ветвление. Клетки лежат очень плотно, и их дендритные поля перекрываются. На одну ганглиозную клетку конвергируют до сотни биполярных клеток и десятки тысяч рецепторов, а один рецептор может быть связан с десятками ганглиозных клеток.

Электрические реакции клеток сетчатки. Хорошо развитая интегративная сеть в сетчатке превращает ее в сложную нейрональную сеть, способную выполнять разнообразные операции. Электрические ответы клеток сетчатки одинаковы у всех животных, но их количество различается.

Сигнал фоторецептора зависит не только от числа поглощенных квантов в его собственном наружном сегменте, но и от освещенности соседних рецепторов. Обнаружено, что колбочки могут суммировать возбуждение на расстоянии до 50 мкм, а палочки - до 250 мкм, освещение одного рецептора вызывает ответ в другом. Взаимное усиление ответа наблюдается только между колбочками одного типа (красные-красные, зеленые-зеленые). Тормозные влияния передаются на гораздо большие расстояния, т. е. освещение "дальнего" окружения вызывает деполяризацию в колбочке. Это взаимодействие происходит через горизонтальные клетки и имеет, вероятно, химическую природу.

Таким образом, в ответ на свет колбочки гиперполяризуются и эти сигналы от многих колбочек сходятся на горизонтальные клетки, гиперполяризация которых приводит, в свою очередь, к деполяризации в соседних колбочках. Такая отрицательная обратная связь через горизонтальные клетки расширяет динамический диапазон колбочек, снижая десенситизацию после яркой вспышки. С другой стороны, эта обратная связь повышает цветовой контраст. Так зеленая колбочка, которая гиперполяризуется светом 550 нм, может деполяризоваться светом 680 нм, стимулирующим красные колбочки и через горизонтальные клетки тормозящим эту зеленую колбочку.

Следовательно, уже на уровне рецепторов происходит латеральное торможение и сигнал колбочки перестает отражать число поглощенных фотонов, а несет информацию о цвете, распределении и интенсивности света, падающего на сетчатку в окрестностях рецептора.

Горизонтальные клетки отвечают на свет гиперполяризацией с ярко выраженной пространственной суммацией. Суммация осуществляется по всему полю: и в центре, и на периферии. Горизонтальные клетки не генерируют нервных импульсов, но мембрана обладает нелинейными свойствами, обеспечивающими безимпульсное проведение сигнала без затухания. Клетки делятся на два типа: L и С.

Клетки L-типа, или яркостные, всегда отвечают гиперполяризацией вне зависимости от длины волны света. Клетки С-типа, или хроматические, делятся на двух- и трехфазные. Хроматические клетки отвечают гипер- или деполяризацией в зависимости от длины волны стимулирующего света. Двухфазные клетки бывают либо красно-зеленые (деполяризуются красным светом, гиперполяризуются зеленым), либо зелено-синие (деполяризуются зеленым светом гиперполяризуются синим). Трехфазные клетки деполяризуются зеленым светом, а синий и красный свет вызывает гиперполяризацию мембраны.

В биполярных клетках гиперполяризация возникает при стимуляции центра поля, а возбуждение периферии приводит к деполяризации мембраны клетки. У клетки другого типа мембрана деполяризуется при стимуляции пятном и гиперполяризуется при включении кольца. Сигналы от рецепторов, поступающие на входы биполярных клеток, регулируются горизонтальными клетками.

Амакриновые клетки генерируют градуальные и импульсные потенциалы. Эти клетки отвечают быстротекущей деполяризацией на включение и выключение света и демонстрируют слабый пространственный антагонизм между центром и периферией. Спайки появляются при включении и выключении пятна и кольца. Во внутреннем синаптическом слое биполярные клетки управляют амакриновыми клетками и за счет обратной связи через синапсы с амакриновых на биполярные клетки медленные потенциалы (тонический характер ответа) биполярных клеток преобразуются в быстротекущую активность (фазный характер ответа) амакриновых клеток.

Ганглиозные клетки по своим свойствам являются нейронами обычного типа. В них возникают возбуждающие (деполяризационные) и тормозные (гиперполяризационные) постсинаптические потенциалы, которые и определяют частоту импульсов, распространяющихся по аксонам клетки в мозг. Ганглиозные клетки, получающие сигналы непосредственно от биполярных, генерируют ответы тонического типа - импульсы возникают в течение действия стимула при стимуляции центра поля. При дополнительном раздражении периферии происходит торможение разряда на включение стимула, а при выключении возникает длительный off-ответ.

Клетки тонического типа, подобно биполярным, обеспечивают измерение уровня освещенности. Ганглиозные клетки фазного типа возбуждаются через синапсы амакриновых клеток и подобно им реагируют быстропротекающей активностью на изменение освещенности центра или периферии поля. В клетках этого типа конвергенция периферических рецепторов осуществляется через амакриновые клетки.

Рецептивные поля ганглиозных клеток подразделяются на простые и сложные/ Простые рецептивные поля имеют концентрическую структуру, аналогичную рецептивным полям биполярных клеток. Размер рецептивного поля может превышать область дендритных ветвлений ганглиозной клетки, что, видимо, связано с наличием латеральных взаимодействий через посредство амакриновых клеток. Ганглиозные клетки с простыми рецептивными полями, если они соединены колбочками, могут кодировать цвет.

Ганглиозные клетки со сложными рецептивными полями обнаружены у животных с большим количеством синапсов амакриновых клеток. Эти сложные клетки дают фазные реакции на включение и выключение света, и они особенно чувствителен к движению границ через рецептивное поле.

Рецептивные поля ганглиозных клеток могут перестраиваться при изменении уровня адаптации и параметров стимулов. В основе перестройки поля лежит латеральное торможение. С повышением интенсивности света усиливается тормозное влияние периферии, что уменьшает размер поля, вызывая рост разрешающей способности и одновременную потерю чувствительности из-за суммации светового потока по меньшей площади. Перестройка поля позволяет ганглиозной клетке посылать сигналы в мозг о перепадах освещенности в пределах поля - происходит выделение и подчеркивание контура изображения. Это очень экономичный способ передачи информации, так как изображение кодируется не поточечно, а выделяются только существенные признаки изображения - контуры.

Цветовое зрение. Восприятие цвета обусловлено работой двух механизмов. Первичным является фоторецепторный механизм, позволяющий оценить спектральные характеристики светового излучения. Ясно, что без существования цветоприемников, избирательно реагирующих на разные участки спектра, никакое различение по цвету невозможно. Вторичными являются

Рис. 4.47 Основные типы организации зрительной системы у позвоночных

А-млекопитающие, Б-рептилии, птицы; В - рыбы, амфибии. 1 - передний мозг, 2 - промежуточный мозг, Д - средний мозг, 4 - мозжечок.

нервные механизмы, которые используют информацию о цвете, поставляемую цветоприемниками, и определенным образом ее перекодируют.

Уже с сер. XVIII - нач. XIX в. на основании психофизиологических наблюдений возникли соображения о достаточности трех цветовых компонентов для получения всего многообразия цветов (теория Ломоносова-Юнга-Гельмгольца). Это убедительно подтверждает опыт Дж. Максвелла, проведенный в 1860 г. Было показано, что при смешении в глазу наблюдателя трех цветов -красного, зеленого и синего - в зависимости от пропорции можно получить любой цвет, в том числе и белый. Трехкомпонентная теория цветоощущения предполагает, что в сетчатке позвоночных размещены три различных типа колбочек, из которых каждый обладает совершенно определенной спектральной чувствительностью. Первый тип колбочек обладает максимумом возбуждения в красно-оранжевом, второй - в зеленом, третий - в сине-фиолетовом свете.

В то же время в физиологии цветового зрения описан ряд фактов, которые не могут быть объяснены трехкомпонентной теорией зрения. Это позволило выдвинуть теорию противоположных, или контрастных цветов (теория цветового зрения Геринга). Феномены цветового зрения лучше всего могут объясняться разрушением и повторным возникновением двух видов пигментов: при создании (ассимиляции) соответствующего вещества в восприятие вовлекается один цвет например красный, при разрушении (диссимиляции), напротив, дополнительный цвет - зеленый. К восприятию красно-зеленого добавляются еще сине-желтое и черно-белое восприятия. Одним из главных обоснований этой теории послужил феномен нервной индукции. В цветовом зрении это выражается в явлениях одновременного или последовательного контраста. Феномен одновременного контраста заключается в изменении цветового тона в зависимости от фона. Например, серое пятно на красном фоне приобретает зеленоватый оттенок. Если же достаточно долго смотреть на окрашенную в красный цвет поверхность, а затем перевести взор на белую, то последняя приобретает зеленоватый оттенок. Это феномен последовательного образа.

Итак, современные данные позволяют считать, что процессы в колбочках более соответствуют трехкомпонентной теории цветоощущения, тогда как для нейронных сетей сетчатки и вышележащих зрительных центров больше подходит теория цветового зрения Геринга.

Организация центров зрительной системы. В ходе эволюции зрительной системы позвоночных наблюдается усложнение ее центральных отделов при относительной неизменности периферического отдела - сетчатки. У рыб и амфибий ганглиозные клетки сетчатки посылают свои аксоны непосредственно в высшие зрительные центры - крышу среднего мозга (рис. 4.47). Здесь у лягушки насчитывается до 250 тыс. нервных клеток, тела которых образуют

Рис. 4.48 Строение высших отделов зрительной системы приматов

А - 17-е и 19-е поля больших полушарий; Б - подкорковые структуры; В - сетчатки глаз: I-VII - слои коры,IVa, IVb, IVc - подслои; точками обозначены границы между полями и слоями; стрелками - центростремительные и центробежные связи; РХ - ростральные холмики, ЛКТ - латеральное коленчатое тело, Г - гипоталамус, ЛКЯ - латеральное коленчатое ядро, ПЯ - предкрышечное ядро, П -подушка.

несколько глубинных слоев крыши среднего мозга. Несмотря на то, что по ходу зрительного нерва волокна переплетаются, переходя из пучка в пучок, их окончания в нейропильной оболочке крыши отражают план расположения элементов сетчатки, т. е. образуют локальную проекцию определенных квадрантов сетчатки на средний мозг. У рептилий зрительным центром является не только крыша среднего мозга, но и корковая пластинка больших полушарий, куда конвертируют нейроны различных сенсорных систем.

У птиц ассоциативные функции связаны с развитием многочисленных ядер таламуса. Ганглиозные клетки сетчатки птиц посылают свои аксоны помимо среднего мозга в многочисленные ядра таламуса. Возникает добавочное сигнальное переключение на нейроны этих ядер с последующей передачей в стриатум.

У млекопитающих к зрительным центрам добавляются сложные системы нейронов зрительной коры (рис. 4.48). Волокна зрительных нервов, перекрещиваясь между собой, образуют зрительный перекрест (хиазму). У низших позвоночных происходит полный перекрест, у млекопитающих сетчатка одного глаза имеет и контра-, и ипсилатеральную проекции.

Большая часть волокон поступает в промежуточный мозг - латеральное коленчатое тело. Аксоны его клеток идут в 17-е поле коры. Часть волокон сетчатки направляется к крыше среднего мозга в ростральные холмики в предкрышечное поле и подушку в таламусе. Из подушки информация передается на область 18-го и 19-го полей коры. Предкрышечное поле ответственно за регуляцию диаметра зрачка, а ростральные холмики связаны с глазодвигательными центрами и высшими отделами зрительной Системы. Древний ретинотектальный путь в средний мозг млекопитающих не утрачивает своего значения и обеспечивает различения света и тени, обнаружение движения объекта.

Афферентные волокна из латерального коленчатого тела оканчиваются в слое IV и в глубине слоя Ш 17-го поля зрительной коры. Поле 17 является центральным полем зрительной коры, а 18-е и 19-е поля - периферическими. Ассоциативные волокна из поля 17 направляются в 18-е и 19-е поля. Между сетчаткой и полем 17 коры существует упорядоченное топографическое соответствие, благодаря чему карта сетчатки, а следовательно, и поле зрения проецируется на кору. Центральная ямка, где острота зрения максимальна, занимает большую часть коркового представительства, аналогично тому, как в других сенсорных корковых зонах области с наивысшей чувствительностью также доминируют на картах.

Таким образом, единственную точную ретинотопическую карту содержит только поле 17, а смежным с ним полям 18 и 19 приписывают нетопографические ассоциативные функции.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Сенсорные системы информируют организм о всех изменениях, происходящих в окружающей среде, вызывая адекватные поведенческие реакции. Разнообразные раздражители классифицируются по модальности, т. е. по той форме энергии, которая свойственна каждому из них и кроме того, подразделяются на адекватные или неадекватные для той или иной сенсорной системы.

Деятельность любой сенсорной системы начинается с восприятия рецепторами внешней для мозга физической и химической энергии, трансформации ее в нервные импульсы и передачи их в мозг через цепи нейронов, образующих ряд уровней в ЦНС. Рецепторам принадлежит важнейшая роль в получении организмом информации о внешней и внутренней средах. Благодаря большому их разнообразию животные и человек способны воспринимать стимулы разных модальностей.

По характеру взаимодействия с раздражителями всю совокупность рецепторов подразделяют на экстероцепторы, воспринимающие раздражения внешних агентов, и интероцепторы, сигнализирующие о раздражителях внутренней среды. Исходя из различной модальности раздражителей рецепторы подразделяют на несколько групп: механо-, термо; хемо-, фото; электрорецепторы, болевые рецепторы. По структурным особенностям рецепторы могут быть разделены на две группы: первичночувствующие и вторичночувствующие.

Первичночувствующие рецепторы являются основным универсальным типом с которым связаны все виды рецепции у беспозвоночных. У позвоночных животных первичные рецепторы представлены тканевыми и проприоцепторами, а также терморецепторами и обонятельными клетками. Все остальные рецепторы позвоночных являются вторичночувствующими. Именно в рецепторах происходит преобразование внешних стимулов вначале в рецепторные потенциалы, а затем в потенциалы действия, которые передают в центральные отделы нервной системы информацию о действии раздражителя и его количественных характеристиках.

В рецепторах происходит преобразование сигналов в нервные импульсы, которые по соответствующим сенсорным нервам направляются в ЦНС. Одни центральные пути преимущественно передают сигналы от рецепторов одного типа и поэтому их называют специфическими сенсорными путями. Другие вследствие дивергенции их волокон и конвергенции с другими входами становятся все более мультимодальными, или неспецифическими. Неспецифические структуры мозга имеют особое значение для поддержания общего уровня возбудимости мозговых аппаратов. Третьи, ассоциативные таламокортикальные пути с их проекциями в соответствующие области коры больших полушарий, связаны с оценкой биологической значимости стимулов. Следовательно, сенсорная функция осуществляется на основе взаимосвязанной деятельности специфических, неспецифических и ассоциативных образований мозга, которые обеспечивают формирование поведенческого статуса всего организма.

Вектор эволюции периферических и центральных звеньев сенсорных систем направлен на развитие способности животных получать информацию об окружающей среде, все более подробно анализировать признаки сложных раздражителей, выявляя из них такие, которые определяют адаптивное поведение и ориентацию в пространстве.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Айрапетьянц Э. Ш., Константинов А. И. Эхолокация в природе. Л., 1974.

Акоев Г. Н .Алексеев Я. П. Функциональная организация механорецепторов. Л., 1985.

Альтман Я. А.. Вайтулевич С. Ф. Слуховые вызванные потенциалы и локализация источника

звука. СПб., 1992.

Ватуев А. С., Куликов Г. А. Введение в физиологию сенсорных систем. М., 1983.

Бронштейн А. А. Обонятельные рецепторы позвоночных. Л., 1977.

Броун Г. Р., Ильинский О. Б. Физиология электрорецепторов. Л., 1984.

Вартанян И. А. Физиология сенсорных систем: Руководство. СПб., 1999.

Грибакин Ф. Г. Механизмы фоторецепции насекомых. Л., 1981.

Елизаров Ю.А. Хеморецепция насекомых. М., 1978.

Еськов Е. К. Акустическая сигнализация общественных насекомых. М., 1979.

Ильинский О. Б. Физиология сенсорных систем: Ч. 3. Физиология механорецепторов. Л., 1975.

Кейдель В. Физиология органов чувств. Ч. 1. Общая физиология органов чувств и зрительная

система. М., 1975.

Константинов А. И., Мовчан В. Н. Звуки в жизни зверей. Л., 1985.

Константинов А. И., Макаров А. К., Мовчан Е. В., Соколов Б. В., Горлинский И. А. Эхолокационная сенсорная система подковоносов. Л., 1988.

Константинов А. И., Соколов В. А, Быков К. А. Основы сравнительной физиологии сенсорных систем. Л., 1980.

Куффлер С. Николе Дж. От нейрона к мозгу. М., 1979.

Ноздрачев А. Д.. Поляков Е. Л., Лапицкий В. П., Осипов Б. С.. Фомичев Н. И. Анатомия беспозвоночных: пиявка, прудовик, дрозофила, таракан, рак. СПб., 1999.

Оке С. Основы нейрофизиологии. М., 1969.

Орлов И. В. Вестибулярные функции. СПб., 1998.

Попов А. В. Акустическое поведение и слух насекомых. Л., 1985.

Сомьен Дж. Кодирование сенсорной информации в нервной системе млекопитающих. М., 1975.

Сравнительная физиология животных / Под ред. Л. Проссера. М., 1977. Т. 2.

Тамар Г. Основы сенсорной физиологии. М., 1976.

Тыщенко В. П. Основы физиологии насекомых: Ч. 2. Физиология информационных систем. Л., 1976.

Физиология зрения / М. А. Островский, В. И. Говардовский, Ф. Г. Грибакин и др. М., 1992.

Хьюбел Д. Глаз, мозг, зрение. М., 1990.

Шеперд Г. Нейробиология. В 2 т. М., 1987. Т. 1.

Школьник-Яросс Е. Г., Калинина А. В. Нейроны сетчатки. М., 1986.

5 НЕРВНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ВИСЦЕРАЛЬНЫХ ФУНКЦИЙ. АВТОНОМНАЯ (ВЕГЕТАТИВНАЯ) НЕРВНАЯ СИСТЕМА

ВЕХИ ИСТОРИИ

II в. - К. Гален (С. Galen, Др. Рим) дал название "симпатический" нервному стволу, располагающемуся вдоль позвоночного столба, описал ход и распределение блуждающего нерва.

1543 - А. Везалий (A. Vesalius, проф. в Падуе) дал подробное описание симпатических узлов, ганглиев солнечного сплетения, полагая, что эти образования осуществляют связь внутренних органов с мозгом.

1732 - Дж. Уинслоу (J. Winslow, Великобритания) считал симпатические ганглии независимыми нервными центрами, координирующими и согласующими функции различных органов.

1801 - Ф. Биша (F. Bichat, Франция) разделил жизненные процессы в организме на животные и органические, полагая, что животная жизнь зависит от спинного мозга и является соматической, в то время как органическая поддерживается симпатической ганглионарной системой. Он также считал, что симпатические узлы наделены самостоятельной деятельностью.

1807 - И. Рейл (I. Real, Великобритания) ввел понятие "вегетативная нервная система".

1833, 1836 - В. Эленберг и Г. Валентин (W. Elenberg, G. Valentin, Германия) представили первое микроскопическое описание ганглионарной нервной клетки.

1836 - И. Браше (I. Brachet, Франция) издал монографию о функциях ганглионарной нервной системы, в которой утверждал, что эта система регулирует деятельность внутренних органов и описал ее влияния на сердце, легкие, тонкую кишку, органы выделения, органы чувств.

1840 - А. М. Филомафитский (Россия)-различал в симпатическом нерве такие свойства, как чувствительность, двигательную и органическую силу. Наличие двигательной силы он подтверждал раздражением сердечного нерва электрическим током, в результате чего наблюдались сильные движения сердца. Кроме того, ему первому удалось показать симпатические влияния на химические процессы в организме.

1845 - братья Э. Г. и Э. Веберы (Er. H. и Ed. Weber, Германия) обнаружили тормозящее влияние блуждающего нерва на деятельность сердца. Это было первое исследование о торможении (угнетении) физиологических процессов.

1852 - К. Бернар (С. Bernard, Франция) описал сосудодвигательную функцию симпатических нервов. В дальнейшем его концепция о значении постоянства внутренней среды организма послужила основой для формирования учения о гомеостазе.

1857, 1864 - Г. Мейсснер и Л. Ауэрбах (G. Meissner, L. Auerbach, Германия) представили описание гистологического строения подслизистого и межмышечного сплетения стенки кишки.

1858 - М. Шифф (М. Schiff, Германия) описал специальные нервы регуляции питания что создавало почву для последующего развития представлений о трофической функции симпатической нервной системы

1866 - И. Ф. Цион (Россия) и К. Людвиг (К. Ludwig, Германия) открыли у кролика нерв депрессор, раздражение центрального конца которого вызывает рефлекторное падение кровяного давления и расширение кровеносных сосудов.

1886 - И. П. Павлов (Россия) высказал предположение, что блуждающий и симпатический нервы оказывают влияние не только на сокращение сердца, но и изменяют питание (трофику) сердечной мышцы.

1886- У. Гаскелл (W. Gaskell, Великобритания) ввел термин "висцеральная нервная система", понимая под этим иннервацию внутренних органов, сосудов и желез.

1377 - А. И. Бабухин (Россия) описал аксон-рефлекс - рефлекс, осуществляющийся по разветвлениям аксона без участия тела нервной клетки; возбуждение при аксон-рефлексе может распространяться по разветвлениям эфферентных симпатических, а также спинальных чувствительных волокон.

1893, 1898, 1922 - Дж. Ленгли (J. Langley, Великобритания) в 1893 г. ввел в термины "пре- и постганглионарные волокна". В 1898 г. впервые довольно точно для своего времени описал общий план строения вегетативной нервной системы, определил места выхода вегетативных волокон из центральной нервной системы, установил их анатомические и функциональные особенности, подразделил вегетативную нервную систему на симпатический и парасимпатические отделы, выделил в самостоятельный отдел энтеральную систему (enteric system) - мейсснерово и ауэрбахово сплетения. Назвал вегетативную нервную систему автономной. В 1922 г. выпустил книгу "Автономная нервная система".

1921-1936 - О. Леви (О. Loewi, Австрия) установил, что при раздражении симпатического или блуждающего нервов изолированного сердца лягушки в перфузате появляются вещества, оказывающие соответственно симпатический или парасимпатический эффекты. В 1936 г. вместе с Г. Дейлом (Н. Dale, Великобритания) удостоен Нобелевской премии "за открытия, связанные с химической передачей нервных импульсов".

1923 - А. Г. Гинецинский (СССР) установил, что под влиянием импульсов, идущих по симпатическим нервам, улучшается функция утомленной мышцы в результате длительного раздражения двигательного нерва лягушки; эффект воспроизведен и на мышцах млекопитающих; синоним - феномен Орбели-Гинецинского.

1932 - Л. А. Орбели (СССР) обосновал и развил учение о адаптационно-трофической функции симпатической нервной системы, распространяющееся на скелетные мышцы, рецепторы, всю ЦНС, включая кору больших полушарий мозга.

1933 - А. В. Кибяков (СССР) установил роль адреналина в синаптической передаче.

1943, 1960, 1973 - В. Н. Черниговский (СССР) создал учение об интероцепции; в 1943 г. издал книгу "Афферентные системы внутренних органов", в 1960 г. - книгу "Интероцепторы", в 1973 г. описал кортикальное и субкортикальное представительство висцеральных систем.

1980 - А. Д. Ноздрачев экспериментально обосновал существование третьей части автономной нервной системы - метасимпатической нервной системы (МНС).

Cогласно представлениям французского врача и физиолога Ф. Биша (начало XIX столетия) функции организма позвоночных разделяли на две группы: соматической (анимальной, животной) и вегетативной (растительной) жизни. Первая включала двигательные реакции скелетной мускулатуры и восприятие внешних раздражении, ко второй причислялись все остальные функции тела - питание, рост, размножение и т. д. В соответствии с этим был установлен сохранившийся до сих пор и физиологический принцип разделения нервной системы на соматическую и вегетативную (от лат. vegetativus - растительный).

Позже знаменитый французский физиолог К. Бернар постулировал новый признак вегетативной нервной системы, превратив ее в систему непроизвольной иннервации. Признак непроизвольности во многих отношениях оказался плодотворным. Он позволил английскому физиологу У. Гаскеллу обратить внимание на наличие в организме двух типов мышечной ткани, подчиненных соответственно "произвольной" и "непроизвольной" иннервации.

В пределах непроизвольной оказалась иннервация мышц сосудов, кожных образований, внутренних органов. Признак непроизвольности оказался не единственным при отнесении нервного образования к тому или иному отделу. Гаскелл показал также существование своеобразной химической чувствительности мышц, иннервируемых непроизвольной нервной системой, часть из которых реагирует сокращением на применение адреналина. Это позволило ему разделить непроизвольную нервную систему на собственно симпатическую (адреналовую) и нервную систему внутренностей, выделив при этом краниальный, тораколюмбальный и сакральный отделы.

Вскоре соотечественник Гаскелла Дж. Ленгли установил различие в конструкции произвольной и непроизвольной иннервации. Он показал, что произвольная соматическая иннервация осуществляется однонейронным путем - тело нервной клетки лежит в ЦНС, а ее отросток, располагаясь на периферии, достигает исполнительного органа (скелетной мышцы). В то же время путь непроизвольной вегетативной иннервации представлен двумя нейронами первый из которых находится в ЦНС, второй - в периферическом ганглии.

Эту непроизвольную часть нервной системы Ленгли назвал автономной нервной системой, подчеркнув тем самым гораздо большую степень ее независимости от ЦНС. Он считал эту систему сугубо эфферентной. В автономной нервной системе Ленгли выделил симпатическую нервную систему (тораколюмбальный отдел) и обозначил остальные образования (краниальный и сакральный отделы) термином парасимпатическая. При этом нервные сплетения стенки кишки он отдельно назвал энтеральной системой.

Особую роль автономной нервной системы в организме обосновал Л. А. Орбели. Данные его школы показали, что симпатическая иннервация оказывает воздействие на функциональное состояние всех без исключения органов и тканей, в том числе и отделов ЦНС. Таким образом был сформулирован основной принцип ее функционирования в организме - адаптационно-трофический характер оказываемого влияния.

Согласно международной анатомической номенклатуре, сейчас термин автономная заменил все ранее существовавшие -растительная, висцеральная, вегетативная и т. д. В понятие автономная нервная система включается комплекс центральных и периферических клеточных структур, регулирующих

функциональный уровень внутренней жизни организма, необходимый для адекватных реакций всех систем.

Анатомически автономная нервная система высших позвоночных представлена ядерными образованиями, лежащими в спинном и головном мозгу нервными ганглиями и нервными волокнами, локализованными либо вблизи исполнительных органов, либо непосредственно в их стенках или толще.

5.1. ДУГА АВТОНОМНОГО РЕФЛЕКСА

Как и соматическая рефлекторная дуга, дуга автономного рефлекса состоит из трех звеньев: чувствительного (сенсорного, афферентного), ассоциативного вставочного) и эффекторного. Например, в автономной рефлекторной дуге спинального уровня (рис. 5.1) чувствительное звено образовано клетками спинномозговых или периферических ганглиев. Оно может быть общим для автономной и соматической рефлекторных дуг.

Периферические отростки чувствительных клеток разветвляются во внутренних органах, коже, стенках сосудов и т. д., центральные же синаптически контактируют со вставочными нейронами тех или других сегментов. Втopoе звено этой же дуги может быть упрощенно представлено в виде скопления нейронов в боковых рогах спинного мозга. Их отростки покидают спинной мозг в составе вентральных корешков, вступают в соматические нервные стволы и отсюда в виде белых соединительных ветвей направляются к узлам симпатического ствола. Здесь происходит переключение части из них на эффекторные

Рис. 5.1 Принципиальная схема дуги автономного (справа) и соматического (слева) рефлексов

1 - спинной мозг, 2 - чувствительный нейрон, 3 - спинальный ганглий (спинномозговой узел),

4 - дорсальный корешок, 5 - вставочный (преганглионарный) нейрон дуги автономного рефлекса, 6 - вентральный корешок, 7 - преганглионарное (предузловое) нервное волокно, 8 - симпатический паравертебральный ганглий (узел симпатического ствола), 9 - белая соединительная ветвь, 10 - двигательный (постганглионарный) нейрон дуги автономного рефлекса, 11 - соматический нерв, 12 - постганглионарное (послеузловое) нервное волокно, 13 - серая соединительная ветвь, 14 - висцеральная ветвь, 15 - симпатический превертебральный ганглий (узел брыжеечного сплетения), 16 - кишка, 17 - эффекторный нейрон функционального модуля метасимпатической нервной системы, 18 - функциональный модуль метасимпатической нервной системы, 19 - интернейрон функционального модуля, 20 - чувствительный нейрон функционального модуля, 21 - двигательное соматическое волокно, 22 - двигательный нейрон соматической рефлекторной дуги, 23 - вставочный нейрон соматической рефлекторной дуги.

клетки. Третье звено - нервная клетка, мигрировавшая из спинного мозга в один из периферических узлов.

Узлы могут располагаться либо около позвоночника (паравертебральные), либо в нервных сплетениях вблизи внутренних органов (превертебральные), либо, наконец, в стенках внутренних органов (интрамуральные).

Дуги местных рефлексов ганглионарного уровня могут замыкаться в превертебральных и интрамуральных ганглиях, так что в этом случае все составляющие рефлекторную дугу звенья находятся на периферии вблизи или непосредственно в стенке исполнительного органа. При этом чувствительное и эфферентное волокна могут проходить в составе одного и того же нервного ствола.

5.1.1. Подразделение автономной нервной системы

Автономную нервную систему подразделяют на симпатическую, парасимпатическую и метасимпатическую части, или отделы (рис. 5.2). Это деление имеет определенные функциональные и структурные основания. Они относятся ко всем трем основным звеньям рефлекторной дуги. Согласно А. А. Заварзину, в процессе развития при появлении билатеральной симметрии и дифференцировки головного и хвостового концов началось разделение нервной системы на соматическую и автономную. Из этой системы выделилась часть основного трехчленного аппарата, сохранившая свою связь с соматической системой. В связи с более однообразной и менее сложной организацией висцеральных органов, чем органы движения, появились особые свойства, развившиеся из общих свойств единой нервной системы. Таким путем возникла симпатическая, парасимпатическая и метасимпатическая нервная система.

В свою очередь, развитие частей автономной нервной системы шло, вероятно, параллельно, чем объясняется наличие у каждой из них единого принципа - параллельно поставленного аппарата. В процессе эволюции в этом аппарате выработались особые свойства, характерные для каждой из частей, но развившиеся из единой нервной системы. Так, в метасимпатической части обособился сенсорный аппарат, возникли собственный водитель ритма, интернейронная обрабатывающая сеть и эффекторный нейрон с собственным медиаторным

1- крестцовый отдел спинного мозга (S), 2 - грудо-поясничный отдел спинного мозга (T-L) 3 - шейный отдел спинного мозга (С), 4- продолговатый мозг, 5- средний мозг, 6- симпатический ствол (паравертебральные ганглии), 7- парасимпатические узлы головы, 8- постганглионарные волокна, 9- (чревное) солнечное сплетение и его узлы, 10- каудальное брыжеечное сплетение и его узлы, преганглионарные нервные волокна, 12- тазовый нерв, 13- слюнные железы, 14- внутренние мышцы глаза, 15- сосуды головного мозга и его оболочек, 16- трахея, бронхи, легкое, 17-функциональные модули метасимпатической нервной системы, 18- желудок, 19- сердце, 20- скелетная мышца, 21- двенадцатиперстная кишка, 22- поджелудочная железа, 23- сосуды внутренних органов, 24- печень, 25- надпочечник, 26- толстая кишка, 27- почка, 28- мочевой пузырь, 29- семенники, 30- матка, 31- кожа

обеспечением. Иными словами, возникли низшие рефлекторные центры, расположенные непосредственно в стенках исполнительных органов. У симпатического и парасимпатического отделов появились дуги с участием спинного мозга и образованием собственных центров - ядер спинного и головного мозга, а также высшего центра - гипоталамической области.

Эмбриональным источником клеток автономной нервной системы у млекопитающих служит ганглиозная пластинка, которая подразделяется на сомиты, дающие впоследствии симпатическую и парасимпатическую нервную систему. Их периферическая часть, а также метасимпатическая нервная система образуются в результате дальнейшей миграции нейробластов в стенки внутренних органов.

5.1.2. Анатомические структуры

Симпатическая нервная система. Симпатическая нервная система по строению делится на центральную часть, расположенную в спинном мозгу, и периферическую, включающую многочисленные ветви и узлы.

Центральная часть представлена симпатическим ядром бокового рога серого вещества спинного мозга. Оно тянется от первых грудных до поясничных сегментов. Аксоны составляющих ядро клеток через межпозвоночные отверстия выходят из спинного мозга в составе вентральных корешков (см. рис. 5.1) и в виде белых соединительных ветвей вступают в узлы симпатического ствола. Ядро состоит из сравнительно мелких мультиполярных клеток, дендриты которых ветвятся здесь же, а тонкие и часто миелинизированные аксоны, называемые преганглионарными (предузловыми) волокнами, направляются в вентральные корешки и оканчиваются либо в паравертебральных (околопозвоночных), либо в превертебральных (предпозвоночных) ганглиях. Скорость проведения возбуждения в этих аксонах колеблется от 1 до 20 м/с.

Периферическая часть образована чувствительными и эфферентными нейронами симпатических ганглиев. В их анатомическом строении у высших позвоночных животных и человека принципиальных отличий не имеется.

Паравертебральные ганглии располагаются по обе стороны позвоночника, от основания черепа до крестца, в виде цепочек, называемых правым и левым пограничными симпатическими стволами. Узлы между собой соединены комиссурами, а со спинномозговыми нервами - белыми и серыми соединительными ветвями (рис. 5.2, 5.3).

По белой ветви в узел входит преганглионарное волокно, которое может переключаться здесь на эффекторный ганглионарный нейрон, тогда часть постганглионарных волокон по серой соединительной ветви вновь возвращается в спинномозговой нерв и далее следует в его составе без перерыва к эффекторному органу, например, к скелетной мышце или суставу. Другие волокна, собравшись в отдельные веточки, называемые внутренностными (чревными) нервами, направляются к органам грудной, брюшной и тазовой полости или к превертебральным ганглиям и через них далее также к исполнительным органам. Постганглионарные волокна в большинстве лишены миелиновой оболочки, поэтому имеют сероватую окраску. В ганглиях симпатического ствола прерывается только часть преганглионарных волокон, остальные проходят их транзитом и синаптически переключаются на эффекторный нейрон в превертебральных ганглиях.

Превертебральные ганглии расположены на значительном удалении от спинного мозга и вдали от иннервируемых органов, поэтому от них идут довольно длинные постганглионарные аксоны, совокупность которых в каждом случае носит название специального нерва. Исключение составляют небольшие узлы,

Рис. 5.3 Симпатический и метасимпатический отделы автономной нервной системы, (схема)

Преганглионарные симпатические волокна обозначены сплошными линиями, постганглионарные - пунктирными. Функциональные модули метасимпатической нервной системы (МНС) показаны встроенными непосредственно в стенки полых внутренних органов; местом локализации МНС являются интрамуральные ганглии.

находящиеся вместе с половыми органами и отдающие им короткие постганглионарные аксоны.

К числу наиболее крупных превертебральных ганглиев относятся чревный, краниальный и каудальный брыжеечные узлы. Два первых вместе с отходящими ветвями образуют самое крупное из автономных сплетений организма - чревное сплетение, традиционно называемое солнечным сплетением (рис. 5.2). От клеток этих узлов начинаются постганглионарные симпатические волокна, иннервирующие почти все органы брюшной полости. Они образуют многочисленные нервные стволы, которые отходят и распределяются радиально. Стволы направляются к органам брюшной полости и в свою очередь образуют ряд сплетений: печеночное, селезеночное, желудочное и др.

К эффекторам, снабжаемым постганглионарными симпатическими волокнами, относятся гладкие мышцы всех органов - сосудов, зрачка, волосяных луковиц, легких, органов пищеварения, выделения, потовые, слюнные, пищеварительные железы, а также клетки печени и жировой клетчатки.

Помимо эфферентных волокон симпатическая нервная система имеет собственные чувствительные пути. По локализации клеточных тел, ходу и длине отростков они могут быть разделены на две группы. Первая группа

Рис. 5.4 Парасимпатический и метасимпатический отделы автономной нервной системы, (схема)

Холинергические волокна, идущие из краниального и крестцового отделов ЦНС, направляются к ганглиям, органам и к функциональным модулям метасимпатической нервной системы, локализующейся в интрамуральных ганглиях стенок полых внутренних органов.

периферических афферентных нейронов включает клетки, тела которых локализуются в превертебральных симпатических ганглиях. Один из длинных отростков направляется на периферию, второй - в сторону спинного мозга, куда он вступает в составе дорсальных корешков (см. рис. 5.1). Вторая группа характеризуется тем" что длинный отросток этих чувствительных клеток идет к рабочему органу, короткие же распределяются в самом ганглии, синаптически контактируют с вставочными нейронами и через них с эффекторными нейронами, образуя здесь местную рефлекторную дугу.

Парасимпатическая нервная система. Общая организация парасимпатической нервной системы в какой-то мере подобна симпатической. В ней также выделяются центральные и периферические образования, передача возбуждения к исполнительному органу осуществляется в основном по двухнейронному пути, преганглионарный нейрон располагается в сером веществе мозга, постганглионарный вынесен далеко на периферию. Однако парасимпатическая нервная система отличается от симпатической рядом особенностей. Во-первых, ее центральные структуры расположены в трех различных далеко отстоящих участках мозга, отделенных не только друг от друга, но и от симпатического центра; во-вторых, парасимпатические волокна иннервируют, как правило, только определенные зоны тела, которые также снабжаются симпатической, а иные и метасимпатической иннервацией.

Центральные структуры парасимпатической нервной системы расположены в среднем, продолговатом мозгу и в крестцовом отделе спинного мозга (рис. 5.2, 5.4).

Среднемозговая часть представлена парасимпатическим ядром глазодвигательного нерва (ядром Якубовича, или Вестфаля-Эдингера), лежащим вблизи краниальных (верхних) холмиков на дне водопровода среднего мозга (сильвиевого). Преганглионарные волокна к глазным мышцам, железам и другим образованиям головы покидают ствол мозга в составе трех пар черепных нервов: III (глазодвигательного), VII (лицевого), IX (языкоглоточного) - и заканчиваются на эффекторных нейронах ресничного, ушного, крылонёбного, поднижнечелюстного (подъязычного) узлов. Отсюда постганглионарные волокна идут к иннервируемым органам.

Рис. 5.5 Иннервация каротидной и аортальной сосудистых зон

1 - желудочки, 2 - предсердия, 3 - восходящая аорта, 4 - барорецепторные области дуги аорты, 5 - сонный (каротидный) синус, 6 - языкоглоточные нервы, 7 - внутренняя сонная артерия, 8 - каротидные нервы, 9 - наружная сонная артерия, 10 - общая сонная артерия, 11 - главные стволы блуждающих нервов, 12 - парааортальные тельца, 13 - легочная артерия.

Клеточные тела преганглионарных нейронов продолговатого мозга посылают свои волокна к органам шеи, грудной и брюшной полости в составе Х пары (блуждающего нерва). Крестцовый отдел представлен центрами, располагающимися в боговых рогах трех крестцовых сегментов спинного мозга. Отсюда в составе тазового внутренностного нерва парасимпатические волокна направляются к органам таза.

Постганглионарные парасимпатические волокна снабжают глазные мышцы, слёзные и слюнные железы, мускулатуру и железы пищеварительного тракта, трахею, гортань, легкие, предсердия, выделительные и половые органы. В отличие от симпатических постганглионарных волокон они не иннервируют гладкие мышцы кровеносных сосудов, за исключением половых органов и, вероятно, артерий мозга.

Главным коллектором чувствительных путей парасимпатической нервной системы является блуждающий нерв. При общем количестве волокон его шейного отдела, достигающем, например, у кошки 30 тыс., 80-90% составляют афферентные волокна. Примерно 20% из этого числа приходится на долю миелинизированных волокон, остальные - тонкие безмякотные. Эти волокна передают информацию от пищеварительного тракта, органов грудной и брюшной полости. Образуемые этими волокнами рецепторы реагируют на механические, термические, болевые воздействия, воспринимают изменения рН и электролитного состава.

Исключительно важна физиологическая роль чувствительной ветви блуждающего нерва - депрессорного нерва (нерва, понижающего кровяное давление). Он является мощным проводником, сигнализирующим о функциональном состоянии сердца. Клеточные тела афферентных путей блуждающего нерва лежат в основном в яремном узле, а их волокна вступают в продолговатый мозг на уровне олив.

В синусной ветви (ветви сонного синуса), являющемся ветвью IX пары (языкоглоточного нерва), проходит около 300 толстых волокон, связанных с большим числом рецепторных приборов разной модальности. В этом воспринимающем комплексе особое значение принадлежит сонному гломусу (каротидному клубочку), лежащему между внутренней и наружной сонными артериями у места деления общей сонной артерии (рис. 5.5).

Метасимпатическая нервная система. Многие внутренние органы после перерезки симпатических и парасимпатических путей или даже после извлечения из организма продолжают осуществлять присущие им функции без особых видимых изменений. Сохраняет координированную перистальтическую и всасывательную функции кишка, сокращается перфузируемое сердце. Сегменты или полоски матки, мочеточника, жёлчного пузыря продолжают сокращаться с частотой и амплитудой, характерной для каждого органа. Эта функциональная автономия объясняется наличием в стенках этих органов ганглиозной системы, обладающей собственным автоматизмом и имеющей необходимые для автономной рефлекторной и интегративной деятельности звенья - чувствительное, вставочное, двигательное и медиаторы.

Следовательно, большинство полых висцеральных органов наряду с существованием экстраорганной симпатической и парасимпатической нервной системы имеет собственный базовый механизм нервной регуляции. Управление работой в этом случае обеспечивается рефлекторными дугами, замыкающимися в пределах стенки самих органов (рис. 5.6).

Наличие общих черт в структурной и функциональной организации, данные онто- и филогенеза, результаты наблюдений за конечными эффектами, возникающими при стимуляции нервных волокон, результаты прямой регистрации нейрональной активности явились основанием для выделения в составе автономной нервной системы кроме симпатической и парасимпатической еще и третьей части - метасимпатической.

Ранее к третьему отделу автономной нервной системы, называемому энтеральным, относили лишь рефлекторные дуги, замыкающиеся в подслизистом и межмышечном сплетениях кишки. Понятие метасимпатической нервной системы значительно шире, оно охватывает весь комплекс полых висцеральных органов, в том числе и пищеварительный тракт. Местом локализации метасимпатической нервной системы являются интрамуральные ганглии, залегающие в толще стенок этих органов.

Метасимпатическая нервная система обладает многими признаками, отличающими ее от других частей автономной нервной системы.

Рис. 5.6 Функциональный модуль метасимпатической нервной системы

1 - чувствительный нейрон, 2 - интернейрон, 3 - эфферентный нейрон, 4 - постганглионарный симпатический нейрон и его волокно, 5 - преганглионарный симпатический нейрон и его волокно, 6 - преганглионарный парасимпатический нейрон и его волокно.

1. Она иннервирует только внутренние органы, наделенные собственной моторной активностью; в сфере ее иннервации находятся гладкая мышца, всасывающий и секретирующий эпителий, локальный кровоток, местные эндокринные элементы, иммунные структуры.

2. Она получает синаптические входы от симпатической и парасимпатической систем и не имеет прямых синаптических контактов с эфферентной частью соматической рефлекторной дуги.

3. Наряду с общим висцеральным афферентным путем она имеет собственное сенсорное звено.

4. Она не находится в антагонистических отношениях с другими частями нервной системы.

5. Представляя истинно базовую иннервацию, она обладает гораздо большей, чем симпатическая и парасимпатическая нервная система, независимостью от ЦНС. -

6. Органы с разрушенными или с выключенными с помощью ганглиоблокаторов метасимпатическими путями утрачивают присущую им способность к координированной ритмической моторной и другим функциям.

7. Метасимпатическая нервная система имеет собственное медиаторное звено.

5.1.3. Элементы эволюции автономной нервной системы

У беспозвоночных (аннелид и др.) от соматической нервной системы отделяются нервные элементы, связанные с кишечной трубкой. Они образуются из клеток глоточных узлов и формируют самостоятельные ганглии. У членистоногих существует уже достаточно четко дифференцированная автономная нервная система с узлами и нервными стволами, идущими к мышцам желудка. У стрекозы, например, выделяют краниальный, туловищный и каудальный отделы. Туловищный соответствует симпатической, краниальный и каудальный - парасимпатической нервной системе позвоночных. У низших черепных животных сформированных автономных ганглиев не обнаруживается, хотя и имеются висцеральные ветви спинномозговых нервов.

У низкоорганизованных позвоночных, таких как миноги, акулы, скаты, по ходу симпатических сплетений, снабжающих пищеварительный канал и начинающихся от висцеральных ветвей спинномозговых нервов, возникают ганглиозные скопления клеток. Они располагаются дорсальное аорты соответственно каждой паре спинномозговых нервов. От ганглиев отходят ветви к внутренним органам и сердцу. В толще органов эти ветви формируют сплетения с заложенными в них ганглиозными клетками.

Таким образом, на этом этапе эволюции возникает третья часть автономной нервной системы - метасимпатическая.

В ряду костистых рыб образуется парный пограничный симпатический ствол со связями, характерными для высших позвоночных. Краниально он заходит в голову, каудально достигает хвоста. В дальнейшем в ходе эволюции строение автономной нервной системы усложняется, отличаясь разнообразием у разных групп.

Симпатический ствол рептилий, например, включает до 27 пар ганглиев с многочисленными связями, интрамуральные сплетения внутренних органов хорошо дифференцированы, хотя число клеток в узлах еще незначительно. У птиц преганглионарные волокна покидают спинной мозг в составе вентральных корешков.

По мере филогенетического развития усложняется и клеточный состав ганглиев. Если у низкоорганизованных позвоночных животных еще нет четких специфических различий между нервными клетками, то у более высокоорганизованных представителей класса рыб и особенно у млекопитающих имеется уже три их типа: рецепторные, эффекторные и ассоциативные.

5.1.4. Различия в конструкции автономной и соматической нервной системы

Первое различие - основное - заключается в расположении эффекторного (двигательного) нейрона по отношению к ЦНС. В автономной нервной системе эффекторная клетка находится за пределами спинного или головного мозга. В соматической нервной системе нервные клетки, принимающие участие в осуществлении рефлекса - вставочная и двигательная, - находятся внутри серого вещества спинного мозга (см. рис. 5.1). Благодаря этому структурному отличию возникают физиологические особенности, которые обусловливают несколько иное протекание процессов в автономной нервной системе.

Второе различие относится к иннервации органов, снабжаемых волокнами автономной и соматической нервной системы. Перерезка вентральных корешков спинного мозга сопровождается полным перерождением всех эфферентных соматических волокон и не затрагивает автономных в силу того, что ее эффекторный нейрон вынесен в один из периферических ганглиев. Исполнительные органы, в сущности, управляются импульсами только этого нейрона. Именно данное обстоятельство и подчеркивает относительную автономию этого отдела нервной системы.

Третье различие касается выхода нервных волокон. Соматические нервные волокна покидают ствол мозга и спинной мозг сегментарно и перекрывают иннервируемые области по меньшей мере трех смежных сегментов. Волокна автономной нервной системы выходят из отстоящих друг от друга ограниченных участков мозга: черепного, грудо-поясничного и крестцового. Волокна, выходящие из грудо-поясничного отдела спинного мозга, и связанные с ними ганглии называются симпатическими, а выходящие из черепного и крестцового - парасимпатическими. Часть автономных рефлекторных дуг, локализованных в ганглиях стенок внутренних органов (метасимпатическая нервная система), вообще не имеет прямых выходов из ЦНС.

Четвертое различие относится к распределению нервных волокон на периферии. Соматические волокна распределены строго сегментарно, волокна автономной нервной системы этому правилу не подчиняются. Они иннервируют все органы без исключения, а часть из них имеет двойную или даже тройную иннервацию - симпатическую, парасимпатическую, метасимпатическую.

Помимо указанных имеются еще и сугубо морфологические отличия. Волокна автономной нервной системы в большинстве своем лишены миелиновой оболочки, тонкие, диаметр их не превышает 7 мкм, в то время как соматические эфферентные волокна толстые, миелинизированные, достигающие в диаметре 12-14 мкм. Отличия в строении связаны и с функциональными особенностями - скоростью проведения, хронаксией. По тонким автономным волокнам возбуждение распространяется значительно медленнее, чем по толстым соматическим, и составляет соответственно 1-3 и 70-120 м/с. Для вызова ответной реакции автономной нервной системы необходимо применять значительно большую силу раздражения, так как ее волокна характеризуются большим рефракторным периодом и большей хронаксией.

5.1.5. Чувствительное звено дуги автономного рефлекса

Рецепторы висцеральных органов (интероцепторы) по строению делятся на свободные и несвободные. Свободные окончания не окружены вспомогательными образованиями или специальными клетками. К их числу относят наиболее просто устроенные кустиковидные рецепторы, концевые структуры которых имеют вид петелек, колечек, пластинок, включающих скопление митохондрий и специфических пузырьков. Несвободные окончания имеют форму клубочков, покрытых снаружи капсулой, пластинчатых телец, у которых рецепторное окончание заключено в капсулу из нескольких слоев клеток и межклеточного вещества.

В процессе эволюционного развития происходит увеличение числа интероцепторов, постепенно усложняется их форма и, вероятно, также более узкой становится специализация. Сейчас у высших позвоночных обнаружены интероцепторы, способные воспринимать механические и химические стимулы.

Одиночные механорецепторы. разделяют на два типа: медленно и быстро адаптирующиеся. На стационарное непрерывное воздействие типа растяжения и сдавливания и те, и другие отвечают залпом разрядов, частота которых находится в прямой зависимости от скорости нарастания стимула и его амплитуды. Позже у медленно адаптирующихся интероцепторов частота следования импульсов снижается до некоторого постоянного уровня и, флуктуируя около среднего значения, может сохраняться часами, пока действует раздражитель. У быстро адаптирующихся интероцепторов возросшая в ответ на применение раздражителя активность вскоре затухает, а затем вовсе исчезает. Эти различия в поведении интероцепторов связаны с особенностями строения их структур.

Механорецепторы часто называют барорецепторами, хотя, строго говоря, это типичные механорецепторы, так как их возбуждение связано не с давлением, а с растяжением сосудистой или кишечной стенки, которое в конечном счете приводит к увеличению поверхности воспринимающей части мембраны.

Многочисленные попытки обнаружения субстрата химической чувствительности также завершились определением рецепторных структур, реагирующих на изменение химической среды.

В зависимости от типа реакции хеморецепторы разделяют на кислото- и щелочечувствительные. И те, и другие реагируют преимущественно на высокие концентрации веществ. Основным фактором, способным возбудить деятельность рецепторных структур, является исключительно рН растворов кислот и щелочей.

Интероцепторы располагаются в стенках практически всех висцеральных органов, таких как сосуды, сердце, легкие, почки, мочевой пузырь, печень и др.

Большинство артериальных рецепторов является медленно адаптирующимися. Их активность находится в прямой зависимости от уровня постоянного давления. Учащение импульсации в них происходит линейно, пока давление не достигает величины 140-180 мм рт. ст. (18,8-24,0 кПа). Наиболее отчетливо деятельность рецепторных единиц проявляется при нарастании давления в связи с сердечным циклом: в ответ на каждую систолу возникают пачки разрядов, исчезающих в период диастолы. У аортальных рецепторов систолическая вспышка отстает от второго зубца ЭКГ на 70-80 мс. При различных функциональных состояниях, болезнях сердца и сосудов работа рецепторов перестраивается. Сосудистые интероцепторы стимулируются и угнетаются определенными химическими веществами.

Среди рецепторов предсердий установлено наличие двух видов, отличающихся друг от друга характером генерации разрядов и ответами на изменение гемодинамики. В стенках желудочков также существует по меньшей мере два типа рецепторов: вентрикулярные и эпикардиальные. Особенностью первых является наличие раннего систолического залпа импульсов перед открытием аортальных клапанов.

Подъем давления в желудочке путем пережатия аорты или легочной артерии ведет к значительному увеличению разряда. В отличие от вентрикулярных рецепторы эпикарда не реагируют на подобные манипуляции, не действует на них и гипоксия. Их активность состоит из нерегулярных разрядов с частотой 1-5 имп/с без проявления сердечного ритма. Отдельные поля этих рецепторов составляют около 1 см2.

Рецепторы легких по локализации разделяются на рецепторы растяжения, связанные с гладкомышечными элементами стенок дыхательных путей, рецепторы слизистой оболочки и бронхов и рецепторы, расположенные вблизи капилляров альвеол (юкстакапиллярные).

Первые наделены, как правило, сугубо механорецепторными свойствами. Они реагируют только на растяжение легочной ткани и в соответствии с этим активируются лишь при вдохе. Рецепторы, лежащие более поверхностно, наряду с этим возбуждаются и химическими стимулами. Это так называемые ирритантные рецепторы. Их активность изменяется в связи с объемом легких реагируя на вдох и выдох, а также асфиксию, действие CO2 и раздражающих паров. Юкстакапиллярные рецепторы являются быстро адаптирующимися и мало способными к реактивации. Первоначально их обозначали как специфические рецепторы спадения.

Рецепторы почки и мочевого пузыря также подразделяются на быстро и медленно адаптирующиеся. Первые воспринимают колебания давления в мочевом пузыре. На наполнение органа и его опорожнение реагируют медленно адаптирующиеся структуры, что, вероятно, имеет значение для рефлекторной регуляции деятельности органа (см. разд. 13.14). Особый тип рецепторов описан в мочеиспускательном канале (уретре). Они способны возбуждаться исключительно током жидкости. Частота их разрядов находится в зависимости от скорости протекания мочи. Эти рецепторы локализуются в основном вблизи сфинктера мочеиспускательного канала.

В печени имеются различные популяции специфических рецепторов: волюмо-, осмо-, натрий- и калийчувствительные. Они имеют различное функциональное значение: участвуют в системной регуляции объема крови через орган и служат информационным звеном волюморегулирующего рефлекса.

Применяя дозированное воздействие на рецепторы, а также оценивая характер активности у голодных и сытых животных, удалось определить наличие и локализацию рецепторов в пищеводе, желудке, кишке, преджелудках жвачных. Большинство чувствительных окончаний пищевода относится к быстро адаптирующимся. Они активируются в момент перистальтического сокращения после глотания. В желудке этот вид рецепторов располагается в кардиальной части, на дне и в пилорической части. В тонкой кишке также имеется большое число участков, в которых удается регистрировать активность таких рецепторов. Их высокая плотность обнаружена в преджелудках жвачных животных. Рецепторные поля одиночных волокон большие, площадью до 4-5 см2. В них расположены высокочувствительные зоны, находящиеся преимущественно в центре поля. Их механическое раздражение сопровождается ответами с максимальной частотой разрядов.

Рецепторы слизистой оболочки реагируют на легкое статическое касание или длительное давление, на растяжение стенок желудка или кишки. Помимо этих в кишке обнаружена еще одна разновидность механорецепторов. Они возбуждаются только током жидкости в просвете кишки.

Последовательное удаление отдельных слоев желудочной стенки позволило установить, что спонтанно разряжающиеся рецепторы располагаются преимущественно в мышечном слое. В зависимости от пространственной ориентации - лежат ли они параллельно или поперек хода мышечных волокон - рецепторы могут работать либо как детекторы длины, либо как детекторы напряжения. Под серозной оболочкой тонкой кишки и в мышцах слизистой оболочки располагаются крайне быстро адаптирующиеся механорецепторы типа телец Фатера-Пачини. Величина рецептивного поля каждой такой единицы достигает 1 мм2.

В наиболее крупных симпатических ганглиях также находятся рецепторные окончания, способные возбуждаться в результате непосредственного действия раздражителя и косвенно - путем изменения уровня метаболизма.

Реакция рецептора на стимул составляет основу для всего последующего анализа сенсорных влияний, который выполняет нервная система. Именно от рецепторов зависят пределы чувствительности и диапазон воспринимаемых воздействий.

Чувствительные окончания по своим анатомическим и функциональным особенностям устроены так, что избирательно реагируют лишь на один определенный вид энергии. С другой стороны, стимул, каким бы он ни был по своей природе, - механическая деформация, химическое изменение, температурный сдвиг - всегда вызывает один и тот же электрический сигнал, который играет роль символа. Информация об интенсивности стимула во всех рецепторах передается частотой импульсов. Соотношение между интенсивностью стимула и частотой импульсации устанавливается в результате взаимодействия между стационарным генераторным током в дендритах чувствительной клетки и сдвигами проводимости во время потенциала действия. Немаловажно и то, что рецепторы не только воспринимают, но и усиливают воспринимаемый сигнал.

Нервные волокна, по которым висцеральная сенсорная информация передается в центры интеграции, подразделяются на группы А, Б, С. В отличие от метамерности, с которой в спинной мозг вступают соматические афференты, проводники висцеральной чувствительности имеют более сложное полисегментарное распределение, что создает условия для мультипликации их действия.

При вступлении в спинной мозг часть афферентных волокон первично связывается с сегментарными интернейронами, которые, в свою очередь, синаптически контактируют с промежуточными или эфферентными клетками того же или близлежащих сегментов. Так образуется дуга автономного рефлекса спинального уровня. Вторая часть афферентных волокон распределяется следующим образом: толстые миелинизированные волокна занимают более медиальное положение, немиелинизированные - латеральное. Восходящие ветви частично заканчиваются в сером веществе вышележащих сегментов, частично достигают дорсальной части продолговатого мозга, где и заканчиваются в ядрах дорсальных столбов. Здесь расположены вторые нейроны афферентного пути, аксоны которых формируют бульботаламический путь. Нисходящие ветви спускаются на 6-7 см и образуют синаптические контакты с ассоциативными клетками нижележащих сегментов.

5.1.6. Ассоциативное (вставочное) звено

В дуге автономного рефлекса переключение афферентных сигналов на ассоциативные и далее на эфферентные клетки может происходить в периферических образованиях - в превертебральных и в интрамуральных ганглиях, так называемых низших центрах, а также на спинальном и бульбарном уровнях.

Независимо от источника и природы (висцеральной и соматической) афферентные сигналы иногда активируют одни и те же нейронные механизмы, не имеющие существенных отличий в разных отделах ЦНС, начиная от более простого сегментарного уровня, куда стекается первичная информация, и кончая более сложным - надсегментарным. Они вовлекаются в разной степени в зависимости от интенсивности воздействия и включаются в разных соотношениях. Основой для запуска различных нейронных систем является мощность поступающего афферентного потока.

Спинальные механизмы. В спинном мозгу существует специальный интернейронный аппарат, осуществляющий первичную обработку афферентных сигналов. Этот аппарат соединен с афферентными клетками боковых рогов спинного мозга. Такая организация может, вероятно, согласовывать афферентные сигналы, поступающие одновременно от различных рецептивных зон. Интеграция сигналов не ограничивается сегментарным спинномозговым уровнем и в определенных условиях может осуществляться внутрицентральными системами и уровнями более высокого порядка.

Основные данные о сегментарных вставочных нейронах получены на грудных и поясничных сегментах. Они свидетельствуют об их четкой структурной дифференциации. Вставочные нейроны с синаптическим входом от афферентных путей внутренних органов локализуются главным образом в глубоких участках серого вещества (V пластина, по Рекседу).

Сегментарный механизм взаимодействия чувствительных клеток автономной нервной системы и преганглионарных симпатических нейронов не может быть целиком сведен к функции универсального "интегрирующего" вставочного нейрона. Такую передачу может осуществлять только соответственно организованный ансамбль клеток. Среди них находятся, например, вставочные нейроны, которые способны к суммации висцеральных и соматических влияний, что приводит в конечном счете к взаимному облегчению прохождения каждого из них. Помимо того, имеются вставочные клетки, в которых афферентные автономные и соматические влияния вызывают ответы смешанного типа (ВПСП-ТПСП), т. е. помимо деполяризационных возможно развитие и гиперполяризационных изменений. Это означает, что при определенных условиях один из ответов может подавляться, в связи с чем пресинаптической гиперполяризации отводят роль облегчающего фактора в прохождении, например, болевых сигналов, хотя такая точка зрения не является общепринятой.

Простейшие дуги автономных рефлексов спинального уровня не имеют прямых переключении с афферентных волокон на преганглионарные нейроны. Как установлено, самый короткий путь между ними включает два синапса. Для сравнения - в соматической дуге моносинаптического рефлекса растяжения существует всего одно переключение (см. разд. 1.1.9).

Следовательно, в дуге автономного рефлекса между чувствительным и постганглионарным нейронами расположено не менее трех синапсов, два из которых находятся в сером веществе спинного мозга, а один - в периферическом автономном ганглии.

Рис. 5.7 Распределение висцеральных чувствительных волокон в сегментах спинного мозга (по Черниговскому)

Слева изображены волокна, отходящие от внутренних органов, справа - сегменты спинного мозга и входящие в них волокна. I - шейный, II - грудной, III - поясничный, IV - крестцовый отделы спинного мозга: А - медиальная петля, В - лицевой нерв, В - языкоглоточный нерв, Г - блуждающий нерв, Д - диафрагмальный нерв, Е - внутренностные нервы, Ж - подчревный нерв, 3 - тазовые внутренностные нервы, И - половой нерв; 1 - язычок, 2 - нёбо, 3 - глотка, 4 - язык, 5 - трахея, 6 - легкие, 7 - сердце, 8 - диафрагма, 9 - печень, 10 - жёлчный пузырь, 11 - желудок, 12 - селезенка, 13 - поджелудочная железа, 14 - тонкая кишка, 15 - почка, 16 - яичник, 17 - матка, 18 - мочевой пузырь, 19 - мочеиспускательный канал, 20 - толстая кишка.

Одним из возможных медиаторов пресинаптического взаимодействия в спинном мозгу считают ГАМК, в то же время не подлежит сомнению и участие норадреналина (см. разд. 5.2.2) - одного из посредников нисходящих супраспинальных влияний на интернейронный аппарат спинного мозга. Вклад в осуществление висцеро-висцерального взаимодействия вносит и механизм возвратного торможения, что особенно отчетливо выражено у крестцовых парасимпатических нейронов. Вероятно, аналогичный принцип постсинаптического регулирования выражен и у преганглионарных симпатических клеток.

Результаты прямого электрофизиологического изучения ассоциативного звена спинального уровня (преганглионарных нейронов) указывают на исключительную сложность его организации и функциональной ориентации. Существование различных собственных выходных элементов, возможное присутствие в связи с этим специализированных возбуждающих интернейронов, тормозных механизмов (например, возвратного торможения) и нисходящих симпатоактивирующих путей делают вполне оправданным введение В. П. Лебедевым в обозначения этой системы специального понятия симпатический механизм спинного мозга.

Супраспинальные механизмы. Дальнейшая обработка афферентных сигналов висцеральной чувствительности, поступающих по проводящим путям спинного мозга, происходит в ретикулярных образованиях заднего мозга, коре мозжечка, вестибулярных ядрах и других структурах. Помимо того, здесь взаимодействуют сигналы, приходящие и по афферентным волокнам черепных нервов (рис. 5.7).

Взаимодействия афферентных висцеральных и соматических сигналов активируют ретикулярные нейроны, которые посылают нисходящие сигналы к спинальным соматическим и преганглионарным нейронам дуги автономного рефлекса. Эти нисходящие влияния могут носить тормозный или возбуждающий характер. У части ретикулярных нейронов висцеральная афферентная волна приводит к генерализации возбуждающих реакций. Все это указывает на существование здесь сложных процессов переработки информации, что может проявляться, например, в виде длительной неспособности к реактивации при повторных раздражениях (П. Г. Костюк).

По внутрицентральным восходящим путям висцеральные потоки достигают среднего мозга, ретикулярная формация которого является существенной инстанцией на пути к ассоциативной области коры больших полушарий (рис. 5.8.).

Рис. 5.8 Схема проведения висцеральных сигналов по лемнисковым и экстралемнисковы/м системам (по Черниговскому)

Проекции афферентных путей висцеральных нервов диффузно распределяются по всей ретикулярной формации за исключением рострального отдела (В. Н. Черниговский). Особенностью представительства является то, что в одной и той же точке регистрируются ответы не только от висцеральных, но и соматических чувствительных окончаний. Полная утеря модальной принадлежности происходит еще на подступах к ретикулярной формации, т. е. в формирующих восходящие пути системах промежуточных нейронов.

Для каждой из афферентных систем, за исключением обонятельной, в промежуточном мозгу имеется специальное переключающее первичное "реле" с высокой степенью дифференциации и плотностью представительства. На этом уровне могут осуществляться не только различные переключения на висцеральные рефлекторные системы, но и взаимодействия между различными рефлекторными сигналами. К структурам промежуточного мозга, осуществляющим эту функцию, относятся специфические и неспецифические ядра таламуса, а также гипоталамические структуры (см. разд. 3.7.3).

Висцеральные афферентные сигналы, поступающие в спинной мозг, могут достигать таламических структур по двум системам: задние столбы- медиальная петля, передний и боковой спинно-таламические пути. Согласно классическим представлениям, специфические проекционные пути включают три нейрона. Аксон первого, располагающегося в спинальном или одном из автономных ганглиев, достигает тонкого и клиновидного ядер продолговатого мозга, где переключается на второй нейрон. Аксон второго нейрона всех специфических проводящих путей оканчивается на клетках противоположной стороны вентрального заднелатерального ядра таламуса. Здесь располагается третий нейрон. Его аксон проецируется в соматосенсорные области коры головного мозга.

Зона представительства основного коллектора чувствительных путей брюшной полости - чревного нерва - располагается в латеральной части зад невентрального ядра таламуса. Несколько иначе представлен блуждающий нерв. Его ответы регистрируются в медиальной зоне того же ядра. Характерно, что в зоне представительства блуждающего нерва не удается зарегистрировать ответов чревного нерва. Вместе с тем области представительства каждого из этих нервов перекрываются проекциями соматических афферентов: внутренностного - от туловища, блуждающего - от плечевого пояса, тазовых - от задних конечностей.

В этом отношении они близки к проекциям тех же нервов в соматосенсорных областях коры головного мозга. Это означает, что в обоих проекционных ядрах таламуса происходит взаимодействие информации, поступающей по висцеральным и соматическим афферентным путям. В результате происходит утрата специфичности информации, и к корковым клеткам направляются уже интегрированные сигналы. Объединение сигналов висцеральной и соматической природы, помимо того, происходит и в самой коре мозга. Какого-либо специального места для переключения сугубо висцеральных сигналов в коре головного мозга не существует.

При взаимодействии конвергирующих окончаний висцеральных и соматических афферентов на одних и тех же нейронах сигналы, идущие по соматическим путям, блокируют доступ висцеральной информации к конвергирующей клетке. Такое положение послужило основанием считать (Р. А. Дуринян), что в релейных ядрах таламуса ограничивается поступление висцеральной информации в корковые структуры и их нейронные системы обслуживают процессы, требующие лишь непременного коркового контроля. Эти соотношения могут меняться в зависимости от ситуации. Иногда при значительном усилении висцеральной афферентации зона представительства висцерального нерва расширяется, занимаются поля перекрытия, в результате чего происходит ограничение передачи соматических импульсов. Переработка афферентной сигнализации может происходить не только в таламических ядрах, но и в заднелатеральных участках гипоталамуса (О. Г. Баклаваджян).

Кортикальное представительство. В организации проекций афферентных систем в коре больших полушарий выделяют два типа представительства:

первичное и вторичное. Первичное связано с локальным распределением в одной области коры преимущественно одного типа чувствительных связей. При этом ответы возникают при раздражении любого звена афферентной системы. Особенностью вторичного представительства является диффузное распределение проекций афферентных систем разной чувствительности. Они регистрируются за пределами первичных проекционных областей (В. Н. Черниговский).

Чувствительные импульсы, идущие от органов брюшной полости по внутренностным нервам, проецируются в определенные области коры, проявляясь контра- и ипсилатерально в I и II соматосенсорных областях (рис. 5.9). Здесь также представлена и соматическая чувствительность. На этом основании считают, что объединение сигналов висцеральной и соматической природы происходит не только в таламических ядрах, но и в коре мозга. В пользу такого представления свидетельствуют и наблюдения о взаимной окклюзии ответов при раздражении соматических и висцеральных афферентов, зарегистрированные на отдельных нейронах.

Импульсы, идущие от шейной, грудной и поддиафрагмальной частей блуждающего нерва, регистрируются в глазничной извилине, между концом коронарной и ринальной извилин, между глазничной и носовой бороздами, а также в поясной извилине медиальной поверхности мозга. В орбитальной области коры имеется перекрытие зон блуждающих и внутренностных нервов, однако фокусы их максимальной активности в значительной мере разобщены.

Рассмотрение коркового представительства тазового нерва указывает на то, что он обнаруживает изолированные проекции в двух областях. Одна проекция располагается в средней части крестовидной борозды и частично заходит на медиальную поверхность полушария, другая - находится во второй соматической зоне.

Представительства функционально близких висцеральных систем находятся и в близко расположенных областях коры. Так, зоны брыжеечных, селезеночных и чревных нервов перекрываются зонами представительства блуждающего нерва, что является основой для тонкой и надежной координации процессов,

Рис. 5.9 Карта представительства афферентных систем внутренних органов в коре больших полушарий

1-6, 13-16, 19 - блуждающий нерв (1-4, 19 - шейный отдел нерва, 5-6 - брюшной отдел нерва), 7,8 - тазовый нерв, 9-10 - внутренностный нерв, 11-12 - рецепторы сердца и венечных (коронарных сосудов), 17, 18 - гортанный и языкоглоточный нервы.

осуществляемых корой. Последнее свойство подтверждается существованием множественного представительства висцеральных систем в коре мозга. И в самом деле, сердце, пищеварительный тракт - непарные органы; в случае нарушения их работа не может компенсироваться другим органом; это обязывает иметь двойное представительство в коре.

Локализация в коре проекций висцеральных органов и систем в ближайшем соседстве с соматическими и ассоциативными обеспечивает, видимо, появление необходимых висцеральных рефлекторных реакций. Сигнализация, следующая по висцеральным афферентным путям и достигающая первичных и вторичных зон представительства, вместе с соматической чувствительностью участвует в формирований механизмов целенаправленного поведения.

Несмотря на сложность многоступенчатой организации, основа механизма межнейронного взаимодействия на всех уровнях одна и та же - синаптическая конвергенция на центральных клетках сигналов различной природы (висцеральной и соматической), их оценка аппаратом суммации и на основании результатов оценки - генерация нового сигнала.

Как установлено в последние годы, различия между механизмами, включающимися на различных уровнях - спинальном, супраспинальном, корковом, - не принципиальны и заключаются в основном в количественных особенностях конвергенции.

Преганглионарные симпатические волокна, выходящие из боковых рогов серого вещества спинного мозга в составе белых соединительных ветвей (см. рис. 5.1), достигают паравертебральных симпатических ганглиев, где часть их синаптически контактирует с эфферентными нейронами. Другие волокна без синаптического переключения в этих узлах следуют далее и вступают в синаптический контакт уже в превертебральных ганглиях, таких как комплекс узлов чревного сплетения. Исключение из правил составляет часть волокон, следующих в составе внутренностного нерва к надпочечнику. Эти преганглионарные волокна проникают непосредственно в мозговой слой железы, выполняющий в данном случае роль своеобразного постганглионарного звена.

Преганглионарные нейроны получают входы от периферических висцеральных и соматических чувствительных клеток, а также по нисходящим путям от высших центров.

Преганглионарные волокна различаются по возбудимости, скорости проведения возбуждения и другим функциональным свойствам. Наиболее тонкие и низковозбудимые, как, например, симпатические дилататоры (расширители) направляются к сосудам скелетных мышц. Самый низкий порог возбуждения у волокон, идущих к мигательной перепонке и мышце зрачка.

Подходя к эффекторным клеткам, преганглионарное волокно теряет миелин и, ветвясь, образует на теле и отростках постганглионарных клеток синаптические контакты. Преганглионарных волокон значительно меньше, чем постганглионарных нейронов. Так, к верхнему шейному симпатическому ганглию у человека подходит примерно 10 тыс. Преганглионарных волокон, которые оканчиваются на миллионе постганглионарных клеток узла.

Таким образом, одно преганглионарное волокно контактирует не менее чем с сотней постганглионарных нейронов. У кошки это соотношение составляет 1 : 32. На одном и том же постганглионарном нейроне может конвергировать несколько Преганглионарных волокон. Такие широкие дивергенция и конвергенция обеспечивают высокую надежность проведения возбуждения в ганглии. В интеграции сигналов в этих низших рефлекторных центрах определенную роль играет пространственная и временная суммация постсинаптических потенциалов, поскольку одиночные импульсы, обычно поступающие по преганглионарным аксонам, не способны вызвать в постганглионарных нейронах сверхпороговые постсинаптические потенциалы.

В парасимпатических узлах такая конвергенция практически отсутствует. Каждое преганглионарное волокно контактирует только с одной-двумя постганглионарными клетками. Этим объясняется то, что парасимпатическая стимуляция завершается, как правило, менее распространенной, чем симпатическая, ответной реакцией.

Преганглионарные волокна белых ветвей большей частью спонтанно не активны. Их стимуляция сопровождается появлением характерных сдвигов мембранных потенциалов и возникновением ПД. Вместе с тем Преганглионарные нейроны, принимающие участие в вазомоторной регуляции и возбуждающиеся сигналами нисходящих симпатоактивирующих путей, являются спонтанно активными. Сумма разрядов нескольких волокон выявляет наличие ритмов, присущих целым нервным стволам бодрствующих животных - ритму пульсовых толчков и дыхательных движений. Эта активность отражает тонические влияния, например, вазомоторного центра. Тоническая и вызванная рефлекторная активность опосредуется, по-видимому, различными клетками.

Взаимодействуя с метасимпатической нервной системой, Преганглионарные парасимпатические и постганглионарные симпатические волокна (см. рис. 5.1 и 5.4) модулируют активность исполнительного висцерального органа. При этом допускается, что парасимпатические волокна способны возбуждать не только эфферентные нейроны метасимпатической нервной системы, активирующие, например, моторную деятельность кишки, но и тормозные клетки. Симпатические же влияния наряду со слабо выраженным прямым действием на гладкие мышцы органа вызывают возникновение тормозных процессов в холинергических нейронах местных метасимпатических сетей, а также подавляют выход медиатора из преганглионарных парасимпатических волокон. Следовательно, модулируя приток импульсов по парасимпатическим путям, симпатическая нервная система тем самым оказывает регулирующее влияние на моторную активность таких органов, как кишка и мочевой пузырь.

5.1.7. Эфферентное звено

Эфферентное звено дуги автономного рефлекса представляет собой нервную клетку, мигрировавшую из спинного мозга в один из периферийных ганглиев (рис. 5.10). По длине аксонов эти клетки разделяют на короткие и длинные, по характеру ветвления терминалей - на густо и равномерно сетевые. Постганглионарные волокна иннервируют большинство органов и тканей. Преобладающей формой межнейронных связей, посредством которых осуществляются контакты между преганглионарным волокном и эффекторным нейроном, являются так называемые перицеллюлярные аппараты.

Потенциал покоя эффекторного нейрона дуги автономного рефлекса незначительно отличается от потенциала покоя соматического мотонейрона. Одиночная или кратковременная стимуляция преганглионарных волокон изолированного ганглия сопровождается сложной последовательностью медленных потенциалов: локальный отрицательный потенциал - 0-волна, переходящий в положительную П-волну, которая сменяется поздней отрицательной ПО-волной. О- и ПО-волны являются результатом возбуждения преганглионарных волокон, контактирующих с ганглионарной клеткой, 0-волна представляет ВПСП, возникающий в холинергических синапсах, ПО - поздний ВПСП.

Рис. 5.10 Основные связи автономной нервной системы (по Семенову с изменениями) О - висцеральный орган; справа внизу изображен функциональный модуль метасимпатической нервной системы, локализующийся в интрамуральных ганглиях стенок полых висцеральных органов; I - автономный (околопозвоночный или предпозвоночный) узел; II - сегмент спинного мозга или ствола мозга; III - надсегментарные центры продолговатого мозга; IV - промежуточный мозг; V - ядра основания мозга; VI - кора больших полушарий головного мозга; A1 и A2 - рецепторы внутренних органов; A3- рецептор автономного нервного узла; Б1 - экстероцептор; Б2-Б4 - проводящие пути сенсорных систем; B1 - чувствительный нейрон автономного нервного узла; B2 - чувствительные нейроны спинномозговых и черепно-мозговых узлов; Г1-Г4 - ассоциативные ядра разных отделов мозга; Г5 - клетки афферентных зон коры головного мозга; Г6 - ассоциативные клетки; Д1- пирамидные клетки коры головного мозга; Д2 - ядра основания. Д3 - ядра гипоталамуса; Д4 - клетки ретикулярной формации продолговатого мозга; Д5 - ядра автономной нервной системы в стволе мозга и сегментах спинного мозга; Е - эфферентный нейрон дуги автономного рефлекса; Ж - эфферентные клетки стенки висцерального органа. Стрелками обозначено распространение возбуждения.

Появление П-волны связывают с возбуждением преганглионарных волокон, оканчивающихся на хромаффинных клетках ганглия. Функциональное значение длительных синаптических процессов в ганглии остается неясным.

Возникновение медленных деполяризующих и гиперполяризующих постсинаптических потенциалов зависит в основном от мускариноподобного действия ацетилхолина. Однако гиперполяризация опосредована вставочными адренергическими клетками симпатических ганглиев, участвуя таким образом в регуляции возбудимости постганглионарных клеток. Все это служит еще .одним из свидетельств в пользу того, что ганглии автономной нервной системы являются низшими интегративными центрами.

Эфферентный нейрон может иметь несколько входов. Он обладает рядом морфологических и функциональных свойств, которые позволяют интегрировать входные сигналы и образовывать модифицированный выходной сигнал. Основной вход -возбуждающий, холинергический - представлен преганглионарными волокнами. Следующий вход сугубо периферического происхождения.

Клеточные тела этих чувствительных нейронов могут располагаться либо в самом ганглии, в непосредственной близости от эфферентного нейрона, либо в ганглиях стенок внутренних органов, т. е. имеют метасимпатическую природу. Благодаря этим местным рефлекторным дугам в эфферентном нейроне поддерживается необходимый уровень спонтанной активности и сохранение рефлекторной деятельности при децентрализации узла. Величина синаптической задержки - время между возбуждением пресинаптической терминали и образованием ВПСП в одиночном нейроне - составляет 1,5-2 мс, длительность ВПСП 20-50 мс, пороговая амплитуда ВПСП для разряда 8-25 мВ, длительность разряда 1,5-3 мс.

Часть эфферентных нейронов спонтанно активна. В некоторых из них ритм и паттерн разряда совпадают с показателями активности преганглионарных

Рис. 5.11 Симпатическая нейрональная активность в момент перистальтического сокращения (А. Б) и расслабления (В) участка ободочной кишки

на А, Б фазы: а - расслабления, б - сокращения, в - спада; на В фазы: а - спада, б - расслабления, в - сокращения; 1 - нейрограмма, 2 - энтерограмма, 3 - пневмограмма, 4 - ЭКГ.

волокон или отражают приток по висцеральным волокнам местных рефлекторных дуг. В большинстве отмечается хорошая корреляция "входов" и "выходов". Фоновая активность эфферентных нейронов низкочастотна, разряды клеток могут появляться в момент сердечного толчка, фазы вдоха или (как, например, у брыжеечного ганглия) еще и синхронно с перистальтическими движениями кишки. При этом выделяют две группы клеток: одни разряжаются в момент сокращения, другие - в момент расслабления кишечной петли (рис. 5.11).

В иннервируемую гладкую мышцу постганглионарные адренергические волокна вступают в виде пучков, включающих до 100 аксонов. Каждый аксон составляет около нескольких сотен микроэлементов и оканчивается россыпью то утолщающихся, то утончающихся веточек, образуя варикозные расширения.

5.2. СИНАПТИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА

В автономной нервной системе существует три вида синоптической передачи: электрическая, химическая и смешанная.

Электрические синапсы располагаются преимущественно там, где необходима быстрая передача возбуждения (например, ресничный ганглий птиц). В них не бывает синаптической задержки и электрический сигнал проходит большей частью в обоих направлениях. От химического синапса электрический отличается симметричностью и тесным контактом мембран. В местах контакта суженная синаптическая щель перекрыта тонкими канальцами, которые создают возможность быстрого перемещения ионов между клетками. В пре- и постсинаптических образованиях часто встречаются синаптические пузырьки, которые могут находиться одновременно в обеих структурах. Полагают, что они переносят помимо медиаторов, и трофические вещества.

Существуют также смешанные синапсы (например, чашечкообразные окончания в ресничном ганглии цыпленка), в которых электрический контакт занимает только часть площади синапса, остальное же по морфологическим показателям и функциональным свойствам представляет собой типичный химический синапс.

Синапсы с химической передачей характеризуются рядом морфологических особенностей. Эти особенности и механизмы химической передачи в автономной нервной системе принципиально те же, что и в нервно-мышечной концевой пластинке (см. разд. 1.1.7). Однако в автономной нервной системе пре- и постсинаптические образования значительно разнообразнее. Это нейроны, гладкомышечные, железистые и миокардиальные клетки. Широко варьирует также плотность автономной иннервации разных гладкомышечных органов.

На органах с обильной иннервацией находятся прямые нервно-мышечные соединения, в которых расстояние между расширением аксона и мембраной гладкомышечной клетки составляет около 20 нм. К числу таких органов относятся семявыносящий проток и ресничная мышца. Здесь гладкомышечные клетки полностью подчиняются нервному контролю, и катехоламины крови на них не оказывают действия. У большинства же кровеносных сосудов адренергическая иннервация захватывает только адвентициальную оболочку и частично прилежащие узкие участки средней оболочки.

Следовательно, расстояние между расширением аксона и гладкомышечными волокнами составляет более 80 нм. В результате такой организации на гладкую мышцу сосудов значительное влияние оказывают катехоламины крови, легко диффундирующие к ней через интиму. При этом следует отметить, что общая длина конечных ветвей адренергического нейрона достигает 30 см, число расширений составляет 250-300 на 1 мм.

Закономерности функционирования синоптических аппаратов с химической передачей возбуждения были сформулированы относительно давно. Первый принцип заключался в том, что нейрон со всеми отростками выделяет один и тот же медиатор (принцип Дейла). Согласно второму принципу, действие каждого медиатора на нейрон или эффектор определяется природой рецепторов постсинаптической мембраны.

Согласно принципу Дейла, каждый нейрон для передачи своей специфической информации использует только один медиатор. Однако, как оказалось позже, наряду с основным в этом нейроне могут присутствовать также другие передатчики и вещества, участвующие в их синтезе (см. разд. 1.1.7).

Сейчас в автономной нервной системе насчитывается более десятка типов нервных клеток, которые продуцируют разные медиаторы - ацетилхолин, норадреналин, серотонин и другие биогенные амины, АТФ и аминокислоты. В связи с этим их называют холинергическими, адренергическими, серотонинергическими, пуринергическими и т. п. нейронами. Столько же типов существует гипоталамических нейронов, продуцирующих нейрогормоны. Согласно Д. А. Сахарову, главной причиной разнообразия медиаторных механизмов является множественность происхождения (полигенез) самих нейронов.

5.2.1. Ацетилхолин

Ацетилхолин - это вещество, которое в полной мере отвечает требованиям, позволяющим считать его химическим посредником передачи возбуждения:

локализация ацетилхолина и участвующего в его синтезе фермента в пресинаптической терминали и соответствующей нервной клетке, его высвобождение при возбуждении; выделение при стимуляции нервных окончаний; наличие в постсинаптической мембране высокочувствительных химических структур (рецепторов), а также ферментативных систем для инактивации вещества; одинаковое со стимуляцией пресинаптических структур действие некоторых фармакологических веществ, искусственной аппликации или подведения медиатора к ганглионарной клетке посредством ионофореза.

Присутствие ацетилхолина как медиатора было прежде всего установлено в сердце лягушки, затем в сердце млекопитающих и позже во многих периферических и центральных структурах. Сейчас считают, что ацетилхолин высвобождается в окончаниях всех преганглионарных (и симпатических, и

Рис. 5.12 Основные трансмиттеры в химической передаче возбуждения в периферической нервной системе млекопитающих

АХ - ацетилхолин, АД - адреналин, НА - норадреналин; AX1 блокируется ядом кураре, АХ2 блокируется ганглиоблокаторами (например, гексонием), AX3 блокируется атропином.

парасимпатических) нейронов и большинства постганглионарных парасимпатических нейронов. Кроме того, часть постганглионарных симпатических нейронов, идущих к потовым железам, и, по-видимому, симпатические нейроны, вызывающие расширение сосудов скелетных мышц, также осуществляют передачу с помощью ацетилхолина (рис. 5.12).

Само действие ацетилхолина может быть воспроизведено с помощью фармакологических препаратов. Так, никотин вызывает подобный ацетилхолину эффект при действии на постсинаптическую мембрану постганглионарного нейрона, сложные эфиры холина, пилокарпин и токсин мухомора мускарин - на мембрану эффекторного органа. Такое различие в вызываемых реакциях послужило основанием к выделению двух типов холинорецепторов: никотинового (Н-холинорецептор) и мускаринового (М-холинорецептор).

Фармакологические препараты, которые оказывают на Эффекторный орган действие, аналогичное постганглионарному парасимпатическому нейрону, получили название парасимпатомиметиков. Существуют также вещества, избирательно блокирующие функцию каждого из холинорецепторов, названные ганглиоблокаторами (ганглиолитиками).

Н-холинорецептор блокируется аммониевыми соединениями. М-холинорецептор выключается атропином и скополамином. Ганглиоблокаторы, выключающие или ослабляющие действие ацетилхолина на исполнительный орган, называются парасимпатолитиками. Примером последних может служить атропин.

Помимо препаратов, действующих прямо или косвенно на холинорецепторные структуры, большое распространение получили вещества, оказывающие влияние на процессы синтеза и высвобождения ацетилхолина. Это прежде всего гемихолиний и ботулиновый токсин. Первый нарушает транспорт холина и тормозит синтез медиатора, второй - блокирует высвобождение ацетилхолина.

Ацетилхолин кроме медиаторной роли обладает и общебиологическим действием. Наиболее чувствительна к нему сердечно-сосудистая система. Он также усиливает легочную вентиляцию, сокращает бронхиальную мускулатуру и понижает бронхиальную секрецию, вызывает усиленную желудочно-кишечную перистальтику, активируя одновременно секрецию желудочных, кишечных и поджелудочных желез. Из-за кратковременного эффекта сам ацетилхолин применяют редко, чаще используют метахолин и карбамилхолин. Их действие более продолжительно и более сильно.

5.2.2. Норадреналин и адреналин

После того как О. Лёви (1921) доказал, что в результате раздражения симпатического нерва сердца в нем высвобождается ускоряющее сердечную деятельность вещество, началось изучение химической структуры и распределения этого вещества. Итогом поисков явилось предположение о существовании двух типов симпатинов: возбуждающего и тормозящего. Позже было установлено, что это норадреналин и адреналин.

Норадреналин отличается от адреналина отсутствием метилового радикала в боковой цепи (см. рис. 1.41). Отсюда возникло и его название - аббревиатура немецкого Nitrogen ohne Radical - NOR. Норадреналин является медиатором в постганглионарных симпатических окончаниях сосудов сердца, печени, селезенки. Его содержание достигает почти 10% от общего количества катехоламинов в областях симпатической иннервации. Особенно богаты им органы, содержащие хромаффинную ткань. В мозговом слое надпочечников, клетки которого гомологичны постганглионарному симпатическому нейрону, содержание норадреналина составляет около 20%, остальное приходится на долю адреналина. Наряду с тем и другим в тканях содержится еще третий естественный катехоламин - дофамин. Соотношения между адреналином, норадреналином и дофамином варьируют в зависимости от вида и возраста животного.

Вещества, воспроизводящие эффекты раздражения постганглионарных симпатических нейронов, получили название симпатомиметических веществ; напротив, вещества, предотвращающие это действие, - симпатолитических.

Попадая на постсинаптическую мембрану, норадреналин взаимодействует с ее специфическими химическими компонентами - адренорецепторами. С адренорецептором может взаимодействовать не только медиатор, но и аналогичные фармакологические средства, называемые адреномиметическими, а также средства типа дигидроэрготомина, дигидроэрготоксина, пропранолола, блокирующие адренорецепторы.

В соответствии с чувствительностью к различным катехоламинам (обычно к адреналину, норадреналину, изопротеренолу) адренорецепторы делят на ?-адренорецепторы и ?-адренорецепторы. Действие вещества считается ?-адренергическим, если при его воспроизведении эффективность убывает в последовательности норадреналин-адреналин-изопротеренол, а также избирательно блокируется (?-адреноблокаторами. Если же воспроизведение действия будет происходить в обратной последовательности: изопротеренол-адреналин-норадреналин - и этот эффект предотвращается специфическими блокаторами, то в этом случае имеет место ?-адренергический эффект.

В большинстве висцеральных органов, реагирующих на катехоламины, находятся оба вида адренорецепторов и результаты их возбуждения бывают, как правило, противоположными. Например, в гладкой мышце артерий скелетных мышц содержатся ?- и (?-адренорецепторы. Возбуждение ?-адренорецепторов приводит к сужению артериол, а возбуждение ?-адренорецепторов - к их расширению. В кишке также имеются оба вида адренорецепторов (см. разд. 11.1.3), однако воздействие на те и другие вызывает торможение активности гладкой мышцы. В обычных жизненных условиях реакция органа на адреналин и норадреналин, выделяющиеся нервными окончаниями или приносимые кровью, зависит от преобладания ?- или (?-адренергического действия (табл. 5.1).

В других висцеральных органах находится только один вид адренорецепторов. В сердце и бронхах нет ?-адренорецепторов, и здесь норадреналин

Та б л и ц а 5.1

Показатели изменения функций различных органов при стимуляции симпатических и парасимпатических нервов

Орган или система

Симпатические нервы и адренорецепторы

Парасимпатические нервы

Пищеварительный тракт:

продольные и циркулярные мышцы

ослабление моторики

?,?

усиление моторики

сфинктеры

сокращение

?

расслабление

Мочевой пузырь:

мышца, выталкивающая мочу

расслабление

?

сокращение

внутренний сфинктер

сокращение

?

-

Бронхиальные мышцы

расслабление

?

сокращение

Внутриглазные гладкие мышцы:

дилататор зрачка

сокращение

?

-

сфинктер зрачка

-

-

сокращение

ресничная мышца

расслабление

?

-"-

Пиломоторные мышцы.

сокращение

?

-

Половые органы:

семенные пузырьки

сокращение

?

-

семявыносящий проток

-"-

-"-

-

матка в зависимости от вида

-"-

-"-

матка в зависимости от гормонального фона

расслабление

?

-

Сердце:

ритм

ускорение

?

замедление

сила сокращения

увеличение

-"-

ослабление

Кровеносные сосуды:

артерии кожи

сужение

-

-

артерии брюшной полости

-"-

-

-

артерии скелетных мышц

-"-

-

-

артерии венечные (коронарные)

сужение, расширение

?

-

сосуды мозга

сужение

-"-

расширение (?)

артерии половых органов

--"-

-"-

расширение

вены

-"-

-"-

-

Экзокринные железы:

слюнные

секреция

?

секреция

слёзные

-

-"-

пищеварительные

снижение секреции

-"-

-"-

потовые

секреция холинергическая

Метаболизм:

печень

гликогенолиз, глюконеогенез

жировые клетки

липолиз

?

-

секреция инсулина

снижение

?

-

и адреналин возбуждают только ?-адренорецепторы, что ведет к усилению сердечных сокращений и расширению бронхов. Учитывая, что норадреналин вызывает наиболее сильное возбуждение ?-адренорецепторов миокарда и менее значительную реакцию (?-адренорецепторов гладких мышц бронхов, трахеи, сосудов, первые называют адренорецепторами ?1, вторые - адренорецепторами ?2.

Норадреналин, как и ацетилхолин, способен не только вызывать эффект на постсинаптической мембране, но и одновременно оказывать влияние на сам процесс выделения медиатора из пресинаптических терминалей. Это достигается благодаря наличию в пресинаптических окончаниях тех же, что и в постсинаптической мембране, адренорецепторов.

При взаимодействий норадреналина с пресинаптическим ?-адренорецептором выделение медиатора снижается. Напротив, соединение норадреналина с пресинаптическим ?-рецептором влечет за собой усиление выделения медиатора. Вероятно, в обычных условиях такой механизм работает по принципу обратной связи. Однако при сильном возбуждении симпатического нейрона происходит чрезмерное повышение концентрации медиатора в синаптической щели. В этом случае он взаимодействует с пресинаптическими а-адренорецепторами, результатом чего является торможение выделения норадреналина (отрицательная обратная связь). При слабом возбуждении преганглионарного нейрона выброс норадреналина понижен и его концентрация в синаптической щели невелика. Это влечет за собой возбуждение ?-адренорецепторов и, как следствие, повышение секреции медиатора (положительная обратная связь).

Саморегуляция выделения медиатора касается не только уровня его содержания в синаптической щели. В мышцах сосудов, бронхов, сердца известно также реципрокное торможение выделения медиаторов из адренергических и холинергических окончаний. Так, при одновременном возбуждении сердечных симпатических и парасимпатических волокон наблюдается снижение выделения ацетилхолина. Это происходит в результате возбуждения ?-адренорецепторов пресинаптической мембраны холинергических окончаний.

Наряду с этим возбуждение сердечного холинергического нейрона вызывает, в свою очередь, в постганглионарном симпатическом нейроне уменьшение выделения норадреналина. Эффект опосредуется мускариновыми холинорецепторами пресинаптического адренергического окончания. Эти наблюдения над тормозными отношениями пресинаптических адренергических и холинергических окончаний указывают на то, что взаимодействие между симпатической и парасимпатической нервной системой осуществляется уже на уровне пресинаптических терминалей.

Норадреналин и адреналин в своем действии на мембрану гладкомышечных клеток активируют находящуюся в ней аденилатциклазу. Аденилатциклаза, в свою очередь, при наличии ионов магния катализирует образование цАМФ (циклического 3', 5'-аденозинмонофосфата) из АТФ. Последний активирует энергетический обмен, усиливая тем самым сердечную деятельность.

Вводимый извне норадреналин вызывает повышение систолического и диастолического давления без ускорения сердечного ритма, повышает силу сердечных сокращений. Вследствие сужения почечных сосудов норадреналин вызывает торможение диуреза и задержку натрия (см. разд. 12.9). Под влиянием норадреналина снижается секреция желудка и кишки, расслабляется гладкая мускулатура кишки, в то время как слюноотделение усиливается.

Адреналин характеризуется более разнообразным диапазоном симпатического действия, чем норадреналин. Благодаря одновременной стимуляции инотропной, хронотропной и дромотропной функций (см. разд. 8.4.4) он повышает сердечный дебит. Действуя непосредственно на бронхиальную мускулатуру, адреналин оказывает бронхорасширяющее и антиспазматическое действие, рефлекторно снижает частоту и амплитуду дыхания. Адреналин выступает и как антидиуретик, снижая выделение с мочой ионов К+ и Na+ Он тормозит желудочно-кишечную моторику, расслабляет стенки органов, но сокращает области сфинктеров мочеполовой и кишечной систем, тормозит пищеварительную секрецию. Адреналин повышает сократимость скелетных мышц, что особенно отчетливо проявляется на фоне их утомления, т. е. оказывает действие, аналогичное известному феномену Орбели-Гинецинского.

5.2.3. Трансдукторы

Для выполнения своих функций и поддержания гомеостаза автономная нервная система наряду с обычными нейронами содержит особые клетки, прием информации в которых осуществляется обычным путем, а ответы -эндокринным способом. Такие клетки называются трансдукторами (от лат. transductio - перенос, перемещение).

К трансдукторам относят: 1) хромаффинные клетки мозгового слоя надпочечников, которые отвечают на холинергический передатчик преганглионарного симпатического волокна выделением адреналина и норадреналина; 2) юкстагломерулярные клетки почки, которые отвечают на адренергический передатчик постганглионарного симпатического волокна выделением в кровяное русло ренина; 3) нейроны супраоптического и паравентрикулярного ядер гипоталамуса, реагирующие на адренергический, холинергический и другие передатчики выделением вазопрессина и окситоцина; 4) нейроны ядер гипоталамуса, выделяющие в сосудистую систему факторы регуляции.

Трансдукторы содержат в соме и аксоне хорошо идентифицируемые гистологически нейросекреторные тельца, которые транспортируются по направлению от тела клетки. Аксоны этих клеток не образуют синаптических контактов с другими нейронами или эффекторными органами. Они свободно заканчиваются вокруг сосудов, с которыми образуют так называемые гемальные органы.

Мозговое вещество надпочечников. Центральную часть надпочечников составляет мозговое вещество, образованное из адреналовой ткани. Клетки этого вещества содержат включения, окрашивающиеся в желто-коричневый цвет двухромовокислым калием, что послужило поводом назвать их хромаффинными клетками. Эти клетки расположены не только в мозговом слое надпочечников. В виде скоплений они встречаются на поверхности аорты, в области каротидного синуса, среди клеток симпатических ганглиев. В процессе эмбриогенеза хромаффинные клетки образуются из тех же эктодермальных клеток, что и симпатическая нервная система, и являются, по существу, гомологами постганглионарного симпатического нейрона.

На хромаффинных клетках синаптически оканчиваются преганглионарные симпатические нейроны, образующие возбуждающие холинергические синапсы. При активации преганглионарных волокон в кровь выделяется смесь, содержащая около 80% адреналина и 20% норадреналина. Напротив, перерезка этих волокон прекращает секрецию катехоламинов. Нервные центры, ответственные за секреторный процесс мозгового слоя надпочечников, располагаются в гипоталамической области (см. разд. 6.2).

Рис. 5.13 Показатели изменения функций различных органов под влиянием катехоламинов мозгового слоя надпочечников

Точки приложения для продуцируемых надпочечниками катехоламинов (рис. 5.13) те же, что и у симпатической нервной системы, однако их выраженное действие проявляется главным образом в областях с редкой адренергической иннервацией, таких как гладкомышечная стенка артериол, и незначительно в областях с обильной иннервацией (семявыносящий проток). В настоящее время катехоламинам мозгового слоя надпочечников отводят роль метаболических гормонов, действие которых опосредуется в основном ?-адренорецепторами.

Экстремальные ситуации типа гипотермии, гипоксии, чрезмерного физического напряжения, а также эмоционального состояния приводят к повышенному освобождению катехоламинов. Их уровень, например, при эмоциональном стрессе может временно возрастать более чем в 10 раз по сравнению с Уровнем покоя. Разумеется, при таком стрессорном состоянии в реакцию вовлекается не только мозговое вещество надпочечников, но прежде всего сама симпатическая нервная система и регулирующие ее деятельность высшие центры, включая гипоталамус, лимбическую систему, кору больших полушарий следовательно, в этой ситуации правильнее судить о реакции в целом всей симпатоадреналовой системы.

В таких случаях в результате прямого влияния симпатической нервной системы, а также выделения катехоламинов мозговым слоем надпочечников создающим более продолжительное действие, происходит увеличение транспорта кислорода и окисляемых веществ к жизненно важным органам - мозгу сердцу. Взаимодействие катехоламинов с ?-адренорецепторами ведет к повышению содержания в крови глюкозы, лактата, жирных кислот. Взаимодействие с ?- и ?-адренорецепторами приводит к расширению артерий скелетных мышц и сердца, расширению бронхов, обширному сужению вен, артерий кожи и внутренних органов (см. табл. 5.1).

5.2.4. Серотонин

В 1937 г. из энтерохромаффинных клеток кишки и несколько позже из бычьей сыворотки был выделен энтерамин - вещество, способное вызывать сокращение гладкой мускулатуры изолированных органов. В химическом отношении он представляет производное индола - 5-гидрокситриптамин. Название серотонин дано очищенному препарату.

Серотонин обнаруживают в тканях практически всех видов животных, а также во многих растениях (в том числе сливах, бананах, баклажанах). Общее количество серотонина в организме млекопитающих достигает 10 мг. Из них почти 90% образуется в энтерохромаффинных клетках слизистой оболочки пищеварительного тракта и откладывается в гранулы цитоплазмы. Во время пищеварения часть вещества высвобождается в просвет кишечника. Определенное количество его попадает в портальную систему (см. разд. 11.4.2).

В мозгу серотонин содержится главным образом в структурах, имеющих отношение к регуляции висцеральных органов. Особенно много его в лимбической системе, ядрах шва. Мозговой серотонин, по-видимому, центрального происхождения. Он почти не проникает через гематоэнцефалический барьер (см. разд. 3.27). Именно в нейронах богатых серотонином областей обнаружены и ферменты, участвующие в его синтезе. Аксоны этих нейронов проходят в бульбоспинальных путях и оканчиваются в сегментах спинного мозга. Здесь они контактируют с клетками преганглионарных симпатических нейронов и со вставочными нейронами студенистого вещества.

Высокая биологическая активность серотонина определяет, вероятно, его незначительное содержание в тканях. Оно не является даже приблизительно постоянным и зависит от вида, пола, возраста и типа питания. Медиаторную функцию серотонина считают доказанной не только у низших позвоночных, но и у млекопитающих.

На сосудистый аппарат серотонин оказывает прямое и рефлекторное действие, что выражается в виде вазоконстрикции или вазодилатации. Вазоконстрикция более отчетливо проявляется на денервированных сосудах. В скелетных мышцах и кожных покровах преобладает сосудорасширяющее действие, повышается капиллярная проницаемость. При прямом действии серотонина возрастает сила сердечных сокращений, хотя этот эффект маскируется баро- и хеморецепторными влияниями.

На дыхательный аппарат вещество также оказывает прямое и рефлекторное действие. При прямом происходит сокращение бронхиальной мускулатуры, сужение бронхов; при рефлекторном (в результате стимуляции рефлексогенных зон и афферентных путей) - изменение частоты дыхания и легочной вентиляции.

Неэффективные для сердечно-сосудистой системы количества препарата отчетливо влияют на мускулатуру пищеварительного тракта. Особенно чувствителен к серотонину человек: введение серотонина вызывает у него начальную спастическую реакцию, переходящую в ритмические сокращения с повышенным тонусом кишечной мускулатуры и завершающуюся торможением спонтанной моторной деятельности. Являясь медиатором метасимпатической нервной системы, серотонин выполняет также медиаторную функцию в центральных образованиях.

Фармакологически установлено существование трех типов серотонинергических рецепторов: D, М, Т. D-серотонинергические рецепторы блокируются диэтиламидом лизергиновой кислоты. Они локализуются в основном в гладкой мышце. Взаимодействие серотонина с этими рецепторами сопровождается сокращением гладких мышц. М-серотонинергические рецепторы блокируются морфином. Они расположены в основном в ганглиях автономной нервной системы. Влияя на эти рецепторы, серотонин вызывает ганглиостимулирующий эффект. Т-серотонинергические рецепторы блокируются типиндолом. Они обнаружены в сердечной и легочной рефлексогенных зонах. Действуя на них, серотонин вызывает коронарный и легочный хеморефлексы.

Как и для других биологически активных веществ и медиаторов, в автономной нервной системе обнаружено существование пресинаптических серотонинергических рецепторов. Оказалось, что постсинаптические и пресинаптические виды рецепторов, существование которых первоначально установлено в автономной нервной системе, имеются также и в ЦНС на соответствующих мембранах.

5.2.5. Аденозинтрифосфат (АТФ)

Роль АТФ в энергетическом обмене хорошо известна. Однако, кроме того, он является синоптическим передатчиком, широко представленным в различных органах и особенно в эффекторных нейронах метасимпатической нервной системы, где локализуется в пресинаптических терминалях. В связи с тем что при стимуляции этих терминалей выделяются пуриновые продукты распада - аденозин и инозин, эта передача получила название пуринергической.

Считают, что на ранних этапах эволюции АТФ был единственным и общим для всех организмов медиатором. Впоследствии, с усложнением клеточной организации, стали появляться ферментативные системы, синтезирующие новые биологически активные соединения. Последние стали выполнять более узкие медиаторные функции, однако АТФ их также сохранил.

Преобладающим действием АТФ на гладкой мышце является релаксация (от лат. relaxatio - ослабление напряжения), хотя иногда имеет место и возбуждающее действие. Оно может быть прямое и непрямое. Прямое действие способны подавлять некоторые препараты типа хинидина.

Исследования пуринергической передачи на лентах ободочной кишки, мышцах желудка, тонкой и толстой кишки, пищевода, сфинктеров показали, что раздражение пуринергического волокна сопровождается возникновением ТПСП. Ни адреноблокаторы, ни десимпатизация не оказывают на этот ТПСП никакого влияния, однако он полностью блокируется посредством тетродотоксина.

Пуринергические нейроны являются, по-видимому, главной антагонистической тормозной системой по отношению к холинергической возбуждающей системе, например, в механизме кишечной пропульсии (от лат. propello, propulsum - толкать вперед). Они участвуют в "нисходящем" торможении. Сокращения кишки, следующие за возникающим в результате активации пуринергических структур расслаблением, обеспечивают соответствующий механизм для прохождения пищевого комка (болюса) по кишке. Пуринергические нейроны участвуют также в механизме рецептивной релаксации желудка, расслаблении пищевого и анального сфинктеров.

Реакции гладкомышечных органов на АТФ опосредованы его взаимодействием с пуринорецепторами клеточных мембран. На основании фармакологических критериев выделено два их типа. Пуринорецепторы первого типа более чувствительны к продукту распада АТФ - аденозину, второго - к самому АТФ. Возможно, что роль рецептора пуринергической передачи выполняет аденилатциклаза.

5.2.6. Вероятные кандидаты в медиаторы

В числе возможных кандидатов в медиаторы рассматривали большое количество биологически активных веществ: глицин, ГАМК, субстанция Р, гистамин.

Распределение глицина в спинном мозгу соответствует расположению тормозных интернейронов. Ионофоретическое воздействие глицина на крестцовые парасимпатические нейроны оказывает мощное угнетающее действие. Глициновая депрессия обратимо блокируется стрихнином.

Тормозные эффекты на передачу возбуждения в синапсах автономной нервной системы оказывает ГАМК. Считают, что она может принимать участие в возникновении пресинаптического торможения.

Субстанцией Р наиболее богаты стенки кишки, гипоталамическая область, особенно дорсальные корешки спинного мозга. Последнее послужило одним из оснований к предположению, что она может явиться медиатором чувствительных нервных клеток в области их переключения на вставочные нейроны.

Во многих тканях организма присутствует гистамин. Наибольшие его концентрации определяют в желудочно-кишечном тракте, легких, кожных покровах. В нервной системе богатыми гистамином областями являются постганглионарные симпатические волокна, концентрация гистамина в которых достигает 100 мкг/г. В свободном состоянии гистамин чрезвычайно активен и может вызывать разнообразные эффекты - снижение кровяного давления, замедление сердечных сокращений, стимуляцию симпатических центров.

Классическим действием гистамина является повышение капиллярной проницаемости; кроме того, он вызывает сокращение гладкой мускулатуры. На основании ответных реакций различных органов и тканей на действие гистамина введено понятие об H1 и Н2-гистаминорецепторах.

5.2.7. Активные факторы

Наряду с основной медиацией, благодаря которой осуществляется передача влияний на эффекторы дуги автономного рефлекса, существует большое число биологически активных веществ, получивших название активных факторов, или местных гормонов. Это простагландины, плазмакинины и др.; они оказывают значительное влияние на тонус и действие автономной нервной системы.

Название простагландины (от лат. prostata - предстательная железа и glandula - железа) связано с предстательными железами. Впервые простагландины были открыты в семенной жидкости млекопитающих. В настоящее время различают большое число их разновидностей, разделяемых на Е-, G-, А; В-группы. Простагландины содержатся во всех тканях и органах, но наиболее богата ими семенная жидкость. Основным местом их локализации в клетках является жировой слой мембраны.

В структурах автономной нервной системы, особенно в блуждающем нерве, содержится измеряемое количество простагландинов. Они могут выделяться спонтанно или под влиянием стимуляции. Большинство простагландинов оказывает возбуждающее действие на гладкую мышцу (группа Е), угнетает желудочную секрецию (группы Е, А), расслабляет бронхиальную мускулатуру (группа Е). На сердечно-сосудистую систему простагландины оказывают разнонаправленное действие, зависящее от вида животных: группы Е и А вызывают отчетливую вазодилатацию и гипотензию, группа G таким действием не обладает, вызывая вазоконстрикцию и сильную гипертензию. Простагландины наделены отчетливым действием на почки и изменяют почечную фильтрацию (А, Е). Им также отводят существенную роль в регуляции артериального давления, которую они осуществляют совместно с ренин-ангиотензиновой системой (см. разд. 6.4.2).

На основании вызываемых простагландинами эффектов сформулировано представление о существовании простагландиновых рецепторов. Попытки наделить простагландины медиаторной функцией не нашли экспериментального подтверждения. Более вероятной кажется их роль в координации нейрогуморальной передачи, в механизмах выделения и действия медиаторов.

Плазмакинины являются полипептидами, образующимися из плазматических глобулинов. Эти вещества содержатся в тканях различных органов. Наиболее известны три биологически активных плазмакинина: брадикинин, калидин и метионилкалидин. Их вазодилататорный эффект почти в 10 раз превосходит действие гистамина и в равной мере распространяется на сосуды скелетных мышц и внутренних органов, в том числе на коронарные сосуды.

Даже в незначительных концентрациях плазмакинины вызывают сокращение подвздошной кишки, матки, стимулируют кишечную моторику, повышают тонус бронхиальной мускулатуры, увеличивают секрецию пищеварительных желез. Посредством увеличения почечного кровотока и выделения ионов Na+, K+, а также воды они вызывают прямой диуретический эффект.

К числу активных факторов относится и ренин-ангиотензиновая система (см. разд. 6). Ренин является веществом прессорного действия. Главное место его секреции - юкстагломерулярный аппарат почечных клубочков. В комплексе ренин-ангиотензин ренин выступает как фермент, ангиотензин наделен физиологическими свойствами. Наиболее выражены из них кардиостимулирующее и вазоконстрикторное действия, превышающие по своей силе влияние норадреналина более чем в 50 раз. Это действие может быть прямым и опосредованным через симпатоадреналовую систему, которая способна активироваться в этом случае непосредственно или центральными механизмами.

Наиболее сильно сосудосуживающее действие ангиотензина проявляется во внутренних органах и кожных покровах, менее чувствительны к нему сосуды скелетных мышц, мозга, сердца; почти не реагируют сосуды легких. Особенно значительно проявляется его действие на почку, что выражается в снижении почечной гемодинамики, нарушении клубочковой фильтрации и косвенном влиянии альдостерона как регулятора канальцевой фильтрации и водно-электролитного равновесия. Отмечены выраженные ганглиостимулирующие эффекты. Клеточное действие ангиотензина сводится к активации АМФ и трансмембранного транспорта.

5.3. РЕФЛЕКТОРНЫЕ ПРОЦЕССЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ РАЗДРАЖЕНИИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЗВЕНА АВТОНОМНОЙ ДУГИ

Процессы в автономной и соматической системах тесно связаны, хотя при раздражении автономных чувствительных волокон обе системы вовлекаются в ответ в разной степени. Рефлексы в этом случае разделяются на висцеро-висцеральные, висцеросоматические и висцеросенсорные.

5.3.1. Висцеро-висцеральный рефлекс

Висцеро-висцеральный рефлекс включает пути, в которых возбуждение возникает и заканчивается во внутренних органах. В этом случае эффектор способен отвечать либо усилением, либо торможением функций. Основой для осуществления этих процессов являются местные рефлекторные дуги, замыкающиеся в узлах автономной нервной системы. Эти дуги могут быть разного уровня:

одни из них замыкаются в интрамуральных ганглиях, т. е. обеспечиваются метасимпатической нервной системой, другие - в превертебральных ганглиях, третьи - в структурах более высокого уровня.

Внутриклеточная техника регистрации нейрональной активности показала, что, например, ободочный нерв каудального брыжеечного симпатического ганглия содержит волокна, синаптически контактирующие с постганглионарными клетками узла. Тем самым было подтверждено существование синаптической связи в этом узле, обеспечивающей замыкание местной рефлекторной дуги, рецептивным полем и эффектором которой является стенка ободочной кишки.

Примером висцеро-висцерального рефлекса может явиться классический опыт Гольца, показывающий, что механическое раздражение брыжейки вызывает замедление сердечных сокращений; ослабление тонуса мышц, суживающих зрачок при раздражении рецепторов желудочно-кишечного тракта; изменение интенсивности дыхания, уровня кровяного давления, частоты сердечных сокращений при раздражении каротидной и аортальной рефлексогенных зон.

5.3.2. Аксон-рефлекс

Дж. Ленгли, обнаружив установленное Н. М. Соковниным (1877) явление истинного местного рефлекса, осуществляемого в каудальном брыжеечном ганглии без участия ЦНС и представляющего собой передачу возбуждения с чувствительного волокна на двигательную клетку, т. е. явление, не укладывающееся в развиваемое им представление, дал ему иное толкование, назвав этот вид аксон-рефлексом. С тех пор под аксон-рефлексом понимают рефлекторные процессы, осуществляющиеся по разветвлениям аксона без участия тела нейрона. В этом случае возбуждение якобы идет по одной ветви аксона, затем переходит на другую ветвь и по ней эфферентно направляется к эффекторному органу.

При раздражении волокон от кожных болевых рецепторов возникает расширение сосудов и покраснение области, иннервируемой этими волокнами. Тот же эффект сохраняется после удаления спинного мозга. Его удается получить и после полной дегенерации симпатических волокон, иннервирующих сосудистое русло исследуемого участка кожи. Эти наблюдения послужили основанием считать, что в основе сосудистой реакции лежит аксон-рефлекс. Такое объяснение хотя просто и понятно, но основано на косвенных данных. Обеспечивающие аксон-рефлекс соответствующие структуры гистологически пока не обнаружены, и само явление не подвергнуто детальному нейрофизиологическому анализу.

В ганглиях автономной нервной системы аксон-рефлекс возникает только в искусственной обстановке при электрическом раздражении. Поэтому для того чтобы установить, является ли он истинным, присущим этому отделу нервной системы явлением, необходимо воспроизведение этого рефлекса в адекватных условиях при действии раздражителя на адекватно воспринимающую поверхность.

Существует и иное объяснение эффектов, объединяемых понятием аксон-рефлекса. Считают, что при возбуждении кожных болевых рецепторов из их мембран происходит выделение биологически активных веществ типа субстанции Р или АТФ, обладающих сосудорасширяющим действием. Основанием к такому заключению является то, что эти и подобные им вещества действительно обнаружены в рецепторах и чувствительных волокнах. Кроме того, при возбуждении волокон и рецепторов концентрация в них указанных биологически активных веществ резко снижалась.

В литературе, касающейся функциональной структуры висцеральной периферии, часто встречаются необычные терминологические конструкции типа "эфферентная функция чувствительных нервных волокон". Несмотря на кажущуюся абсурдность, за этим термином при внимательном рассмотрении отчетливо вырисовывается новый класс реальных явлений, не укладывающихся в классические понятия "чувствительная иннервация", "двигательная иннервация" висцеральных органов.

Возникает вопрос, не означает ли это еще один шаг к размытию понятия "классический нейроэффекторный синапс" или это открытие новых функциональных возможностей интероцепторов, а стало быть природы и механизмов аксон-рефлекса. Последнее имеет большее право на существование, так как основным субстратом, своеобразным местом действия вновь установленных эффектов является интероцептор, обладающий, на первый взгляд, несколько неожиданным свойством. Свойство это заключатся в том, что в ответ на адекватную стимуляцию или раздражение электрическим полем рецептор высвобождает определенные химические вещества, оказывающие специфическое действие на окружающую ткань. Такими веществами являются преимущественно нейропептиды. Эти закономерности относятся не только к чувствительным терминалям специфической популяции первичных сенсорных нейронов, тела которых расположены в спинальных ганглиях, но и к сенсорным окончаниям функциональных модулей метасимпатической нервной системы.

Опираясь на существующие экспериментальные данные, общую схему функционирования этих нейронов можно представить следующим образом. Синтезирующиеся в соме сенсорного нейрона неиропептиды благодаря аксонному транспорту перемещаются в его терминали. Из них наиболее часто выявляемым пептидом является субстанция Р. Для того чтобы представить механизм использования нейропептидов, предполагается, что в этом случае происходит возбуждение интероцептивной терминали, например, в ответ на растяжение стенки органа, приводящее к такой последовательности возникающих событий.

Во-первых, возбуждение интероцептора само по себе является стимулом к локальному выделению нейропептидов из их тактического пула, находящегося в его терминальных участках. Во-вторых, при наличии коллатерали по ходу сенсорного волокна и при достаточно высоком факторе надежности проведения в месте бифуркации возбуждение может перейти, на эту коллатераль, антидромно достичь другого терминального участка и вызвать такое же локальное, но уже пространственно удаленное от места раздражения выделение нейропептидов. Именно таким образом возникает аксон-рефлекс в его классическом понимании. В-третьих, дойдя до образований ганглионарного или спинального уровня, формирующих аксодендритные или аксосоматические контакты на интернейронах дорсальных рогов, возбуждение также вызывает выделение нейропептидов. Однако непосредственной мишенью в этом случае является уже нейрон второго уровня (проекционный нейрон) и передача возбуждения идет в рамках структуры обычного классического межнейронного синапса. И в первом, и во втором случаях существует целая группа клеток-мишеней, к которым выделившиеся неиропептиды диффундируют через межклеточное пространство, окружающее гладкомышечные, а также эпителиальные клетки стенок полых висцеральных органов и сосудистого дерева клетки местных эндокринных образований и т. д.

5.3.3. Висцеросоматический рефлекс

Висцеросоматический рефлекс включает пути, по которым возбуждение в дополнение к висцеральным вызывает также соматические ответы в виде, например, усиления (сокращения) или торможения текущей активности скелетных мышц. Известно, что раздражение хемо- и механорецёпторов каротидной зоны сопровождается торможением общей двигательной активности организма, а интенсивное раздражение рецепторов пищеварительного тракта может вызвать сокращение мышц брюшного пресса или движение конечностей.

В силу сегментарной организации автономной и соматической иннервации при заболеваниях внутренних органов в ограниченных участках кожи возникает повышение тактильной и болевой чувствительности (рис. 5.14). Эти боли называют отраженными, а области, в которых они появляются, - зонами Захарьина-Геда. В рассматриваемом случае висцеральные и кожные чувствительные волокна конвергируют на одних и тех же нейронах спинно-таламического пути.

Рис. 5.14 Пути возникновения отраженной боли. Слева изображены некоторые из ноцицептивных афферентов внутренних органов, оканчивающихся в заднем роге на тех же нейронах, что в ноципептивные афференты кожи; справа - в некоторых случаях ветви одного и того же ноципептивного афферента иннервируют и поверхностную, и глубокую ткани.

Во влиянии с рецептивных полей внутренних органов на скелетно-мышечную систему принято различать (В. Н. Черниговский) корригирующие и пусковые влияния. Первые приводят к изменению сокращений скелетных мышц, уже происходящих под влиянием других сенсорных стимулов, вызывая либо усиление, либо угнетение. Вторые самостоятельно вызывают активность скелетно-мышечной системы. Оба вида влияния связаны с поступлением сигналов по чувствительным путям автономной рефлекторной дуги. Нередко пусковые влияния дополняются корригирующими.

5.3.4. Висцеросенсорный рефлекс

Висцеросенсорный рефлекс включает пути, в которых в ответ на раздражение автономных чувствительных волокон возникают реакции не только во внутренних органах, мышечной системе, но и изменяется соматическая чувствительность. В этом случае зона повышенного восприятия, как правило,

Рис. 5.15 Афференты и структуры соматовисцеральной системы в стволе головного мозга (справа схема организации - вид сзади) Афференты тройничного нерва и трех его ветвей (V1, V2, V3). блуждающего и языкоглоточного нервов, центральная афферентная система тройничного нерва и ее восходящие пути, ретикулярная формация и пути, приходящие из спинного мозга.

ограничивается участком кожи, иннервируемым сегментом, к которому поступают импульсы от раздражаемого внутреннего органа. Для вызова таких рефлексов необходимо чрезвычайно сильное и продолжительное раздражение.

Существует и соматовисцеральный рефлекс. Он включает пути (рис. 5.15), вовлекающие активацию экстероцепторов и соматических афферентных волокон и заканчивающиеся в висцеральных органах, вызывая изменение их функций. Примером может служить сосудистая реакция при термических воздействиях на рецепторы кожи.

5.4. ВЛИЯНИЕ АВТОНОМНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ НА ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ЭФФЕКТОРНЫХ ОРГАНОВ

Автономная нервная система координирует и адаптирует деятельность органов, участвующих в сохранении динамического равновесия жизненных функций, регулируя метаболизм, возбудимость, автоматизм внутренних органов и самой ЦНС. Многие внутренние органы имеют двойную и даже тройную - симпатическую, парасимпатическую и метасимпатическую - иннервацию. Изучение роли каждой из них обычно осуществляют посредством электрического раздражения, хирургического или фармакологического выключения.

Раздражение симпатических волокон вызывает учащение работы сердца, увеличение его ударного объема, расслабление бронхиальной мускулатуры, снижение перистальтики желудка и кишки, расслабление жёлчного пузыря, сокращение сфинктеров и т. д. Стимуляция парасимпатического блуждающего нерва сопровождается противоположным эффектом: уменьшается частота сокращений сердца, ослабевает сила сокращения предсердий, сокращается бронхиальная мускулатура, усиливается моторика желудка и кишки, сокращается жёлчный пузырь, расслабляются сфинктеры (см. табл. 5.1).

В физиологических условиях между тонусом этих двух отделов (см. ниже) имеет место "относительное равновесие". При преобладании тонуса одного из них тонус другого снижается.

Аналогия с известным для скелетной мышечной системы принципом реципрокности послужила основанием для представления об "антагонистических" отношениях между симпатической и парасимпатической системами. При этом взаимодействия между ними уподоблялись коромыслу весов, в которых подъем на определенный уровень одной чаши влечет за собой снижение точно на такую же величину другой. Считали даже, что функция органов может протекать нормально лишь при уравновешенности одних влияний другими.

Однако такому представлению противоречит ряд фактов. Например, слюноотделение стимулируется и симпатическими, и парасимпатическими волокнами: раздражение парасимпатического нерва - барабанной струны -вызывает обильное выделение жидкой слюны; при раздражении симпатического нерва слюна тоже образуется, но в небольших количествах и со значительным содержанием органических веществ. Таким образом, здесь проявляется согласованная реакция, необходимая для пищеварения. Кроме того, существует и ряд органов, снабжаемых только симпатическими или только парасимпатическими волокнами. Это многие кровеносные сосуды, селезенка, гладкие мышцы глаза, волосяных луковиц, некоторые экзокринные железы (см. табл. 5.1).

Отделы симпатической и парасимпатической нервной системы в большом числе случаев оказываются функционально синергичными. Наиболее отчетливо это прослеживается при рассмотрении рефлексов с барорецепторов на сердце (см. разд. 8.4.9). Возникающее в результате повышения артериального давления возбуждение барорецепторов вызывает снижение силы и частоты сокращений сердца. Наблюдаемый эффект связан с возрастанием активности вагусных (блуждающего нерва) сердечных волокон, а также со снижением активности симпатических волокон.

5.4.1. Адаптационно-трофическая функция симпатической нервной системы

Предложенная Дж. Ленгли классическая схема распространения симпатической иннервации предусматривала ее влияние только на гладкую мускулатуру и железы. Однако симпатические импульсы могут оказывать влияние и на скелетные мышцы. Если стимуляцией двигательного нерва довести мышцу лягушки до утомления (рис. 5.16), а затем одновременно раздражать симпатический ствол, то работоспособность утомленной мышцы повышается - феномен Орбели-Гинецинского. Сама по себе стимуляция симпатических волокон не вызывает сокращения мышцы, но изменяет состояние мышечной ткани, повышает ее восприимчивость к передаваемым по соматическим волокнам импульсам. Такое повышение работоспособности мышцы является результатом стимулирующего влияния обменных процессов в мышце: растет потребление кислорода, увеличивается содержание АТФ, креатинфосфата, гликогена. Полагают, что местом приложения этого влияния является нервно-мышечный синапс.

Было также обнаружено, что стимуляция симпатических волокон может значительно изменять возбудимость рецепторов и даже функциональные свойства ЦНС. Например, при раздражении симпатических волокон языка возрастает

Рис. 5.16 Феномен Орбели-Гинецинского - усиление сокращения утомленной мышцы лягушки при раздражении симпатического нервного ствола

Отметка раздражения указана на верхней линии, сокращения мышцы вызываются ритмическими раздражениями двигательных нервных волокон.

вкусовая чувствительность, при раздражении симпатических нервов наблюдается повышение рефлекторной возбудимости спинного мозга, изменяются функции продолговатого и среднего мозга. Характерно, что при разной степени возбуждения симпатическая нервная система оказывает на органы и ткани однотипные влияния. Удаление краниальных шейных симпатических узлов у животных приводит к уменьшению величины условных рефлексов, хаотичности их протекания, преобладанию в коре больших полушарий процессов торможения.

Эти факты были обобщены Л. А. Орбели в теории адаптационно-трофической функции симпатической нервной системы, согласно которой симпатические влияния не сопровождаются непосредственно видимым действием, но значительно изменяют функциональную реактивность или адаптивные свойства тканей.

Симпатическая нервная система активирует деятельность нервной системы в целом, активирует защитные функции организма, такие как иммунные процессы, барьерные механизмы, свертывание крови, процессы терморегуляции. Ее возбуждение является непременным условием любых стрессорных состояний, оно служит первым звеном запуска сложной цепи гормональных реакций.

Особенно ярко участие симпатической нервной системы обнаруживается в формировании эмоциональных реакций человека независимо от вызвавшей их причины. Так, радость сопровождается тахикардией, расширением сосудов кожи, страх - замедлением сердечного ритма, сужением кожных сосудов, потоотделением, изменением кишечной перистальтики, гнев - расширением зрачков.

Следовательно, в процессе эволюционного развития симпатическая нервная система превратилась в особый инструмент мобилизации всех ресурсов (интеллектуальных, энергетических и др.) организма как целого в тех случаях, когда возникает угроза самому существованию индивидуума.

Такое положение симпатической нервной системы в организме опирается на обширную систему ее связей, позволяющую посредством мультипликации импульсов в многочисленных пара- и превертебральных ганглиях мгновенно вызывать генерализованные реакции практически всех органов и систем. Значительным дополнением является и выброс в кровь из надпочечников и хромаффинной ткани "жидкости симпатической нервной системы" - адреналина и норадреналина.

В проявлении своего возбуждающего действия симпатическая нервная система приводит к изменению гомеостатических констант организма, что выражается в повышении кровяного давления, выходе крови из кровяных депо, поступлении в кровь ферментов, глюкозы, повышении метаболизма тканей, снижении мочеобразования, угнетении функции пищеварительного тракта и т. д. Поддержание постоянства этих показателей целиком ложится на парасимпатическую и метасимпатическую части.

Следовательно, в сфере управления симпатической нервной системы находятся в основном процессы, связанные с расходом энергии в организме, парасимпатической и метасимпатической - с ее кумуляцией.

Значение симпатической нервной системы убедительно демонстрируется в опытах с ее хирургическим, химическим или иммунным удалением. Полная экстирпация у кошек симпатических стволов, т. е. тотальная симпатэктомия, не сопровождается значительными расстройствами висцеральных функций. Артериальное давление находится почти в нормальных пределах, исключая небольшую недостаточность, возникающую из-за выключения рефлексогенных зон; в близких к нормальным пределах развертывается функция пищеварительного канала, продолжают оставаться возможными репродуктивные функции: оплодотворение, беременность, роды. И тем не менее симпатэктомированные животные не в состоянии осуществлять физические усилия, с большим трудом оправляются от кровотечений, расстройств аппетита, шока, гипогликемии, а также плохо переносят охлаждение и перегревание. У симпатэктомированных животных не бывает проявления характерных защитных реакций и показателей агрессивности: тахикардии, расширения зрачков, повышения притока крови к соматической мускулатуре.

Рядом преимуществ обладает иммуносимпатэктомия. Не оказывая значительного влияния на физическое развитие и общеповеденческие реакции животных, этот метод вместе с тем позволяет получить своеобразную модель для изучения функции автономной нервной системы в хронических условиях. Определенным преимуществом является то, что введение фактора роста нервов в условиях атрофии симпатической нервной системы позволяет получить на одних и тех же животных и ее гипертрофию, создавая, таким образом, редкий в экспериментальных условиях двойной контроль.

После перерезки симпатических волокон и их дегенерации иннервируемые органы могут в какой-то мере атрофироваться. Однако спустя несколько недель после денервации возникает их повышенная чувствительность к медиаторам и веществам медиаторного типа. Этот эффект наглядно прослеживается на зрачке животного после удаления краниального шейного симпатического ганглия. Обычно вслед за операцией в результате преобладания парасимпатического тонуса происходит сужение зрачка. Спустя определенное время его величина приближается к исходной, а в условиях эмоционального напряжения даже резко увеличивается.

Этот факт объясняют возникновением сенситизации (гиперчувствителъности) денервированной мышцы к адреналину и норадреналину, выбрасываемым из надпочечников в кровь во время эмоций. Вероятно, в основе этого явления лежит изменение способности мембран денервированных клеток к связыванию кальция и изменению проводимости.

5.4.2. Роль парасимпатической нервной системы в регуляции висцеральных функций

Области влияния парасимпатической нервной системы на процессы в организме сравнительно ограничены (см. табл. 5.1). Эти влияния могут сказываться либо прямо на иннервируемых органах, как в кольцевой мускулатуре радужной оболочки глаза или в слюнных железах, либо через посредство метасимпатической нервной системы. В первом случае постганглионарный нейрон сам непосредственно контактирует с эффектором и вызываемое, им действие зависит главным образом от прямых влияний структур ЦНС.

Во внутренних органах преганглионарное парасимпатическое волокно оканчивается не на эффекторе - мышечных волокнах или железистых клетках, а на интернейроне или эфферентном нейроне метасимпатической нервной системы, который представляет общий конечный путь для импульсов, поступающих по блуждающему и тазовому нервам (см. рис. 5.4). Здесь они вступают во взаимодействие с импульсами, посредством которых осуществляются процессы базовой внутриорганной местной метасимпатической регуляции.

Таким образом, парасимпатические влияния оказываются не прямыми, а опосредованными. Поэтому результат адекватного раздражения (в отличие от чрезмерной электрической стимуляции одновременно всех вагусных волокон) не бывает однозначным. Он зависит от текущих внутриорганных процессов. Тут могут возникать возбуждение или торможение функции органа, включаться или выключаться различные регуляторные влияния, направленные на поддержание нормальной деятельности, стабилизацию гомеостатического состояния.

5.4.3. Участие метасимпатической нервной системы в регуляции висцеральных функций

Давно известно, что многие внутренние органы, извлеченные из организма, при создании соответствующих условий продолжают осуществлять присущие им функции без особых видимых изменений, например сохраняются перистальтическая и всасывательная функции у кишки, сокращается перфузируемое сердце. Сегменты или полоски стенок мочеточника, матки, жёлчного пузыря также продолжают сокращаться с частотой и амплитудой, характерной для каждого органа. Эта относительная функциональная автономия объясняется наличием в их стенках метасимпатической нервной системы, обладающей собственным нейрогенным ритмом и имеющей необходимые для самостоятельной рефлекторной деятельности звенья - сенсорное, ассоциативное, эфферентное и медиаторное.

Метасимпатическую нервную систему рассматривают сейчас как сугубо периферическую, независимую интегративную систему, способную самостоятельно обрабатывать сенсорную информацию и генерировать организованный выход, который контролирует и координирует поведение эффекторов. Существующие данные свидетельствуют о том, что принципиальная модель метасимпатической нервной системы полностью совпадает с подобной моделью центральной нервной системы.

Действительно, в составе метасимпатической нервной системы существуют собственные сенсорные элементы, которые могут быть механо-, хемо-, термо- и осморецепторами. Они постоянно посылают в свои внутренние сети информацию о состоянии стенки внутреннего органа. Наряду с этим сенсорные элементы способны передавать сигналы и в центральные структуры нервной системы.

Метасимпатические нейроны синаптически связываются в сети, которые обрабатывают поступающую сенсорную информацию и одновременно контролируют активность эффекторных нейронов. Последние, в свою очередь, являются общими конечными путями к эффекторам и могут инициировать, поддерживать, наконец, тормозить их поведение.

У позвоночных животных ядерные образования симпатической и парасимпатической систем располагаются в ЦНС. Метасимпатическая нервная система не имеет таких представительств и является в значительно большей степени, чем обе названные, самостоятельной, даже если автономию понимать не в относительном, а в преувеличенном, но не абсолютизированном до крайности смысле. Симпатическая нервная система иннервирует все сосуды, а через них

скелетные мышцы, все внутренние органы, часть гладкой мускулатуры глазного яблока, мышцы, поднимающие волосы, и т. д. Область иннервации парасимпатической нервной системы более узкая: экзокринные железы, часть гладкой мускулатуры глазного яблока, внутренние органы. Сфера иннервации метасимпатической нервной системы еще более ограниченна и охватывает сугубо внутренние органы и то не все, а лишь обладающие собственным моторным ритмом.

Для этих органов метасимпатическая иннервация является базовой. Все звенья ее рефлекторного пути локализуются только в интрамуральных ганглиях. Она не имеет своего центрального аппарата. В результате такой организации ее эфферентные связи с центральными структурами опосредованы нейронами симпатической и парасимпатической нервной системы, образующими синаптические контакты на телах и отростках метасимпатичееких интернейронов и эффекторных нейронов.

Представление о том, что метасимпатическая нервная система - это диффузный парасимпатический ганглий, в котором прямые синаптические контакты между преганглионарными волокнами и постганглионарными клетками являются основой для контроля, например, желудочной, кишечной или сердечной функции, при экспериментальном рассмотрении оказалось несостоятельным. Так же несостоятельно и представление о метасимпатической нервной системе как третьем нейроне в эфферентном звене симпатического пути.

Метасимпатическая нервная система - это относительно независимая самостоятельная интегративная система.

Такая относительная независимость имеет ряд эволюционных преимуществ. Они заключаются в более эффективном контроле и управлении обширными висцеральными системами и территориями, исключающими, в частности, необходимость существования большого числа длинных соединительных путей между ЦНС и висцеральными органами. Не менее существенным является и уменьшение пространства в ЦНС, которое в противном случае было бы занято обработкой излишней информации.

Очевидность невыгодности размещения в ЦНС аппарата, необходимого для постоянного и непрерывного контроля за каждой из висцеральных функций, подтверждается еще и тем, что, например, только одна кишечная часть метасимпатической системы имеет то же число клеток (108), что и весь спинной мозг, а количество метасимпатичееких нейронов, приходящихся на 1 см2 поверхности кишки, составляют около 20 000.

Существование местных метасимпатичееких механизмов регуляции функций висцеральных органов имеет определенный физиологический смысл. Кроме освобождения ЦНС от избыточной информации их наличие увеличивает надежность регуляции функций. Эта регуляция без особых существенных изменений может осуществляться даже при полном выключении связи с центральными структурами.

Прибегая к аналогии, функцию метасимпатической нервной системы можно уподобить микропроцессору, расположенному в непосредственной близости от эффекторов (гладкая мышца, экскретирующий и всасывающий эпителии, эндокринные элементы, иммунные структуры), которые ею контролируются и регулируются. Это местная система. Именно она инициирует и программирует работу эффекторов, осуществляя текущую регуляцию физиологических процессов и обеспечивая в полном объеме поддержание постоянства внутренней среды организма. Что касается ЦНС, или "основного компьютера", то он также получает информацию от висцеральных органов, перерабатывает ее и передает команды нейронам метасимпатической сети. Эти команды соответствуют состоянию отдельного органа или органов, а также поведенческому состоянию индивидуума.

Нейробиологические свойства метасимпатических сетей во многом напоминают организацию центральных нервных структур позвоночных. По своей композиции, нейрохимии, иммунореактивности протеинов, обмену материалами с циркуляторной системой, интегративной функции они сходны с ядерными образованиями мозга млекопитающих и напоминают вынесенные на периферию нервные центры.

Глиальные элементы метасимпатической нервной системы, подобно астроглии головного мозга, в большом количестве окружают каждый нейрон. Существенным моментом является наличие в тех и других структурах плотного нейропиля, так как известно, что во всех системах интеграции обработка значительной части информации происходит в микроцепях именно синаптического нейропиля.

Рис. 5.17 Типы. метасимпатических нейронов млекопитающих

А -мотонейроны, идущие к гладкой мышце; Б - интернейроны; В - парасимпатические и симпатические входы; Г - иннервация местного кровотока. Медиаторы: АТФ - аденозинтрифосфат, АХ - ацетилхолин, ВИП - вазоактивный интестинальный пептид, НА - норадреналин. Сер - серотонин, СП - субстанция Р. Виды нейронов: Адр - адренергический, НАНХ - неадренергический, нехолинергический, Сер - серотонинергический, Хол -холинергический, знаками "+" и "-" показана направленность действия.

Большинство реальных и предполагаемых медиаторов метасимпатической нервной системы является и нейротрансмиттерами в ЦНС. Сейчас твердо установлено, что, например, в энтеральной части метасимпатической нервной системы медиаторную функцию осуществляет не менее 20 медиаторов и модуляторов холинергической, адренергической, серотонинергической, пуринергической, пептидергической, дофаминергической, ГАМК-ергической и другой природы (рис. 5.17). Все это - основа для широкого диапазона многообразных регуляторных воздействий.

В метасимпатической нервной системе содержатся также гематоганглионарные барьерные структуры, напоминающие по своей функции гематоэнцефалический барьер. Они защищают метасимпатические нейроны от непосредственного воздействия веществ, циркулирующих в крови.

По современным представлениям, основная роль парасимпатической и метасимпатической систем состоит в осуществлении механизмов различных функций, обеспечивающих гомеостаз - относительное динамическое постоянство внутренней среды и устойчивость основных физиологических функций.

В отличие от них симпатическая нервная система рассматривается как система тревоги, мобилизации защитных сил и ресурсов для активного взаимодействия с факторами среды. Из этого следует, что, обеспечивая максимальное напряжение функций органов и систем для защиты организма, симпатическая нервная система дестабилизирует постоянство внутренней среды. Задачу восстановления и поддержания этого постоянства, нарушенного в результате возбуждения симпатической нервной системы, берут на себя парасимпатическая и метасимпатическая системы.

5.4.4. Тоническая активность

Многие симпатические и парасимпатические эфферентные волокна, а также эфферентные клетки метасимпатической нервной системы находятся в состоянии непрерывного возбуждения, получившего название тонус. Для явлений, обозначаемых этим термином, например, состояния нейронов, иннервирующих сосуды, сердце и другие полые органы, обязательно длительное поддержание постоянного внешнего эффекта. Тонус - одно из проявлений гомеостаза в организме и одновременно один из механизмов его стабилизации.

Тонус покоя можно измерить либо прямым методом посредством регистрации активности отдельных волокон и клеток, либо косвенно - по показателям изменения деятельности исполнительного органа после электрической стимуляции иннервирующих его волокон. Величина тонической импульсной активности в пре- и постганглионарных волокнах находится в пределах от 0,1 до 5,0 Гц и зависит от состояния иннервируемых гладких мышц, имеющих, кроме того, собственный базальный мышечный тонус (см. разд. 1.2.8 и 8.4.6).

Тонические влияния симпатической нервной системы, так же как и блуждающего нерва, наиболее подробно исследованы на сердце. Преобладание симпатического тонуса обычно оценивают на основании таких показателей, как учащенный сердечный ритм, незначительность его изменения при атропинизации, слабая выраженность глазосердечного и синокаротидного рефлексов. В сердечных симпатических волокнах поток непрерывных эфферентных разрядов обычно снижается во время вдоха. Характерным является отчетливое группирование импульсов синхронно систолическим сокращениям.

Симпатической нервной системе принадлежит ведущая роль в создании общего сосудистого тонуса (рис. 5.18). В зависимости от тонуса сосудодвигательных центров и уровня кислых катаболитов в тканевой жидкости симпатические волокна, иннервирующие мелкие сосуды и сосуды среднего диаметра, приспосабливают кровоток к местным и общим нуждам организма. В тех случаях, когда в системном давлении обнаруживается тенденция к снижению, происходит включение компенсаторных адренергических механизмов. Местные сосудосужающие реакции усиливаются одновременным выбросом адреналина, возникающим в результате прихода к надпочечникам эфферентных разрядов сосудодвигательного центра.

Рис. 5.18 Зависимость гидродинамического сопротивления в сосудах скелетных мышц конечности кошки от частоты надпороговых раздражений преганглионарных волокон поясничного отдела симпатического ствола.

Иннервирующие сердце парасимпатические волокна также находятся в состоянии непрерывного возбуждения, и передаваемая по ним информация направлена на снижение частоты сердечных сокращений. Тоническая импульсация в волокнах блуждающего нерва постоянно оказывает на сердце отрицательное инотропное действие, снижая интенсивность сокращений желудочков. Напротив, ослабление тонуса способствует учащению сердечных сокращений. Характерно, что возникающая после перерезок блуждающих нервов тахикардия может наступать у предварительно десимпатизированных животных. Следовательно, она не обусловлена возрастанием симпатической активности, а полностью зависит от интенсивности притока по волокнам блуждающих нервов тормозных влияний.

Роль тонуса блуждающих нервов состоит, по-видимому, в создании в сердце значительных резервов, которые используются организмом в ситуациях, сопровождающихся повышенной сердечной деятельностью. Именно снижение этого тонуса, ведущее к возрастанию частоты сердечных сокращений, является основой для быстрой перестройки режима работы органа. Вероятно, поэтому эффекты ваготомии (пересечения блуждающего нерва) наиболее отчетливо проявляются у животных, способных к быстрой смене мышечной деятельности (зайцы, обезьяны).

Тоническая неравнозначность симпатической и парасимпатической частей автономной нервной системы явилась основанием для создания своеобразной конституционной классификации, в которой преобладание тонуса симпатической нервной системы обозначается как симпатикотония, парасимпатической - ваготония. В этих случаях главным показателем является уровень деятельности иннервируемых органов. Наиболее характерными проявлениями у симпатикотоников являются учащенный пульс, отсутствие потливости. У ваготоников наблюдается склонность к покраснениям, замедленному пульсу, потливости, необъяснимым желудочным расстройствам. Чистые формы симпатикотонии и ваготонии встречаются довольно редко.

О природе тонической активности в симпатических и парасимпатических эфферентных волокнах известно мало. Она в основном зависит от уровня импульсации, следующей в ЦНС от рецептивных полей рефлексогенных зон висцеральных органов, а также соматических рецепторов. Прямым свидетельством того является возникновение тахикардии при денервации аорты и каротидного синуса, а также исчезновение разрядов в сердечных ветвях блуждающих нервов при снижении артериального давления. По-видимому, в этом процессе участвует и сигнализация от тканевых рецепторов.

Тонус симпатических и парасимпатических эфферентных волокон связан, помимо того, еще и со спонтанной деполяризацией нейронов-пейсмекеров, локализованных в основном в структурах продолговатого мозга.

В метасимпатической нервной системе основными элементами, задающими ритм и постоянно поддерживающими тонус функционального модуля, являются специальные клетки-осцилляторы. Эти нейроны характеризуются разрядами взрывного типа. На их функцию не оказывают влияния блокаторы синаптической передачи и вещества медиаторного типа.

5.5. ЦЕНТРЫ РЕГУЛЯЦИИ ВИСЦЕРАЛЬНЫХ ФУНКЦИЙ

5.5.1. Спинальные центры

На уровне последнего шейного и двух первых грудных сегментов спинного мозга расположены группы преганглионарных симпатических нейронов, получившие название спинно-цилиарного центра. Они иннервируют гладкие мышцы глазного яблока, мышцы третьего века у животных одну из мышц верхнего века, глазничную часть круговой мышцы глаза, мышцу, расширяющую зрачок. Постганглионарные нейроны этого пути лежат в краниальном шейном симпатическом ганглии. Стимуляция спинно-цилиарного центра, как и раздражение нервных волокон, сопровождается расширением зрачка (мидриаз), раскрытием глазной щели, выпячиванием глазного яблока (экзофтальм). Разрушение центра или перерезка волокон сопровождаются противоположным эффектом - сужением зрачка (миоз), сужением глазной щели, западением глазного яблока (эндофтальм).

В первых пяти грудных сегментах спинного мозга локализованы преганглионарные симпатические нейроны, имеющие отношение к иннервации сердца и бронхов. Постганглионарные клетки этого пути лежат в основном в звездчатом ганглии или реже в узлах пограничного симпатического ствола. Их стимуляция сопровождается усилением и учащением сердечных сокращений и расширением бронхов.

На всем протяжении симпатического ядра от первого грудного до начальных поясничных сегментов расположены скопления клеток, иннервирующих сосуды тела и потовые железы. Особенностью организации этих скоплений является определенная топография клеточных тел и в соответствии с этим зон иннервации. Разрушение клеточных скоплений отдельных сегментов сопровождается исчезновением сосудистого тонуса, сосудистых реакций и прекращением потоотделения в определенных областях тела.

В крестцовой части спинного мозга находятся парасимпатические нейроны, образующие в совокупности центры дефекации, мочеиспускания, половых рефлексов - эрекции, эмиссии и эякуляции (см. разд. 14.8.1). При разрушении этих центров названные рефлексы утрачиваются, возникает нарушение дефекации и мочеиспускания, исчезают половые рефлексы.

5.5.2. Стволовые центры

Центры, находящиеся в стволе мозга (продолговатый мозг, мост, средний мозг), управляют висцеральными функциями посредством парасимпатических волокон, проходящих в составе блуждающего, языкоглоточного, лицевого и

глазодвигательного нервов.

В продолговатом мозгу находятся нервные центры, с помощью которых осуществляются сложные рефлексы, такие как сосание, жевание, глотание, чихание, кашель, рвота, слезотечение, слюноотделение. Эти рефлексы имеют в основном защитно-физиологический характер. Здесь же расположены центры, тормозящие сердечную деятельность, стимулирующие секрецию желудочных желез, поджелудочной железы, жёлчеобразование и жёлчевыделение, активирующие моторику желудка и тонкой кишки.

Расположение этих центров установлено приближенно, а о клеточной организации известно мало. Ограниченность знаний связана, во-первых, с техническими трудностями, так как группы нейронов, составляющие центры, небольшие и их трудно различить нейрофизиологически и морфологически. Во-вторых, клетки, которые управляют деятельностью какого-либо органа или системы, представляющей собой совокупность функционально связанных друг с другом органов, не всегда располагаются в одном месте, рядом. Поэтому понятие "центр" справедливо лишь частично и может употребляться с некоторыми допущениями.

В ядрах блуждающего нерва замыкаются рефлексы с аортальной и синокаротидной рефлексогенных зон, а также рефлексы снижения частоты сердечных сокращений в ответ на раздражение интероцепторов брюшной полости (рефлекс Гольтца), глазосердечный (рефлекс Ашнера), дыхательно-сердечный. По волокнам блуждающего нерва следуют импульсы, регулирующие деятельность дыхательных путей, желудка, тонкой кишки, поджелудочной железы, жёлчного пузыря, жёлчных протоков. По волокнам лицевого и языкоглоточного нервов осуществляется регуляция работы слюнных и слезных желез. Центры зрачкового рефлекса и аккомодации глаза находятся в краниальных (верхних) холмиках крыши среднего мозга.

Нервные центры продолговатого мозга оказывают также нисходящие влияния на симпатические и парасимпатические рефлекторные дуги спинного мозга. Эти влияния могут быть возбуждающими и тормозными. Особенно отчетливо проявляется влияние нижних отделов ствола мозга на регуляцию кровообращения. Структуры, осуществляющие эту регуляцию, лежат в ретикулярной формации продолговатого мозга, их совокупность принято называть сосудодвигательным, или циркуляторным, центром.

Считают, что именно из сосудодвигательного центра исходят симпатические тонические влияния на сердце и сосуды (см. разд. 8.6), в результате чего сердечная деятельность несколько замедлена, а артерии и артериолы сужены. Это предположение подтверждается тем, что полная перерезка ствола мозга, проводимая впереди продолговатого мозга, равно как и выключение практически всех рефлексогенных зон внутренних органов, мышц, кожи, почти не изменяет уровень артериального давления и его регуляцию. В отличие от этого у спинальных животных симпатический тонус сосудов снижен и утрачены приспособительные реакции. Сопряженно с изменением сосудистого тонуса осуществляются и многие рефлекторные реакции сердца, что объясняют наличием связей между клеточными скоплениями, регулирующими деятельность сосудов и деятельность сердца.

Рефлекторные процессы, происходящие в ядерных образованиях спинного продолговатого, среднего мозга и моста, находятся под постоянным влиянием гипоталамуса - высшего центра регуляции висцеральных функций.

5.5.3. Гипоталамические центры

У позвоночных животных гипоталамус является главным подкорковым центром интеграции висцеральных процессов. Он управляет всеми основными гомеостатическими функциями организма. Интегративная функция гипоталамуса обеспечивается автономными, соматическими и эндокринными механизмами (они подробно рассмотрены в разд. 2.2, 3.7.3, 6.3). Гипоталамус, будучи филогенетически наиболее древним образованием, которое существует у всех хордовых, обнаруживает у них относительно одинаковое строение. Он представляет собой скопление 32 пар ядер, которые условно разделяются на три группы: передние, средние и задние.

Чувствительная информация от внутренних органов и поверхности тела поступает в гипоталамус по восходящим спинно-бульбарным путям. Одни из них проходят через таламус, другие - через лимбическую область среднего мозга, третьи следуют по пока еще не полностью идентифицированным полисинаптическим путям. Кроме того, гипоталамус снабжен и своими специфическими "входами". В нем имеются высокочувствительные к изменениям осмотического давления внутренней среды осморецепторы и чувствительные к изменениям температуры крови терморецепторы.

Эфферентные пути гипоталамуса полисинаптические. Они связывают его с ретикулярной формацией ствола мозга, ядрами спинного мозга. Нисходящие влияния гипоталамуса обеспечивают регуляцию функций главным образом через автономную нервную систему. Вместе с тем важным компонентом в осуществлении нисходящих влияний гипоталамуса являются и гормоны, гипофиза. Кроме афферентных и эфферентных связей в гипоталамусе существует комиссуральный путь. Благодаря ему медиальные гипоталамические ядра одной стороны вступают в контакт с медиальными и латеральными ядрами другой стороны.

Многочисленные связи гипоталамуса с другими образованиями мозга способствуют генерализации возбуждений, возникающих в клетках гипоталамуса. Возбуждение в первую очередь распространяется на лимбические структуры мозга и через ядра таламуса на передние отделы коры больших полушарий. Степень распространения восходящих активирующих влияний гипоталамуса зависит от величины исходного возбуждения центров гипоталамуса.

Гипоталамус - одна из главных структур, участвующих в формировании поведенческих реакций организма, которые необходимы для сохранения постоянства внутренней среды. Стимуляция его ядер приводит к формированию целенаправленного поведения - пищевого, полового, агрессивного и т. д. Ему принадлежит и главная роль в возникновении основных влечений (мотиваций) организма.

Главным источником артериального кровоснабжения гипоталамических ядер является артериальный круг большого мозга. Его ветви обеспечивают обильное изолированное кровоснабжение отдельных групп ядер, капиллярная сеть которых в несколько раз превышает по густоте кровообеспечение других отделов нервной системы. Капиллярную сеть гипоталамуса отличает высокая проницаемость для крупномолекулярных соединений. Рядом с гипоталамусом есть области мозга, в которых гематоэнцефалический барьер устроен особым образом. В этих местах крупные водорастворимые молекулы гормонов связываются со специфическими рецепторами и воздействуют на мозг, не проникая в него (см. раздел 3.27).

Многочисленные нервные и сосудистые связи между гипоталамусом и гипофизом являются основой функционального комплекса, называемого гипоталамо-гипофизарной системой. Главное назначение комплекса состоит в интегрировании нервной и гормональной регуляции висцеральных функций организма. Со стороны гипоталамуса она осуществляется двумя путями: парааденогипофизарным (минуя аденогипофиз) и трансаденогипофизарным (через аденогипофиз).

На высвобождение гормонов передней доли гипофиза влияют гормоны нейронов гипофизотропной зоны медиальной области гипоталамуса. Они способны оказывать стимулирующее и тормозное действие на гипофизарные клетки. В первом случае это так называемые рилизинг-факторы (либерины), во втором - ингибирующие факторы (статины). Регуляция гипоталамо-гипофизарной системой висцеральных функций осуществляется по принципу обратной связи. Ее действие проявляется даже после полного отделения медиальной области гипоталамуса от других отделов мозга. Роль ЦНС состоит в приспособлении этой регуляции к внутренним и внешним потребностям организма.

Клетки гипоталамуса избирательно чувствительны к содержанию тех или иных веществ в крови и при любом изменении их концентрации приходят в состояние возбуждения. Например, гипоталамические нейроны чувствительны к малейшим отклонениям рН крови, напряжению O2 и СО3, содержанию ионов, особенно К+ и Na+. Так, в супраоптическом ядре содержатся клетки, избирательно чувствительные к изменению осмотического давления крови, в вентромедиальном ядре - содержанию глюкозы, в переднем гипоталамусе - половых гормонов.

Следовательно, клетки гипоталамуса выполняют функции рецепторов, воспринимающих изменение гомеостаза. Они обладают способностью трансформировать гуморальные изменения внутренней среды в нервный процесс - биологически окрашенное возбуждение. Однако они могут избирательно активироваться не только при изменении определенных констант крови, но и нервными импульсами из соответствующих органов, связанных с данной потребностью.

Рецепторные клетки работают по триггерному типу (от англ. trigger- действие, импульс вызывающее серию явлений). Возбуждение возникает в них не сразу, как только изменяется какая-либо константа крови, а через определенный промежуток времени, когда их деполяризация достигнет критического уровня. Следовательно, нейроны мотивационных центров гипоталамуса отличает периодичность работы.

В том случае, когда изменение константы крови поддерживается длительно, деполяризация нейронов поднимается до критического уровня и состояние возбуждения устанавливается на этом уровне все время, пока существует изменение константы, вызвавшей развитие процесса возбуждения. Постоянная импульсная активность этих нейронов исчезает только тогда, когда устраняется вызвавшее ее раздражение, т. е. нормализуется содержание того или иного фактора крови. Возбуждение одних клеток гипоталамуса может возникать периодически через несколько часов, как, например, при недостатке глюкозы, других - через несколько суток или даже месяцев, как, например, при изменении содержания половых гормонов.

Разрушение ядер или удаление всего гипоталамуса сопровождается нарушением гомеостатических функций организма. Гипоталамус играет ведущую роль в поддержании оптимального уровня метаболизма (белкового, углеводного, жирового, минерального, водного) и энергии, в регуляции температурного баланса организма, деятельности сердечно-сосудистой, пищеварительной, выделительной, дыхательной систем. Под его влиянием находятся функции эндокринных желез. При возбуждении гипоталамических структур нервный компонент сложных реакций обязательно дополняется гормональным.

Многочисленные исследования показали, что стимуляция задних ядер гипоталамуса сопровождается эффектами, аналогичными раздражению симпатической нервной системы: расширением зрачков и глазной щели, возрастанием частоты сердечных сокращений, повышением кровяного давления, торможением моторной активности желудка и кишки, возрастанием концентрации в , крови адреналина и норадреналина. Задняя область гипоталамуса оказывает тормозящее влияние на половое развитие. Ее повреждение приводит также к гипергликемии, а в некоторых случаях к развитию ожирения. Разрушение задних ядер гипоталамуса сопровождается полной потерей терморегуляции. Температура тела у этих животных не может поддерживаться, и животное становится пойкилотермным.

Реакции, возникающие при возбуждении заднего отдела гипоталамуса и сопровождающиеся активацией симпатической нервной системы, мобилизацией энергии организма, увеличением способности к физическим нагрузкам, получили название эрготропных.

Стимуляция группы передних ядер гипоталамуса характеризуется реакциями, подобными раздражению парасимпатической нервной системы, сужением зрачков и глазной щели, урежением частоты сердечных сокращений, снижением величины артериального давления, усилением моторной активности желудка и кишки, активацией секреции желудочных желез, возрастанием секреции инсулина и как результат - снижением уровня глюкозы в крови. Группа передних ядер оказывает стимулирующее влияние на половое развитие. С ней связан и механизм потери тепла. Разрушение этой области приводит к нарушению процесса теплоотдачи, в результате чего организм быстро перегревается. Отношение передних отделов гипоталамуса к соматическим, висцеральным и эндокринным реакциям в совокупности называют трофотропной реакцией.

Средняя группа ядер гипоталамуса обеспечивает главным образом регулирование метаболизма. Изучение регуляции пищевого поведения показало, что оно осуществляется в результате реципрокных взаимодействий латерального и вентромедиального гипоталамических ядер. Активация первого вызывает усиление потребления пищи, а его двустороннее разрушение сопровождается полным отказом от пищи, вплоть до истощения и гибели животного. Напротив, повышение активности вентромедиального ядра снижает уровень пищевой мотивации. При разрушении этого ядра возникает повышение потребления пищи (гиперфагия), ожирение.

Эти данные позволили расценивать вентромедиальные ядра как структуры, посредством которых ограничивается прием пищи, т. е. связанные с насыщением, а латеральные ядра, как структуры, повышающие уровень пищевой мотивации, т. е. связанные с голодом.

Вместе с тем пока еще не удавалось выделить функциональных или структурных скоплении нейронов, отвечающих за то или иное поведение. Следовательно, клеточные образования, обеспечивающие формирование целостного поведения из отдельных реакций, не следует рассматривать как анатомически ограниченные структуры, известные под названием центр голода и центр насыщения.

Вероятно, группы клеток гипоталамуса, связанные с выполнением какой-либо функции, отличаются друг от друга характером афферентных и эфферентных связей, синаптической организацией и медиаторами. Предполагают, что в нейронных сетях гипоталамуса заложены многочисленные программы и активация их посредством сигналов из других отделов мозга или интероцепторов приводит к формированию необходимых поведенческих и нейрогуморальных реакции.

Изучение роли гипоталамуса методами раздражения или разрушения его ядер привело к выводу, что области, ответственные за потребление пищи и воды, по-видимому, перекрывают друг друга. Полидипсию - повышенное потребление жидкости, обусловленное патологически усиленной жаждой, - наблюдали при стимуляции паравентрикулярного ядра гипоталамуса.

С другими подкорковыми структурами и корой головного мозга гипоталамус находится в непрерывных циклических взаимодействиях. Благодаря тому что к гипоталамическим ядрам адресуется нервная и гуморальная сигнализация о различных внутренних потребностях, они и приобретают значение пускового механизма мотивационных возбуждений.

Этот механизм лежит в основе участия гипоталамуса в эмоциональной деятельности целого организма, что позволило П. К. Анохину и К. В. Судакову высказать предположение о пейсмекерной роли гипоталамуса в формировании биологических мотиваций. Согласно этому предположению, гипоталамические пейсмекеры благодаря восходящим активирующим влияниям определяют энергетическую основу мотивационных возбуждений. Эта специфика сохраняется в восходящих активирующих влияниях гипоталамуса на всех уровнях. Тем самым обеспечивается качественное биологическое своеобразие поведенческих актов. Введение нейротропных веществ специфического действия может избирательно блокировать различные гипоталамические механизмы, участвующие в формировании таких состояний организма, как страх, голод, жажда и т. д.

Гипоталамус находится под регулирующим влиянием коры головного мозга. Получая информацию об исходном состоянии организма и окружающей среды, нейроны коры оказывают нисходящее влияние на все подкорковые структуры, в том числе и гипоталамус, регулируя уровень их возбуждения. Корковые механизмы подавляют многие эмоции и первичные возбуждения, формирующиеся с участием гипоталамических ядер. Поэтому удаление коры нередко приводит к развитию реакций мнимой ярости, выражающейся в расширении зрачков, пилоэрекции (сокращении мышц, поднимающих волосы), тахикардии, саливации (слюноотделении), повышении внутричерепного давления и т. д.

Таким образом, гипоталамус, обладая хорошо развитой и сложной системой связей, занимает ведущее место в регуляции многих функций организма и прежде всего в постоянстве внутренней среды. Под его контролем находится функция автономной нервной системы и эндокринных желез. Он участвует в регуляции пищевого и полового поведения, смены сна и бодрствования, эмоциональной деятельности, поддержания температуры тела и т. д.

5.5.4. Лимбическая система

Под лимбической системой принято понимать совокупность функционально связанных между собой образований древней коры (гиппокамп, грушевидная доля, экторинальная область, параамигдалоидная кора), старой коры (поясная извилина, пресубикулум) и подкорковых структур (миндалевидный комплекс, область перегородки, ряд ядер таламуса и гипоталамуса, а также лимбическая зона среднего мозга). Наряду с управлением висцеральными функциями лимбическая система участвует в эмоциональном и инстинктивном (пищевом, половом, оборонительном) поведении. Она оказывает также влияние на смену фаз сна и бодрствования.

Связь функций лимбической системы с деятельностью внутренних органов послужила основанием обозначать всю эту совокупность структур как висцеральный мозг. Однако этот термин лишь частично отражает функциональное значение системы.

Образования мозга, составляющие лимбический комплекс (рис. 5.19), относятся к наиболее филогенетически древним областям и поэтому обнаруживаются у всех позвоночных животных. На начальном этапе развития позвоночных структуры лимбической системы обеспечивали все важнейшие реакции организма (ориентировочные, оборонительные, пищевые, половые), которые формировались на основе первого дистантного чувства - обоняния.

Следовательно, обоняние выступило в качестве организатора множества целостных функций организма, объединив и их морфологическую основу - структуру конечного, промежуточного и среднего мозга.

Уже на самых ранних стадиях эволюции первые акцепторы обонятельной чувствительности - септальная (миндалевидного тела), амигдалярная

Рис. 5.19 Основные структуры лимбической системы и связи между ними

1 - клетки обонятельного эпителия, 2 - обонятельная луковица, 3 - обонятельный тракт, 4 - ростральная спайка, 5 - мозолистое тело, 6 - поясная извилина, 7 - ростральное ядро таламуса, 8 - терминальная полоска, 9 - свод, 10 - мозговая полоска, 11 - ядра поводка, 12 - межпоясковое ядро, 13 - сосцевидное тело, 14 - миндалевидное тело.

(перегородки) и другие области - были тесно связаны с ядрами ствола мозга и выполняли наиболее важные интегративные функции, которые обеспечивали адекватное приспособление организма к условиям окружающей среды. Позже в результате интенсивного роста новой коры, неостриатума и специфических ядер таламуса развитие лимбических структур несколько снизилось, но не остановилось. Они лишь претерпели некоторые топографические изменения и вступили в тесную связь с более молодыми образованиями мозга, обеспечивая высокоорганизованным животным более тонкое приспособление к усложняющимся и постепенно меняющимся условиям обитания.

Лимбическая система обеспечивает взаимодействие экстероцептивных (обонятельных, слуховых и др.) и интероцептивных воздействий. Существуют мощные реципрокные связи между лимбической системой и гипоталамусом, а также височной и лобной долями новой коры. Височные доли отвечают преимущественно за поступление информации к миндалине и гиппокампу из зрительной, слуховой и соматосенсорной коры, лобные доли регулируют деятельность лимбической системы. Характерными для лимбического комплекса являются и многочисленные цепи возбуждения.

Даже при самой незначительной стимуляции (электрической, химической и др.) любой из структур лимбической системы можно обнаружить целый ряд изолированных простых ответов в виде таких вегетативных проявлений, как саливация, пилоэрекция, изменения работы сердечно-сосудистой, дыхательной, лимфатической систем, терморегуляции и т. д. Продолжительность реакций бывает порой значительной, что свидетельствует о включении в работу эндокринных желез. Часто реакции протекают совместно с координированными моторными, жевательными, глотательными движениями.

Эти реакции возникают при стимуляции и разрушении вполне определенных структур. Например, при раздражении миндалевидного тела, гиппокампа и других областей могут усиливаться или, напротив, ослабевать оборонительные, пищедобывательные и половые реакции, нарушаться оценка внутреннего состояния, полезности или вредности внешних раздражителей, утрачиваться способность к социальному внутригрупповому поведению.

Наиболее заметно участие лимбической системы в организации пищевого поведения, реакции утоления жажды. Так, удаление миндалевидного тела приводит либо к длительному отказу животных от пищи, либо к гиперфагии. Управляя совокупностью внутренних факторов, лимбическая система тем самым контролирует эмоциональное состояние животных и человека, обеспечивая приспособление его видоспецифического поведения, направленного на приспособление организма. Структуры лимбической системы связаны с механизмами сна.

Занимая в пределах ЦНС срединное положение, лимбическая система может быстро включаться практически во все функции организма, направленные на активное приспособление к условиям окружающей среды.

5.5.5. Мозжечок

В качестве специального отдела нервной системы мозжечок существует у всех позвоночных животных, ведущих подвижный образ жизни, хотя только у амфибий впервые встречается его типичное для высших животных строение.

Уже первые попытки удаления мозжечка показали его тесную взаимосвязь с двигательной соматической сферой. Наряду с этим при раздражении мозжечка могут быть воспроизведены практически все явления, возникающие при возбуждении автономной нервной системы, - расширение зрачка, сужение сосудов, сокращение мышц, поднимающих волосы, учащение сердечных сокращений.

Рис. 5.20 Изменение функций различных органов при раздражении иннервирующих их симпатических и парасимпатических волокон

Влияния симпатической нервной системы обозначены справа, парасимпатической - слева. 1 - сосуды головного мозга, 2 - периферические сосуды, 3 - легкое, 4 - надпочечник, 5 - мочевой пузырь, 6 - внутренние и наружные половые органы, 7 - толстая кишка, 8 - желудок, 9 - сердце, 10 - бронхи, 11 - слюнная железа, 12 - зрачок.

После удаления мозжечка обнаруживается изменение функционального состояния висцеральных органов. Например, у лишенных мозжечка животных мышцы, поднимающие волосы, оказываются в состоянии постоянного сокращения, возникает задержка перистальтики желудка, изменяется периодическая двигательная деятельность кишки.

Изучение роли мозжечка в регуляции деятельности сердечно-сосудистой, дыхательной, пищеварительной систем, терморегуляции, кроветворения, метаболизма и т. д. свидетельствует о том, что мозжечок благодаря наличию двойного (активирующего и тормозного) механизма действия способен оказывать стабилизирующее влияние на функции перечисленных висцеральных систем. Он также играет ведущую роль в корригировании висцеральных рефлексов.

Взаимодействие мозжечка с высшими центрами автономной иннервации, эндокринными железами послужило основанием считать его органом, связанным с регуляторными механизмами автономной нервной системы.

5.5.6. Ретикулярная формация

Во многих отделах ЦНС помимо серого и белого вещества существует диффузное, скопление клеток, окруженных многочисленными волокнами. Они идут в разных направлениях и образуют подобие сети. Это и послужило для немецкого анатома и гистолога О. Дейтерса (1895) поводом считать эти клетки сетчатым образованием - ретикулярной формацией. В стволе мозга ретикулярная формация занимает медиальную часть, доходит до таламуса и гипоталамуса. Ретикулярная формация состоит из нисходящей и восходящей частей.

Нисходящая часть помимо скелетной мускулатуры оказывает влияние на функцию внутренних органов. Это влияние сводится к регуляции деятельности сердца, сосудов, органов дыхания, пищеварения, выделения. Его проводником на периферию является симпатическая нервная система (рис. 5.20). Последняя выступает в функциональном единстве с ретикулярной формацией. В значительной мере ретикулярные влияния сказываются на функции эндокринных желез и в первую очередь гипофиза. Например, стимуляция ретикулярных ядер среднего и промежуточного мозга сопровождается усиленной продукцией гипофизарных, в том числе гонадотропных гормонов. При разрушении этих ядер у животных возникают эндокринные расстройства, нарушается цикличность половых процессов.

Восходящая часть ретикулярной формации передает активирующие влияния в кору больших полушарий. Ей отводится важная роль в поддержании состояния бодрствования, а также в механизмах формирования целостных реакций организма.

Таким образом, помимо классической афферентной системы, называемой специфической, которая несет импульсы в кору мозга, существует вторая афферентная система - неспецифическая. Она представлена восходящей частью ретикулярной формации. Окончания первой системы имеют четкое представительство в определенных проекционных зонах коры и оказывают локальное действие, тогда как окончания второй расположены во всей коре и ее действие в основном диффузно.

Влияя на кору, ретикулярная формация сама испытывает ее постоянное воздействие. Так, в коре существуют специальные пункты, стимуляция которых вызывает торможение определенных участков ретикулярной формации. В результате этого в кору не поступают ненужные сигналы, в том числе и от висцеральных органов. Они блокируются на уровне ретикулярной формации.

В поддержании активности ретикулярных механизмов важную роль играют гуморальные раздражители. По отношению к ним ретикулярная формация обладает высокой чувствительностью. Это обеспечивает ее участие в регуляции висцеральных функций.

5.5.7. Кора больших полушарий

Высшим интегративным центром регуляции протекающих в организме процессов является кора головного мозга.

Более ста лет назад В. Я. Данилевским было установлено, что при электрическом раздражении лобных долей возникают изменения сердечной деятельности и дыхательного ритма. Позже благодаря работам Н. А. Миславского, В. М. Бехтерева и их последователей накоплено огромное количество фактов, свидетельствующих о том, что при раздражении или выключении определенных участков коры больших полушарий можно зарегистрировать изменение функционального состояния любого органа, иннервируемого автономной нервной системой (сердце, мышцы, поднимающие волосы, потовые железы, внутренние мышцы глаза, желудок, кишка, тазовые органы и т. д.). Характерно, что при этом могут быть зарегистрированы противоположные по знаку изменения висцеральных функций, как, например, повышение и снижение кровяного давления, усиление и ослабление кишечной перистальтики и др.

Существует некоторая специализация отдельных областей коры, при стимуляции которых особенно легко возникают корковые влияния на определенные процессы. Особенно большое значение имеют лобные доли коры, из-за чего передние отделы считают высшими центрами автономной иннервации. В двигательных областях коры находится представительство тех висцеральных органов и процессов, которые теснейшим образом связаны с мышечной деятельностью.

Как известно, при мышечной работе происходит увеличение минутного объема сердца и перераспределение крови в организме, которая интенсивно снабжает мышцы. Те же сосудистые эффекты легко воспроизводятся при стимуляции двигательной зоны коры, при этом, кроме того, изменяется состояние системы терморегуляции, также связанной с мышечной деятельностью. Благодаря такой организации достигается необходимая для осуществления нормальной жизнедеятельности интеграция соматических и висцеральных функций. Эта интеграция характеризуется •высокой точностью. Возбуждаемые корой висцеральные процессы, так же как и двигательная активность, находятся в соответствии с индивидуальным опытом животного.

Изменения функционального состояния автономной нервной системы при стимуляции коры сказываются на всех ее отделах. Например, расширение зрачка, возникающее при раздражении премоторной зоны коры, сохраняется у животных после удаления краниального шейного симпатического узла и полностью исчезает только при последующей церерезке глазодвигательного нерва. Следовательно, при стимуляции коры возбуждаются симпатические и тормозятся парасимпатические волокна, иннервирующие радужную оболочку глаза. Бывают и противоположные эффекты. Влияния эти двусторонние, но наиболее отчетливо они выражены на контралатеральной стороне тела.

Многочисленными опытами доказано, что информация о работе внутренних органов при определенных условиях может достигать коры больших полушарий мозга. Данные, полученные В. Н. Черниговским при изучении интероцепции, подтвердили выдвинутое И. П. Павловым положение о существовании особого интероцептивного анализатора, воспринимающего раздражения из внутренней среды организма.

Используя метод условных рефлексов, К. М. Быков и его ученики доказали, что раздражение рецепторов практически всех внутренних органов может оказывать мощное влияние на процессы высшей нервной деятельности. Установлено также, что на основе раздражения рецепторов внутренних органов могут быть выработаны интероцептивные условные рефлексы. Возможности образования висцеральных условных рефлексов наряду с вегетативными сдвигами при различных эмоциях были положены К. М. Быковым в основу концепции существования кортико-висцералъных отношений.

Согласно этой концепции, кора больших полушарий моделирует деятельность подкорковых структур, имеющих непосредственное отношение к регуляции внутренней среды организма. Существенную роль при этом играют прямые и опосредованные через ретикулярную формацию связи коры с гипоталамусом и гипофизом. Часть волокон, по которым осуществляется корковый контроль висцеральных функций, проходит в составе пирамидных путей.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Основной функцией автономной нервной системы является регулирование процессов жизнедеятельности органов тела, согласование и приспособление их работы к общим нуждам и потребностям организма.

Автономная нервная система представляет собой совокупность нервных волокон периферических узлов, состоящих из нервных клеток, центров спинного мозга и ствола мозга. Автономная и соматическая рефлекторные дуги построены по одному и тому же плану и содержат чувствительное, ассоциативное и эффективное звенья. Различие их заключается в том, что эфферентные клетки автономной нервной системы лежат в ганглиях вне ЦНС.

Таким образом, автономная нервная система по составу нейронных звеньев дуги, нисколько не отличающемуся от соматической, совершенно не характеризуется чисто эфферентной природой, как это ей приписывали до недавнего времени. Выдвижение в качестве отличительной черты автономной нервной системы двухнейронности ее центробежных периферических проводников также лишено основания. Доказательством тому является следующее. Преганглионарные симпатические нейроны боковых рогов спинного мозга соответствуют не моторным, а ассоциативным (вставочным) элементам соматической дуги. Моторные же нейроны соматической нервной системы соответствуют эффекторным нейронам периферических автономных ганглиев. Исходя из этого синапс между пре- и постганглионарными волокнами в автономном ганглии аналогичен внутримозговому синапсу между ассоциативным и двигательным соматическим нейронами и отличается от него только топографически: он вынесен на периферию.

Автономная нервная система состоит из трех частей: симпатической, парасимпатической и метасимпатической. Анатомически симпатическая и парасимпатическая части различаются местами выхода из ЦНС. Первая выходит из грудо-поясничного отдела спинного мозга, вторая - из среднего мозга, продолговатого мозга и крестцовой части спинного мозга.

Тело преганглионарного нейрона располагается в сером веществе ЦНС, постганглионарного симпатического - в пара- и превертебральных ганглиях, парасимпатического - в непосредственной близости от эффекторного органа. Весь рефлекторный аппарат метасимпатической нервной системы находится в ганглиях и нервных сплетениях стенок внутренних органов. Большинство висцеральных органов имеет тройную - симпатическую, парасимпатическую и метасимпатическую - иннервацию.

Симпатическая часть возбуждается относительно диффузно, парасимпатическая - характеризуется более ограниченными по областям распространения рефлекторными реакциями. Метасимпатическая часть является высокоорганизованным функциональным ансамблем, наделенным большой степенью автономии и способностью к интегративным процессам.

Симпатический отдел - это система тревоги, система "защиты", система мобилизации резервов, необходимая для взаимодействия организма со средой. Эта мобилизация достигается генерализованным вовлечением в реакцию многих органов и систем. Вероятно, поэтому симпатические ганглии расположены на большом расстоянии от иннервируемых органов и обладают способностью к мультипликации импульсов, что и обеспечивает быструю генерализацию воздействия. Более медленный, но также генерализованный процесс возникает при выбросе в кровь адреналина, образно представляемого в качестве "жидкой симпатической системы". Симпатические импульсы активируют деятельность мозга, мобилизуют защитные реакции: процессы терморегуляции, механизмы свертывания крови, иммунные реакции. Возбуждение симпатической нервной системы - обязательное условие эмоционального состояния и напряжения, оно является также начальным звеном гормональных реакций стресса.

В отличие от этого парасимпатический и метасимпатический отделы представляют системы текущей регуляции физиологических процессов в организме, обеспечивающих гомеостатическое состояние.

Функциональные свойства нейронов метасимпатической нервной системы сопоставимы со свойствами клеток ядерных образований мозга. Первоначальное предположение о функции метасимпатических нейронов как простом переключении информации, получаемой по волокнам из парасимпатического отдела автономной нервной системы, не соответствует действительности. Метасимпатические нейроны, конечно, получают сигналы, передаваемые из ЦНС по парасимпатическим и симпатическим волокнам, однако это лишь один из способов ввода информации. Эта система имеет собственную интегративную цепь для обработки информации, поступающей не только по симпатическим и парасимпатическим путям, но и от рецепторов стенок полых внутренних органов. По существующей концепции метасимпатическую нервную систему рассматривают как независимую систему, которая программирует и координирует двигательную активность и другие функции висцеральных органов, такие как секреция, всасывание. Под ее влиянием находятся местные эндокринные элементы и локальный кровоток, иммунные процессы.

Тонкая координация деятельности всех трех частей автономной нервной системы осуществляется надсегментарными центрами при участии коры больших полушарий головного мозга. В гипоталамической области, этом сложно организованном отделе промежуточного мозга, находятся ядра, имеющие непосредственное отношение к деятельности автономной нервной системы.

Тела чувствительных клеток дуги автономного рефлекса могут располагаться в спинальных и периферических ганглиях. В последнем случае один из отростков клетки направляется в спинной мозг, другой - во внутренние органы. Помимо участия в спинальной дуге рефлекса такие нейроны имеют прямое отношение к местным (периферическим) рефлекторным процессам. Чувствительные волокна в боковых рогах спинного мозга образуют моносинаптические контакты с преганглионарными нейронами, их связь носит полисинаптический характер.

При малой интенсивности раздражения рецептора в реакцию, как правило, вовлекаются лишь местные рефлекторные дуги ганглионарного уровня, что сопровождается соответствующей реакцией исполнительного органа (сосудистые эффекты, изменение перистальтики и др.). С повышением интенсивности афферентного потока последовательно активируются сегментарная, проприоспинальная система, а также восходящие пути, которые вовлекают супраспинальные структуры, связанные с висцеральными функциями. В итоге возникают обширные, или генерализованные, ответные реакции, сопровождающиеся иногда субъективными ощущениями.

Синаптические связи в автономных ганглиях сложны и разнообразны. На одном эффекторном нейроне может оканчиваться несколько отличающихся по функциональным характеристикам преганглионарных волокон. Синаптическая задержка в разных ганглиях составляет от 1 до 10 мс. Она особенно продолжительна в периферических рефлекторных путях.

Возбуждение преганглионарных нервных волокон приводит к выделению из них ацетилхолина. Скорость синтеза передатчика обеспечивает не ограниченную во времени передачу активности при естественной частоте ее следования. В мембранах пресинаптических и постсинаптических структур независимо от того, к какой системе они принадлежат - симпатической, парасимпатической или метасимпатической, содержатся М- и Н-холинорецепторы. Одной и той же клетке могут принадлежать оба вида рецепторов.

В естественных условиях по преганглионарным волокнам непрерывно поступает центробежная тоническая импульсация. Она может следовать либо в виде отдельных импульсов, либо в виде синхронных залпов разрядов, вызывающих в постганглионарном нейроне множество локальных возбуждений.

Постганглионарная клетка дуги автономного рефлекса во многих отношениях напоминает мотонейрон. Это низкий предельный ритм импульсации длительная следовая гиперполяризация, ответы на преганглионарный залп всего одним импульсом и т. п. Сходство еще более усиливается совпадениями функционального назначения, так как обе клетки передают сигналы исполнительным органам, минуя промежуточные инстанции.

В автономной нервной системе известны три вида синоптической передачи: электрическая, химическая, смешанная. Электрические синапсы располагаются преимущественно там, где необходима быстрая передача возбуждения, например в ресничном ганглии птиц. Основную же массу составляют синапсы с химической передачей. Сейчас в автономной нервной системе насчитывается более десяти типов нервных клеток, которые продуцируют разные медиаторы - ацетилхолин, норадреналин, серотонин и другие биогенные амины, АТФ, различные нейропептиды. В связи с этим их принято называть холинергическим, адренергическим, серотонинергическим, пуринергическим нейронами.

Рассматривая вопрос о локализации медиаторных систем в эффекторных путях автономной нервной системы, можно прийти к следующей простой схеме. В симпатической нервной системе передача с преганглионарных на постганглионарные нейроны осуществляется в основном с помощью ацетилхолина, на эффектор - посредством норадреналина. В парасимпатической нервной системе передатчиком возбуждения в обоих звеньях эфферентного пути является ацетилхолин. В метасимпатической нервной системе взаимодействуют оба эти медиатора. Помимо того, медиация в эффекторном нейроне осуществляется преимущественно с помощью серотонина и АТФ.

Существуют и иные варианты. В ганглионарной межнейронной передаче и автономной нервно-мышечной передаче могут участвовать и другие медиаторы, а также биологически активные вещества типа пептидов. Сейчас с деятельностью автономной нервной системы связывают более 20 классических и предполагаемых медиаторов.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Багаев В. А., Ноздрачев А. Д., Пантелеев С. С. Ваговагальная рефлекторная дуга. Элементы структурно-функциональной организации. СПб., 1997.

Баклаваджян О. Г. Центральные механизмы гомеостаза // Частная физиология нервной системы /Отв. ред. П. Г. Костюк. Л" 1983. С. 216-312.

Баклаваджян О. Г. Нейронная организация гипоталамо-висцеральной рефлекторной дуги. Л., 1988.

Блум Ф., Лейзерсон Ф., Хофстедтер Л. Мозг, разум и поведение. М., 1988.

Вейн А. М. Вегетативная нервная система (руководство для врача). М., 1998.

Говырин В. А. Трофическая функция симпатических нервов сердца и скелетных мышц. Л., 1967.

Глазачев О. С. Вегетативная нервная система. Принцип строения. Функция. Методы исследования.М., 1995.

Костюк П. Г., Преображенский Н. Н. Механизмы интеграции висцеральных и соматических афферентных сигналов. Л.,1975. Ноздрачев А. Д. Вегетативная рефлекторная дуга. Л., 1978.

Ноздрачев А. Д. Физиология вегетативной нервной системы. Л., 1983.

Ноздрачев А. Д., Пушкарев Ю. П. Характеристика медиаторных превращений. Л., 1980.

Ноздрачев А. Д., Чернышева М. П. Висцеральные рефлексы. Л., 1989.

Ноздрачев А. Д.. Чумасов Е. И. Периферическая нервная система. СПб., 1999.

Ноздрачев А. Д., Янцев А. В. Автономная передача. СПб., 1995. Нормальная физиология: Курс физиологии функциональных систем / Под ред. К. В. Судакова.М., 1999.

Скок В. И. Физиология вегетативных ганглиев. Л., 1970.

Скок В. И., Иванов А. Я. Естественная активность вегетативных ганглиев. Киев, 1989.

Физиология человека. В 2 т. / Под ред. В. М. Покровского, Г. Ф.Коротько. М., 1997.

Физиология человека. В 3 т. / Под ред. Р. Шмидта, Г. Тевса. М., 1996.

Харди Р. Гомеостаз. М., 1986.

Черниговский В. Н. Нейрофизиологический анализ кортико-висцеральной рефлекторной дуги.Л., 1967.

Шеперд Г. Нейробиология. В 2 т. М., 1987.

Шмидт-Ниельсен К. Физиология животных. Приспособление и среда. В 2 кн. М., 1982. Кн. 2.

Эккерт Р., Рэнделл Д., Огастин Дж. Физиология животных. Механизм и адаптация: В 2 т. М., 1991.

6 ГОРМОНАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ФУНКЦИЙ

ВЕХИ ИСТОРИИ

1533 - Ф. Парацельс (Ph. Paracelsus, наст. имя Филипп фон Гогенгейм - Ph. v. Hohenheim Швейцария) обосновал лечение некоторых заболеваний препаратами из тканей животных и человека.

1855 - К. Бернар (С. Bernard, Франция) предположил, что железы выделяют в кровь "внутренние секреты", оказывающие действие на весь организм.

1855 - Т. Аддисон (Т. Addison, Великобритания), показал, что надпочечники являются жизнено-важными органами, и описал "бронзовую болезнь", возникающую при их повреждении.

1889 - Ш. Броун-Секар (Ch. Brown-Sequard, Франция) на основе опытов с введением вытяжек из семенников основал учение о внутренней секреции.

1901 - Е. Такамйне (J. Takamine, Япония) получил в чистом кристаллическом виде действующее начало надпочечников (мозгового вещества) и назвал его адреналином.

1902 - У. Бейлисс и Э. Старлинг (W. Bayliss, Е. Starling, Великобритания) открыли секретин - первый из гормонов и, таким образом, основали эндокринологию. В 1905 г. по предложению У. Харди (W. Hardy, Великобритания) Старлинг назвал новую группу веществ "гормонами".

1909 - Т. Кохер (Т. Kocher, Швейцария) - Нобелевская премия за открытие роли щитовидной железы и разработку щадящей операции для удаления ее по поводу зоба.

1910 - А. Бидль (A. Biedl, Германия) выпустил первое руководство по физиологии эндокринной системы.

1919 - Д. Кендалл (D. Kendall, США) выделил тироксин и дал ему название.

1923 - Ф. Бантинг (F. Banting, Канада), Дж. Маклеод (J. Macleod, Канада) - Нобелевская премия за открытие инсулина.

1929 - Э. Шаррер (Е. Scharrer, Германия) ввел понятие "нейросекреторная клетка", но его взгляды получили признание только в 1960-е годы.

1931 - У. фон Эйлер и Дж. Гаддам (U. v. Euler, J. Gaddam, Швеция) открыли субстанцию Р - первый из регуляторных пептидов.

1936 - Г. Селье (Н. Selye, Канада) открыл роль гормонов надпочечников (коркового вещества) в процессах адаптации.

1947-Б. Усай (В. Houssay, Аргентина) - Нобелевская премия за исследования гормонов передней доли гипофиза,

1940-1950-е - Г. Харрис (G. Harris, США) описал систему воротного кровоснабжения гипофиза.

1950 - Э. Кендалл (Е. Kendall, США), Т. Рейхштейн (Т. Reichstein, Швейцария) и Ф. Хенч (Ph. Hench, США), - Нобелевская премия за открытие кортикостероидов.

1955 - В. Дю Виньи (V. Du Vigneaud, США)- Нобелевская премия по химии за впервые осуществленный синтез пептидного гормона - окситоцина.

1975 - Хоффер (Hoffer, США) описал циркумвентрикулярные органы - особые области мозга, через которые он получает значительную часть информации о состоянии эндокринной системы.

1971 - Э. Сазерленд (Е. Sutherland, США) - Нобелевская премия за открытие вторичных посредников, в частности, циклического аденозинмонофосфата.

1977 - Р. Гиймен (R. Guillemin, США), Э. Шалли (A. Schally, США) - Нобелевская премия за открытие тиролиберина - первого из известных рилизинг-гормонов гипоталамуса.

1977 - Р. Ялоу (R. Yalow, США) - Нобелевская премия за усовершенствование методов радиоиммунологического исследования пептидных гормонов (RIA).

1970-е - А. А. Галоян (СССР) открыл, что сердце вырабатывает регуляторные пептиды.

1982 - С. Бергстрём, Б. Самуэльсон (S. Bergstrom, В. Samuelsson, Швеция) и Дж. Вейн (D. Vane. Великобритания) - Нобелевская премия за открытие простагландинов.

1986 - С. Коэн (С. Cohen, США) и Р. Леви-Монтальчйни (R. Levi-Montalcini, Италия-США) - Нобелевская премия за открытие пептидных факторов роста.

О организме высших животных координация деятельности органов и тканей осуществляется при участии нервной системы и влияний, оказываемых внутренней средой. В последнем случае принято различать два типа воздействий. Первый из них, названный неспецифическим, охватывает примеры отдаленного действия продуктов тканевого обмена, поступающих в кровь. Второй является строго специализированным и осуществляется системой желез внутренней секреции. Они вырабатывают физиологически активные вещества, которые поступают в кровяное русло. Вещества эти носят название гормонов. Понятие "гормон" является понятием сугубо функциональным, а не химическим. Оно включает целый ряд веществ различной химической структуры, и общим для гормонов является принцип их действия.

Гормональная регуляция - пример эволюционно наиболее древнего химического дистантного и локального контроля. Термин гормон введен Р. Старлингом (1905) для секретина, выделенного из двенадцатиперстной кишки и активирующего через кровь секрецию сока поджелудочной железы. Доказательствами гормональной природы того или иного вещества служат следующие признаки: выделение в кровь; наличие структуры - "мишени"; существование специфического рецептора; связывание с рецептором гормона должно осуществляться концентрационно зависимо и блокироваться соответствующими антагонистами; подавление синтеза гормона или невозможность связи с рецептором должно приводить к отсутствию гормонального эффекта.

Ведущим морфологическим признаком желез внутренней секреции является отсутствие протока, связывающего железу с внешней или внутренней поверхностью организма (рис. 6.1). В связи с этим возник и сам термин - железа внутренней секреции, называемая также эндокринной железой.

Помимо дистантного, осуществляемого через кровь, регуляторного воздействия гормонов, синтезируемые клеткой вещества могут оказывать и более локальное паракринное влияние на соседние клетки через тканевую жидкость (рис. 6.2). Наряду с паракринным гормоном, секретируемым в незначительных количествах в околоклеточное пространство, имеется еще аутокринный гормон. Соответственно эффекты паракринных и аутокринных гомонов локальны, тогда как гормон, выделяемый в кровь и ею транспортируемый, действует дистально. Деление это условно, поскольку одно и то же вещество в зависимости от изоформы молекулы и интенсивности его синтеза может диффундировать недалеко, оставаясь в околоклеточном пространстве, или далее поступать в кровеносный сосуд.

Рис. 6.1 Развитие экзокринных и эндокринных желез

Следует указать также на различие между нейромедиатором, нейрогормоном и паракринным гормоном (рис. 6.3). Как, известно, нейрон в своей соме вырабатывает некое вещество. Если оно выделяется в синаптических окончаниях, то соответствует определению нейромедиатора. Аксон того же нейрона может иметь коллатераль, которая оканчивается на кровеносном сосуде и высвобождает это же вещество в кровоток. В таком случае оно ведет себя как гормон. Из другой коллатерали аксона то же вещество диффундирует в окружающую ткань и действует на соседнюю группу клеток, т. е. обладает паракринным действием. Сходство генома соматических клеток предопределяет возможность секреции этого вещества или его изоформ и в качестве цитокина - гормона подвижных одиночных клеток крови и иммунной системы.

Рис. 6.2 Различия между гормональной (слева) и паракринной (справа) регуляцией

Рис. 6.3 Различие между нейромедиатором, нейрогормоном и паракринным гормоном

Филогенетически первичный голокриновый тип секреции связан с разрушением клетки и выделением всех веществ в окружающую среду (например, тромбоцитами при гемостазе). Другие типы секреции характеризует избирательность выделяемого клеткой вещества или комплекса соединений. Многие из них являются осмотически активными, что позволяет рассматривать секрецию как механизм, предотвращающий разрушение клетки, при повышении внутриклеточного осмотического давления. К осмотически активным веществам относятся связывающие воду ионы (особенно натрия, хлора, калия), белки и пептиды, глюкоза, производные липидов, мочевина и другие вещества, поглощаемые или синтезируемые клеткой. Многие из них могут регулировать осмотическое давление не только в клетке, но и в околоклеточном пространстве, на уровне органа или организма. Другой, не менее важной для существования особи или вида, функцией является регуляция клеточного цикла и роста клеток, а также процессов репродукции. Поскольку эти процессы являются энергоемкими, то многие гормоны регулируют энергетический гомеостаз на разных уровнях. Взаимосвязь этих процессов в значительной мере обусловлена полиэффекторностью многих гормонов, наряду со спецификой их действия.

Эндокринная система организма животных и человека включает комплекс центральных (церебральных) и периферических эндокринных желез, а также другие гормон-продуцирующие структуры. Центральные выделяют тропные гормоны, стимулирующие секреторную активность периферических желез. К центральным относят шишковидное тело, гипофиз и слюнные железы, к периферическим - щитовидную, паращитовидные, вилочковую (тимус), поджелудочную железы, надпочечники и гонады. Сейчас к ним еще добавлены и гормон-продуцирующие структуры: сердце, легкие, печень, почки, сенсорные и репродуктивные органы, а также целые системы: сердечно-сосудистая, дыхательная, мышечная, костная, иммунная, пищеварительная.

Специфика трансмембранных градиентов рН, осмотического давления, концентрации ионов и другие факторы определяют характерные для каждого типа тканей условия экспрессии генов, синтеза и процессинга гормонов. Это приводит не только к различию гормонопоэза (от греч. poiesis - выработка, образование) в разных структурах организма, но и к возможному сходству молекулярных форм гормонов. Последнее обеспечивает возможность быстрой локальной периферической регуляции функций и подключение к ней при необходимости сходных гормонов, дополнительно секретируемых центральными железами. С другой стороны, гормоны или их фрагменты, выделяемые периферическими структурами, с током крови могут попадать в церебральное русло и оказывать стимулирующее или тормозное воздействие на центральный гормонопоэз и функции головного мозга (эмоции, поведение и т. д.). Важно подчеркнуть, что комплексы гормонов, гормонопоэз которых взаимозависим, на всех уровнях организма синтезируются совместно.

Гормоны, синтезируемые центральными и периферическими эндокринными железами, а также нейронами или специализированными нейросекреторными клетками, регулируют в нервной ткани сходные процессы: метаболизм, энергетический обмен, мембранный транспорт, процессы синтеза и выделения веществ, осмотическое давление нейроплазмы, межклеточной жидкости, ликвора, крови и других жидкостных сред. Все это изменяет уровень поляризации нейрональных мембран и, соответственно, активность нервных центров регуляции висцеральных систем и поведения организма.

6.1. ЗНАЧЕНИЕ И МЕСТО ЭНДОКРИННОЙ РЕГУЛЯЦИИ В ОБЩЕЙ СИСТЕМЕ ИНТЕГРАЦИОННЫХ МЕХАНИЗМОВ

Эндокринные железы и выделяемые ими гормоны находятся в тесном взаимодействии с нервной системой, образуя общий интеграционный механизм регуляции. Регулирующее влияние ЦНС на физиологическую активность желез внутренней секреции осуществляется через гипоталамус. Гипоталамус связан афферентными путями с другими структурами ЦНС _ со спинным, продолговатым и средним мозгом, таламусом, базальными ядрами, лимбическими образованиями, отдельными полями коры больших полушарий и др. Благодаря этому в гипоталамус поступает информация от всего организма и передается эндокринным железам.

Таким образом, нейросекреторные клетки гипоталамуса трансформируют афферентные нервные стимулы в гормональные факторы.

Гипоталамические гормоны оказывают влияние на функцию клеток гипофиза ,вырабатывающих ряд тропных гормонов, которые в свою очередь влияют на синтез и секрецию гормонов ряда периферических эндокринных желез оказывают действие на органы или ткани-мишени. Все уровни этой системы взаимодействий тесно связаны между собой комплексами обратных связей.

Важную роль в регуляции функций эндокринных желез играют медиаторы автономных нервных волокон, т. е. существует двойной контроль за деятельностью желез внутренней секреции (рис. 6.4).

Рис. 6.4 Система гормональной регуляции организма позвоночных А - эндокринные железы, не являющиеся органами-мишенями гипофиза-Б - гипоталамо-гипофизарная система; В - эндокринные железы-мишени гормонов аденогипофиза. Висперотропные нейрогормоны: АДГ - антидиуретический гормон, ОТ - окситоцин; гормоны аденогипофиза: АКТГ - адренокортикотропный гормон, ЛГ - лютеинизирующий гормон ПРЛ - пролактин, СТГ - соматотропный гормон, ТТГ - тиреотропный гормон ФСГ - фолликулостимулирующий гормон; гормон промежуточной доли гипофиза-МСГ - меланодитстимулирующий гормон.

6.1.1. Методы изучения функций желез внутренней секреции

Наиболее давним и широко используемым приемом вплоть до настоящего времени является удаление или разрушение органа, который, по предположению, выполняет эндокринную функцию, и прослеживание последствий такой операции. Устанавливают симптомы недостаточности гормонов и затем путем введения экстрактов железы или ее ткани, т. е. путем так называемой заместительной терапии, демонстрируют восстановление нормальных функций. Таким образом доказывается выработка в органе гормона с определенным физиологическим действием. В последние десятилетия расшифрована химическая структура и осуществлен синтез многих гормонов. Очищенные препараты гормона часто используют в качестве заместительной терапии при определении функции изучаемого органа. Экстракты или гормоны исследуют также при введении интактным животным, что позволяет получить дополнительную информацию о функциональном значении этих гормонов. Введение экстрактов эндокринных желез, очищенных препаратов или синтетических гормонов широко используют в клинической медицине прежде всего в случаях нарушения нормальной функции желез. Если функция эндокринной железы недостаточна, гормон можно вводить извне; в тех случаях, когда функция железы не нормализуется, эту заместительную терапию проводят в течение всей жизни больного. В качестве примера можно привести некоторые формы сахарного диабета, возникающего в результате нарушения функции ?-клеток поджелудочной железы; при этом больному вводят гормон поджелудочной железы - инсулин - с постоянным контролем уровня глюкозы.

Кроме удаления эндокринных желез и выполнения заместительной терапии в эндокринологии используют гистофизиологический метод оценки функционального состояния эндокринных органов. При этом изучают изменения в железе на разных этапах жизненного цикла животного или при различных физиологических нагрузках с привлечением специфических гистологических и гистохимических методов, электронной микроскопии, с количественной оценкой показателей функций клеток и тканей.

Большое значение имеет определение содержания гормона в ткани железы и в крови. Для этой цели ранее широко использовали метод биотестирования, состоящий в том, что испытываемый экстракт вводят животному (после удаления у него соответствующей эндокринной железы) и прослеживают возникающие изменения изучаемого биологического эффекта гормона. Количество гормона, которое изменяет такой показатель на определенную величину, называют гормональной единицей. Этот метод требует больших количеств испытываемого материала, сложен и недостаточно точен. Однако для некоторых гормонов (например, для инсулина) гормональные единицы до сих пор используют в качестве количественной меры концентрации. В настоящее время для определения гормонов широко используют радиоиммунологический метод. В радиоиммунологическом анализе используют иммуноглобулины (антитела), которые специфически связывают исследуемый гормон. Связывание гормона антителами высокоспецифично, что позволяет анализировать малые количества гормонов.

Радиоиммунологический анализ весьма точен и чувствителен, причем в течение одного рабочего дня можно обработать несколько сотен проб. Однако с его помощью можно измерять только иммунологическую активность гормона, которая не всегда совпадает с биологической активностью.

В дальнейшем был разработан метод, в котором для связывания гормона используют специфические рецепторы. Это дает возможность получать более точные данные о концентрации гормона.

6.1.2. Понятие о нейросекреции

В гл. 2 уже были приведены сведения о развитии регуляторных механизмов в эволюции. На ранних этапах эволюции возникли нейросекреторные клетки которые способны вырабатывать гормоны, называемые также нейрогормонами. Эти нейросекреторные клетки обнаруживают многие свойства нейронов: они обладают аксоном, дендритами, тельцами Ниссля и нейрофибриллами, способны генерировать и проводить нервные импульсы.

Нейросекреторные клетки обнаружены у беспозвоночных и у всех позвоночных животных. У многих беспозвоночных они локализованы преимущественно в церебральных ганглиях, у насекомых расположены во всех ганглиях ЦНС. У всех позвоночных животных нейросекреторные клетки находятся в головном мозгу в области гипоталамуса, а у рыб они обнаружены также в каудальной части спинного мозга и образуют каудальную нейросекреторную систему. По существу, нейросекреторными являются также клетки мозгового вещества надпочечников и многих перивентрикулярных структур ЦНС.

В процессе эволюции происходит развитие нейросекреторных систем которые состоят из групп клеток, образующих ядра (например, ядра гипоталамуса). От тел нейросекреторных клеток отходят аксоны, составляющие тракт, который оканчивается в нейрогемальной области. Здесь расположены окончания волокон, транспортирующих нейросекрет, и кровеносные сосуды.

Развитые нейросекреторные системы у беспозвоночных и позвоночных животных обнаруживают черты сходства. Так, нейросекреторные клетки мозга насекомых (рис. 6.5) доставляют гормоны путем аксонального транспорта в неирогемальные органы - кардиальные и прилежащие тела. Продукты нейросекреции - проторакотропный гормон (ПТТГ), гормон имагинальной линьки (ГИЛ) - высвобождаются в гемолимфу синусов, окружающих окончания. Прилежащие тела секретируют также ювенильный гормон (ЮГ). В целом это приводит к смене личиночной, куколочной и взрослой стадий метаморфоза (рис. 6.6).

У ракообразных нейросекреторные клетки сконцентрированы в так называемом Х-органе, а их аксоны направляются в нейрогемальный орган - синусную железу, где депонируется нейросекрет. У низших позвоночных, у рыб существуют две нейросекреторные системы: каудальная в спинном мозгу и гипоталамо-гипофизарная. Аксоны нейросекреторных клеток каудальной неиросекреторной системы образуют тракт, оканчивающийся в нейрогемальном органе - урофизе; синтезирующиеся гормоны связываются с белком-носителем.

В гипоталамусе всех позвоночных животных и человека расположен ряд скоплений нейросекреторных клеток, в которых вырабатываются две основные группы гормонов: белковопептидные и моноаминовые - дофамин норадреналин и серотонин.

Нейросекреторные клетки ядер гипоталамуса посылают аксоны в разные неирогемальные области мозга: в продолговатом мозгу это самое заднее поле в гипоталамусе - нейрогипофиз, медиальное возвышение, субкомиссуральные и субфорникальный органы, а также сосудистый орган терминальной пластинки в передней стенке III желудочка. Все они относятся к так называемым циркумвентрикулярным органам мозга, содержат перфорированные капилляры. На уровне этих структур ГЭБ обустроен особым образом. Синтезируемые в гипоталамусе вещества могут через эти капилляры попадать в кровь (церебральный и системный кровоток) и в ликвор. В нейросекреторных

Рис. 6.5 Эндокринная нервная система насекомых и ее роль в процессе линьки (А), а также изменение кутикулы в процессе линьки, приводящие к смене (сверху вниз) личиночной, куколочной и взрослой стадий (Б)

ПТТГ - проторакотропный гормон; ГИЛ - гормон имагинальной линьки; ЮГ - ювенильный гормон.

Рис. 6.6 Взаимодействие гормонов в процессе метаморфоза у насекомых

ПТТГ - проторакотропный гормон; ЮГ - ювенильный гормон.

клетках гипоталамуса, кроме гормонов, синтезируются также белки-носители, транспортирующие гормоны в крови. Возможно, им присущи и другие функции.

В нейросекреторных клетках гипоталамуса хорошо развиты эндоплазматический ретикулум, комплекс Гольджи, образуются элементарные нейросекреторные гранулы, которые с током аксоплазмы перемещаются в отростки клеток. В окончаниях происходит отщепление части молекул гормона от носителя и переход его в кровь. Характерную особенность клеток составляет большое число синапсов на теле и отростках. Функция эффекторных нейросекреторных клеток контролируется большим числом интернейронов. На поздних

Рис. 6.7 Нейрогормональный контроль висцеральных органов

1 - пептидергические нейросекреторные клетки (Нск),

2 - пути к различного типа Нск и нейронам гипоталамуса от супрагипоталамических областей мозга, 3 - катехоламинергические пути к гипоталамическим Нск, 4 - моноаминергические Нск, 5 - нейрогипофиз, 6 - медиальное возвышение, 7 - влияние пептидных аденогипотрофизопных и моноаминовых нейрогормонов на аденогипофиз через портальный кровоток, 8 - аденогипофиз, 9 - пара-аденогипофизарные пути влияния пептидных висцеральных нейрогормонов на нейрогипофиз, 10- поступление катехоламинов из мозгового слоя надпочечников в кровоток, 11 - влияние на шитовидную железу, 12- пути влияния тропных гормонов аденогипофиза, 13 - влияние на кору надпочечников 14- хромафинные клетки мозгового слоя надпочечников, 15 - магистральный сосуд общего кровотока, 16- влияние на эндокринную часть поджелудочной железы- панкреотические островки(Лангерганса), 17 - влияние нейрогормомов на висцеральные органы, 18- влияние на гонаду( половую железу); сплошными линиями обозначены доказанные межнейрональные связи прерыви стыми - предполагаемые связи, стрелками - направление нервного импульса, 19 - пластинка крыши, 20-сосуд.

этапах эволюции в эту регуляцию включаются высшие интегративные центры головного мозга.

Интернейроны головного мозга, иннервирующие нейросекреторные клетки гипоталамуса, собирают афферентные импульсы, которые идут от экстеро- и интероцепторов и сигнализируют об изменениях во внешней и внутренней среде (рис. 6.7). В настоящее врем выяснен механизм двойного контроля в результате взаимодействия пептидных и моноаминовых нейрогормонов на уровне эффектора.

6.2. ГИПОТАЛАМО-ГИПОФИЗАРНАЯ СИСТЕМА

Гипоталамо-гипофизарную систему можно разделить на две основные части: гипоталамо-заднегипофизарную (нейрогипофизарную) систему, в которой вырабатываются нейрогормоны (вазопрессин и окситоцин), и гипоталамо-аденогипофизарную систему, в которой вырабатываются гипофизотропные факторы - либерины и статины. Либерины (рилизинг-гормоны) стимулируют, а статины подавляют секрецию гормонов аденогипофиза (рис. 6.5, 6.8, 6.9). Кроме этих двух основных систем существует нейросекреторная иннервация вегетативных центров ствола мозга и лимбической системы. Проводящие нейросекрет волокна обнаружены и в других структурах головного и спинного мозга.

Рис. 6.8 Гипоталамо-гипофизарноя портальная система На А: либерины и статины, выделяемые окончаниями нейросекреторных клеток в медиальном возвышении, поступают по портальным сосудам в аденогипофиз, где стимулируют или подавляют секреторную активность. На Б: импульсы, поступающие в гипоталамус из разных структур мозга, вызывают в медиальном возвышении секрецию либеринов и статинов.

6.2.1. Гипоталамо-нейрогипофизарная система

Гипоталамо-нейрогипофизарная система состоит из крупных нейросекреторных клеток, которые у высших позвоночных располагаются в двух основных ядрах: супраоптическом и паравентрикулярном. Волокна, проводящие нейросекрет и составляющие гипоталамо-гипофизарный тракт, оканчиваются в нейрогемальном органе - нейрогипофизе, или задней доле гипофиза. В клетках этих ядер происходит выработка висцеротропных гормонов (ранее их называли нейрогипофизарными) - вазопрессина, или антидиуретического гормона (АДГ), и окситоцина. В супраоптическом ядре вырабатывается преимущественно вазопрессин, а в паравентрикулярном - больше окситоцина. Эти гормоны являются нонапептидами, т. е. состоят из девяти аминокислот. У низших позвоночных существует единое преоптическое ядро, в котором вырабатываются гомологи вазопрессина и окситоцина.

Вазопрессин (или антидиуретический гормон - АДГ) - ведущий фактор регуляции осморегуляторной функции почек (табл. 6.1). Он уменьшает мочеотделение и повышает осмотическую концентрацию мочи. Это действие гормона связано главным образом с увеличением проницаемости стенки канальцев для воды. Рецепторы гормона расположены в почечных канальцах. В связи с функциональным значением АДГ его содержание выше у животных, обитающих в аридной зоне (например, у верблюдов), и, напротив, при жизни в условиях высокой влажности АДГ вырабатывается в незначительном количестве (морская свинка).

Окситоцин оказывает влияние на гладкую мускулатуру матки и других органов (семенных протоков, стенки кровеносных сосудов и пр.), стимулирует родовую деятельность. Кроме того, этот гормон вызывает, сокращение миоэпителиальных клеток в молочной железе, стимулируя выделение молока.

Помимо специальных висцеротропных эффектов эти гормоны могут действовать синергично с рилизинг-гормонами, способствуя выходу аденогипофизарных гормонов, т. е. обладают свойствами либеринов.

Та б л и ц а 6.1

Гормоны супраоптического и паравентрикулярного ядер

Гормон

Группа животных

Ткань-мишень

Основное действие

Регуляция секреции

Вазопрессин

Млекопитающие

Почка

Усиление реабсорбции воды

Секрецию стимулирует повышение осмотического давления плазмы или уменьшение объема крови

Окситоцин

Млекопитающие

Матка

Сокращение гладких мышц

Секрецию гормонов у млекопитающих вызывает раздражение сосков при сосании и растяжение шейки матки. Повышенная концентрация прогестерона подавляет секрецию

Аргинин-вазотоцин

Все классы позвоночных

Почка

Усиленная реабсорбция (у четвероногих)

Секрецию стимулирует повышение осмотического давления плазмы или уменьшение объема крови

Мезотоцин

Рептилии, амфибии, двоякодышащие рыбы

Почка

Уменьшение реабсорбции воды

Неизвестна

Гормоны в комплексе с нейрофизином в виде гранул транспортируются из тел клеток по аксонам в нейрогипофиз. Терминали аксонов образуют тесные контакты с капиллярами, в которые выделяются гормоны. Поступившие в кровь свободные от носителя гормоны быстро разрушаются: период их полураспада составляет 2-4 мин, инактивация происходит в печени и почках. Фрагменты молекул более стойки к действию протеаз крови.

Рис. 6.9 Нейрон гипофизотропной зоны, гипоталамуса, образующий либерины

АГ - аденогипофиз, РГ - рилизинг-гормон (фактор)

Молекулы вазопрессина и окситоцина состоят из 9 остатков аминокислот, по двум из которых они различаются. Оба гормона секретируются в меньших количествах и другими структурами нервной системы, клетками вилочковой железы, поджелудочной железы, надпочечников, почек и гонад (половых желез). В геноме гены гормонов различны, что делает возможным раздельную стимуляцию их секреции. Они включают экзоны, кодирующие нонапептид, его транспортер нейрофизин и гликопротеин. Запуск увеличения секреции вазопрессина происходит при действии ряда стрессорных факторов и, в частности, увеличении осмотического давления плазмы крови, ликвора, межтканевой жидкости. Последнее происходит вследствие диеты, обогащенной

осмотически активными веществами (глюкозой, липидами, белками, NaСl), или уменьшения объема жидкости в организме (при лактации, кровопотерях, усиленном потоотделении, диурезе - образовании и выделении мочи, диарее - поносе). Поэтому основными механизмами гомеостатирования осмотического давления, в которых участвует вазопрессин, является уменьшение потерь жидкости через почки и легкие, а также увеличение потребления воды через запуск жажды и питьевого поведения. Нормализации осмотического давления способствует также регуляция вазопрессином концентрации ряда осмотически активных веществ в плазме крови. В разных структурах эти эффекты опосредуются через разные типы рецепторов к гормону.

В гломерулярном слое коры надпочечников вазопрессин увеличивает секрецию альдостерона, обладающего однонаправленным с ним анти-Nа-уретическим эффектом в почечных канальцах. В легких вазопрессин стимулирует секрецию гормона пневмадина, уменьшающего выделение воды на выдохе.

В головном мозгу наряду с регуляцией внутричерепного давления, вазопрессин увеличивает связывание воды глией. Насыщенность нейропиля водой предохраняет нейроны от скачков трансмембранных градиентов осмотического давления. Помимо того, посредством локальной вазоконстрикции и регуляции системного артериального и внутричерепного давлений гормон участвует в перераспределении объема жидкости между структурами.

Уменьшая выделение из организма осмофильных ионов Na+ и Cl-, вазопрессин снижает концентрацию в плазме крови и другого осмотически активного вещества - глюкозы. Как и другие гормоны гипофиза, выделяющиеся при cтpecce, он активирует в мембране нейрона транспортер, переносящий глюкозу в клетку, а также внутриклеточный гликолиз и стимулирует секрецию инсулина, обладающего выраженным гипогликемическим эффектом. Это приводит не только к нормализации осмотического давления, но и к активации метаболизма нейронов, деполяризации их мембран, к повышению возбудимости ЦНС в целом, а также селективно - центра жажды и питьевого поведения гипоталамуса. Выбору адаптивной программы поведения способствует активация вазопрессином механизмов долговременной памяти.

Усиление секреции окситоцина происходит при растяжении матки во время акта родов. Раздражение рецепторов соска во время акта сосания также способствует выделению окситоцина. При этом в "рефлексе выделения молока" афферентное звено представлено нервными путями, а эфферентное - гормональным посредником.

Первый рецептор окситоцина ОТ1 был обнаружен в гладкомышечных элементах матки, а затем и в гипоталамо-гипофизарной системе. Он сопряжен с G-белками, что определяет Ca2+-зависимую стимуляцию окситоцином сокращений матки при родах и миоэпителиальных клеток молочной железы (рефлекс выведения молока), подвижность сперматозоидов, экзоцитоз пролактина, норадреналина, а также и самого гормона. Тормозные эффекты окситоцина опосредуются через рецептор ОТ2.

Циркадная секреция вазопрессина и окситоцина определяет суточную цикличность состояний бодрствования. У человека отмечены два максимума содержания вазопрессина в плазме крови: с 8 до 10 ч и с 16 до 18-20 ч. Во время сна подъемы содержания вазопрессина приходятся на стадию быстрого сна, когда "висцеральная буря" из-за возрастающей гипоксии на предыдущей стадии приводит к появлению десинхронизации в ЭЭГ. При родах анальгезирующее действие окситоцина сочетается с усилением сокращения гладких мышц матки и снижением возбудимости ЦНС. В послеродовой период снижение возбудимости ЦНС ослабляет воздействие стрессорных факторов и воспоминаний о них на кормящую мать, предотвращая невротизацию ребенка. Повышение концентрации окситоцина в плазме крови в недели, предшествующие родам, активирует иммунокомпетентные клетки и процессы в репродуктивных органах.

Эволюция висцеротропных нонапептидных гормонов гипоталамуса. У млекопитающих описаны два основных гормона - окситоцин и аргинин-вазопрессин, и лишь у отдельных животных, например, у свиньи имеется вместо аргинин-вазопрессина лизин-вазопрессин, отличающийся одной аминокислотой. Однако у позвоночных описано девять других нонапептидных гормонов.

У наиболее древних из ныне живущих позвоночных - круглоротых (миноги, миксины) - существует только один гормон - аргинин-вазотоцин. У этих животных он выполняет широкие регуляторные функции. Все другие позвоночные (кроме млекопитающих) также имеют аргинин-вазотоцин. Однако у ряда рыб аргинин-вазотоцин проявляет диуретическое свойство, и лишь с выходом позвоночных на сушу этот гормон приобретает антидиуретическое действие.

В процессе эволюции позвоночных происходит постепенная смена клубочкового диуреза на клубочковый антидиурез (амфибии), а затем возникает канальцевая реабсорбция. По-видимому, у низших позвоночных этот гормон участвует также в регуляции ряда репродуктивных функций, в частности, совместно с мезотоцином и другими гомологами окситоцина влияет на гладкую мускулатуру половых путей, способствуя выходу половых клеток. Таким образом, у низших позвоночных сфера действия этих гормонов более широкая, чем у млекопитающих.

Гомологами окситоцина млекопитающих являются мезотоцин, обнаруженный у амфибий, рептилий, птиц, и другие окситоциноподобные гормоны, найденные у разных семейств рыб.

Предполагают, что наиболее древний гормон - аргинин-вазотоцин; из близкого к нему предкового гормона в ходе эволюции, очевидно, образовались остальные нонапептидные гормоны с более специализированными эффектами.

6.2.2. Гипоталамо-аденогипофизарная система

Основное назначение гипоталамо-аденогипофизарной системы - осуществление связей между гипоталамусом и гипофизом. В 40-50-е гг. XX столетия Г. Харрис обратил внимание на наличие системы воротного кровоснабжения, связывающей гипоталамус с гипофизом. В дальнейшем были выяснены функциональные связи между гипоталамусом и гипофизом. В мелких нейросекреторных клетках гипоталамуса, располагающихся в так называемой гипофизотропной зоне, происходит выработка либеринов и статинов, которые регулируют функцию железистых клеток аденогипофиза. Аксоны нейросекреторных клеток оканчиваются в медиальном возвышении, являющемся нейрогемальной областью гипоталамо-аденогипофизарной системы.

Гормоны из гипофизотропной зоны поступают в аденогипофиз через воротные вены гипофиза. Воротная (портальная) система кровообращения начинается ветвями верхней гипофизарной артерии, которые распадаются на мелкие капилляры. Возвратные ветви этих сосудов сливаются, образуя воротные вены, которые несут кровь к капиллярному сплетению аденогипофиза. Аксоны нейросекреторных клеток гипофизотропной зоны оканчиваются на стенках этих сосудистых петель. Из капилляров гипофизотропные гормоны попадают к своим мишеням - клеткам аденогипофиза, вырабатывающим гормоны (см. рис. 6.3).

Функция железистых клеток гипофиза находится под регулирующим влиянием в основном шести либеринов и трех статинов гипоталамуса (табл. 6.2).

Свое название они получили от названий тех гормонов гипофиза, выделение которых они регулируют. Так, гормон, влияющий на тиреотропные клетки гипофиза, называют тиреотропин-рилизинг-гормоном (ТРГ), или тиреолиберином. Все эти гормоны являются малыми пептидами. Структура большинства гормонов расшифрована и осуществлен синтез ряда из них.

На основе рилизинг-гормона лютеинизирующего гормона созданы различные синтетические аналоги люлиберина, отличающиеся более сильным и длительным действием. Это имеет большое значение для дальнейшего изучения физиологической роли этих веществ и находит применение в клинической медицине, сельском хозяйстве, рыбоводстве.

В последние годы установлено, что некоторые из гипофизотропных гормонов синтезируются не только в гипоталамусе, но и в других отделах мозга и даже в других органах. Например, тиреолиберин у амфибий образуется в коже и в плазме крови. У млекопитающих ТРГ обнаружен также в таламусе, мозжечке и других структурах мозга. Множественную локализацию биосинтеза имеет соматостатин, обнаруживаемый кроме гипоталамуса во внегипоталамических областях мозга, а также в кишке и поджелудочной железе, где он тоже выполняет роль фактора, тормозящего секрецию. Эти вещества обнаружены и у ряда беспозвоночных животных.

Функциональная роль нейрорегуляторных пептидов в тех случаях, когда они вырабатываются вне гипоталамуса, выяснена пока далеко не полно. Возможно,

Т а б л и ц а 6.2

Гипоталамические пептиды- либерины и статины, действующие на аденогипофиз

Фактор

Основные эффекты у млекопитающих

Регуляция секреции

Кортиколиберин

Стимулирует секрецию АКТГ

Секреция стимулируется стрессорными нервными сигналами и подавляется АКТГ

Тиреолиберин

Стимулирует секрецию ТТГ и пролактина

Секрецию усиливает низкая температура тела и тормозят тиреоидные гормоны

Соматолиберин

Стимулирует секрецию СТГ

Секрецию стимулирует гипогликемия

Люлиберин

Стимулирует секрецию ФСГ и ЛГ

У самцов секреция вызывается снижением концентрации тестостерона в крови, а у самок - нервными сигналами и снижением концентрации эстрогенов. Высокая концентрация ЛГ или ФСГ в крови подавляет секрецию

Соматостатин

Тормозит секрецию СТГ и ТТГ

Секреция вызывается физической нагрузкой. Фактор быстро инактивируется в тканях тела

Пролактостатин

Тормозит секрецию пролактина

Секрецию стимулирует высокая концентрация пролактина и подавляют эстрогены, тестостерон и нервные сигналы при сосании

Меланостатин

Угнетает секрецию МСГ

Секрецию стимулирует мелатонин

что в ряде случаев они являются нейротрансмиттерами. Среди гормонов гипоталамуса найдены пептиды, обладающие морфиноподобным действием. Энкефалины и эндорфины играют роль в регуляции поведения. В гипоталамусе обнаружены и другие пептиды - субстанция Р, нейротензин, ВИП (VIP, вазоактивный интестинальный (кишечный) пептид), бомбезин и др. Часть из них ранее выделяли из кишки и считали гормонами, регулирующими ее деятельность. В мозгу они регулируют обмен веществ, церебральный кровоток и пищевое поведение.

В гипоталамусе, как и в других участках мозга, постоянно синтезируются моноамины, являющиеся необходимым звеном нервных и секреторных процессов.

Предполагают, что нонапептидные гормоны оказывают непосредственное влияние на органы-мишени. Гипофизотропные олигопептиды, по-видимому, возникли позже в эволюции в связи с развитием в системе нейрогормональной регуляции эндокринной железы I порядка - гипофиза.

6.2.3. Гипофиз

Гипофиз, или нижний мозговой придаток, является эндокринной железой функции которой регулируются гипоталамическими гормонами. Следовательно, это важный регуляторный центр, который объединяет нервный и эндокринный компоненты координирующей системы организма (рис. 6.10, 6.11).

В эмбриогенезе гипофиз образуется из двух различных зачатков. Из дна воронки промежуточного мозга формируется нейрогипофиз, состоящий у высших позвоночных из медиального возвышения, ножки, или стебля, и задней (нервной) доли гипофиза. Железистая доля, или аденогипофиз, развивается из эпителиального выпячивания крыши передней кишки (гипофизарный карман, или карман Ратке). В процессе развития происходит объединение этих двух частей в единый орган. У рыб, например, тяжи нейрогипофиза пронизывают железистую часть, образуя так называемые корни нейрогипофиза. У млекопитающих задняя доля представляет собой компактное образование, в котором

Рис. 6.10 Связь между нервными и эндокринными механизмами в гипоталамо-гипофизарной системе

Рис. 6.11 Схема, показывающая, как специфические группы клеток передней доли гипофиза с помощью гормонов управляют определенными эндокринными органами, расположенными в разных частях тела АКТГ - адренокортикотропный гормон (кортикотропин); КЛ - кортиколиберин; ЛГ - лютеинизирующий гормон;СЛ - соматолиберин; ЛЛ - люлиберин; ТЛ - тиреолиберин; ТТГ - тиреотропный гормон; ФСГ - фолликулостимулирующий гормон.

Рис. 6.12 Схема частей гипофиза млекопитающих

Аденогипофиз: 1 - дистальная часть, 2 - бугорная часть, 3 - нейрогипофиз, 4 - промежуточная часть.

Рис. 6.13 Секреция гормона белковой природы 1 - ядро, 2 - ядрышко, 3 - эндоплазматический ретикулум, 4 - комплекс Гольджи, 5 - митохондрия, б - секреторная гранула, 7 - базальная мембрана, 8 - эндотелий, стрелками обозначены пути поглощения материала для синтеза гормона, транспорт синтезированного гормона, путь химической информации для направления конечного синтеза от транскрипции ДНК к трансляции РНК.

оканчиваются нейросекреторные волокна, отходящие в основном от клеток супраоптического и паравентрикулярного ядер и содержащие окситоцин и вазопрессин.

Гомолог гипофиза (по происхождению) существует уже у хордовых животных. Это субнейральная железа оболочников, однако неясно, каково ее функциональное значение. Наиболее древние позвоночные животные - круглоротые (миноги, миксины) - имеют гипофиз примитивного строения, но в нем уже вырабатывается большая часть гормонов, характерных для этой железы.

В аденогипофизе различают дистальную, или переднюю, часть, и промежуточную часть. У большинства млекопитающих промежуточная доля слабо развита, а у птиц вообще отсутствует. Эта часть аденогипофиза значительно развита у низших позвоночных. У ряда позвоночных, в том числе и у млекопитающих, существует еще бугорная (тубералъная) часть (рис. 6.12). В гипофизе большинства позвоночных и человека вырабатываются гормоны нескольких семейств. Все они обладают метаболическими и пролиферативными эффектами на уровне периферических желез и других структур.

При удалении гипофиза в организме развиваются симптомы гормональной недостаточности, так как гормоны аденогипофиза в этом случае не оказывают стимулирующего влияния на ряд эндокринных желез и функций.

В аденогипофизе существуют различные типы клеток, каждый из которых вырабатывает соответствующий гормон. С помощью гистологических и гистохимических методов обычно выделяют ацидофильные, базофильные (или цианофильные) и хромофобные клетки. Применение дополнительных методик позволяет провести их последующее подразделение. Ацидофильные клетки вырабатывают гормон роста и пролактин, базофильные клетки - гонадотропины и тиреотропин, хромофобные клетки, по-видимому, являются предшественниками ацидофильных и базофильных клеток.

В последние годы широкое применение нашли иммунохимические методы, при использовании которых происходит реакция с антисывороткой к соответствующему известному гормону. Таким образом, в настоящее время идентифицированы места синтеза всех гормонов аденогипофиза.

Номенклатура типов клеток аденогипофиза зависит от того, какой гормон они вырабатывают. Так, клетка, вырабатывающая гонадотропный гормон, называется гонадотропоцитом, клетка, синтезирующая пролактин, - пролактотропоцитом и т. д.

Образование и выделение гормонов в железистой клетке гипофиза происходит следующим образом. Из капилляров путем микропиноцитоза в клетку проникают вещества, необходимые для синтеза секреторных продуктов. В цитоплазме синтезируются протеины, поступающие в эндоплазматическую сеть, от которой отделяются пузырьки, поступающие в аппарат Гольджи, где происходит конечный синтез секреторного продукта. Созревшие секреторные гранулы поступают в межклеточное пространство (рис. 6.13).

Тропные гормоны аденогипофиза. Четыре гормона из семи (табл. 6.3) оказывают регулирующее влияние на периферические эндокринные железы, поэтому

Таблица 6.3

Тропные гормоны аденогипофиза

Гормон

Химическая природа

Ткань-мишень

Главные эффекты у млекопитающих

Регуляция секреции

Адренокортикотропный гормон (АКТГ)

Пептид п=39

Кора надпочечников

Стимулирует синтез и секрецию стероидов корой надпочечников

Стимулируется кортикоколиберином

Тиреотропный гормон (ТТГ)

Гликопротеин

Щитовидная железа

Усиливает синтез и секрецию тиреоидных гормонов

Стимулируется тирелиберином и подавляется тиреоидными

Гормон роста (СТГ)

Полипептид

Все ткани

(См. табл. 6.4)

Фолликулостимулирующий гормон (ФСГ)

Гликопротеин

Семенные канальцы у самцов, фолликулы

яичников у самок

У самцов повышает образование спермы, у самок стимулирует созревание

фолликулов

Стимулируется люлиберином и подавляется ингибином

Лютеинизирующий гормон (ЛГ)

Гликопротеин

Интерстициальные

клетки семенников (у самцов)

и яичников

(у самок)

Вызывает окончательное созревание фолликулов, секрецию эстрогенов, овуляцию, образование желтых тел, секрецию прогестерона

у самок; усиливает

синтез и секрецию

андрогенов у самцов

Стимулируется люлиберином

Пролактин

Полипептид

п=198

Молочная железа (альвеолярные

клетки)

Стимулирует синтез

белков молока и развитие молочных желез; пробуждает родительский инстинкт

у самок

Находится под посто

янным тормозящим

действием гипотала

мического фактора (пролактостатина); она становится возможной

при повышенной концентрации эстрогенов и пониженной секреции пролактостатина

?-Меланоцитстимулирующий гормон (?-МСГ)

Олигопептид п=13

Пигментные клетки

Повышает синтез меланина в меланоцитах и увеличивает размеры меланофоров (вызывает потемнение

кожи)

Подавляется гипоталамическим факторам (меланостатином)

частично их функции будут рассмотрены в соответствующих разделах, посвященных их органам-мишеням - корковому веществу надпочечников, щитовидной железе и гонадам.

Адренокортикотропный гормон (АКТГ, кортикотпропин) необходим для развития и секреции коры надпочечника (в основном двух ее слоев - пучковой и сетчатой зон). АКТГ стимулирует выработку и секрецию глюкокортикоидов. Для роста и функции третьего слоя коры надпочечника - клубочковой зоны - не требуется влияния АКТГ. В этой зоне вырабатываются минералокортикоиды, и эти процессы регулируются другим путем (см. разд. 6.3.2). В отсутствие АКТГ кора надпочечников подвергается атрофии.

АКТГ представляет собой полипептид из 39 аминокислотных остатков. Осуществлен синтез этого гормона. АКТГ не обладает значительной видоспецифичностью. Концентрация гормона в крови в обычных условиях невысока (0-5 нг/мл), причем наблюдается четкая циркадная ритмика в его секреции. При стрессе уже через несколько минут увеличивается скорость секреции АКТГ и его содержание в крови. АКТГ непосредственно действует также и на другие органы-мишени. В частности, установлено прямое влияние АКТГ на липолиз в жировой ткани, на функции иммунокомпетентных клеток и органов, нервной системы. Один из фрагментов АКТГ обладает инсулотропным эффектом. Синтез и секреция АКТГ регулируются кортикотропин-рилизинг-гормоном гипоталамуса; гормоны коры надпочечника на основании механизма обратной связи также включаются в регуляцию секреции АКТГ.

Тиреотропный гормон (тиреотропин, ТТГ) является гликопротеином, состоящим из двух субъединиц: ? и ? ?-субъединица определяет специфическую биологическую активность гормона, ?-субъединица сходна в ТТГ и гонадотропинах. Тиреотропин стимулирует рост и развитие щитовидной железы, регулирует выработку и выделение ее гормонов - тироксина (Т4) и трийодтиронина (Т3). Тиреотропин, циркулирующий в плазме, связан с ?-глобулином. Метаболизируется ТТГ главным образом в почках. Функция тиреотропоцитов регулируется тиролиберином гипоталамуса. Как и в других случаях, гормоны щитовидной железы также входят в цепи регуляции секреции ТТГ.

Гонадотпропные гормоны у высших позвоночных представлены двумя гормонами с несколько различающейся сферой действия. Фолликулостимулирующий гормон (ФСГ) у самок стимулирует развитие фолликулов в яичниках, самцам этот гормон необходим для развития семенных канальцев и дифференциации сперматозоидов. Лютеинизирующий гормон (лютеотропин, ЛГ) участвует в овуляции, образований желтого тела, стимулирует секрецию половых гормонов стероидогенной тканью яичников и семенников. Однако многие этапы развития, созревания половых клеток, овуляции и спермиогенеза являются результатом синергического действия ФСГ и ЛГ. У низших позвоночных выделяемые гонадотропные гормоны по сфере действия отличаются от ФСГ и ЛГ.

Введение гипофизэктомированным животным гонадотропинов вызывает возобновление развития атрофированных гонад и развитие вторичных половых признаков.

Следовательно, основными эффектами гонадотропинов являются стимуляция развития и созревания половых клеток, стимуляция гаметогенеза, овуляции и стероидогенеза. ФСГ и ЛГ самцов идентичны этим гормонам у самок, т. е. эти гормоны не обладают половой специфичностью.

Оба гормона являются гликопротеинами и состоят из двух субъединиц - ? и ?, как и ТТГ. Гонадотропины различных животных несколько различаются между собой по структуре, в результате чего обнаруживается их таксономическая специфичность. При этом введение гонадотропинов от животных одних классов не оказывает (или оказывает лишь частичное) воздействие на репродуктивную функцию других животных. Это зависит, по-видимому, также от специфичности рецепторов гормонов в гонадах.

Так, гонадотропины гипофиза рыб почти не оказывают влияния на гонады млекопитающих. ЛГ млекопитающих имеет ограниченное влияние на функцию гонад рыб. Секреция ФСГ и ЛГ, очевидно, регулируется одним гонадолиберином - ЛГ-РГ (люлиберином). В состав регулирующей системы входят также половые стероиды и некоторые пептиды. Секреция ЛГ-РГ, в свою очередь, контролируется гормонами периферических желез-мишеней и медиаторами ЦНС.

Эффекторные гормоны аденогипофиза. Эти гормоны оказывают стимулирующее влияние на неэндокринные органы- и ткани-мишени. К этой группе относится три гормона: гормон роста, пролактин и меланоцитстимулирующий гормон.

Гормон роста (ГР, соматотропный гормон, СТГ, соматотропин) - полипептид. У человека он состоит из 191 аминокислотного остатка. Соматотропин отличается высокой видоспецифичностью, поэтому при необходимости замещающей терапии должен вводиться гормон того же вида. ГР имеет ряд эффектов, он стимулирует общий рост тканей, кроме того, имеет ряд метаболических эффектов. Мишенями для ГР являются кости скелета и печень.

ГР стимулирует эндохондральное окостенение - процесс, посредством которого кости растут в длину. В связи с этим для биотестирования ГР использовали изменения ширины эпифизарного хряща большеберцовой кости гипофизэктомированных крыс (тибиатест). С появлением радиоиммунологических методов производят количественное определение ГР, как и других гормонов.

После полового созревания происходит окостенение эпифизарных хрящей, и ГР перестает влиять на рост костей в длину, он способен усиливать лишь периостальный рост кости и рост некоторых тканей. Когда у взрослых людей происходит чрезмерная выработка гормона роста, у них наблюдаются разрастание мягких тканей, деформация и увеличение размеров кистей, стоп, нижней челюсти, внутренних органов. Это заболевание называется акромегалией (от греч. akros - крайний и megas, megalu - большой). Если ГР вырабатывается в избытке в молодом возрасте, когда кости еще способны расти в длину, развивается гигантизм. Напротив, при недостаточности ГР у ребенка рост прекращается по достижении 1 м. При такой гипофизарной карликовости пропорции тела нормальны.

Недавно показано, что эффект ГР, обеспечивающий рост, опосредуется рядом факторов роста в костях и печени, вырабатываемых под влиянием ГР.

Метаболические эффекты ГР многообразны. Весьма важно влияние ГР на белковый обмен и прежде всего усиление им синтеза белков. Гормон обладает анаболитическим действием и оказывает также влияние на обмен жиров и углеводов. Инъекция ГР вызывает падение уровней глюкозы и свободных жирных кислот в плазме, а через несколько часов отмечается их увеличение . Это происходит потому, что проникновение глюкозы в клетки, в обычных условиях усиливаемое инсулином, нарушается, т. е. толерантность к глюкозе, обеспечиваемая инсулином, снижается под влиянием ГР. Повышение концентрации глюкозы происходит в результате увеличения скорости глюконеогенеза под влиянием ГР.

В течение суток наблюдаются колебания концентрации ГР в 10-20 раз, которые связаны с эндогенным ритмом секреции гормона. Максимум секреции ГР отмечается у человека ночью и связан с фазой глубокого сна.

Секреция ГР регулируется соматолиберином и соматостатином. Уровень ГР зависит от соотношения выработки этих двух гипоталамических гормонов, которая, очевидно, регулируется высшими центрами мозга, расположенными в области лимбической системы.

На секрецию ГР оказывает влияние содержание энергетических субстратов в клетках и тканях. Снижение концентрации глюкозы в крови стимулирует секрецию ГР через гипоталамические рецепторы глюкозы. Секреция ГР зависит также от концентрации в крови аминокислот и свободных жирных кислот. Кроме того, секреция ГР усиливается стрессорными стимулами различного характера. Возможно, что это влияние опосредуется центральными адренергическими структурами.

Пролактин (ПРЛ) - полипептид, состоящий из 198 остатков аминокислот. У млекопитающих ПРЛ стимулирует рост молочных желез и секрецию молока. ПРЛ стимулирует синтез белков молока и других его компонентов, а также ускоряет молокоотдачу. Его содержание в крови увеличивается во время акта сосания или при доении под влиянием окситоцина.

У ряда видов млекопитающих (но не у всех) пролактин оказывает также влияние на поддержание существования желтого тела и на активность этого образования. В связи с этим возникло второе название этого гормона - лютеинизирующий гормон (ЛГ). Этот гормон тормозит секрецию ФСГ, у самцов вызывает рост предстательной железы, семенных пузырьков, секрецию семенной жидкости, т. е. вовлекается в регуляцию репродуктивной функции. Пролактин обладает также метаболическим действием, участвуя в регуляции жирового обмена, и оказывает гипергликемический (диабетогенный) эффект.

Пролактин (или пролактиноподобный гормон у низших позвоночных) вырабатывается в гипофизе всех позвоночных, за исключением круглоротых. Эффекты ПРЛ весьма многообразны и могут быть сгруппированы в четыре основных направления.

1. Влияние на водно-солевой обмен, минеральный обмен и осморегуляцию. У ряда видов рыб ПРЛ необходим для жизни в пресной воде. После гипофизэктомии рыбы гибнут, однако они выживают, если им вводить ПРЛ. Часть рыб выживает без гипофиза в пресной воде, но в этом случае наблюдаются нарушения водно-минерального обмена. Показано, что ПРЛ оказывает влияние на проницаемость мембран для воды, снижает отдачу ионов Na+.

2. Влияние на пролиферацию и секрецию клеток эктодермы. Эти эффекты обнаруживаются у всех позвоночных, начиная с рыб. У птиц ПРЛ влияет на образование "зобного молочка", нужного для выкармливания птенцов, влияет на рост перьев и т. д.

3. Участие у позвоночных разных классов в регуляции репродуктивного поведения. Это прежде всего забота о потомстве. Здесь ПРЛ выступает в качестве синергиста половых гормонов. Переход в водную среду для размножения у ряда амфибий также регулируется пролактином.

4. Существенное влияние на жировой обмен, а у ряда низших позвоночных - и на рост.

Таким образом, для ПРЛ характерен чрезвычайно широкий спектр действия, причем его эффекты наиболее разнообразны у низших позвоночных. Очевидно, это весьма древний гормон, функции которого постепенно видоизменялись и специализировались; при появлении млекопитающих ПРЛ стал гормоном, специально регулирующим молочную железу. Однако многие эффекты гормона остались общими - влияние на жировой обмен, водный обмен, репродуктивные функции. Пролактиноподобный гормон низших позвоночных по структуре несколько отличается от пролактина млекопитающих; введение его высшим позвоночным почти не оказывает эффекта. По-видимому, ПРЛ и ГР возникли из одного предшественника, так как эти гормоны близки по структуре, а также имеют и ряд общих эффектов. Гормон, ингибирующий выведение пролактина (ПРЛ-ИГ, пролактостатин), вырабатывается в гипоталамусе. Согласно последним данным, он является дофамином. Кроме того, существует и рилизинг-гормон (ПРЛ-РГ, пролактолиберин). На секрецию ПРЛ, усиливая ее (возможно, через гипоталамус), также влияют стероиды и окситоцин. Секреция пролактина зависит и от продолжительности фотопериода, времени суток.

Меланоцитстимулирующий гормон (МСГ, меланотропин) существует в двух формах - ?- и ?-МСГ, которые являются полипептидами и весьма близки по структуре к АКТГ. ?-форма МСГ человека содержит 13 аминокислотных остатков, ?-форма - 22. Регуляция функции клеток промежуточной доли гипофиза, вырабатывающих МСГ, осуществляется гипоталамическими либеринами МСГ-РГ и статинами МСГ-ИГ.

Основная функция МСГ заключается в стимуляции биосинтеза кожного пигмента меланина, а также увеличении размеров и количества пигментных клеток. Действие МСГ у рыб, амфибий и пресмыкающихся состоит в увеличении пигментации кожи за счет дисперсии меланина в пигментных клетках (меланофорах или меланоцитах). Изменение окраски кожных покровов имеет существенное защитное значение, так как животное может иметь окраску, близкую к цвету окружающей среды. У млекопитающих МСГ участвует в сезонных изменениях пигментации кожи и меха; этот гормон может влиять и на возбудимость нервной системы, участвовать в генезе положительных эмоций. Поскольку меланин является антиоксидантом, подавляющим перекисное окисление липидов, МСГ можно считать гормоном-протектором, защищающим нейроны от перевозбуждения и повреждения активными метаболитами кислорода.

Все гормоны гипофиза оказывают позитивное воздействие на рост, дифференцировку, иммунную активность иммунокомпетентных клеток и органов.

6.2.4. Шишковидное тело

У млекопитающих шишковидное тело (верхний придаток мозга, эпифиз, пинеальная железа) являются частью эпиталамуса. Оно расположено дорсолатеральнее шишковидного углубления стенки III желудочка и на спайке поводков "подвешено" между краниальными холмиками пластинки крыши. От черепа его отделяет затылочный венозный синус. Железа покрыта соединительнотканной оболочкой, внутрь от которой отходят трабекулы, придающие ей дольчатое строение. Клеточный состав железы представлен пинеалоцитами - основными секреторными клетками стромы, опорными клетками, редкими нейронами и нейроглией. Выделяемые железой вещества могут секретироваться в кровь или ликвор III желудочка, оказывая действие на перивентрикулярные ядра гипоталамуса и других структур головного мозга через ликвор и мозговой кровоток. Кроме того, вещества шишковидного тела опосредованно через ЦНС и системный кровоток оказывают действие на периферические органы-мишени, которыми являются многие эндокринные железы.

Значительная роль в регуляции функции шишковидного тела отводится симпатической нервной системе, иннервирующей железу, гипофиз, сосуды, оболочки мозга и т. д. Паравентрикулярные и супрахиазматические ядра гипоталамуса также участвуют в иннервации шишковидного тела. Все эти структуры обладают свето- и магниточувствительностью, олигосинаптически и гормонально они взаимосвязаны друг с другом. Ядра гипоталамуса, активируемые светом, и структуры эпифиза, секреция которого усиливается в темноте, рассматриваются как компоненты экстраокулярной (внеглазной) фотонейроэндокринной системы, контролирующей уровень гормонов в плазме крови и соответствующие функции в зависимости от времени суток и сезона года.

Гормоны шишковидного тела представлены в основном индоламинами, пептидами и белками. Среди индоламинов, производных триптофана, наиболее известны серотонин и мелатонин, которые могут секретироваться и в других тканях и органах. Одним из основных регуляторов их синтеза является норадреналин - медиатор симпатических терминалей и гормон надпочечников.

Выделяясь в ликвор III желудочка, серотонин действует на гипоталамо-гипофизарную систему в условиях стресса, где увеличивает секрецию соматотропина, кортикотропина и пролактина, запускающих защитные реакции организма, и подавляет выход в кровь гонадотропинов и тиреотропина. Серотонин увеличивает секрецию тормозного медиатора ГАМК, что оказывает сомногенный эффект. Помимо того, гормон непосредственно влияет на активацию иммунной системы, облегчая течение воспалительных реакций. Серотонин может соединяться с гемоглобином, препятствуя диссоциации его молекулы под влиянием ультрафиолета.

Второй основной гормон шишковидного тела - мелатонин, также регулирует функции железосодержащего металлопротеина - пигмента меланина. Гормон увеличивает агрегацию меланоцитосом в радужке глаза и эпителии кожи. Таким образом, в темное время года увеличение секреции мелатонина вызывает побледнение кожных покровов, что важно для поддержания определенного уровня синтеза в коже "солнечного" гормона - витамина А. В радужной оболочке глаза эпифизарный и локально синтезируемый в сетчатке мелатонин повышает светочувствительность фоторецепторов. Эти эффекты гормона противоположны действию меланотропина гипофиза, секреция которого растет с увеличением продолжительности светового дня.

Ключевым эффектом мелатонина на гипоталамическом уровне является снижение метаболизма в светочувствительных нейронах супрахиазматических ядер, иннервирующих и активирующих все центры нейроэндокринного гипоталамуса. Это во многом определяет функциональное взаимодействие между эпифизом и гипоталамо-гипофизарной системой. Кроме того, гормон подавляет секрецию гонадолиберина и окситоцина и активирует секрецию соматостатина. Наряду с прямым подавлением синтеза половых стероидных гормонов в гонадах, это приводит соответственно к блоку гаметогенеза и роста, в том числе недифференцированного (онкогенеза). Участие мелатонина в регуляции функций иммунной системы проявляется в активации ее онкостатических функций, а также подавлении первичных проявлений заболеваний, вызванных вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ).

Группа пептидов и белков шишковидного тела регулирует репродуктивные функции посредством контроля секреции гонадотропинов гипофиза и половых стероидов гонад. Гонад отропин, гонад олиберин и антигонадотропины шишковидного тела оказывают на репродуктивную систему реципрокное действие.

Как и комплекс гормонов гипоталамо-гипофизарной системы, гормоны эпифиза оказывают воздействие на метаболизм и процессы роста рядом расположенных структур ЦНС, а также на периферические эндокринные железы. Специфика защитных реакций, запускаемых и регулируемых гормонами шишковидного тела, обусловлена их доминированием в темное время суток и года. Большая скорость кровотока в железе и ее перивентрикулярное расположение, наличие лимбических, обонятельных, гипоталамических, стволовых и симпатических входов, чувствительность к периодическим изменениям магнитного поля и освещенности свидетельствуют о ключевой роли эпифизарных гормонов в суточной и сезонной регуляции функции ЦНС и многих периферических систем организма.

В целом церебральные эндокринные системы - гипоталамо-гипофизарную и эпифиз можно рассматривать как экстраокулярную фотонейроэндокринную систему. Надо заметить, что в сетчатке ганглиозные "выходные" нейроны различаются по организации рецептивных полей. Как остроумно заметил кто-то из исследователей, один тип рецепторного поля ("on-") по центру активируется светом, другой - "засвечивается" темнотой ("off-"). Строго говоря, гипоталамо-гипофизарная система и эпифиз представляют собой аналогичные, но вынесенные за пределы сетчатки структуры. Прямая (для супрахиазматических ядер) и опосредованная (для шишковидного тела) связь с сетчаткой позволяет комплексно оценивать уровень освещенности экстраокулярной системой и локальные перепады интенсивности светового потока. Выход на нейрональные и гормональные эффекты окулярной и экстраокулярных систем мозга позволяет сочетать быстрые и длительные ответные реакции организма в наиболее адаптивном режиме.

6.3. ПЕРИФЕРИЧЕСКИЕ ЭНДОКРИННЫЕ ЖЕЛЕЗЫ

Действие гормонов аденогипофиза (см. разд. 6.2) состоит в основном в регуляции выработки гормонов других эндокринных желез, функция которых тесно связана с деятельностью гипоталамо-гипофизарной системы. Тиреотропин аденогипофиза стимулирует выработку тиреоидных гормонов в щитовидной железе, кортикотропин влияет на секрецию глюкокортикоидов корой надпочечника, а гонадотропины приводят к выработке половых гормонов стероидогенной тканью гонад. В коре надпочечника синтезируются также минералокортикоиды (альдостерон), некоторые андрогены, а в мозговом веществе надпочечника - катехоламины.

6.3.1. Щитовидная железа и паращитовидные железы

Щитовидная железа образуется из выпячивания на вентральной стенке глотки между I и II жаберными карманами. Две пары паращитовидных желез имеют сходное происхождение и локализованы на дорсальной поверхности щитовидной железы. Их некоторые гормоны функционально взаимосвязаны. Основной особенностью щитовидной железы, имеющейся у всех позвоночных, является способность эпителия ее фолликулов поглощать йод из окружающей среды и в комбинации с аминокислотой тирозином синтезировать йод-содержащие тиреоидные гормоны: три- и тетрайодтиронины.

У многих представителей беспозвоночных (моллюски, черви и др.) также существуют структуры, способные к синтезу йод-содержащих факторов. У хордовых животных (ланцетник и др.) на вентральной стенке глотки существует желобок, называемый эндостилем. Его клетки наряду с выполнением пищеварительной функции способны поглощать йод и синтезировать тироксин Т4 и трийодтиронин Т3, которые поступают в кишечник, а затем разносятся кровью по всему организму. Следовательно, эндостиль является железой с экзокринной секрецией.

Основной структурной и функциональной единицей щитовидной железы является фолликул (рис. 6.14). Стенка фолликула образована тиреоидным

Рис. 6.14 Фолликулы щитовидной железы крысы при неактивном (А) и активном (Б) состояниях железы

А - эпителий плоский, фолликулы содержат много коллоида, Б - тиреоидный эпителий высокий, в полости фолликулов мало коллоида.

эпителием, в полости фолликула находится коллоид, в котором образуются тиреоидные гормоны. Фолликулы окружены соединительной тканью с кровеносными сосудами. Щитовидная железа обильно снабжается кровью; по капиллярам поступают компоненты, необходимые для образования гормонов, и выводятся синтезированные гормоны.

У ряда низших позвоночных (круглоротые, костистые рыбы) группы фолликулов лежат разрозненно, и щитовидная железа имеет диффузный характер. В ходе дальнейшей эволюции у других групп рыб и у наземных позвоночных щитовидная железа становится более компактной. У млекопитающих она состоит обычно из двух долей, соединенных перешейком, и локализована в области трахеи. Кроме фолликулов в щитовидной железе млекопитающих обнаружены так называемые парафолликулярные, светлые или С-клетки, вырабатывающие калъцитонин (или тиреокальцитонин). Эти клетки по эмбриональному происхождению отличаются от тиреоидных (тиреоцитов) и у других позвоночных входят в состав ультимобранхиальных телец (зажаберных телец)-скоплений эпителиальных клеток глотки. В связи с этим функции кальцитонина будут рассмотрены отдельно.

Основная особенность клеток щитовидной железы. Это способность щитовидной железы активно извлекать йод из плазмы крови против химического и электрического градиентов, накапливать его и преобразовывать в органически связанный йод и физиологически активные тиреоидные гормоны. Пути биосинтеза тиреоидных гормонов у всех позвоночных сходны. В щитовидной железе под действием тиреотропного гормона вырабатываются два гормона: тетрайодтиронин (тироксин, Т4) и трийодтиронин (Т3). Трийодтиронин вырабатывается в меньших количествах, чем тетрайодтиронин, но значительно превосходит его по активности.

Отличительной особенностью тиреоидных гормонов является содержание йода; Йод поступает в основном с пищей и водой. Т4 содержит четыре атома йода, связанных с тирониновым ядром, Т3 - три атома. Компоненты образования тиреоидных гормонов соединяются с гликопротеином - тиреоглобулином - и поступают в коллоид в полости фолликула. При поступлении в кровь путем протеолиза Т3 и Т4 отщепляются от тиреоглобулина, но в плазме они вновь соединяются с тироксинсвязывающим глобулином и лишь небольшая часть Т3 и Т4 остается в крови в активном состоянии. Степень стимулирующего эффекта тироксина зависит, как правило, от уровня свободного тироксина. Основные данные о синтезе тиреоидных гормонов и их функциях получены в работах с использованием радиоактивного изотопа 131J в качестве метки.

Действие гормонов щитовидной железы. Трийодтиронин и тетрайодтиронин обладают примерно одинаковым действием, но активность Т3 почти в пять раз выше, чем Т4. Эффекты Т4 развиваются через более длительный латентный период; он может превращаться в организме в Т3 путем дейодирования. В связи с этим предполагают, что Т4 может являться прогормоном.

Тиреоидные гормоны имеют широкий спектр действия (табл. 6.4). Их основные эффекты состоят во влиянии на различные обменные процессы, рост и развитие, они участвуют также в адаптивных реакциях (рис. 6.15).

Таблица 6.4

Гормоны, регулирующие энергетический обмен

Гормон

Источник

Химическая

природа

Место действия

Основной эффект

Регуляция секреции

инсулин

Бета-клетки

поджелудочной

железы

Пептид

Все ткани

(кроме нервной)

Повышает поглощение

клетками глюкозы и аминокислот

Стимулируется высокой концентрацией глюкозы и аминокислот, а также глюкагоном; соматостатин

тормозит секрецию

глюкагон

Альфа-клетки

поджелудочной

железы

Пептид

Печень,

жировая

ткань

Стимулирует в печени гликогенолиз и мобилизацию глюкозы, а в жировой ткани -

липолиз

Стимулируется низ

ким содержанием

глюкозы в крови

тироксин

Щитовидная железа

Производное аминокислоты

Большинство клеток,

особенно клетки мышц, сердца,

печени и

почек

Повышает интенсивность метаболизма, термопродукцию; ускоряет рост и развитие; вызывает метаморфоз у

амфибий

Стимулируется тиреотропным гормоном

Норадреналин и адреналин

Хромаффинные

клетки

мозгового

слоя надпочечников

Производные

амино

кислоты

(катехоламины)

Большинство клеток

Усиливают сердечную деятельность, вызыва

ют сужение сосудов,

ускоряют гликолиз,

вызывают гипергликемию и липолиз

Стимулируется симпатической нервной

системой через нервы

внутренних органов

СТГ

Аденогипофиз

Полипептид

Все ткани

Стимулирует синтез

РНК и белка, рост тканей, транспорт глюкозы и аминокислот в клетки, липолиз и образование антител

Стимулируется

выбросом соматолиберина при падении

уровня глюкозы и

повышении концентрации аминокислот,

подавляется соматостатином

глюкокортикоиды

Кора надпочечников

Стероиды

Большинство клеток

Стимулируют мобилизацию аминокислот из

мышц и глюконеогенез в печени, что приводит

к повышению уровня

глюкозы в крови. Обладают противовоспалительным действием

Стимулируется

физиологическим стрессом и биологическими часами при

участии

кортиколиберина и

АКТГ

Рис. 6.15 Связи щитовидной железы у млекопитающих

Фолликул на рисунке щитовидной железы изображен в непропорционально крупном масштабе.

Наиболее выражено влияние Т3 и Т4 на энергетический обмен. В отсутствие тиреоидных гормонов скорость обменных процессов снижается; при их избытке основной обмен в покое может повышаться почти вдвое по сравнению с нормой. Калоригенный эффект наиболее четко выражен у высших позвоночных и проявляется во всех клетках растущего организма, но особенно в клетках нервной системы.

Гормоны действуют путем индукции синтеза ферментов, Na, К-АТФазы и активации митохондриальных энзимов дыхательного цикла, что увеличивает синтез белка и окисление жиров и углеводов. Таким образом, тиреоидные гормоны действуют на разные стороны обмена веществ. У различных животных четко доказана их роль в регуляции минерального обмена. Так, тироксин способствует сохранению градиента электролитов между вне- и внутриклеточной средой. Показана роль тиреоидных гормонов в обмене кальция и магния.

Действие Т3 и Т4 состоит также в повышении чувствительности тканей к катехоламинам; они усиливают гликогенолитическое и гипергликемическое действие катехоламинов. На ряд процессов тиреоидные гормоны оказывают сенсибилизирующее или пермиссивное действие. Т3 и Т4 участвуют в регуляции выделения глюкокортикоидов надпочечниками, гормона роста аденогипофизом.

Тироксин стимулирует общий рост тела, поэтому его недостаток может привести к карликовости. Роль тиреоидных гормонов наиболее четко прослеживается у молодых животных. Недостаток этих гормонов сопровождается нарушением состояния нервной системы, задержкой роста и развития. У человека при недостатке гормонов в эмбриональный период наблюдается тяжелая умственная отсталость.

При связывании гипофизарного тиреотропина с рецептором базальной мембраны клетки фолликула щитовидной железы активируется транспортер тирозина и йодная помпа. Поступающий в клетку тирозин связывает йод с образованием моно- и дийодтирозинов. Они акцептируют на поверхности молекулы тиреоглобулина. Вместе с коллоидными белками при апокриновой секреции они поступают в полость фолликула, где образуется глобулярная структура тиреоглобулина. Последнее способствует превращению тирозинов в три- и тетрайодтиронины. Затем этот комплекс посредством пиноцитоза захватывается из полости клеткой обратно. При захватывании пиноцитозом тиреоглобулин освобождается от йодсодержащих гормонов. В плазме крови энзимы (дейодиназы) отщепляют йод полностью у тирозинов и частично - у тиронинов, что приводит к преобладанию пула трийодтиронинов. Однако тироксин обладает значительно большей эффективностью. В сосудистом русле тиронины транспортируются связывающими их белками крови, которые синтезируются в печени.

Рецепторы йодтиронинов локализованы внутриклеточно, что обеспечивает гормональные эффекты на уровне хроматина ядра и митохондрий. Гормоны активируют экспрессию генов ряда витаминов, сократительных белков, Na, К-АТФазы и энзимов дыхательного цикла. Через поры этой помпы в клетку транспортируется глюкоза, кислород и некоторые аминокислоты.

Таким образом, йодсодержащие гормоны активируют поступление в клетку субстрата окисления и окислителя, а также стимулируют энзиматически сам процесс дыхания. Это обусловливает участие гормонов в регуляции энергетического обмена, а также энергоемких реакций: митоза и мейоза в процессе гаметогенеза, тонуса скелетных мышц и сократительного термогенеза (дрожи), увеличения силы сердечных сокращений, повышения возбудимости ЦНС и генеза отрицательных эмоций, полового и терморегуляторного поведения, метаморфозов (у низших позвоночных животных и насекомых). Это определяет возникновение при гипо- и гипертиреозах соответствующих психозов, расстройств сна, памяти, внимания, репродукции и двигательной активности.

Тиреоидные гормоны оказывают стимулирующее влияние на процессы метаморфоза, что наиболее четко показано на амфибиях. При помещении головастиков лягушки в воду, не содержащую йода, не осуществляется метаморфоз;

добавление йода или тиреоидных гормонов приводило к осуществлению метаморфоза и развитию организма во взрослые формы.

Тиреоидэктомия сопровождается задержкой развития половых желез, что свидетельствует о необходимости тиреоидных гормонов для нормальной половой функции. Они имеют большое значение при сезонных адаптациях у различных животных. При осуществлении приспособительных изменений в организме тиреоидные гормоны действуют совместно с другими гормонами, прежде всего с глюкокортикоидами.

Регуляция концентрации тиреоидных гормонов. Уровень Т4 и Т3 в крови в нормальных условиях варьирует в очень узких пределах. В ситуациях, которые требуют повышенной концентрации тиреоидных гормонов, их секреция соответственно возрастает.

Секреторная функция щитовидной железы, как и других эндокринных желез, регулируется по принципу отрицательной обратной связи (рис. 6.16). При снижении секреции Т3 и Т4 содержание ТТГ в плазме повышается; напротив, концентрацию ТТГ можно снизить введением Т3 и Т4. В систему регуляции входит также гипофизотропная зона гипоталамуса, где вырабатывается ТРГ, стимулирующий выработку ТТГ гипофизом (рис. 6.7, 6.17, 6.18). Тироксин тормозит секрецию ТТГ и, очевидно, ТРГ. Возможно, что накапливающиеся в щитовидной железе тиреоидные гормоны могут подавлять свое собственное образование и выведение Т4 в кровь. Это может быть одним из аутокринных факторов, регулирующих дальнейший синтез гормона. На секрецию Т3 и Т4 оказывают влияние сигналы от терморецепторов.

Патофизиология. Тиреоидные гормоны играют важную роль в регуляции жизненно важных функций организма, изменение уровня их содержания приводит к тяжелым патологическим состояниям. Давно известный синдром диффузного токсического зоба (болезнь Базедова, болезнь Грейвса) возникает из-за образования (очевидно, в вилочковой железе) длительно действующего стимулятора щитовидной железы, который обладает свойствами ТТГ. Его выделение не тормозится механизмом отрицательной обратной связи, и поэтому он неограниченно стимулирует образование тиреоидных гормонов. Этот стимулятор нарушает иммунологические процессы в организме, в связи с чем болезнь Базедова рассматривают как аутоиммунное заболевание.

Рис. 6.16 Прямые и обратные связи в системе нейроэндокринной регуляции 1 - медленно развивающееся и продолжительное ингибирование секреции гормонов и нейромедиаторов, а также изменение поведения и формирования памяти; 2 - быстро развивающееся, но продолжительное ингибирование; 3 - кратковременное ингибирование.

Рис. 6.17 Регуляция активности эндокринных желез центральной нервной системой при участии гипоталамуса и гипофиза

ТЛ - тиреолиберин; СЛ - соматолиберин; СС - соматостатин; ПЛ - пролактолиберин; ГЛ - гонадолиберин; КЛ - кортиколиберин; ТТГ - тиреотропный гормон; СТГ - соматотропный гормон (гормон роста); ПРЛ - пролактин; ФСГ - фолликулостимулирующий гормон; ЛГ - лютеинизирующий гормон; АКТГ - адренокортикотропный гормон ПС - пролактостатин. Сплошными стрелками обозначены активирующие, пунктирными - ингибирующие влияния.

Рис. 6.18 Регуляция уровня тиреоидных гормонов с включением механизмов влияния через терморецепторы и стресс-факторы

Т3 - трийодтиронин, Т4 - тироксин, ТЛ - тиреолиберин, ТТГ - тиреотропин; сплошными стрелками обозначено прямое, стимулирующее влияние различных факторов, пунктирными - торможение по типу обратной связи.

Предполагают, что стимулятор представляет собой антитело к рецептору ТТГ в аденогипофизе. Избыточная продукция тиреоидных гормонов приводит к активации катаболизма белков, в результате чего и может наступить отрицательный азотистый баланс. При этом происходят также нарушение углеводного обмена, торможение перехода углеводов в жиры, усиление мобилизации жира, нарушение водного и минерального обмена, нарушаются процессы окислительного фосфорилирования. Заболевание сопровождается похуданием, тахикардией, повышенной нервной возбудимостью, часто наблюдается пучеглазие (экзофтальм).

Среди других заболеваний, связанных с увеличением продукции тиреоидных гормонов, часто встречается токсическая аденома щитовидной железы (болезнь Пламмера). В этом случае в щитовидной железе образуется доброкачественная опухоль, автономно продуцирующая повышенные количества тиреоидных гормонов. Теоретически возможен также гипертиреоз, связанный с повышением секреции ТТГ; однако такое заболевание наблюдается крайне редко.

Гипотиреоидное состояние связано с пониженной продукцией тиреоидных гормонов. Для гипотиреоза характерно разрастание ткани щитовидной железы. Это происходит потому, что Т3 и Т4 не включаются в необходимой степени (из-за их малого количества) в цепь регуляции обратной связи. В результате продолжается выработка ТТГ, который и приводит к дальнейшему увеличению щитовидной железы. Нарушение секреции тиреоидных гормонов часто связано с недостаточным количеством йода в окружающей среде (эндемический зоб). Развитие этой формы зоба наблюдается в различных районах земного шара, например, в Альпах. В этих случаях введение йода с пищей предотвращает развитие заболевания.

Другие формы гипотиреоза возникают в связи с генетическими нарушениями синтеза тиреоидных гормонов или вследствие аутоиммунного разрушения железы. Гипотиреоз может наблюдаться также при нарушении секреции ТТГ гипофизом и ТЛ гипоталамусом. Синдром врожденной недостаточности щитовидной железы именуется кретинизмом. Снижение окислительных процессов и понижение синтеза белка приводят к задержке роста у детей. У взрослых недостаточность функции щитовидной железы вызывает умственную и физическую отсталость. При этом происходит нарушение белкового (понижение синтеза и распада белка), углеводного (гипогликемия), водного и минерального обмена, наблюдается брадикардия. Резко выраженная форма гипотериоза называется микседемой (от греч. myxa - слизь - и oedema - отек); она сопровождается тестовидным утолщением кожи, связанным с увеличением объема соединительной ткани и задержкой в ней воды, и отложением муциноподобных веществ.

Многие результаты о действии тиреоидных гормонов получены при по удалении щитовидной железы с замещающей терапией тиреоидными гормонами или ТТГ. Определенное значение в изучении физиологии щитовидной железы имело применение различных антитиреоидных веществ, ингибирующих ее функцию. Важную роль здесь играют также особенности цитоморфологии щитовидной железы, выявляемые на основании гистологического и электронно-микроскопического анализа. Однако в настоящее время наибольшее значение имеют методы радиоиммунологического анализа концентраций Т3, Т4 и ТТГ в плазме. Плодотворным методом является введение радиоактивного изотопа 131J (или 123J) и регистрация его поглощения щитовидной железой с получением "карты" распределения его излучения (радиоизотопное сканирование). Так, в частности, возможно определение функции щитовидной железы при различных состояниях организма. Скорость падения радиоактивности в этом случае служит мерой выделения тиреоидных гормонов.

6.3.2. Надпочечник и его гормоны

У млекопитающих надпочечник - это парный орган, лежащий над почкой и состоящий из двух частей, которые различаются по своему происхождению, морфологии и функции, - коркового (коры) и мозгового вещества. Кора развивается из складки целомического эпителия, из которого образуются и гонады. Симпатобласты из брюшных симпатических ганглиев мигрируют в область расположения коркового вещества и в дальнейшем образуют клетки мозгового вещества надпочечников, вырабатывающие катехоламины. Такое происхождение объясняет близость гормонов, выделяющихся в коре надпочечника и в железистой ткани гонад: и те, и другие являются стероидами. Это определяет синергичносты симпатической нервной системы и гормонов мозгового вещества надпочечника.

У низших позвоночных гомологом коры надпочечника является интерреналовая железа - островки железистой ткани, вырабатывающей кортикостероиды. Они разбросаны в ткани головной и отчасти туловищной почки. Хромаффинная ткань, являющаяся гомологом мозгового вещества надпочечника, разобщена с интерреналовой и находится вблизи крупных кровеносных сосудов.

Рис. 6.19

Схема зон надпочечника и вырабатываемые ими гормоны

1 - пучковая зона, 2 - сетчатая зона, 3 - корковое вещество, 4 - мозговое вещество, 5 - клубочковая зона.

В ходе эволюции позвоночных происходила постепенная концентрация структур интерреналовой и хромаффинной ткани и их объединение в одну железу - надпочечник. Уже у рептилий образуется единый парный орган, характерный также и для более высокоорганизованных позвоночных и человека (рис. 6.19). Объединение коры и мозгового вещества в один

орган дает определенное преимущество для регуляции комплексной секреции

стероидов и катехоламинов, например, при стрессе.

Кора надпочечника. У млекопитающих состоит из трех слоев: клубочковой зоны, лежащей снаружи, пучковой зоны и сетчатой, прилежащей к мозговому веществу. Надпочечник имеет обильное кровоснабжение.

Из коры надпочечника выделено около 50 различных стероидов (табл. 6.5). Большинство из них являются промежуточными продуктами синтеза активных гормонов. Основным субстратом для синтеза стероидных гормонов является

холестерин, поступающий в клетки с кровью. В клетках он хранится в виде

Таблица 6.5

Стероидные гормоны

Гормон

Источник

Ткань-мишень

Главные эффекты

Регуляция секреции

Тестостерон (андроген)

Клетки Лейдига

Большинство тканей

Способствует развитию и поддержанию мужских вторичных половых признаков, поведения и сперматогенеза

Стимулируется ЛГ

17?-эстрадиол (эстроген)

Фолликулы яичника, желтое тело

Большинство тканей

Способствует развитию и поддержанию женских вторичных половых признаков и поведения, созреванию ооцитов, пролиферации эндометрия

Стимулируется ЛГ и ФСГ

Прогестерон

Желтое тело

Матка, молочные железы

Поддерживает секрецию желез в матке и стимулирует развитие протоков молочных желез

Стимулируется ЛГ и пролактином

Кортизол (глюкокортикоид)

Кора надпочечников

Печень, жировая ткань, мышцы

Стимулирует транспорт аминокислот из мышц и жирных кислот из жировой ткани в печень. Усиливает глюконеогенез, оказывает противовоспалительное действие

Стимулируется АКТГ

Альдостерон (минералокорикоид)

Кора надпочечников

Дистальные почечные канальцы

Способствует реабсорбции ионов натрия из почечного фильтрата

Стимулируется ангиотензином II

эфиров или других соединений в мембранах, липидных каплях или липосомах, представляющих собою депо холестерина. В процессе синтеза стероидов большую роль играют митохондрии, эндоплазматический ретикулум, комплекс Гольджи. Ряд этапов синтеза стероидов осуществляется в митохондриях, в связи с этим в стероидогенных тканях эти органоиды имеют везикулярные кристы.

В коре надпочечника вырабатываются гормоны, называемые кортикостероидами, или кортикоидами. Они разделяются на две основные группы: глюкокортикоиды, выделяемые пучковой и сетчатой зонами, и минералокортикоиды, образующиеся в наружной клубочковой зоне. Кроме того, в коре надпочечника, главным образом в сетчатой зоне, секретируются небольшие количества половых стероидов, в основном андрогенов.

Состав секретируемых кортикостероидов различается у разных животных; у человека только три кортикоида секретируются в виде гормонов: кортизол (гидрокортизон), альдостерон и в меньшей степени кортикостерон. В крови гормоны находятся в связанном состоянии с белком-носителем - транскортином.

Кортикоиды обладают широким спектром действия. Удаление обоих надпочечников приводит к смерти животного. Основным действием глюкокортикоидов является влияние на углеводный обмен; минералокортикоиды (альдостерон) связаны с балансом электролитов, андрогены регулируют белковый обмен. Такое разделение эффектов кортикостероидов характерно для высших позвоночных.

У млекопитающих требуется введение очень высоких доз глюкокортикоидов, чтобы выявить их минералокортикоидный эффект, а глюкокортикоидное действие альдостерона выражено столь слабо, что практически равно нулю. Однако у низших позвоночных такого четкого разделения влияний кортикостероидов нет. У большинства рыб в интерреналовой железе вообще не вырабатываются минералокортикоиды; в этом случае глюкокортикоиды обладают более широким спектром действия и кроме влияний на углеводный обмен оказывают минералокортикоидное действие. Лишь с выходом позвоночных на сушу у амфибий начинает в больших количествах вырабатываться альдостерон и в дальнейшем ходе эволюции развиваются специфические эффекты двух групп кортикостероидов.

Эффекты глюкокортикоидов. Влияние глюкортикоидов весьма разнообразно. Выявляется оно наиболее четко у животных после удаления надпочечников (адреналэктомии) и введения альдостерона. Так, синтез глюкозы из аминокислот - глюконеогенез - находится под регулирующим влиянием кортизола. У этого гормона несколько путей влияния, но преимущественно его воздействие осуществляется за счет увеличения активности ряда ферментов, необходимых для глюконеогенеза. Глюкоза, вырабатываемая в результате введения кортизола, восполняет запасы гликогена в печени, истощенные после удаления коры надпочечника. Таким образом, кортизол увеличивает образование и отложение гликогена в печени и мышцах и повышает уровень глюкозы в крови.

Глюкокортикоиды обладают катаболическим действием. Они тормозят синтез белков в периферических тканях и усиливают их катаболизм. Аминокислоты, поступающие в печень в результате катаболизма белков, служат субстратом для глюконеогенеза. Избыток кортизола приводит к атрофии мышц. В отсутствие глюкокортикоидов нарушаются мобилизация и выделение жирных кислот из жировой ткани, т. е. липолиз. Благодаря повышению кровотока в клубочках и усилению клубочковой фильтрации кортизол обеспечивает экскрецию воды. Он обладает также специфическим влиянием на экскрецию мочи - снижает проницаемость для воды дистального отдела почечных канальцев.

При недостаточности коры надпочечника наблюдается мышечная слабость, проявления которой снижаются при введении кортизола.

В головном мозгу обнаружены многочисленные рецепторы глюкокортикоидов, благодаря чему эти гормоны оказывают разнообразное действие на функции ЦНС и органов чувств. При недостаточности коры надпочечников нарушается способность различать оттенки вкусовых, обонятельных и звуковых ощущений;

введение глюкокортикоидов способствует нормализации функции. Глюкокортикоиды, видимо, влияют на процессы обработки информации в центрах мозга,. регулируя интеграцию сенсорных импульсов, хотя механизм их влияния пока не ясен.

Глюкокортикоиды оказывают значительное влияние на клеточный и гуморальный иммунитет. При снижении активности коры надпочечников происходит увеличение вилочковой железы и лимфатических узлов. Введение глюкокортикоидов нормализует функции этих органов. Кортизол обладает четким противовоспалительным действием, в связи с чем его применяют при лечении ревматических заболеваний. Однако в условиях хронического стресса длительная секреция кортизола приводит к разрушению краевой зоны вилочковой железы и вторичным иммунодефицитам.

Концентрация глюкокортикоидов поддерживается в течение более или менее длительных периодов времени на постоянном уровне за счет специальных регуляторных механизмов, хотя существуют циркадные колебания. Например, у человека продукция кортизола максимальна в утренние часы и снижена ночью. Около 90% глюкокортикоидов связано с белками крови.

Регуляция секреции глюкокортикоидов. Схема регуляции секреции глюкокортикоидов такова. Кортиколиберин, образованный в гипофизотропной зоне гипоталамуса (см. разд. 6.2), поступает в гипофиз и вызывает выделение АКТГ. Последний доставляется кровью к коре надпочечника, где он стимулирует синтез и секрецию глюкокортикоидов (рис. 6.20). Введение АКТГ крысе уже через 2 мин приводит к увеличению уровня глюкокортикоидов. Секреция кортиколиберина в гипофизотропной зоне гипоталамуса находится под контролем автономной нервной системы. Кроме того, глюкокортикоиды по механизму отрицательной обратной связи подавляют его образование.

Рис. 6.20 Секреция глюкокортикоидов и их действие

Так, введение глюкокортикоидов в гипофизотропную зону вызывает снижение секреции АКТГ. Секреция АКТГ изменяется также при инъекции стероидов в аденогипофиз. Очевидно, что в гипофизотропной зоне и в гипофизе располагаются рецепторы глюкокортикоидов. Возможно, АКТГ способен и непосредственно ингибировать свою собственную выработку через так называемую короткую цепь обратной связи. При этом этот гормон влияет на функцию нейросекреторных клеток, вырабатывающих либерин.

Патофизиология. Из анализа эффектов глюкокортикоидов следует, что повышение и снижение выработки этих гормонов приводят к серьезным нарушениям функций организма. В результате повышенного содержания кортизола наблюдаются ожирение, гипергликемия, усиленный распад белков (катаболическое действие), задержка воды и хлорида натрия в организме (отеки), гипертензия, пониженная резистентность.

При недостаточности функции коры надпочечников, снижении выработки кортикостероидов развивается тяжелое состояние - аддисонова (бронзовая) болезнь. Она характеризуется гиперпигментацией кожи и слизистых оболочек (бронзовый оттенок), ослаблением сердечной мышцы, артериальной гипотензией, повышенной утомляемостью, восприимчивостью к инфекциям, нарушениями водно-солевого обмена.

6.3.3. Гонады и половые гормоны

В гонадах происходит развитие и созревание половых клеток, а также выработка половых гормонов.

Процессы развития, созревания половых клеток и размножения значительно различаются у разных позвоночных, в связи с чем наблюдаются особенности и в механизмах их гормональной регуляции. У рыб, амфибий, рептилий и птиц в яйцах накапливается желток, необходимый для развития эмбриона, которое протекает в большинстве случаев вне тела самки. Большой сложности достигает репродуктивная система млекопитающих (см. гл. 14), у которых развитие эмбриона происходит в теле самки. У большинства видов млекопитающих образуется плацента - специальный орган, обеспечивающий развитие плода и вырабатывающий собственные гормоны.

В осуществлении функции размножения принимает участие ряд гормонов гонад, однако основное значение имеют стероиды. Их можно разделить на три основные группы: эстрогены (от греч. oistros - неистовое желание, страсть и -genes - вызывающий), гестагены (от лат. gesto - носить, быть беременной и греч. -genes) и андрогены (от греч. aner, andros - мужчина и -genes). Гормоны первых двух групп называют также женскими половыми гормонами, важнейшими из них являются эстрадиол, эстрон и прогестерон. Третья группа - мужские половые гормоны. Из них наиболее значим тестостерон. Прогестерон является предшественником глюко- и минералокортикоидов, а также андрогенов. Причем эстрогены служат производными тестостерона. Это объясняет особенности состава пула половых стероидов в коре надпочечников и гонад (мужских и женских).

Пути синтеза и обеспечивающая их система ферментов обнаружены у всех позвоночных и некоторых групп беспозвоночных животных. Это указывает на значительную древность, стабильность и универсальность половых стероидов, играющих важную роль в обеспечении репродукции и, следовательно, в сохранении вида.

Действие половых стероидов. Гормоны, образующиеся в гонадах, способствуют эмбриональной дифференцировке (у млекопитающих) и последующему развитию половых органов (рис. 6.21). В дальнейшем они определяют половое созревание и развитие разнообразных вторичных половых признаков. Половые стероиды регулируют процессы, связанные с синтезом желтка в ооцитах и овуляцией, а у млекопитающих также индуцируют изменения в эндометрии

Рис. 6.21 Регуляция секреции и эффекты женских половых гормонов у млекопитающих

матки, предшествующие имплантации яйцеклетки после ее оплодотворения и обеспечивающие нормальное протекание беременности (прогестерон). Совместно с другими гормонами половые стероиды вызывают изменения молочных желез, необходимые для секреции молока.

В опытах на крысах показано, что если на ранних этапах эмбриогенеза блокировать секрецию тестостерона, у плода-самца развиваются гениталии (половые органы) самки. Если на этих стадиях развития плоду-самке ввести тестостерон, происходит частичное развитие гениталий самца. Путем воздействия половыми стероидами на развивающиеся эмбрионы ряда рыб получают фенотипических самок из генотипических самцов и наоборот. В результате соответствующих воздействий формируются популяции, состоящие только из самок или из стерильных особей. У эмбрионов женского пола в период внутриутробного развития яичники не обладают гормональной активностью.

Половое созревание. Половые стероиды оказывают значительное влияние на развитие и созревание половых клеток. Эстрогены стимулируют Синтез белка вителлогенина в печени, который включается в ооцит и образует желток, необходимый для роста и развития эмбриона. В опытах на лягушках в ооцитах которых еще не началось накопление желтка, показано, что введение эстрадиола уже через 12-24 ч приводило к синтезу вителлогенина.

Половыми стероидами контролируется развитие весьма разнообразных вторичных половых признаков, обеспечивающих процесс размножения. Так, брачный наряд рыб и других животных, развитие рогов и других образований определяются половыми стероидами. После удаления яичников или семенников у взрослых особей различных животных (от рыб до млекопитающих) наблюдается обратное развитие вторичных половых признаков. Эти эффекты были четко показаны на птицах в опытах М. М. Завадовского (рис. 6.22).

В период полового созревания усиливается эндокринная активность гонад у девочек и мальчиков. Под влиянием гонадотропинов, эстрогенов и гестагенов у девочек и андрогенов у мальчиков происходит развитие и созревание половых органов. Тестостерон необходим также для осуществления сперматогенеза.

Рис. 6.22 Влияние пересадки половых желез на вторичные половые признаки у кур I - петух и курица, II - кастрированные петух и курица, III - кастрированный петух с пересаженным яичником и кастрированная курица с пересаженным семенником.

У женщин половые гормоны вызывают изменения миометрия, характерные для менструального цикла. Эстрогены обусловливают пролиферативную фазу, во время которой утолщается слизистая оболочка и происходит развитие желез эндометрия. После овуляции под влиянием прогестерона железы эндометрия вступают в секреторную фазу, что создает возможность имплантации оплодотворенной яйцеклетки. В дальнейшем благодаря прогестерону поддерживается

нормальное развитие плода.

Экстрагенитальные эффекты половых гормонов. Эти эффекты разнообразны. Так, андрогены обладают анаболическим эффектом. Они усиливают синтез сократительных белков, чем объясняется, в частности, значительное развитие мускулатуры у самцов. Для прогестерона характерен катаболический эффект. Прогестерон усиливает основной обмен, что сопровождается повышением пороговых температур, потоотделения и расширением сосудов. Поэтому прогестерон повышает базальную температуру тела, измеряемую утром, в покое.

Во взаимодействии с другими гормонами половые стероиды влияют на рост костей. Под их действием приостанавливается рост благодаря окостенению эпифизарных хрящей. При недостаточности андрогенов гормон роста продолжает влиять на неокостеневшие, эпифизы, усиливая рост, что приводит к развитию евнухоидного гигантизма.

Влияние на половое поведение. Уровнем тестостерона в значительной степени определяется агрессивное поведение самцов разных животных. Например, в популяциях некоторых рыб (колюшка), где устанавливается социальная иерархия, у доминирующих особей выявлен наиболее высокий уровень тестостерона. Как и у других рыб, эти особи имеют преимущества при размножении. Та же ситуация наблюдается в популяциях других животных (птицы, ластоногие, копытные и др.).

Половые гормоны имеют важное значение для осуществления заботы о потомстве, которая выражается весьма разнообразно. Так, например, постройка и охрана гнезда у многих рыб контролируется половыми стероидами. Под влиянием половых стероидов происходит также выработка ряда феромонов, в частности тех, которые необходимы при осуществлении процесса размножения.

Периоды размножения у различных животных обычно имеют сезонную цикличность. В тропиках при постоянно высокой температуре возможно многократное размножение ряда рыб. Оно возникает по мере развития и созревания последовательных порций половых клеток. Самки млекопитающих (кроме человека и других приматов) спариваются только в определенные периоды, длительностью в несколько дней. Эти периоды совпадают с изменениями в слизистой оболочке половых органов (эструс, течка). При имплантации эстрогенов в гипоталамус вне периода размножения развивается течка с характерным поведением; это четко демонстрирует роль половых стероидов. У самок приматов существует менструальный цикл, в середине которого перед и после овуляции наблюдается наибольшая половая активность.

Уровень половых гормонов в половом цикле. Уровень половых гормонов в половом цикле у позвоночных животных подвержен значительным колебаниям. В процессе развития ооцитов под влиянием гонадотропина гипофиза усиливается секреция эстрадиола, который приводит к синтезу вителлогенина. Этот белок поступает в кровь и под влиянием гонадотропных гормонов (ГТГ) включается в ооцит. Таким образом образуется желток. После завершения накопления желтка уровень эстрадиола снижается. Гонадотропные гормоны в более низких концентрациях периодически поступают в кровь. У самцов под влиянием гонадотропинов повышается уровень тестостерона; этот гормон необходим при осуществлении сперматогенеза и спермиации. Уровень половых гормонов оказывает влияние на секрецию гонадотропина гипофизом и на продукцию ГТГ в гипоталамусе; взаимодействия осуществляются с помощью механизма отрицательной обратной связи.

У низших позвоночных отсутствует такое разделение функций гонадотропных гормонов, как это наблюдается для ФСГ и ЛГ у млекопитающих. У рептилий обнаружены ФСГ и ЛГ, и сфера их действия близка к тому, что происходит у млекопитающих.

Концентрация половых стероидов существенно меняется на протяжении Менструального цикла у женщины. Во второй трети цикла уровень эстрогенов резко повышается, а затем падает. В конце цикла повышается уровень прогестерона (рис. 6.23).

Рис. 6.23 Менструальный цикл приматов

ЛГ - лютеинизирующий гормон, ФСГ - фолликулостимулирующий гормон, Э - эстрогены.

Секреция женских половых гормонов регулируется гонадотропными гормонами гипофиза - ФСГ и ЛГ. Под влиянием ФСГ в начале менструального цикла происходит созревание первичного фолликула, увеличивается концентрация эстрадиола. Секреция эстрадиола регулируется совместным влиянием ЛГ и ФСГ. В середине цикла уровень ЛГ резко повышается, что приводит к разрыву фолликула, овуляции и превращению фолликула в желтое тело Во время овуляции происходит также повышение уровня ФСГ. Очевидно, ФСГ принимает участие в регуляции этого процесса. Латентный период со времени пика ЛГ до овуляции составляет от 24 до 36 ч. Желтое тело под влиянием ЛГ вырабатывает прогестерон, концентрация которого резко повышается сразу же после овуляции. Регуляция секреции ФСГ и ЛГ осуществляется рилизинг-гормоном ЛГ-РГ

(люлиберином). Этот гормон (или ГТГ-РГ) регулирует секрецию ЛГ и ФСГ. Секреция ЛГ-РГ, как показано на обезьянах, носит эпизодический характер. Фазы усиленной секреции длительностью в несколько минут разделены 1-1,5-часовыми интервалами; в это время секреция ЛГ-РГ незначительна. Под влиянием импульсной секреции ЛГ-РГ в преовуляторной фазе скорость секреции ФСГ нарастает, а по мере созревания фолликула увеличивается секреция эстрогена. В опытах доказана роль эстрогенов в стимуляции выведения гонадотропинов, т. е. в этот период существует положительная обратная связь.

После овуляции происходит повышение уровня прогестерона. В этот период два половых гормона - эстрадиол и прогестерон - обеспечивают механизм отрицательной обратной связи, т. е. повышение уровня этих гормонов приводит к торможению выделения ФСГ и ЛГ и, таким образом, препятствует

созреванию следующего фолликула (см. рис. 6.23).

На секрецию ЛГ-РГ существенное влияние оказывает состояние различных отделов ЦНС, прежде всего лимбической системы и преоптической области гипоталамуса. В связи с этим понятны влияния разнообразных факторов (стресс) на менструальный цикл. У многих животных осуществление различных этапов полового цикла связано с изменением продолжительности фотопериода (светового дня) и показателей температуры; эти влияния также, очевидно, осуществляются через упомянутые структуры нервной системы.

Торможение овуляции. Торможение овуляции может быть достигнуто путем введения экзогенных эстрогена и прогестерона, которые в начале цикла тормозят секрецию ЛГ-РГ посредством отрицательной обратной связи. В результате не возникает пика ЛГ и не происходит овуляции. Этот механизм используют при применении некоторых контрацептивных средств.

Течка (эструс). У самок млекопитающих перед спариванием возникает особое состояние, соответствующее периоду половой активности и совпадающее по времени с созреванием фолликулов в яичниках. При течке происходит выделение отторгающихся клеток эпителия влагалища, иногда сопровождающееся

кровотечением (например, у собак). У женщин кровотечение во время овуляции отсутствует. Кровотечение связано с разрушением части эндометрия матки. Оно возникает через две недели после овуляции и происходит при резком снижении уровня половых гормонов.

Основные черты гормональной регуляции беременности, родов и лактации. После оплодотворения яйцо перемещается в матку и развивающаяся бластоциста (зародышевый пузырек) внедряется в ее стенку (см. разд. 13.10). Для имплантации яйца необходимы прогестерон и эстрогены. После этого часть бластоцисты (трофобласт) вместе с прилегающим участком эндометрия матки образует плаценту, благодаря чему обеспечивается связь кровоснабжения матери и плода. В одной из оболочек - хорионе - вырабатываются собственные гормоны - хорионический гонадотропин (ХГ, у обезьян и человека) и плацентарный лактогенный гормон (ПЛГ).

Хорионический гонадотропин - гликопротеин, близкий к ЛГ, его роль состоит в поддержании функциональной активности желтого тела и усилении секреции прогестерона на ранних этапах беременности. Плацентарный лактогенный гормон имеет сходное строение молекулы с СТГ. Физиологическая роль ПЛГ состоит во влиянии на процессы метаболизма при беременности.

Таким образом, важнейшей особенностью эндокринологии репродуктивной системы у плацентарных млекопитающих (включая человека) является образование плаценты, необходимой при внутриутробном развитии плода. В этом временном образовании, обеспечивающем дополнительные гомеостатические механизмы и тонус гладкой мускулатуры матки, вырабатываются собственные гормоны белковой природы - ХГ, ПЛГ и релаксин (образуется в материнской части плаценты), а также осуществляется частично синтез стероидов.

Высокий уровень прогестерона при беременности препятствует разрушению эндометрия. К концу 1-го месяца развития плода желтое тело дегенерирует. К этому времени плацента берет на себя выработку прогестерона и эстрадиола, необходимых для осуществления беременности. Плацента прекращает свое существование во время родов.

Хорионический гонадотропин поступает в жидкости организма уже с 9-12 сут беременности. Поэтому для ее ранней диагностики используют тесты с введением мочи рыбам в преднерестном состоянии, самцам лягушки или грызунам. При наличии ХГ происходит овуляция или спермиация у этих животных.

При родах обычно наблюдается падение уровня прогестерона, а это увеличивает готовность матки к сокращению, возрастает уровень окситоцина. Релаксин вызывает разрыхление лонного сочленения. Важным фактором, влияющим на начало родов, является также усиление секреции глюкокортикоидов плодом в конце беременности. Глюкокортикоиды стимулируют образование эстрогена из прогестерона в плаценте, в результате чего концентрация прогестерона падает, а концентрация эстрогена повышается. Следствием этого служит выделение простагландина Е, что повышает чувствительность матки к окситоцину и стимулирует ее сокращение.

При половом созревании под влиянием эстрогенов происходит развитие молочной железы. С наступлением беременности под влиянием повышения уровня эстрогена формируются дистальные альвеолы и дольки железы. В этом процессе участвуют ряд гормонов - пролактин (у человека также ПЛГ), инсулин, тироксин, кортизол. Секреция молока начинается после родов, и его выделение стимулируется сосанием. При этом окситоцин способствует сокращению миоэпителиальных клеток в альвеолах молочной железы.

Регуляция уровня полового гормона у мужчин. Уровень мужских половых гормонов довольно постоянен и регулируется с помощью обычного механизма отрицательной обратной связи (рис. 6.24). Повышение уровня тестостерона тормозит секрецию ЛГ, по-видимому, путем торможения выделения соответствующего рилизинг-гормона в гипофизотропной зоне гипоталамуса (рис. 6.25).

Фолликулостимулирующий гормон регулирует дифференцировку сустентоцитов (клеток Сертоли) семенников и образование первичных сперматогониев. В этих клетках находятся рецепторы ФСГ, через которые активируется выработка андрогенсвязывающего белка (АСБ). Комплекс тестостерона с этим белком оказывает влияние на сперматогенез. В клетках семенников предполагают выработку полипептида ингибина, который снижает секрецию ФСГ и ЛГ-РГ.

Рис. 6.24 Регуляция секреции тестостерона и его действие

Рис. 6.25 Регуляция уровня тестостерона и процесса сперматогенеза

ЛГ-РГ - гонадолиберин; сплошными стрелками обозначено усиление секреции, пунктирными - торможение по типу обратной связи.

Патофизиология. При нарушении развития гамет возникает бесплодие. При хромосомных аномалиях в одних случаях (ХО) не развивается ни мозговое, ни корковое вещество первичной гонады, в других (XXY) появляется неправильное развитие семенников при женском фенотипе. Одновременное развитие зачатков мужской и женской гонад приводит к истинному гермафродитизму (у человека наблюдается в редких случаях).

Нарушение секреции половых стероидов сопровождается разнообразными патологическими отклонениями в органах половой сферы и во всем организме. Чаще встречается гипофункция стероидогенной ткани. При этом наблюдаются продолжительный рост, евнухоидное строение тела и другие нарушения.

6.4. ЭНДОКРИННЫЕ ЖЕЛЕЗЫ, ФУНКЦИОНИРУЮЩИЕ БЕЗ ПРЯМОГО РЕГУЛЯТОРНОГО ВЛИЯНИЯ ГОРМОНОВ ГИПОФИЗА

Ряд эндокринных желез синтезирует и выделяет гормоны без прямого регуляторного влияния гормонов гипофиза. К этим гормонам относятся адреналин и норадреналин, вырабатываемые в мозговом веществе надпочечника, минералокортикоид альдостерон, синтезируемый в клубочковой зоне коры надпочечника, паратгормон, образующийся в паращитовидных железах, кальцитонин, вырабатываемый в ультимобранхиальных тельцах низших позвоночных (или С-клетках щитовидной железы млекопитающих), а также гормоны поджелудочной железы - инсулин и глюкагон.

6.4.1. Симпатоадреналовая система

Основными гормонами симпатоадреналовой системы являются адреналин (эпинефрин) и норадреналин (норэпинефрин). Оба они относятся к катехоламинам. Эти гормоны секретируются в мозговом веществе надпочечника и в симпатических нервных окончаниях.

В эмбриогенезе мозговое вещество надпочечника и симпатическая нервная система развиваются из одного зачатка. Секреторные клетки мозгового вещества окрашиваются красителями, содержащими соли хрома, в коричневый цвет и потому называются хромаффинными. Разные клетки различаются по окраске: темноокрашивающиеся вырабатывают норадреналин, более светлые клетки - адреналин. Эти клетки представляют собою видоизмененные симпатобласты и иннервируются преганглионарными нервными волокнами симпатической нервной системы. Некоторые из них дифференцируются в нейроны.

У низших позвоночных мозговое вещество в виде компактного образования отсутствует. Скопления хромаффинных клеток разбросаны по ходу магистральных кровеносных сосудов и не связаны тесно с тканью надпочечной железы, вырабатывающей кортикостероиды.

Соотношение секреции адреналина и норадреналина в мозговом веществе надпочечника у разных видов различно. Оно зависит также и от возраста. У человека адреналин составляет около 80%. Нервными окончаниями выделяется преимущественно норадреналин, являющийся медиатором (см. разд. 5.2). У крыс уровень секреции адреналина и норадреналина составляет 1:1.

В синтезе катехоламинов исходной аминокислотой является тирозин, причем норадреналин и дофамин, будучи предшественниками адреналина, выполняют и самостоятельные функции. Катехоламины обнаружены у всех позвоночных животных и у большинства беспозвоночных. Эти соединения найдены даже у простейших, что свидетельствует о древности катехоламинов и широком функциональном значении, в том числе и в механизмах регуляции.

Адреналин и норадреналин, выделяемые мозговым веществом надпочечника и окончаниями симпатических нервных волокон, плохо проникают через гематоэнцефалический барьер. Однако многие катехоламины образуются в мозгу. Синтезирующие их нейроны называются адренергическими. Норадреналин, образующийся в головном мозгу, не поступает в системный кровоток в значительных количествах в связи с его захватом нервными окончаниями. Норадреналин, выделяемый симпатическими нервными окончаниями, попадает в кровоток и, таким образом, обладает признаками гормона, хотя его можно назвать и медиатором. Эффекты этих гормонов сложны и многообразны, причем на одни органы-мишени адреналин и норадреналин действуют сходным образом, на другие - по-разному (см. разд. 5.2.2). Секреция катехоламинов, как и глюкокортикоидов, усиливается при различных стрессорных ситуациях.

6.4.2. Гормональная регуляция водно-солевого гомеостаза

В регуляции водно-солевого равновесия в организме принимает участие ряд гормонов, которые можно разделить на две основные группы: гормоны (табл. 6.6), регулирующие концентрацию ионов N+, K+ и H+ (альдостерон, ангиотензин и фермент ренин), и гормоны, влияющие на равновесие кальция и фосфатов (паратгормон и кальцитонин).

Регуляция концентрации Na+ и К+. Альдостерон вырабатывается в клубочковой зоне коры надпочечников высших позвоночных. У большинства низших позвоночных альдостерон не образуется, и глюкокортикоиды в значительной

Та б л и ц а 6.6

Гормоны, регулирующие водно-солевой обмен и другие функции

Гормон

Источник

Химическая природа

Ткань-мишень

Главные эффекты

Регуляция секреции

Мелатонин

Шишковидное тело

Производное аминокислоты

Меланофоры (у пойкилотермных животных

Вызывает агрегацию меланина

(посветление кожи)

Контролируется длиной светового дня, в темноте (или

при слепоте) усиливается

Меланоциты (у гомойотермных животных); нервная система

Возможно, регулирует секрецию люлиберина и тем самым - репродуктивные циклы

Кальцитонин

Щитовидная железа

Пептид

Кости, почки

Уменьшает высвобождение кальция из костей и повышает его концентрацию в крови, а

также экскрецию

кальция и фосфора

Усиливается повышением концентрации кальция

Паратгормон

Паращитовидные железы

Пептид

Кости, почки

Повышает концентрацию кальция

и фосфора в крови

и мобилизацию кальция из костей; снижает выделение

кальция почками

и усиливает его

всасывание из кишечника

Усиливается снижением концентрации кальция

в крови

Эритропоэтин

Почки

Гликопротеин

Красный костный

мозг

Вызывает гиперлазию костного мозга, повышает образование и выход

эритроцитов

Усиливается при

низком парциальном давлении 02 в

атмосфере и при

анемии

Релаксин

Яичники

Пептид

Лобковый

симфиз (лонное

сочленение)

Вызывает расслабление лобкового симфиза и шейки

матки

Увеличивается при повышении

уровней прогестерона и эстрогенов в

поздний период

беременности

Ренин

Почки

Белок

Кровь

Активирует ангиотензиноген

Повышается при

усилении симпатической стимуляции

почек, при уменьшении содержания ионов Na+ в плазме,

при уменьшении

растяжения почечных артериол, объема или давления

в крови

Рис. 6.26 Регуляция содержания кальция в крови кальцитонином и паратгормоном

Рис. 6.27 Гормоны щитовидной (1) и паращитовидных (2) желез и их функции

Кальцитонин вырабатывается С-клетками щитовидной железы млекопитающих, являющихся гомологом ультимобранхиальных телец других позвоночных.

степени выполняют его функции (см. разд. 6.3.2). Альдостерон начинает вырабатываться в интерреналовой железе в заметных количествах с выходом позвоночных на сушу - у амфибий. Это связано с его важнейшей ролью в гомеостазе электролитов и воды в организме. Альдостерон увеличивает активный транспорт Na+ через клеточные мембраны. В почках этот гормон усиливает реабсорбцию Na+ в канальцах и вызывает экскрецию К+. Сходным образом альдостерон влияет на потовые, слюнные и кишечные железы. Повышение секреции альдостерона происходит при снижении содержания NaCI, усиленном потреблении калия и уменьшении объема плазмы крови. Повышение выработки альдостерона может происходить с использованием различных механизмов.

Непосредственное влияние на функцию клеток, вырабатывающих альдостерон, оказывают изменения концентрации Na+ и К+ в плазме. Регуляция секреции альдостерона опосредуется системой ренин-ангиотензин, которая обнаружена у большинства позвоночных и четко функционирует начиная с амфибий. Ренин образуется юкстагломерулярными клетками, расположенными в стенках афферентных сосудов почки. Под влиянием ренина, а затем ангиотензинконвертирующего энзима из циркулирующего в плазме пептида ангиотензиногена образуется ангиотензин II (AT II), который доставляется кровью к коре надпочечника и усиливает секрецию альдостерона. В ряде работ описано слабое регулирующее действие АКТГ на секрецию альдостерона и стимулирующее - вазопрессина. AT II, действуя на мозг, усиливает жажду.

Благодаря своей важной роли в поддержании концентрации Na+ и K+ в плазме и объема жидкости в организме альдостерон участвует в нескольких регуляторных цепях, обеспечивающих осмотический гомеостаз организма.

Регуляция концентрации кальция и фосфатов. Поддержание гомеостаза кальция и фосфатов необходимо для нормальной жизнедеятельности организма в связи с их важнейшей ролью во многих процессах. Ионы кальция влияют на проницаемость клеточных мембран, активность ряда ферментов, необходимы в процессе оплодотворения, при синаптической передаче, определяют возбудимость нервно-мышечной системы и т. д. Фосфаты входят в состав фосфолипидов, ферментов, нуклеиновых кислот.

В отдельные периоды жизни возникают особенно большие потребности в кальции, например в период развития, при образовании и откладывании яиц у птиц, при лактации, беременности и т. д. В организме запасы кальция находятся в костях, чешуе и некоторых других органах.

В регуляции содержания кальция и фосфатов основная роль принадлежит двум гормонам: паратгормону и кальцитонину наряду с витамином Dз (рис. 6.26, 6.27).

Паратгормон образуется паращитовидными (околощитовидными) железами, которые обнаружены у всех позвоночных, начиная с амфибий. Это парные образования, тесно прилегающие к дорсальной поверхности щитовидной железы (иногда с каждой стороны расположено по две отдельных железы). Паратгормон представляет собой полипептид с молекулярной массой 8,5 кДа. Он был первым гормоном, выделенным из паращитовидных желез. Как и кальцитонин, он регулирует обмен кальция в организме, но реципрокно тиреоидному гормону. Так, усиление секреции паратиреоидина вызывается гипокальциемией. Основными мишенями гормона в организме млекопитающих являются клетки костной ткани, энтероциты кишки и эпителий проксимальных почечных канальцев. В костной ткани гормон способствует образованию цитратов кальция, вымываемых в кровь. В кишке и почечных канальцах под его действием усиливается всасывание иона и выведение фосфатов.

Костеобразующая функция (пролиферация, дифференцировка остеоцитов, образование костного матрикса) паратгормона опосредуется через синтез факторов роста и усиливается гормональной формой витамина D и эстрадиолом. Снижение секреции последних способствует развитию резорбции костной ткани. Увеличение ионизированного кальция в плазме крови и клеточные эффекты паратгормона на осцилляции Са2+ в нейронах вызывают повышение возбудимости структур нервной системы и, в отличие от кальцитонина, активацию аппетита.

Кальцитонин образуется в парных ультимобранхиальных тельцах, обнаруженных у всех позвоночных (кроме круглоротых, костистых рыб и млекопитающих). У млекопитающих (кроме муравьеда) тельца не оформлены, состоят из так называемых кальцитониновых (С-клеток), врастающих в щитовидную железу. Кальцитонин, вырабатываемый С-клетками, не поступает в полость фолликула как йод-содержащие тиреоидные гормоны, а сразу выводится в кровь. Кальцитонин является полипептидом с молекулярной массой около 3,6 кДа.

Кальцитонин, помимо С-клеток щитовидной железы, синтезируется также в аорте, аденогипофизе, надпочечниках, и, как модулятор, - в нервной системе. Основная функция гормона - регуляция кальциевого гомеостаза. Гиперкальциемия является наиболее мощным фактором по запуску секреции кальцитонина, снижающим уровень ионизированного кальция в крови.

Поскольку кальций может находиться в плазме в виде водонерастворимых фосфатов и других солей, то и гипокальциемические эффекты кальцитонина связаны с переводом кальция в нерастворимую форму фосфатных солей, переносом и накоплением их в остеобластах и остеоцитах. Кальцитонин увеличивает секрецию Са2+ почками и уменьшает его всасывание в кишке, тогда как в отношении фосфатов гормон оказывает противоположный эффект. Кальцитонин подавляет аппетит и жажду, ограничивая поступление кальция извне.

Патофизиология. Заболевания, связанные с нарушением функции эндокринных желез, регулирующих уровень кальция и фосфатов, связаны либо с их гипофункцией, либо, напротив, с гиперфункцией. Заболевание, обусловленное недостаточной продукцией паратгормона, - гипопаратиреоз - характеризуется приступами тонических судорог, которые могут развиваться в результате аутоиммунного разрушения секреторных клеток или частичного удаления паращитовидных желез. Гиперпаратиреоз возникает при развитии опухолей паращитовидных желез. В результате мобилизации фосфатов и кальция из кости повышается уровень кальция в крови; костная ткань перерождается, усиливается выделение фосфатов с мочой.

6.5. ПОДЖЕЛУДОЧНАЯ ЖЕЛЕЗА И ЕЕ ГОРМОНЫ

Поджелудочная железа состоит из экзокринной и эндокринной частей, которые развиваются из одного источника - энтодермы первичной кишки. В экзокринной части, составляющей у человека 98% всей массы железы, вырабатывается пищеварительный сок, который поступает в двенадцатиперстную кишку (см. разд. 11.2.3) и содержит ферменты, необходимые для расщепления белков, жиров и углеводов. В эндокринной части - панкреатических островках (Лангерганса) - синтезируются гормоны, регулирующие метаболические процессы, в особенности углеводный обмен.

В процессе эволюции эндокринная часть возникла раньше экзокринной, так что вначале поджелудочная железа не имела компактного строения. У ланцетника в эпителии слизистой оболочки кишки есть клетки, гомологичные экзокринной и эндокринной частям поджелудочной железы. Эти клетки разобщены. У круглоротых (миноги) образуются островки железистой ткани, отделяющиеся от эпителия кишечника. У костистых рыб эндокринная ткань представлена островками (тельца Брокмана), обособленными от экзокринной ткани поджелудочной железы. У других позвоночных животных эндокринная ткань в виде мелких включений расположена среди экзокринной ткани поджелудочной железы и составляет только 1-3% от ее массы.

Гормоны, вырабатываемые эндокринной частью. В панкреатических островках большинства позвоночных выявляют два основных типа железистых клеток, вырабатывающих разные гормоны: инсулин и глюкагон. Клетки, синтезирующие инсулин, называют (?- (или В-) клетками; клетки, вырабатывающие глюкагон, - ?- (или А-) клетками. Кроме них определен третий тип клеток - ?-клетки, в которых синтезируется соматостатин (рис. 6.28).

Р-клетки, синтезирующие инсулин, обнаружены у всех позвоночных. У низших позвоночных (круглоротые, хрящевые рыбы) ?-клетки и глюкагон не выявлены. У всех остальных позвоночных в панкреатических островках синтезируются инсулин и глюкагон, основная функция которых состоит в регуляции метаболических процессов; от этих гормонов в значительной степени зависит уровень глюкозы в крови, необходимый для нормальной жизнедеятельности организма.

Инсулин представляет собою полипептид с молекулярной массой около 6 кДа. Он состоит из двух цепей, соединенных двумя дисульфидными мостиками. Инсулин образуется из предшественника - проинсулина - под влиянием протеаз. Активность проинсулина невелика (5% активности инсулина). Превращение проинсулина в инсулин происходит в ?-клетках. Инсулин был первым полипептидным гормоном, синтезированным искусственно.

В настоящее время инсулин (или инсулиноподобный гормон) обнаружен у многих беспозвоночных животных, что свидетельствует, по-видимому, не только о его древности, но и важной роли в регуляции метаболических процессов.

Глюкагон - полипептид, построенный из одной цепи с молекулярной массой около 3,5 кДа. Кроме ?-клеток панкреатических островков глюкагон вырабатывается также в слизистой оболочке кишечника (энтероглюкагон). Функция энтероглюкагона несколько отличается от роли панкреатического глюкагона.

Инсулин является анаболическим гормоном с широким спектром действия. Его роль состоит в повышении синтеза углеводов, жиров и белков. Он стимулирует метаболизм глюкозы. Под влиянием инсулина увеличивается проницаемость для глюкозы клеток миокарда, скелетных мышц, что усиливает ток глюкозы внутрь клеток и ее обмен. Он необходим для прохода аминокислот сквозь ГЭБ (см. разд. 3.27). Инсулин стимулирует синтез гликогена в печени, снижает глюконеогенез (образование глюкозы из аминокислот), влияет на обмен липидов, усиливая способность жировой ткани и печени к накоплению их резервов в форме триглицеридов (рис. 6.29). Инсулин активно взаимодействует с другими гормонами, как, например, гормоном роста.

Действие глюкагона на метаболические процессы осуществляется в печени и реализуется через аденилатциклазу и цАМФ. Последний, в свою очередь, активизирует ферменты, контролирующие скорость гликогенолиза, глюконеогенеза и липолиза. Основной эффект гормона состоит в усилении гликогенолиза в печени, в чем глюкагон является синергистом адреналина. По воздействию на уровень глюкозы в плазме крови глюкагон является антагонистом инсулина.

Концентрация гормонов поджелудочной железы в плазме крови зависит от поступления глюкозы с пищей, скорости ее окисления и от уровня других гормонов, участвующих в регуляции содержания глюкозы. При повышении содержания глюкозы в крови усиливается секреция инсулина, при ее снижении

Рис. 6.28 Взаимоотношения между инсулином и глюкагоном в регуляции обмена глюкозы

Рис. 6.29 Действие инсулина и гормона роста СТГ - соматотропный гормон.

выделяется больше глюкагона. Регуляция уровня гормона в крови осуществляется по механизму обратной связи (рис. 6.30)

Рис. 6.30 Регуляция уровня гормона в крови по механизму обратной связи

Регуляция секреции гормонов осуществляется симпатической и парасимпатической нервной системой. Помимо того, уровень глюкозы, очевидно, изменяется и в самой поджелудочной железе, что используется для регуляции секреторной активности клеток. Регуляция секреции инсулина происходит и под влиянием ряда регуляторных пептидов, вырабатываемых в желудочно-кишечном тракте. Присутствие в нем глюкозы вызывает выброс энтероглюкагона. Этот гормон поступает с кровью к клеткам поджелудочной железы и стимулирует секрецию инсулина. Инсулотропным действием обладают АКТГ, вазопрессин и гормон роста.

Регуляция секреции глюкагона осуществляется посредством рецепторов глюкозы в переднем гипоталамусе, которые выявляют снижение глюкозы в крови. Возможно, в эту цепь взаимодействий включается гормон роста гипофиза. Соматостатин, вырабатываемый ?-клетками, оказывает ингибирующее влияние на выделение глюкагона. Энтероглюкагон также может подавлять секрецию панкреатического глюкагона. Симпатическая стимуляция усиливает секрецию глюкагона. Таким образом, система регуляции секреции инсулина и глюкагона и связанного с функцией этих гормонов уровня глюкозы в крови весьма сложна.

У млекопитающих главным источником энергии являются углеводы, и инсулин играет весьма значительную роль в процессах регуляции их метаболизма. У птиц в 10-20 раз более высоким является содержание глюкагона - липолитического агента, так как основным источником энергии у этой группы позвоночных являются липиды. При отклонениях уровня глюкозы в крови от нормы наблюдаются явления гипо- или гипергликемии.

В норме концентрация глюкозы в крови человека относительно постоянна и составляет около 80-120 мг% (44,4-66,6 ммоль/л).

Патофизиология. При гипогликемии, т. е. резком снижении уровня глюкозы, наблюдаются тахикардия, голод, возбуждение. В результате гипогликемической комы может наступить смерть. Предотвращение этих явлений возможно при вливаниях глюкозы и введении глюкагона. При уровне глюкозы выше 180 мг% (99,9 ммоль/л) она выводится с мочой, что происходит при ослабленной функции инсулина и является одним из проявлений сахарного диабета. Это заболевание возникает в результате недостаточной выработки инсулина ?-клетками поджелудочной железы. Те же явления могут наблюдаться в результате нарушения реакции (снижение числа рецепторов к инсулину, снижение их аффинности (от лат. affinis - родственный, сродный) периферических тканей на инсулин. В отсутствие гормона глюкоза медленно проникает в клетки мышц и печени, т. к. не работают высокоэффективные инсулинзависимые транспортеры глюкозы, запасы гликогена при этом быстро истощаются.

6.6. ГОРМОНЫ ПИЩЕВАРИТЕЛЬНОГО ТРАКТА

Основной функцией этих гормонов является влияние на моторику и секрецию различных отделов пищеварительного тракта. Они секретируются во всех его частях, однако наибольшее разнообразие типов клеток и синтезируемых ими гормонов описано в желудке и двенадцатиперстной кишке. Как производные первичной кишки, оба отдела функционально связаны с печенью и поджелудочной железой, что определяет и сходство секретируемых ими гормонов. Однако различие рН жидкостных сред в разных отделах тракта обусловило преобладание характерных для них изоформ тех или иных гормонов. Рассмотрим некоторые из них.

Гормоны семейства глюкагона. У человека и крыс синтезируются в ?-клетках поджелудочной железы, у собак и кошек - в аналогичных клетках дна желудка, а также в энтерохромаффинных (совместно с серотонином) и клетках L-типа подвздошной и толстой кишки. Предшественник этих гормонов проглюкагон синтезируется в клетках кишки, желудка, печени, сердца и головного мозга (где они выполняют функцию нейромедиаторов или модуляторов). Основная функция состоит в увеличении концентрации глюкозы в плазме крови. Этому способствует увеличение в кишке всасывания, в почках - реабсорбции глюкозы. В печени гормон через увеличение цАМФ стимулирует процессы гликогенолиза и глюконеогенеза. Рост внутриклеточного уровня глюкозы интенсифицирует клеточное дыхание, обмен веществ и Са-зависимый выход глюкозы в кровь. Связывание глюкагона с рецептором через активацию Gq-белков приводит к деполяризации нейронов в мозговых центрах и запуску углеводного аппетита и соответствующих тактик пищевого поведения.

В семейство пептидов гастрина и холецистокинина входят несколько изоформ гормонов, различающихся по числу аминокислотных остатков.

Гастрин секретируется в G-клетках привратниковой (пилорической) части желудка, в двенадцатиперстной кишке (в железах и на концах ворсинок), а также в G-клетках. панкреатических островков (Лангерганса). Связывание гормона с рецептором сопряжено с активацией Gq-белка и фосфолипазы С с последующим увеличением внутриклеточной концентрации Са2+. Это определяет механизм действия гастринов: активация сокращения гладкомышечных клеток и регулируемого Са2+-зависимого экзоцитоза - в секреторных. Гормональные эффекты обусловлены и распределением рецепторов гастрина: в слизистой оболочке кишки и экзокринной части поджелудочной железы гормон активирует секрецию ферментов, участвующих в гидролизе белков. В желудке, где начинается процесс переваривания белков, гастрины активируют секрецию гистамина и гистаминзависимого образования НCl. Кроме того, гастрин стимулирует выделение пепсиногена, конвертируемого в кислой среде в пепсин, через рецепторы гладкомышечных клеток стенки пищеварительного тракта, особенно локализованных в области миогенных пейсмекеров стенки желудка и проксимальной части двенадцатиперстной кишки, где формируется паттерн моторики, соответственно, желудка и кишки.

Гастрины участвуют в одном из механизмов согласованной регуляции двигательной активности отделов пищеварительного тракта, что особенно важно при переходе пищи из желудка в тонкую кишку. Кальцийзависимое воздействие на моторику пищеварительного тракта связано также с усилением гастрином секреции ацетилхолина из терминалей нейритов метасимпатической нервной системы, поскольку ацетилхолин является важным компонентом локального контроля перистальтики. Вызванная гастрином так называемая "голодная" перистальтика (например, в начальной фазе длительного голодания при протеолизе собственных белков организма) приводит к активации многочисленных механорецепторов пищеварительного тракта и брыжейки с последующим повышением возбудимости ЦНС, активацией центра голода гипоталамуса и запуском пищевого поведения. Возникновению при этом селективного белкового аппетита способствуют увеличение концентрации свободных аминокислот в периферической крови и церебральном кровотоке и, кроме того, связывание гастрина рецепторами ЦНС.

Гастрин, помимо пищеварительной системы, синтезируется во многих структурах обонятельного мозга, коре больших полушарий, латеральном гипоталамусе и комплексе ядер блуждающего нерва. Рефлекторная секреция в этих структурах гастрина в ответ на запах или вкус белковой пищи (реальные или воображаемые по памяти) может стать также причиной селективного аппетита, пищевого поведения и голодной перистальтики.

Холецистокинин (панкреозимин) синтезируется в интестинальных клетках, в собственной пластинке тонкой кишки, а также в белой пульпе селезенки. Широко распространен пептид в нервной системе (в том числе и в метасимпатических сплетениях тонкой кишки) как нейротрансмиттер. В структурах головного мозга медиаторами чаще являются фрагменты холецистокинина из 8 и 4 аминокислотных остатков. Лиганд-рецепторное связывание приводит к активации фосфоинозитольной системы внутриклеточных посредников и Са-зависимому увеличению моторики гладкомышечных стенок протоков - жёлчного пузыря и поджелудочной железы.

Желчегонный эффект холецистокинина обусловил и его название (от греч. chole - жёлчь, kystis - пузырь, kineo - двигать). Через рецепторы экзокринных панкреатических клеток гормон усиливает секрецию липаз, протеаз и частично электролитов. Роль холецистокинина в переваривании липидов сочетается с его ключевой функцией в церебральной регуляции липидного аппетита и насыщения. Увеличение концентрации свободных жирных кислот и триглицеридов в плазме крови в результате эффектов гормона оказывает тормозное влияние на моторику пищеварительного тракта и снижает возбудимость структур ЦНС с выраженным сомногенным эффектом. Последний усиливается иммуноактивирующим воздействием холецистокинина, поскольку цитокины иммунокомпетентных клеток ингибируют активность церебральных центров.

В лимфоидных органах пищеварительного тракта гормон активирует синтез иммуноглобулинов: максимально IgA, а также - IgG, IgM, IgE. Некоторые из них могут встраиваться в слизевые наложения тонкой кишки, что усиливает защиту организма от агрессивных воздействий внешней среды на уровне наибольшего всасывания питательных веществ в кровь, оттекающую к печени. Активность лимфоцитов пейеровых бляшек, расположенных в этих же отделах кишки, повышается под прямым влиянием холецистокинина и опосредованно, через усиление экзоцитоза других гормонов.

Семейство секретина и вазоактивного интестинального полипептида (ВИП) более обширно, гормоны имеют частичную молекулярную гомологию. В молекуле секретина содержится 27 или более аминокислотных остатков. Он секретируется в двенадцатиперстной и тощей кишке (S-клетки), а также в адено- и нейрогипофизе и структурах ЦНС. Связывание высокоаффинных рецепторов сопровождается активацией аденилатциклазной системы вторичных посредников. Это приводит к выделению дофамина в медиальном возвышении и увеличению секреции пролактина и лютеинизирующего гормона из аденогипофиза. В клетках экзокринной части поджелудочной железы секретин стимулирует выделение бикарбонатов и воды, контролируя таким образом объем панкреатического сока. В меньшей степени гормон влияет на секрецию ферментов. В печени секретин увеличивает объем выделяемой жёлчи и содержание в ней бикарбонатов и ионов хлора. Через эти эффекты секретин регулирует бикарбонатную буферную систему регуляции рН в проксимальном отделе тонкой кишки.

Вазоактивный интестинальный полипептид в пищеварительной системе является не только распространенным гормоном и парагормоном, но и медиатором метасимпатических и парасимпатических волокон, иннервирующих различные структуры. Гормон этот выделяют эндокриноциты слизистой оболочки нижней трети пищевода, антрального отдела желудка, тонкой и прямой кишки, а также D1-клетки островков Лангеранса поджелудочной железы (максимальная секреция), эпителий и нейроны дыхательной системы. Гормон секретируется в гипоталамо-гипофизарной системе. Как нейротрансмиттер он чаще совместно расположен с субстанцией Р и ацетилхолином в структурах холинергической системы мозга, где, как и в нервно-мышечном синапсе, облегчает постсинаптическое действие ацетилхолина. Из многочисленных эффектов гормона в пищеварительной системе можно выделить антигастриновые и проглюкагоновые. Кроме того, через свои рецепторы гормон в основном подавляет функции Т- и В-лимфоцитов, моноцитов и нейтрофилов на уровне иммунокомпетентных структур.

Таким образом, все рассмотренные гормоны участвуют в контроле функций пищеварительного тракта и пищеварительных желез, расположенных вне его, в регуляции обмена веществ и функций головного мозга, а также иммунокомпетентных органов и клеток.

Гормоны пищеварительных желез, расположенных вне тракта, помимо регуляции его функций, имеют собственную функциональную специфику, определяющую и отличия в гормонопоэзе.

Гормоны слюнных желез. В слюнных железах эндокринная функция присуща клеткам протокового отдела. Первым был открыт гормон паротин, секретируемый в ответ на поступление в полость рта углеводов. Этот гормон стимулирует секрецию клетками экзокринной части поджелудочной железы ферментов, участвующих в дальнейшем процессе гидролиза углеводов в тонкой кишке. Позже в подчелюстных слюнных железах мышей был выявлен ряд факторов роста, регулирующих развитие структур нервной системы (фактор роста нервов и фактор роста глии) и эпителиальных структур экто- и нейроэктодермального происхождения (эпидермальный фактор роста).

Пролактин, секретируемый в слюнных железах, как и гипофизарный, регулирует продукцию электролитов и белка слюны в ацинарной и, возможно, протоковой части органа, определяя основные параметры жидкости. Другие паротидные гормоны регулируют локальное кровообращение слюнных желез, слизистой оболочки рта и носоглотки, их болевую чувствительность, секрецию лизоцима слюны, а также активность лимфоидных органов (миндалин), синтез иммуноглобулинов.

Таким образом, гормоны слюнных желез регулируют углеводный обмен, рост и развитие нервной системы, а также иммунную защиту внутренних органов пищеварительной и дыхательной систем на "границе" с агрессивной внешней средой.

Гормоны печени. Печень как эндокринный орган начинает функционировать сразу после закладки в эмбриогенезе, секретируя различные факторы роста.

Секреция обусловлена, прежде всего, тем, что орган является мишенью для основных ростовых гормонов - инсулина, соматотропина, гонадотропинов и вырабатывает соматомедины. Синтез в печени активинов, ингибина и других веществ свидетельствует о возможном участии органа в формировании и функционировании репродуктивной системы, в частности, в эмбриогенезе. С этим согласуются представления о половом диморфизме метаболической функции печени. У женщин под влиянием пролактина образуется лактогенный фактор печени, вызывающий лактацию.

Как и поджелудочная железа, печень под влиянием панкреатических гормонов продуцирует множество пищеварительных ферментов, а также гормонов желудка и кишки, попадающих в печень с кровью, оттекающей от тонкой кишки. Большое количество рецепторов в стенках сосудов печени и паренхиме способствуют интегральной оценке таких параметров этой крови, как рН, осмотическое и онкотическое давление, температура, концентрация глюкозы, свободных жирных и аминокислот. Следует заметить, что рецепторные структуры сенсорных нервных волокон обеспечивают рефлекторную совместную регуляцию функций печени, поджелудочной железы, пищеварительного тракта и других физиологических систем организма. Однако локально эти же факторы крови, непосредственно влияя на клетки печени, воздействуют на такие функции органа, как термогенез, барьерная функция и регуляция осмотического давления крови.

6.7. ГОРМОНЫ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ

Гормоны сердечно-сосудистой системы регулируют объем жидкости и осмотическое давление на разных уровнях организма: клеточном, тканевом, органном, системном. Насосную функцию сердечно-сосудистой системы они стабилизируют посредством изменения артериального давления, частоты сердечных сокращений, объема крови, сосудистого тонуса, вазомоторных реакций. В капиллярах гормоны регулируют проницаемость воды, ионов натрия, кальция и других осмотически активных веществ.

К числу структур сердечно-сосудистой системы, синтезирующих гормоны, относятся сердце, эндотелий и гладкие мышцы сосудов, плазма и клетки крови. Кроме того, сходные комплексы гормонов, регулирующих те же параметры жидкостных сред организма, выявлены в кишке, слюнных железах и других структурах, имеющих заполненные жидкостью полости. В том числе они секретируются и в циркумвентрикулярных органах головного мозга, регулируя объем ликвора, а также в сосудодвигательных центрах и центрах питьевого поведения.

6.7.1. Гормоны сердца

Представление о сердце как об эндокринном органе возникло в начале 70-х гг. XX века на основании открытия А. А. Галояном и соавторами кардиопептидов. Затем из ушек правого предсердия был выделен первый представитель другого семейства гормонов сердца: атриальный натрийуретический пептид (АНП), или гормон.

Натрийуретические пептиды. Молекула АНП у млекопитающих состоит из 27-28 аминокислот, однако известны и другие изоформы, более распространенные у низших позвоночных и беспозвоночных. В настоящее время известно, что у крыс и человека в сердце АНП секретируется популяцией миоэндокринных клеток, которые Са2+- и механозависимо выделяют его при растяжении правого предсердия и ушек венозной кровью. Предполагается, что миоэндокринные клетки имеют механочувствительные Са2+-каналы в плазмалемме. В сердце крыс АНП секретируется и в отсутствие растяжения предсердия. Показана также секреция родственного АНП гормона - натрийуретического пептида желудочков сердца.

Из семейства натрийуретических гормонов наиболее консервативным является С-тип, молекула которого состоит из 22 аминокислот. Он синтезируется, главным образом, в головном мозгу и почках. У позвоночных животных в плазме крови концентрация гормона незначительна. К этому же семейству относятся гормон почек уродилатин и мозговой натрийуретический пептид. Для структуры молекулы всех натрийуретических гормонов характерно наличие кольца из 17 аминокислот. Сходными эффектами являются активация гуанилатциклазы плазмалеммы, усиление натрийуреза и сопряженного диуреза, регуляция артериального давления и компенсация сердечной недостаточности. Значительное перекрытие функций натрийуретических гормонов определяется не только сходством структуры их молекул, но и перекрестной аффинностью к рецепторам.

Натрийуретические гормоны являются связующим звеном между почками и сердцем, регулируя не только экскрецию жидкости, но и перераспределение ее в организме сердечно-сосудистой системой. Так, предотвращая возможное механическое повреждение сердца при увеличении объема венозного возврата, АНП усиливает сокращения кардиомиоцитов. Воздействие натрийуретических гормонов на миогенные пейсмекеры приводит к увеличению частоты сердечных сокращений. Изгнанию крови из сердца способствует и цГМФ-зависимая дилатация гладкомышечных структур стенки аорты. Снижение артериального давления, увеличение диуреза и Na-уреза приводят к последующему уменьшению венозного возврата в сердце.

Для АНП и в разной степени для других натрийуретических гормонов характерно участие в регуляции объема жидкости в малых и больших полостях организма, будь это полости желудочков сердца или головного мозга, желудок, полость фолликула яичников или просвет семенных канальцев и т. п. Те же эффекты определяют участие АНП в регуляции объема клеток, как это показано для астроглии: гормон уменьшает их объем путем подавления входа воды или увеличением ее выхода из клетки через регуляцию активности Na+/H+-обменника, К+- и Cl--каналов.

В центрах гипоталамуса натрийуретические пептиды как медиаторы или гормоны подавляют (цГМФ- и NO-зависимо) возбудимость центра жажды и снижают солевое предпочтение и жажду. Это согласуется с общей направленностью эффектов гормонов этого семейства на уменьшение объема жидкости в организме. Кроме того, установлено влияние АНП на гормонопоэз в аденогипофизе. Оно может опосредоваться двояко: либо через контроль микроциркуляции в медиальном возвышении, где оканчиваются содержащие АНП аксоны либо в капиллярном сплетении аденогипофиза (портальный кровоток).

Атриопептины. Ранее отнесенные к фрагментам молекулы АНП, атриопептины (кардиопептины) образуют другое семейство кардиальных гормонов. Секретируемые при росте осмотического давления крови, они выделяются из сердца и увеличивают системное артериальное давление. Кроме того, для атриопептина III показано антидиуретическое действие.

Высокое содержание кардиопептинов в паравентрикулярном, супраоптическом и преоптических ядрах гипоталамуса, в циркумвентрикулярных органах указывает на возможность участия этих гормонов не только в регуляций объема ликвора и микроциркуляции в структурах головного мозга, но и в коррекции сосудодвигательными центрами и центрами регуляции жажды объема жидкости в организме. При этом реципрокное влияние натрийуретических гормонов и атриопептинов на секрецию нейрогипофизарного вазопрессина может иметь место в других вазопрессин-секретирующих структурах ЦНС. К ним, например, относятся ядра перегородки, собственное ядро терминальной полоски, обонятельный мозг и другие. Следовательно, это может определять влияние гормонов названных семейств на жажду и питьевое поведение, сон и бодрствование, внутричерепное давление, память и общий уровень возбудимости ЦНС. Показано прямое подавление, солевого аппетита и возбудимости ЦНС при внутримозговом введении кардиопептинов.

В сердце секретируется также релаксин - один из гормонов надсемейства инсулина. Как и инсулин, он состоит из двух цепей А и В, связанных дисульфидным мостиком. У крыс релаксин выделяется кардиомиоцитами правого предсердия и оказывает позитивный хроно- и инотропный эффекты на сердце, увеличивая также системное артериальное давление. В семенниках релаксин клеток Сертоли способствует поддержанию оптимальной вязкости семенной жидкости. При родах, расслабляя связки лобкового симфиза, гормон обеспечивает увеличение просвета родовых путей и успешное прохождение по ним плода.

6.7.2. Гормоны эндотелия

Эндотелиальные клетки сосудов также выделяют ряд гормонов через базальную и апикальную мембраны. Среди них тромб океаны, обладающие локальным вазомоторным эффектом, лейкотриены и простагландины. Имеются и другие гормоны, локально регулирующие тонус и просвет сосудов, их проницаемость, слипание и активность иммунокомпетентных клеток, мигрирующих через стенки сосудов. В последнее время привлекли внимание эндотелины, оксид азота, супероксид кислорода и Н2O2. Эти вещества секретируются также в некоторых эндокринных железах и, как медиаторы, нейронами разных отделов нервной системы. Как и производные ненасыщенных жирных кислот, они обладают вазомоторными эффектами. Кроме того, многие из этих гормонов являются источником кислорода, что особенно важно при гипоксии. Последнее подтверждается усиленной секрецией NO, супероксида и гидроперекиси не только при гипоксии, но и при действии других стрессорных факторов. Последующий локальный ацидоз приводит к вазодилатации, синтезу адгезивных белков эндотелия и клеток крови, трансэпителиальной миграции иммунокомпетентных клеток. Кроме того, внутриклеточный ацидоз способствует эндоцитозу и адгезии к клеткам эндотелия метастазирующих клеток.

Эндотелины. Эти гормоны были впервые выделены из эндотелия в 1988 г. Молекула эндотелина представляет собой пептид из 22 аминокислот. Активность эндотелинов во всех тканях-мишенях определяет их кольцевая структура и гидрофобные аминокислоты в С-терминали. Изоформы гормона ЕТ-1, ЕТ-2 и ЕТ-3 различаются по нескольким аминокислотам в кольцевой структуре, тогда как состав С-конца молекулы постоянен. Транскрипция и трансляция про-ЕТ-1 в клетках эндотелия активируются тромбином и вазопрессином.

Клетки эндотелия - не единственный источник эндотелинов. Максимальные концентрации ЕТ-1 определяются в тканях легких и гипофизе, а ЕТ-3 в адено- и нейрогипофизе. Известны два типа рецепторов эндотелинов: ETRA и ETRB, имеющих перекрестную аффинность к ЕТ-1, -2, -3. В гладкомышечных клетках сосудов локализованы оба типа рецепторов, тогда как в эндотелии, главным образом, ETRB. Кроме того, эти рецепторы найдены в клетках легких, сердца, мозга, почках и надпочечниках. Вазомоторные эффекты ЕТ-1 могут иметь разную направленность. Прямое действие гормона через ETRA на гладкомышечные клетки сосудов вызывает Са2+-зависимую вазоконстрикцию.

Запуск опосредованной вазодилатации осуществляется при связывании с ETRB клеток эндотелия: гормон вызывает увеличение синтеза NO и простагландина. Последние, выделяясь из эндотелия, вызывают расслабление гладкомышечных клеток. Вазомоторные эффекты ЕТ-1 дополняются пролиферацией эндотелия и фибробластов, снижением агрегации тромбоцитов, увеличением в сердце секреции АНП, активацией симпатической нервной системы, что обусловило ино- и хронотропные влияния гормона на сердце. В почках ЕТ-1 подавляет вызванный вазопрессином антидиурез, усиливает диурез и натрийурез и снижает секрецию ренина.

Как медиаторы нервной системы эндотелины являются одним из наиболее значимых факторов регуляции мозгового кровотока, перераспределяя его между структурами с разной степенью активности. Этим определяется их участие в некоторых формах поведения и гормонопоэзе в гипофизе, где эндотелины изменяют секрецию вазопрессина, окситоцина, пролактина, гонадотропинов.

Оксид азота (NO). Это соединение является широко распространенным гормоном и медиатором в эндотелии, гладких мышцах сосудов, макрофагах и нейтрофилах. Оно образуется под влиянием энзима NO-синтеазы (NOS). Активация NOS в сосудах и клетках крови происходит Са2+-зависимо под влиянием растяжения стенки сосуда и при гипертензии может вызвать синтез NO. Механизмы опосредования действия перечисленных факторов на увеличение Са2+ в клетке позволяют предполагать участие в активации NOS-зависимого синтеза NO механочувствительных Са2+-каналов или фосфоинозитольной системы трансдукции гормонального сигнала.

Оксид азота обладает выраженным вазодилататорным эффектом, обусловленным снижением рН. Как нейротрансмиттер NO вызывает "неадренергическое, нехолинергическое" торможение в метасимпатической нервной системе и ЦНС, а также длительную синаптическую депрессию в мозжечке. Известно, что в ЦНС возбуждающие аминокислоты, например, глутамат, активируют выделение NO из пресинаптической терминали и, таким образом, включают звено отрицательной обратной связи, поскольку NO подавляет их секрецию.

NO может выполнять функцию внутриклеточного посредника. Так, в нейронах NO блокирует действие цитохром-С-оксидазы - терминального энзима в митохондриальной дыхательной цепи. Это может быть одной из причин нейродегенеративных изменений, характерных для эффектов NO. Вазодилатация и снижение рН под влиянием оксида азота, супероксида кислорода и гидроперекиси облегчает синтез адгезивных белков, адгезию и трансэпителиальную миграцию лейкоцитов.

Ангиогенины. Эндотелий секретирует также и ряд факторов роста, для которых одной из характерных функций является ангиогенез. К ним относятся васкулотропин, монобутирин, тромбоспондин. В разной степени эти факторы участвуют в пролиферации эндотелия, образовании трубки сосуда, синтезе коллагенов, фибронектина, интегринов и других адгезивных белков, определяющих межклеточные контакты в эндотелии, образование базальной мембраны и адгезию (прилипание) к ней эндотелия. По-видимому, комплексы ангиогенинов могут быть органоспецифичны и зависеть от типа сосуда и его диаметра.

Гормоны эндотелия, обладающие реципрокным эффектом на гладкие мышцы сосудов, последовательно и взаимосвязанно активируют синтез гормонов другой группы или их рецепторы. Клетки эндотелия секретируют ряд хемотаксических факторов, что обеспечивает адгезию, а также миграцию иммунокомпетентных клеток из сосуда в ткань. Сходство комплексов цитокинов и арахидонатов, секретируемых клетками эндотелия и крови, обеспечивает функциональное взаимодействие всех компонентов сосудистой системы и системы крови в регуляции гемостаза и фибринолиза, рН плазмы, объема локального кровотока, проницаемости капилляров и других параметров.

6.8. ГОРМОНЫ ПЛАЗМЫ И КЛЕТОК КРОВИ

Эти гормоны представлены синтезируемыми в плазме гормонами двух систем: ренин-ангиотензиновой и калликреин-кининовой.

Гормоны ренин-ангиотензиновой системы. Они явились первыми, для которых был доказан синтез в плазме крови. В основе их образования лежат ферментативные реакции каскадного протеолиза. Синтезируемый в печени проренин под влиянием эстеразной субъединицы фактора роста нервов превращается в активную сериновую протеазу крови - гормон ренин. Изоформы ренина найдены во многих структурах: в гонадах, эфферентных артериолах почечных клубочков, в гипофизе и клетках крупноклеточных ядер гипоталамуса. Секреция ренина и его предшественника активируется паратгормоном, глюкагоном, катехоламинами, тромбоксанами, простагландинами, снижением внеклеточного объема жидкости. Подавление его секреции осуществляется ростом концентрации внеклеточного калия, натрия, кальция, хлора (т. е. осмотически активных ионов), уменьшением диаметра афферентных артериол почек и ростом внеклеточного объема жидкости.

Высшие висцеральные центры в этом случае осуществляют контроль за гормональной активностью через нисходящие пути, а также через гормоны гипоталамо-гипофизарной системы: пролактин - через регуляцию осмотического давления и водно-солевого обмена, кортикотропин - через усиление секреции глюкокортикоидов, которые облегчают синтез ангиотензиногена в печени и регулируют водно-солевой и углеводный обмены, катехоламинов, активирующих секрецию вазопрессина и подавляющих синтез ренина в почках и пролактина в ЦНС.

В головной мозг гормоны ренин-ангиотензиновой системы могут поступать к рецепторам клеток-мишеней из плазмы крови и ликвора как медиаторы из пресинаптических окончаний. Они увеличивают возбудимость и через катехоламин-, дофамин- и серотонинергические системы мозга участвуют в регуляций памяти. Этому способствует и активация ангиотензином II (AT II) секреции вазопрессина. Оба гормона регулируют секрецию ликвора и внутричерепное давление, жажду и питьевое поведение, однако секреция вазопрессина преимущественно связана с изменением осмотического давления плазмы крови, a AT II - ее объема.

Отмечены различия и в регуляции поведения: для эффекта AT II на фоне сильной жажды характерно сочетание питьевого поведения с подавлением чувства страха. В этих же условиях вазопрессин способствует реализации питьевого поведения через активацию поисковой деятельности и локомоций. Участвуя в реализации питьевой мотивации, AT II подавляет субдоминантное половое поведение. В условиях оборонительной доминанты гормон усиливает моторную активность и реакции избегания.

Увеличивая на периферии сосудистый тонус, гормоны ренин-ангиотензиновой системы повышают системное артериальное давление. Этому способствуют синтез AT II в собирательных трубочках и юкстагломерулярном аппарате почек, где гормон регулирует локальный кровоток, проницаемость и реабсорбцию электролитов и воды. Это связано с вазоконстрикцией эфферентных артериол клубочков под влиянием AT II, что приводит к усилению их кровенаполнения и увеличению объема первичной мочи, росту проницаемости К+. В гломерулярной зоне коры надпочечников, используя аналогичный механизм, AT II усиливает синтез альдостерона. Гиперсекреция гормонов ренин-ангиотензиновой системы или же недостаточная секреция и активность гормонов-антагонистов может быть одной из причин почечной гипертензии.

Калликреин-кининовая система. Калликреин как сериновая протеаза плазмы крови осуществляет протеолиз предшественника кининов - кининогена печени. Кроме того, калликреин известен как один из ключевых факторов гемостаза. Семейство кининов невелико и включает всего два гормона с достаточной для воздействия продолжительностью существования. Один из них тонин, секретируемый в слюнных железах, другой - брадикинин, источники секреции которого имеются практически во всех структурах организма, где он может играть роль нейротрансмиттера и паракринного гормона.

Известны три типа рецепторов брадикинина: Вг1, Вг2, ВгЗ. Они локализованы в гладких мышцах сосудов, бронхов и трахеи, пищеварительного тракта, эндотелия, сенсорных нейронов, макрофагов и полиморфоядерных нейтрофилов. На клетки гладких мышц брадикинин преимущественно оказывает расслабляющее влияние. Это связано с активацией К+-АТФ-чувствительных каналов, гиперполяризующих гладкие мышцы сосудов с последующей вазодилатацией. Кроме того, локальные вазомоторные эффекты сопряжены с активирующим действием гормона на хемотаксис (движение, обусловленное различиями концентраций вещества) иммунокомпетентных клеток, их активацией, а также с увеличением проницаемости сосудов. В почках это обусловливает влияние брадикинина не только на локальный кровоток, но и на почечную фильтрацию, благодаря дилатации афферентных артерий гломерул почек.

Как медиатор ноцицептивных сенсорных нейронов брадикинин осуществляет первичный, срочный запуск защитных реакций в месте повреждения:

гиперемию, хемотаксис и миграцию в поврежденные ткани иммунокомпетентных клеток, фагоцитов. Связанный с этими эффектами локальный пирогенез усиливает активацию мигрантов и снижает жизнедеятельность "агрессоров". Эти же эффекты в определенных центрах нервной системы могут определять участие брадикинина в запуске механизма сократительного термогенеза (дрожи), терморегуляторного поведения и в других доминантно активированных структурах. Среди эффектов брадикинина известно увеличение свертываемости крови, выделение гистамина из тучных клеток кожи, легких, базофилов. Митогенный эффект брадикинина направлен на регенерацию тканей.

В почках гормоны калликреин-кининовой системы образуются в тубулярной системе (гормоны ренин-ангиотензиновой системы - в корковом слое). Это позволяет брадикинину прямо и опосредованно через секрецию простагландинов увеличивать диурез и натрийурез.

Гормоны обеих систем плазмы крови (ренин-ангиотензиновой и калликреин-кининовой) в определенной мере являются антагонистами, реципрокно регулируя локальные вазомоторные реакции. Возможно, они входят в число факторов, формирующих функциональную дифференцированность сосудов на ангиотомы разных метамеров тела. Взаимодействие двух систем гормонов обеспечивает смену типов вазомоторных реакций в процессе гомеостатирования артериального давления. Клетки крови вырабатывают также комплексы цитокинов и других гормонов (гистамина, серотонина), регулирующих функции кроветворной системы. Пролиферация и дифференцировка разных линий стволовых клеток: эритроидной, лимфоидных и других контролируется в зависимости от стадии их эволюции вариабельными комплексами гормонов.

В целом, гормоны сердца, сосудов, плазмы и клеток крови взаимодействуют в регуляции функций кардиоваскулярной системы, контролируя объем жидкости в организме и крови в системе, артериальное и венозное системное давление, а также локальный кровоток. Важным эффектом действия гормонов системы является перераспределение крови между работающими и неработающими в данный момент органами. Локальная секреция в этих же органах брадикинина, эндотелинов, NO облегчает действия гормонов сердечно-сосудистой системы, поступающих с кровотоком.

6.9. ГОРМОНОПОЭЗ И ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ТРАНСДУКЦИИ ГОРМОНАЛЬНОГО СИГНАЛА

По химической структуре молекул гуморальные агенты весьма разнообразны. Их основные группы представлены аминокислотами или производными аминокислот (например, производные триптофана - индоламины, тирозина - йодтиронины), белками и пептидами (гормоны гипофиза), а также производными липидов (стероиды, ненасыщенные жирные кислоты и их метаболиты). Функции гормонов могут также выполнять моноамины, глюкоза ионизированный кальций, супероксид кислорода, оксиды азота и углерода, АТФ и другие вещества. В зависимости от структуры молекулы и типа ткани пути гормонопоэза одного гормона и уровни его регуляции могут различаться. Для белков и пептидов этапы представлены экспрессией гена, синтезом и процессингом мРНК, синтезом молекулы предшественника гормона и выведением молекулы из клетки. Комплекс вне- и внутриклеточных факторов может определить уровень экспрессии гена соответствующего гормона (полной или селективной) через активацию транскрипционных факторов, регуляцию сборки комплекса инициации транскрипции гена и т. д.

"Точкой приложения" действия вне- и внутриклеточных факторов, определяющих быстрое изменение секреции гормона, является механизм везикулярного и невезикулярного экзоцитоза. Первый из них зависит от уровня ионов Са2+ в цитоплазме и цистернах Гольджи, второй - от трансмембранного градиента рН. "Упаковка" молекул гормона (чаще препро- или прогормона) в экзоцитозные везикулы происходит при участии Са2+, Са-связывающих белков секрето- и хромогранинов, частично попадающих с прогормоном в одну и ту же везикулу. Эти полифункциональные кислые белки связывают также протеазы осуществляющие протеолиз прогормона с образованием активной формы гормона уже в экзоцитозной везикуле, транспортируемой к плазмалемме.

Поскольку транспорт секреторных гранул везикул идет за Счет гидролиза ГТФ встроенными в их мембрану мономерами ГТФ-связывающими белками то возможна также регуляция гормональных молекул посредством изменения конфигурации ГТФ в клетке. Увеличение выхода Са2+ из того или иного депо под влиянием внеклеточного фактора может суммироваться с предшествующим пиком свободного Са2+. Этим объясняется вероятностный характер выделения гормона из клетки под влиянием одного и того же лиганда.

Гормон, синтезируемый в клетке, может выделяться и другим способом невезикулярно. Так, для трансформирующего фактора роста альфа, эпидермального фактора роста и фактора некроза опухолей известно, что невезикулярное выделение гормона происходит путем протеолиза молекул предшественников, которые встраиваются как интегральные белки в плазмалемму.

Процессинг гормона в большинстве случаев не заканчивается на клеточном уровне. В сосудах протеазы плазмы крови осуществляют каскадный протеолиз молекул белковых и пептидных гормонов. Наличие энзимов и протеолиз молекулы гормона как лиганда в сосудистой системе указывает на сходство последней с громадной синаптической щелью, где эндокриноцит железы является аналогом пресинаптической структуры, а клетки органа-мишени с соответствующими рецепторами - постсинаптической. Поскольку эндотелий и другие ткани сосуда выделяют энзимы и собственные гормоны, осуществляют трансэпителиальный транспорт веществ, сосуд представляет собой также функциональную аналогию протока эндокринных желез, не обладающих собственной протоковой системой (гипофиз, щитовидная железа).

В плазме крови протеолиз молекулы может быть заблокирован специальными субъединицами гормона, защищающими его активный центр (например, в молекуле фактора роста нервов), или белками-транспортерами. Последние синтезируются в печени и транспортируют йодсодержащие гормоны щитовидной железы, стероиды и некоторые белковые гормоны. Помимо того, возможен синтез гормона и его транспортера в одной клетке. Например, гормон окситоцин и белок-носитель нейрофизин кодируются разными экзонами одного гена и синтезируются в одних окситоцинергических нейросекреторных клетках гипоталамуса. Белки-носители можно рассматривать и как депо соответствующих гормонов в плазме крови, т. к. они гомеостатируют оптимальный уровень активной формы гормона в сосудистом русле. В ликворе протеазы отсутствуют, поэтому структура и активность нейропептидов в нем сохраняется дольше, нежели в плазме крови.

Образование гормонов липидной природы происходит с участием липидов мембран: холестерина, ненасыщенных жирных кислот и их метаболитов. В стероидогенных тканях (коре надпочечников) дальнейший синтез осуществляется под влиянием стероидных гидроксилаз, специфичных для определенных групп гормонов. В этом случае в митохондриях осуществляется энзимозависимое превращение холестерола в прегненолон, а затем в прогестерон. Последний относится к гестагенам (или прогестинам) и является прогормоном для глюко- и минералокортикоидов, андрогенов и эстрогенов. Синтез гормонов каждой из групп осуществляется под влиянием определенных ферментов, характерных для соответствующего типа гормонпродуцирующих клеток надпочечников или гонад.

Исключительная роль в гормонопоэзе отводится арахидоновой кислоте. Она выделяется фосфолипазами из фосфолипидов мембраны и молекулы диацилглицерола. В иммунокомпетентных клетках метаболизм арахидоновой кислоты идет последовательно с образованием группы эндоперекисей классических простагландинов. Ключевым энзимом этого пути метаболизма арахидоновой кислоты является 5-циклогеназа. Считается, что арахидоновая кислота и ее производные являются по преимуществу парагормонами, однако в плазме крови простагландины могут также транспортироваться специфическими анионными белками.

В эндокриноцитах, клетках эпителия, иммуннокомпетентных клетках возможен синтез и выделение Одновременно нескольких веществ. Так, ?-клетками поджелудочной железы секретируются инсулин, ГАМК и ряд пептидных гормонов. В G-клетках желудка - гастрин, кортикотропин, гормон роста и пролактин. Известная Са2+- и потенциал-зависимость экзоцитоза этих гормонов позволяет по аналогии с нейронами говорить о существовании феномена "когормонов" и для гормон-продуцирующих клеток.

6.10. РЕЦЕПТОРЫ ГОРМОНОВ

Механизмы действия гормонов наиболее удобно рассмотреть на примере трех эндокринных клеток, секретирующих гормоны в межклеточное пространство в непосредственной близости от капилляров (рис. 6.31).

Рецептором называют молекулу (или их комплекс), способную к концентрационно зависимому связыванию лиганда (гормон, медиатор) и передаче сигнала об этом событии с его усилением и изменением (трансдукцией) к внутриклеточным структурам. Взаимодействие гормона с внутриклеточным рецептором представляется следующим образом (рис. 6.31). Гормон попадает в клетку через плазматическую мембрану и взаимодействует с рецептором. Гормон-рецепторный комплекс переносится в ядро и действует на синтез ДНК или же изменяет скорость транскрипции и синтез информационной (матричной) РНК (мРНК). Увеличение или уменьшение количества мРНК влияет на синтез белка в процессе трансляции, что приводит к изменению функциональной активности клетки.

Активность рецептора характеризуется сродством (специфичностью связывания) к лиганду и способностью воздействовать на эффекторные механизмы клетки прямо или через молекулы-посредники. Большинство известных рецепторов является белками, фосфо- или гликопротеинами, имеющими один участок связывания определенного лиганда.

Для каждого из гормонов известны несколько типов рецепторов, локализованных преимущественно в клетках разных органов-мишеней. Это во многих случаях связано со сменой механизма трансдукции гормонального сигнала или системы инактивации рецептора. Например, глутамат, наиболее распространенный возбуждающий нейротрансмиттер, через метил-П-аспартат (NMDA)-рецептор, ионный канал, вызывает быстрые реакции нейронов. Другой тип рецепторов глутамата, метаботропический (mGluR), сопряжен с ГТФ-связывающими белками и опосредует более медленные реакции через системы внутриклеточных посредников.

Эффекты лиганд-рецепторного взаимодействия в значительной степени определены локализацией рецептора, который может находиться в плазмалемме и внутриклеточных мембранах, цитозоле и нуклеоплазме (рис. 6.32). При

Рис. 6.31 Механизм действия гормонов

Рис. 6.32 Механизм действия стероидных гормонов Ра и Рб - две субъединицы рецептора; Г - гормон.

эндоцитозе лиганд-рецепторного комплекса гормон может попадать в клетку и эффекты мембранного уровня дополняются внутриклеточными.

Известно, что одновременно на клетку могут действовать многие вещества, взаимодействуя с разными рецепторами и определяя таким образом вероятностный характер итоговой реакции. Однако существует множество факторов, увеличивающих вероятность определенного функционально значимого ответа клетки через выделение и усиление наиболее значимого сигнала, регламентацию длительности его воздействия и определение последовательности событий на мембране и в клетке. К таким факторам, действующим на уровне мембраны, относят локальные значения: потенциала мембраны, градиентов рН, осмотического давления и ионов.

Избирательному усилению действия одного из сигналов может способствовать и увеличение числа определенных рецепторов под влиянием повторяющихся воздействий данного гормона либо вследствие предварительного воздействия другого. Например, эстрадиол влияет на экспрессию генов и синтез рецепторов к окситоцину и базальному фактору роста фибробластов, что затем приводит к повышению эффективности действия этих гормонов. Увеличение числа рецепторов приводит к образованию их групп (кластеров) благодаря латеральной диффузии молекул в плазмалемме, действию белков кластрирования, рецептор-зависимому фосфорилированию белковых факторов кластеризации. Для рецепторов факторов роста в таких кластерах показана возможность взаимного фосфорилирования. Сходная кластеризация описана и для хемочувствительных ионных каналов, активируемых гормонами. По механизмам, опосредующим эффекты связывания лиганда и рецептора, выделены три основные типа рецепторов, локализованных в клеточной мембране.

Рецепторы I типа представлены хемочувствительными ионными каналами, одна из субъединиц которого обладает способностью связывать лиганд. Так, для медиатора нервной системы и парагормона многих эндокринных желез ГАМК известен рецептор А-типа, ?-субъединица которого имеет консервативный трансмембранный домен М II, содержащий ряд остатков аминокислот Thr и Ser и составляющий основу Cl--канала или водной поры. Его другие субъединицы выполняют рецептивные функции. В результате лиганд-рецепторного взаимодействия ионы хлора входят в клетку и гиперполяризуют мембрану, а сопряженный транспорт воды участвует в регуляции объема и осмотического давления в клетке.

Рецепторы II типа - интегральные белки с семью трансмембранными доменами. Участок внутриклеточного С-конца молекулы рецептора и одна из внутриклеточных петель (чаще третья) сопряжены с одной из трех (а) субъединиц ГТФ/ГДФ-связывающего (G) белка клеточной мембраны. Связывание гормона приводит к рецептор-зависимой активации внутриклеточных факторов, обусловливающих замену ГДФ на ГТФ в неактивном комплексе ГДФ/?-субъединица. При этом две другие субъединицы G-белка ((? и ?) диссоциируют от комплекса и могут воздействовать на ионные каналы мембраны. Другая группа внутриклеточных факторов (ГТФаз-активирующие белки, GAP) активирует энзиматические свойства ?-субъединицы, и она как ГТФаза отщепляет фосфатную группу от ГТФ. Выделяемая при этом энергия идет на фосфорилирование энзимов, а также белков цитоскелета и других белков.

Разные изоформы ?-субъединицы гетеротримерных G-белков клеточных мембран воздействуют на определенные энзимы, запуская соответствующие каскады посредников. Таким образом осуществляется передача, усиление и трансформация сигнала, кодируемого гормоном или другим лигандом.

Рис. 6.33 Механизм проведения гормонального сигнала в клетке при участии вторичных посредников

Gs - Gs-белок, G1 - Gi-белок, Gq - Gq-белок; ИФЗ - инозитолтрифосфат, КМ - кальмодулин, Ф - фосфат; ?1, ?2, ? - субтипы рецепторов.

В аденилатциклазной системе рецептор-зависимая активация Gs-белка приводит к активации энзима мембраны аденилатциклазы, которая конвертирует АТФ в цАМФ (рис. 6.33). Последняя фосфорилирует цитоплазматические белки. Один из них - цАМФ-зависимая протеинкиназа А (РКА), каскадно-фосфорилирующая по остаткам Ser и Thr молекулы других белков, выполняющих разнообразные функции.

Рецептор-зависимая активация Gi-белка (его G2i изоформы) приводит к подавлению активности аденилатциклазы. Фосфорилирование ?-субъединицы G2i по Ser144 (серин-треониновой протеинкиназой С, активированной, например, действием гормона вазопрессина) блокирует тормозные эффекты Gi в гепатоцитах и тромбоцитах. Аденилатциклазную систему вторичных посредников могут подавлять также фосфодиэстераза, превращающая цАМФ в быстро гидролизируемый мономер, и лиганды, активирующие гуанилатциклазную систему.

В гуанилатциклазной системе соответствующий энзим, конвертирующий ГТФ в цГМФ, представлен двумя пулами: мембранной и цитоплазматической гуанилатциклазами. В плазмалемме энзим может быть компонентом рецептора (например, рецептора атриального натрийуретического гормона) или сопряжен с G-белком. Цитозольная гуанилатциклаза также обладает рецепторными функциями, акцептируя такое вещество, как оксид азота (NO). В обоих случаях лиганд-рецепторное взаимодействие приводит к активации энзима и увеличению внутриклеточной концентрации цГМФ. Последняя, как и цГМФ-зависимая протеинкиназа G (PKG), подавляет активность аденилатциклазы и рецептор-зависимое увеличение уровня Са2+ проницаемость К+ каналов и увеличивает вход ионов К+ в клетку, способствуя гиперполяризации плазмалеммы. Содержание цГМФ в цитоплазме регулируется разными механизмами, одним из которых является активация фосфодиэстеразы.

В запуске фосфоинозитидной системы участвуют Gq-белки, активирующие мембранные изоформы фосфолипазы. С (ФЛС бета) и Са2+-ионные каналы плазмалеммы. Энзим является фосфоинозитидспецифичным и превращает инозитолдифосфат мембраны в трифосфат. Другим продуктом гидролиза является диацилглицерол, имеющий в боковой цепи арахидоновую кислоту. Вход Са2+ в клетку изменяет конформационную структуру рецепторов в мембранах внутриклеточных депо катиона. При взаимодействии с инозитолтрифосфатом рецептор приобретает функции Са2+-чувствительного Са2+-канала, через который ион выходит из депо в цитоплазму. При увеличении концентрации свободного Ca2+ в цитоплазме он акцептируется многими Са-связывающими белками.

Среди Са2+-связывающих белков важен кальмодулин (СаМ), молекула которого, акцептируя Ca2+, способна активировать специфические киназы. Среди них наиболее полифункциональна СаСаМ-зависимая киназа II, фосфорилирующая Na+/Н+ обменник и играющая одну из ключевых ролей в секреторном процессе и регуляции концентрации внутриклеточного Са2+ Воздействие ряда гормонов на тонус и сокращение гладких и поперечнополосатых мышц через систему Gq-белков обусловлено активацией Са-связывающих сократительных белков. Известная роль Ca2+ в регуляции рН цитозоля, транспорта и цитоскелета также подчеркивает важность фосфоинозитидной системы, регулируемой через Gq-белки, сопряженные с рецепторами.

Арахидонатная система вторичных посредников, связанная с выделением из фосфолипидов мембраны и метаболизмом арахидоновой кислоты, активируется другой группой G-белков - Gpia. Арахидоновая кислота участвует в гиперполяризации клеточных мембран через ингибирование деполяризующих Na+- и медленных Са2+-каналов, а также через активацию гиперполяризующих К+-каналов. Ингибирование GAP-белков арахидоновой и фосфатидиловой кислотами дополняет перечень их тормозных эффектов в отношении других систем вторичных посредников.

Рецепторы III типа характерны для инсулина, факторов роста и цитокинов. Они представляют собой рецептор и энзим одновременно, поскольку внеклеточный домен интегральной молекулы содержит последовательность аминокислотных остатков, связывающих определенный лиганд, а цитозольный С-конец содержит области (домены) с киназными свойствами. Эти особенности рецептора обеспечивают быстроту передачи сигнала о связывании гормона на внутриклеточные структуры. Благодаря кластеризации мономерных рецепторов или же существованию стойких гомо- или гетеродимерных молекулярных конструкций интенсивность воздействия лиганда усиливается.

Энзиматические домены у рецепторов пролиферативных гормонов представлены по преимуществу протеинтирозинкиназами (РТК), а у рецепторов цитокинов могут быть и серин-треониновыми. Связывание гормона приводит к изменению конформационной структуры и аутофосфорилированию молекулы рецептора. Это позволяет ему затем фосфорилировать мембранные белки: энзимы, другие типы рецепторов, ионные каналы, G-белки (соответственно по Туr или по Ser и Thr), и изменять их активность. Кроме того, возможно фосфорилирование цитозольных протеинкиназ с иными свойствами, а также других энзимов и транскрипционных факторов. Совокупность этих белков представляет систему трансдукции, обусловливающую полиэффекторные и быстрые воздействия гормона.

В настоящее время для рецепторов факторов роста и цитокинов также описаны системы внутриклеточных посредников.

В запуске тех или иных клеточных реакций, будь это процессы синтеза, клеточного цикла или апоптоза, могут участвовать разные системы внутриклеточной трансдукции сигнала. Внутриклеточные рецепторы связывают те гормоны, которые посредством эндоцитоза, диффузии или мембранных транспортеров могут поступать в клетку (рис. 6.34).

Гормон-рецепторный комплекс переносится в ядро и действует на синтез ДНК, изменяя скорость транскрипции и количество мРНК. Увеличение или уменьшение количества мРНК влияет на синтез белка в процессе трансляции, что приводит к изменению функциональной активности клетки.

Для оксида азота, например, гормона или трансмиттера, характерно связывание с цитозольной гуанилатциклазой, представляющей собой его рецептор. Цитозольные рецепторы гормонов стероидной природы, ретиноидов и йод-содержащих тиреоидных гормонов представляют собой сложные макромолекулы гликофосфопротеинов. Гормон-связывающий домен является протеинкиназой, активируемой после связывания гормона и фосфорилирующей транскрипционные факторы.

Рис. 6.34 Взаимодействие гормона с внутриклеточным рецептором

Расположенный ближе к N-концу рецептора ДНК-связывающий домен имеет "выпетления" аминокислотных последовательностей, соединенных с атомом цинка (так называемые "цинковые пальцы"). В цитоплазме они "закрыты" белками теплового шока, транспортирующими лиганд-рецепторный комплекс в ядро. В ядре цинковые пальцы обеспечивают узнавание специфического для данного рецептора участка связывания с ДНК и взаимодействие с ним. Он представляет собой сдвоенную (прямую или инвертированную) гормон-респонсивную нуклеотидную последовательность в области промотора определенного гена. Чаще с ней связывается сдвоенный лиганд-рецепторный комплекс. Следующий за этим запуск процесса транскрипции гена может быть усилен, если образуется не гомодимер, что характерно для стероидов, а гетеродимер (например, рецептора тироксина и цис-ретиноевой кислоты).

Гормон-респонсивная нуклеотидная последовательность может не только стимулировать, но и подавлять экспрессию гена (например, рецептор глюкокортикостероидов ингибирует ген кортиколиберина). Сходное действие описано и для мономера рецептора тироксина в отсутствие гормона, тогда как связывание лиганда и последующая димеризация комплекса приводит к противоположному эффекту.

Таким образом, гормоны, как и трансмиттеры, через разные типы рецепторов систем внутриклеточной трансдукции сигнала более или менее быстро реализуют свои эффекты на уровне клеточной мембраны, органелл и цитоплазмы, а также ядра. Специфика условий синтеза рецепторов и гормонов в разных тканях обусловливает различие в них типов рецепторов к одному лиганду и, соответственно, возможность разных эффектов.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Для поддержания гомеостаза и осуществления основных жизненных функций в эволюции возникли две основные системы: нервная и эндокринная, - работающие во взаимодействии между собой при осуществлении интегративной деятельности.

Гормоны вырабатываются в эндокринных железах, не имеющих выводных протоков, или в группах клеток с эндокринной функцией в пределах разных органов и поступают в циркулирующие жидкости организма. Для гормонов характерны дистантное действие и способность вызывать специфическую активность, воздействуя на рецепторы эффекторных органов и тканей-мишеней в низких концентрациях.

В нервной системе беспозвоночных и позвоночных животных находятся нейросекреторные клетки, в которых вырабатываются гормоны, регулирующие различные функции организма и стимулирующие синтез и секрецию гормонов эндокринными железами.

У позвоночных животных регулирующее влияние ЦНС на физиологическую активность эндокринных желез осуществляется через нейросекреторные центры гипоталамо-гипофизарной системы.

Висцеротропные гормоны - это олигопептиды, поступающие в основном в общую циркуляцию. Антидиуретический гормон (вазопрессин) оказывает влияние на функцию почек, на уровень кровяного давления и имеет ряд других эффектов, окситоцин влияет на гладкую мускулатуру матки, секрецию молока.

Гипофизотропные гормоны (олигопептиды) поступают в основном в ток портальной крови. Либерины (рилизинг-гормоны) оказывают стимулирующее влияние на функцию железистых клеток гипофиза, статины (ингибирующие факторы) тормозят их функцию. В гипоталамусе вырабатываются шесть либеринов и три статина.

Гипофиз состоит из двух основных компонентов: нейрогипофиза и железистой части, или аденогипофиза. В клетках аденогипофиза под действием гипофизотропных факторов гипоталамуса вырабатываются гормоны, оказывающие тропное действие на периферические железы.

Эффекторные гормоны (три из семи) оказывают непосредственное влияние на органы- или ткани-мишени. К ним относятся гормон роста, влияющий на растущие органы и ткани, пролактин, регулирующий развитие и функцию молочной железы, меланоцитостимулирующий гормон, действующий на функцию пигментных клеток-меланофоров. Тропные гормоны гипофиза (четыре из семи) влияют на эндокринные железы II порядка, стимулируя их функцию. Кортикотропин регулирует синтез и секрецию кортикостероидов корой надпочечника. Тиреотропный гормон оказывает стимулирующее влияние на щитовидную железу, в которой происходит выработка трийодтиронина (T3) и тироксина (Т4). Гонадотропные гормоны стимулируют секрецию половых стероидов стероидогенной тканью гонад. Функция системы гормональных взаимодействий осуществляется с использованием механизма обратной связи.

Кроме гормонов, образующихся в гипофизе и в эндокринных железах II порядка, в организме вырабатываются гормоны, синтез которых не зависит от непосредственного регулирующего влияния гипофиза. К этим гормонам относятся адреналин и норадреналин, синтезируемые в мозговом веществе надпочечников, паратгормон, образующийся в паращитовидных железах, кальцитонин, вырабатываемый в ультимобранхиальных железах (С-клетки щитовидной железы млекопитающих), а также ряд гормонов поджелудочной железы.

В отсутствие регуляции со стороны гипоталамуса и гипофиза для обеспечения гомеостаза и поддержания на оптимальном уровне всех параметров внутренней среды организма в систему регуляции включаются гормоны-антагонисты и различные метаболиты (глюкоза, жирные кислоты, ионы и т. д.).

В желудочно-кишечном тракте вырабатываются пептиды, выполняющие роль гормонов. В настоящее время для ряда гормонов установлена множественная локализация синтеза, так, например, гастрин и холецистокинин, являющиеся гормонами желудочно-кишечного тракта, обнаружены в мозгу; значение подобных явлений требует дальнейшего анализа. В процессе эволюции гормоны, по-видимому, возникли до образования эндокринных желез. В дальнейшем произошло развитие сложной системы нейро-гормональных взаимодействий, в состав которой вошли нейросекреторные элементы с вырабатываемыми ими гормонами, а также гормоны специализированных эндокринных желез. В результате образовался единый механизм регуляции, обеспечивающий деятельность организма.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Бакл Дж. Гормоны животных. М., 1986.

Балаболкин М. И. Эндокринология. М., 1989.

Биохимия гормонов и гормональной регуляции / Отв. ред. Н. А. Юдаев. М., 1976.

Држевецкая И. А. Основы физиологии обмена веществ и эндокринной системы. М., 1994.

Елецкий Ю. К.. Яглов В. В. Эволюция структурной организации эндокринной части поджелудочной железы позвоночных. М., 1978.

Мицкевич М. С. Гормональные регуляции в онтогенезе животных. М., 1978.

Потемкин В. В. Эндокринология. М., 1999.

Розен В. Б. Основы эндокринологии. М., 1994.

Смиттен Н.А. Симпато-адреналовая система в фило- и онтогенезе позвоночных. М., 1972.

Физиология человека. В 4 т. М., 1985. Т. 4. Обмен веществ. Пищеварение. Выделение. Эндокринная секреция. М., 1986.

Физиология эндокринной системы / Отв. ред. В. Г. Баранов. Л., 1979. (Руководство по физиологии).

Чернышева М. П. Гормоны животных: Введение в физиологическую эндокринологию. СПб., 1995.

Шмидт-Ниельсен К. Физиология животных. Приспособление и среда. В 2 кн. М., 1982.

Эволюционная физиология. В 2-х ч. / Отв. ред. Е. М. Крепе. Л., 1983. Ч. 2. (Руководство по физиологии).

7 КРОВЬ, ТКАНЕВАЯ ЖИДКОСТЬ, ЛИМФА

ВЕХИ ИСТОРИИ

1842 - А. М. Филомафитский (Россия) проводил исследования по переливанию крови. 1860-е - И. И. Мечников (Россия) разработал учение о защитной роли лейкоцитов. 1884 - М. В. Ненцкий (М. Nencki, Польша) установил структуру гема.

1872 - А. А. Шмидт, П. Моравиа, (Россия) заложили основы ферментативной теории свертывания крови.

1880 - К. Бернар (С. Bernard, Франция) рассматривал постоянство внутренней среды как "условие свободной жизни организма".

1883 - С. П. Боткин (Россия) установил, что при раздражении нервов, идущих к костному мозгу, увеличивается число эритроцитов.

1900 - К. Ландштейнер (К. Landsteiner, Австрия) открыл группы крови АВО у человека (Нобелевская премия за 1930 г.).

1907 - Я. Янский (J. Jansky, Чехия) открыл у человека четвертую группу крови и предложил классификацию групп крови (I-IV).

1908 - И. И. Мечников и П. Эрлих (Р. Ehrlich, Германия) - Нобелевская премия за создание теории иммунитета (клеточного и гуморального, соответственно).

1913 - Ш. Рише (Ch. Richet, Франция) - Нобелевская премия за открытие анафилаксии (1902).

1919 - Ж. Борде (J. Bordet. Бельгия) - Нобелевская премия за открытие антигенной специфичности.

1927 - А. А. Максимов (СССР) создал унитарную теорию кроветворения.

1928 - В. Н. Шамов (СССР) предложил переливание трупной крови.

1929 - Л. С. Штерн (СССР) сформулировала понятие гистогематического барьера и ввела этот термин.

1929 - У. Кеннон (W. Саnnon, США) сформулировал теорию гомеостаза.

1934 - Дж. Уипл (G. Whipple, США), Дж. Майнот (G. Minot, США) и У. Мерфи (W. Murphy, США) - Нобелевская премия за открытие метода лечения анемий введением печеночных экстрактов (содержавших, как выяснилось позднее, витамин Biz).

1936 - У. Касл (W. Castle, США) назвал все количество эритроцитов, находящееся в кровеносных сосудах и в костном мозгу, "эритроном".

1936 - Г. Ф. Ланг (СССР) сформулировал понятие "система крови". 1940 - К. Ландштейнер и А. Виннер (A. Winner, США) открыли резус-фактор.

1960 - М. Бернет (М. Burnet, Австралия) и П. Медавар (Р. Medawar, Великобритания) - Нобелевская премия за открытие приобретенной иммунологической толерантности.

1980 - Б. Бенасерраф (В. Benacerraf, США). Ж. Доссе (J. Dausset, Франция) и Дж. Снелл (G. Snell. США) - Нобелевская премия за открытие способа заменять дефектные гены и создавать новые популяции иммунных клеток.

Термин внутренняя среда организма предложен французским физиологом К. Бернаром. В это понятие включена совокупность жидкостей - кровь, лимфа, тканевая (интерстициальная, внеклеточная), цереброспинальная, суставная, плевральная и другие жидкости, которые омывают клетки и околоклеточные структуры тканей, принимая тем самым непосредственное участие в осуществлении обменных реакций организма.

Основой внутренней среды является кровь, между тем роль непосредственной питательной среды выполняет тканевая жидкость. Ее состав и свойства специфичны для отдельных органов, соответствуют их структурным и функциональным особенностям. Поступление из крови составных частей тканевой жидкости и их обратный отток в лимфу и снова в кровь избирательно регулируются тканевыми барьерами. Определяя состав крови, лимфы, тканевой жидкости, можно судить об обменных процессах, происходящих в отдельных органах, тканях или в организме в целом. Внутренняя среда характеризуется динамическим постоянством - гомеостазом, что имеет особое значение в жизнедеятельности организма.

7.1. ЭВОЛЮЦИЯ ВНУТРЕННЕЙ СРЕДЫ ОРГАНИЗМА

У многоклеточных животных большая часть клеточных элементов не соприкасается непосредственно с внешней средой. Простейшие организмы, такие как губки, в процессе эволюции приобрели специальные каналы, по которым вода прокачивается через тело.

Следующим этапом являются кишечнополостные и низшие черви. У них возникает уже обособленная внутренняя среда, заполняющая межклеточные каналы тела. В этом случае окружающая животных вода заполняет пищеварительную полость и затем поступает в межклеточные каналы. Жидкость межклеточных каналов называют гидролимфой. По своему составу она мало отличается от окружающей среды. Таким образом, у этих организмов появляется уже гастроваскулярная система циркуляции.

Дальнейшее усложнение состава внутренней среды, ее обособленность и относительное постоянство отмечаются у членистоногих и моллюсков. С появлением незамкнутой (лакунарной) сосудистой системы и пульсации стенок сосудов находящаяся в них жидкость - гемолимфа - проталкивается по сосудам и заполняет межклеточные пространства. Эти пространства представляют специальные резервуары - лакуны.

Среди членистоногих, имеющих аппарат дыхания, гемолимфа осуществляет уже транспорт не только питательных веществ, но и газов. В ней присутствуют дыхательные пигменты, содержащие железо и медь (гемоглобин, гемоцианин). Дыхательных пигментов не обнаруживается в гемолимфе насекомых высокоорганизованных сложно устроенных животных, способных поддерживать высокий уровень метаболической активности. Тело их пронизано системой трахеальных трубочек, и проходящий по ним воздух отдает кислород непосредственно клеткам тканей. Главная же функция гемолимфы у них _ доставка питательных веществ, метаболитов и гормонов, которые у насекомых особенно важны для роста, линьки и т. д.

У олигохет, полихет, пиявок, форонид, немертин, головоногих моллюсков, голотурий, иглокожих, а также позвоночных животных возникает замкнутая система сосудов с циркулирующей в них гемолимфой или кровью.

Рис. 7.1 Классификация жидких сред

А - общие среды; Б - некоторые специализированные среды: I - внесосудистые (внутриклеточная и межтканевая жидкость), // - внутрисосудистые (кровь и лимфа).

Поэтому кровь и межклеточная тканевая жидкость по составу и функциям представляют две самостоятельные системы. Кровь содержит специализированные клетки, белки, органические вещества, дыхательные пигменты, соли. Тканевая жидкость играет роль посредника в обмене веществ между клетками тканей и циркулирующей кровью, в связи с чем состав ее непрерывно обновляется. У отдельных беспозвоночных (черви, осьминоги, морские звезды) гемолимфа вместе с тканевой жидкостью образуют гидравлический скелет, назначением которого является осуществление двигательных актов. Для того чтобы гидравлический скелет мог работать, жидкость должна быть заключена в ограниченное пространство и мышечная сила должна использоваться для создания давления в этой жидкости. Например, давление гемолимфы у осьминога достигает 80 мм. рт. ст.

Помимо двух названных систем позвоночным присущ еще третий тип жидкой внутренней среды - лимфы. Она циркулирует в специальной системе сосудов, в результате чего отделена от межклеточной тканевой жидкости эндотелиальной стенкой. Между всеми тремя жидкостями внутренней среды у позвоночных существует постоянный обмен, направленный на непрерывное поступление к клеткам необходимых веществ и удаление продуктов жизнедеятельности (рис. 7.1).

7.2. ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПОДДЕРЖАНИЯ ПОСТОЯНСТВА ВНУТРЕННЕЙ СРЕДЫ ОРГАНИЗМА. ПОНЯТИЕ О ГОМЕОСТАЗЕ

Более 120 лет назад великий физиолог Клод Бернар пришел к заключению, что "постоянство внутренней среды есть условие независимого существования". Иначе говоря, для того чтобы организм функционировал эффективно, составляющие его клетки должны находиться в строго регулируемой среде. Позже этот принцип нашел многочисленные подтверждения и стало ясно, что внутренняя среда организма животных регулируется множеством специальных механизмов. Благодаря этому состав среды поддерживается постоянным, изменяясь лишь в узких пределах.

Для описания этого состояния в 1929 г. Уолтер Кеннон ввел термин гомеостаз. Под гомеостазом сейчас понимают не только сами согласованные физиологические процессы, поддерживающие большинство устойчивых состояний организма, но и регулирующие механизмы, которые обеспечивают это состояние. Многие из отдельных механизмов, особенно касающихся регуляции внутри- и внеклеточных взаимоотношений, оказывают в ряде случаев уравновешивающие друг друга взаимопротивоположные воздействия. В конечном счете это приводит к установлению в организме подвижного физиологического фона, а также позволяет живой системе несмотря на сдвиги, возникающие в процессе жизнедеятельности и изменения в окружающей среде, поддерживать относительное динамическое постоянство. Границы гомеостаза могут быть жесткими и пластичными. Их показатели зависят от видовых, индивидуальных, половых и других условий. Жесткими константами являются параметры внутренней среды, которые определяют оптимальную активность ферментов, т. е. возможность осуществления обменных процессов.

Живой организм представляет собой открытую систему, непрерывно обменивающуюся материей и энергией с окружающей средой. В этом обмене и поддержании постоянства внутренней жизни участвует огромное число органов, систем, процессов, механизмов. К ним относятся такие как кожа, селезенка, печень, барьерная система, иммунная система и т. д.

Например, кожа обеспечивает защитную, обменную, выделительную, сенсорную и другие функции. Она является водным и жировым депо. В селезенке осуществляется кроветворение, депонирование электролитов, липидов, в ней образуются гемолизины. В печени обезвреживаются токсины, лекарственные вещества, разрушается ряд гормонов. Печень участвует в обмене белков, жиров, углеводов и воды, а также в выработке тепла в организме. В ней образуются желчь, компоненты системы свертывания крови и другие биологически активные вещества. Она является депо минералов и антианемического фактора.

Наряду с кожей, почками, органами дыхания и пищеварительным трактом печень входит в состав внешних барьеров, обеспечивающих защиту организма от неблагоприятных факторов окружающей среды, и внутренних барьеров, сохраняющих постоянство внутренней среды. К внутренним барьерам принято относить гистогематические: гематоэнцефалический, гематоулитковый и др. Их структурной основой является эндотелий капилляров.

7.3. ПОНЯТИЕ О СИСТЕМЕ КРОВИ

Под системой принято понимать упорядоченное и целостное множество взаимосвязанных элементов, объединенных выполнением общей цели. Главным свойством системы как единой совокупности взаимодействующих элементов является целостность, выражающаяся в несводимости свойств системы к сумме свойств составляющих ее частей.

В 1939 г. Г. Ф. Ланг предложил объединить кровь, регулирующий ее нейрогуморальный аппарат и органы, в которых происходит образование клеток крови и их разрушение, - костный мозг, вилочковую железу, лимфатические узлы, селезенку и печень - ввиду тесной их связи под общим понятием система крови. Компоненты этой системы осуществляют непосредственный контакт с кровяным руслом. Такое взаимоотношение обеспечивает не только транспорт клеток, но и поступление различных гуморальных факторов из крови в кроветворные органы.

Главным местом образования клеток крови у высших позвоночных является красный костный мозг позвоночника и плоских костей. Здесь находится основная масса кроветворных элементов. В нем же осуществляются и разрушение эритроцитов, утилизация железа, синтез гемоглобина, накопление резервных липидов. С костным мозгом связано происхождение популяции В-лимфоцитов, осуществляющих гуморальные реакции иммунитета, т. е. выработку антител.

Центральным органом иммуногенеза является вилочковая железа. В ней происходит дифференцировка Т-лимфоцитов, которые участвуют в клеточных реакциях иммунитета, направленных на отторжение ткани.

Кроме вилочковой железы ответственными за выработку иммунитета являются селезенка и лимфатические узлы. Селезенка участвует в лимфоцитопоэзе, синтезе иммуноглобулинов, разрушении эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов, в депонировании крови. Лимфатические узлы продуцируют и депонируют лимфоциты.

В регуляции деятельности системы крови важную роль играют гуморальные факторы - эритропоэтины, лейкопоэтины, тромбоцитопоэтины. Кроме них действуют и другие гуморальные агенты, например андрогены. Медиаторы (ацетилхолин, адреналин) влияют на систему крови, не только вызывая перераспределение форменных элементов, но и путем прямого влияния на холино- и адренорецепторы клеток. Определенное влияние оказывает нервная система. Работами В. Н. Черниговского и А. Я. Ярошевского показана важная роль нервных факторов в регуляции деятельности системы крови.

7.3.1. Основные функции крови

Кровь - основная транспортная система организма. Она представляет собой ткань, состоящую из жидкой части - плазмы - и взвешенных в ней клеток (форменных элементов) (рис. 7.2). Ее главной функцией является перенос различных веществ, посредством которых осуществляется защита от воздействий внешней среды или регуляция деятельности отдельных органов и систем. В зависимости от характера переносимых веществ и их природы кровь выполняет следующие функции: 1) дыхательную, 2) питательную, 3) экскреторную, 4) гомеостатическую, 5) регуляторную, 6) креаторных связей, 7) терморегуляционную, 8) защитную.

Рис. 7.2 Состав крови.

Дыхательная функция. Эта функция крови представляет собой процесс переноса кислорода из органов дыхания к тканям и углекислого газа в обратном направлении. В легких и тканях обмен газов основан на разности парциальных давлений (или напряжений), в результате чего происходит их диффузия. Кислород и углекислый газ содержатся в основном в связанном состоянии и лишь в небольших количествах - в виде растворенного газа. Кислород обратимо связывается с дыхательным пигментом - гемоглобином, углекислый газ - с основаниями, водой и белками крови. Азот находится в крови только в растворенном виде. Его содержание невелико и составляет около 1,2% по объему,

Транспорт O2 обеспечивается гемоглобином, который легко вступает с ним в соединение. Соединение это непрочно, и гемоглобин легко отдает кислород. У человека при парциальном давлений в легких около 100 мм рт. ст. (13,3 кПа) гемоглобин на 96-97% превращается в оксигемоглобин (НЬО2). При значительно более низких парциальных давлениях О2 в тканях оксигемоглобин отдает кислород и превращается в восстановленный гемоглобин, или дезоксигемоглобин (НЬ).

Способность гемоглобина связывать и отдавать 02 принято выражать кислородно-диссоциационной кривой. Чем больше изогнута кривая, тем больше разница между содержанием О2 в артериальной и венозной крови, а следовательно больше О2 отдано тканям. Возможность крови как переносчика О2 характеризуется величиной ее кислородной емкости. Кислородной емкостью обозначают количество O2, которое может быть связано кровью до полного насыщения гемоглобина. Она составляет около 20 мл О2, на 100 мл крови. Способность гемоглобина связывать О2 понижает постоянно образующийся в организме СО2, в результате чего его накопление в тканях способствует отдаче гемоглобином кислорода.

Реагируя с водой, CO2 образует слабую и неустойчивую двуосновную угольную кислоту. Она необходима для поддержания кислотно-щелочного равновесия, участвует в синтезе жиров, неогликогенезе. Вступая в соединения с основаниями, угольная кислота образует гидрокарбонаты. .

Углекислый газ вместе с гидрокарбонатом натрия образует важную буферную систему. В транспорте кровью СО2 существенную роль играет гемоглобин. Содержание СО2 в крови значительно выше, чем O2, перепады его концентраций между артериальной и венозной кровью соответственно меньше. В венозной крови СО2 диффундирует в эритроциты, в артериальной, напротив, выходит из них. При этом свойства гемоглобина как кислоты изменяются. В капиллярах ткани оксигемоглобин отдает O2, в результате чего ослабевают его кислотные свойства. В этот момент угольная кислота отнимает у гемоглобина связанные с ним основания и образует гидрокарбонат. В капиллярах легких гемоглобин снова превращается в оксигемоглобин и вытесняет углекислоту из бикарбоната. Хорошая растворимость бикарбоната в воде и большая способность углекислоты к диффузии облегчают ее поступление из тканей в кровь и из крови в альвеолярный воздух.

Питательная функция. Питательная функция крови заключается в том, что кровь переносит питательные вещества от пищеварительного тракта к клеткам организма. Глюкоза, фруктоза, низкомолекулярные пептиды, аминокислоты, соли, витамины, вода всасываются в кровь непосредственно в капиллярах ворсинок кишки. Жир и продукты его расщепления всасываются в кровь и лимфу. Все попавшие в кровь вещества по воротной вене поступают в печень и лишь затем разносятся по всему организму. В печени избыток глюкозы задерживается и превращается в гликоген, остальная ее часть доставляется к тканям. Разносимые по всему организму аминокислоты используются как пластический материал для белков тканей и энергетических потребностей. Жиры, всосавшиеся частично в лимфу, попадают из нее в кровяное русло и, переработанные в печени до липопротеинов низкой плотности, вновь попадают в кровь. Избыток жира откладывается в подкожной клетчатке, сальнике и других местах. Отсюда он может вновь поступать в кровь и переноситься ею к месту использования.

Экскреторная функция. Экскреторная функция крови проявляется в удалении ненужных и даже вредных для организма конечных продуктов метаболизма, избытка воды, минеральных и органических веществ, поступивших с пищей. К их числу относится один из продуктов дезаминирования аминокислот - аммиак. Он токсичен для организма, и в крови его содержится немного.

Большая часть аммиака обезвреживается, превращаясь в конечный продукт азотистого обмена - мочевину. Образующаяся при распаде пуриновых оснований мочевая кислота также переносится кровью к почкам, а появляющиеся в результате распада гемоглобина желчные пигменты - к печени. Они выделяются с желчью. В крови имеются и ядовитые для организма ^вещества (производные фенола, индол и др.). Некоторые из них являются продуктами жизнедеятельности гнилостных микробов толстой кишки.

Гомеостатическая функция. Кровь участвует в поддержании постоянства внутренней среды организма (например, постоянства рН, водного баланса, уровня глюкозы в крови и др. - см. разд. 7.2).

Регуляторная функция крови. Некоторые ткани в процессе жизнедеятельности выделяют в кровь химические вещества, обладающие большой биологической активностью. Находясь постоянно в состоянии движения в системе замкнутых сосудов, кровь тем самым осуществляет связь между различными органами. В результате организм функционирует как единая система, обеспечивающая приспособление к постоянно меняющимся условиям среды. Таким образом, кровь объединяет организм, обусловливая его гуморальное единство и адаптивные реакции.

Функция креаторных связей. Она состоит в переносе плазмой и форменными элементами макромолекул, осуществляющих в организме информационные связи. Благодаря этому регулируются внутриклеточные процессы синтеза белка, клеточные дифференцировки, поддержание постоянства структуры тканей.

Терморегуляционная функция крови. В результате непрерывного движения и большой теплоемкости кровь способствует перераспределению тепла по организму и поддержанию температуры тела. Циркулирующая кровь объединяет органы, в которых вырабатывается тепло, с органами, отдающими тепло. Например, во время интенсивной мышечной деятельности в мышцах возрастает образование тепла, но тепло в них не задерживается. Оно поглощается кровью и разносится по всему телу, вызывая возбуждение гипоталамических центров терморегуляции. Это приводит к соответствующему изменению продукции и отдачи тепла. В результате температура тела поддерживается на постоянном уровне.

Защитная функция. Ее выполняют различные составные части крови, обеспечивающие гуморальный иммунитет (выработку антител) и клеточный иммунитет (фагоцитоз). К защитным функциям относится также свертывание крови. При любом, даже незначительном, ранении возникает тромб, закупоривающий сосуд и прекращающий кровотечение. Тромб образуется из белков плазмы крови под влиянием веществ, содержащихся в тромбоцитах.

Помимо названных, в эволюционном ряду выделяют еще и такую функцию, как передача силы. Ее примером может служить участие крови в локомоции дождевых червей, разрыве кутикулы при линьке у ракообразных, движениях таких органов, как сифон двустворчатых моллюсков, в разгибании ног у пауков, капиллярной ультрафильтрации почек.

7.3.2. Объем и состав крови

Кровь у высших животных и человека состоит из жидкой части плазмы - и взвешенных в ней форменных элементов. Между плазмой и форменными элементами существуют определенные соотношения - гематокритное число (гематокрит), согласно которому объем клеток составляет у человека 40-45% объема крови, остальной объем (55-60%) приходится на плазму. Показатель дает представление об общем объеме эритроцитов, характеризует степень гемоконцентрации или гидремии (повышенное содержание воды в крови). Различают красные кровяные тельца - эритроциты, белые кровяные тельца - лейкоциты и кровяные пластинки - тромбоциты. В норме в 1 мкл крови человека содержится примерно 4-5 млн. эритроцитов, 4-9 тыс. лейкоцитов и 180-320 тыс. тромбоцитов.

Данные об эволюционных преобразованиях указывают на то, что форменные элементы крови, транспортирующие кислород, у беспозвоночных отсутствуют и дыхательные пигменты растворены непосредственно в плазме. С появлением замкнутой системы циркуляции (уже у некоторых червей) эти пигменты перемещаются в форменные элементы. Таким образом, у позвоночных животных плазма крови оказывается свободной от кровяных пигментов.

Общее количество крови у высших животных различно и зависит от вида, пола, интенсивности обмена веществ. Чем выше обмен, тем выше потребность в кислороде, тем больше крови у животного. Например, количество крови у спортивных лошадей достигает 14-15% от массы тела, а у выполняющих обычную работу - 7-8%. У человека количество крови составляет приблизительно 6-8% массы тела (4-6 л). Количество крови в организме - величина довольно постоянная и тщательно регулируемая. Имеющаяся в организме кровь в обычных условиях циркулирует по сосудам не вся. Часть ее находится в так называемых депо: в печени - до 20%, селезенке - до 16%, в коже - примерно 10% от общего количества крови.

7.3.3. Физико-химические свойства крови

Кровь представляет собой коллоидно-полимерный раствор, растворителем в котором является вода, растворимыми веществами - соли и низкомолекулярные органические соединения, коллоидным компонентом - белки и их комплексы.

Плотность. Плотность крови колеблется в узких пределах и зависит в основном от содержания в ней форменных элементов, белков и липидов. Плотность крови составляет у рыб 1,035 г/мл, у птиц - 1,052, у грызунов - 1,051 у человека 1,060-1,064 г/мл. Плотность лейкоцитов и кровяных пластинок ниже, чем эритроцитов. При отстаивании в пробирке или центрифугировании несвернувшейся крови сверху располагается слой желтоватой жидкости, представляющий собой плазму, под ним находится тонкий беловатый пояс _ лейкоциты и кровяные пластинки, наконец, внизу толстый слой (40-45% объема) - эритроциты. Вязкость - еще один физический показатель крови. Она в 3-6 раз больше вязкости воды и находится в прямой зависимости от содержания в крови эритроцитов и белков. Вязкость возрастает при сгущении крови, наблюдаемом, например, при обильном потении.

Осмотическое давление. Клетки крови, а также клетки органов и тканей имеют полупроницаемые мембраны, способные пропускать воду и не пропускать различные растворенные в ней соединения. Таких соединений в плазме крови много. Это прежде всего соли, находящиеся в диссоциированном состоянии. Концентрация солей в крови у млекопитающих составляет около 0 9%. От их содержания главным образом и зависит осмотическое давление крови. Осмотическое давление - сила движения растворителя через полупроницаемую мембрану из менее концентрированного раствора в более концентрированный.

Осмотическое давление играет значительную роль в поддержании концентрации различных веществ, растворенных в жидкостях организма, на физиологически необходимом уровне. Следовательно, осмотическое давление определяет соотношение воды между тканями и клетками. Растворы с осмотическим давлением, более высоким, чем осмотическое давление содержимого клеток (гипертонические растворы), вызывают сморщивание клеток вследствие перехода воды из клетки в раствор. Напротив, растворы с более низким, чем в клетках осмотическим давлением (гипотонические растворы) вызывают увеличение объема клеток в результате перехода воды из раствора в клетку. Растворы с осмотическим давлением, которое равно осмотическому давлению содержимого клеток (изотонические растворы), не вызывают изменения объема клеток. Все это свидетельствует о том, что даже незначительные изменения состава плазмы крови могут оказаться губительными для многих клеток организма и прежде всего самой крови.

Необходимость поддержания на постоянном уровне осмотического давления жидких сред организма возникла в процессе эволюции в связи с переходом животных к жизни в пресной воде и на суше. Так появились животные, которые смогли поддерживать осмотическое давление тканевых жидкостей на более низком и более высоком уровне, чем у окружающей среды (гипотоническая у некоторых морских животных и гипертоническая осморегуляция у пресноводных).

Осмотическое давление крови млекопитающих всегда находится на относительно постоянном оптимальном для обмена веществ уровне и составляет 7,3 атм (5600 мм рт. ст., или 745 кПа, что соответствует температуре замерзания - 0,54 °С). Для его поддержания существует совокупность специальных осморегуляторных механизмов, но прежде всего способностью к нормализации осмотического давления обладает сама кровь. Она может выполнять роль осмотического буфера при различных сдвигах либо в сторону осмотической гипертонии, либо гипотонии. Эта функция связана с перераспределением ионов между плазмой и эритроцитами, а также со способностью белков плазмы крови связывать и отдавать ионы.

Помимо этого, в стенках кровеносных сосудов, тканях, гипоталамусе находятся специальные осморецепторы, реагирующие на изменение осмотического давления. Их раздражение сопровождается рефлекторным изменением деятельности выделительных органов, приводящих к удалению избытка воды или поступивших в кровь солей. Такими органами являются почки и потовые железы.

Тонкие механизмы присущи только высшим позвоночным животным. Морские беспозвоночные не обладают такой способностью. У них осмотическое давление крови изменяется вместе с изменением осмотического давления окружающей морской воды.

Онкотическое давление. Помимо солей в плазме крови содержится много белков (7-8%). Белки также создают осмотическое давление, которое принято называть онкотическим. Это давление гораздо меньше создаваемого солями осмотического и составляет в среднем 30 мм рт. ст. Разница в величине давлений объясняется тем, что хотя белки и имеют огромную молекулярную массу, но они менее подвижны, чем ионы. Главным же условием создания осмотического давления является не масса, а число ионов и их подвижность. Этим условиям в большей степени отвечают растворенные в плазме соли.

Онкотическое давление является фактором, способствующим переходу воды из тканей в кровяное русло. Онкотическому давлению противодействует давление, под которым находится кровь в капиллярах, т. е. гидростатическое давление крови. В артериальной части капилляров оно достигает 35 мм рт. ст. и, следовательно, превышает величину онкотического давления плазмы. Поэтому здесь жидкость переходит из крови в окружающую капилляры ткань. Наоборот,

у венозного конца капилляра гидростатическое давление крови уже меньше онкотического и вода из тканей переходит обратно в кровь. Благодаря такому механизму, основанному на разности между онкотическим и гидростатическим давлениями, кровь находится в непрерывном обмене с тканевой жидкостью.

Реакция крови. Буферные функции. Важнейшим показателем постоянства внутренней среды организма является ее активная реакция, определяемая концентрацией водородных (Н+ и гидроксильных (ОН-) ионов. Для оценки активной реакции крови применяют водородный показатель - рН (от фр. pouvoir hydrogene - сила водорода), являющийся отрицательным десятичным логарифмом концентрации водородных ионов. Активная реакция имеет исключительное значение, поскольку абсолютное большинство обменных реакций может нормально протекать только при определенных величинах рН.

В эволюционном ряду беспозвоночные и некоторые позвоночные животные характеризуются широким диапазоном колебаний рН внутренней среды. Например, у насекомых этот показатель находится в пределах 6,4-8 0. Кровь млекопитающих и человека имеет слабощелочную реакцию: рН артериальной крови составляет 7,35-7,47, венозной - на 0,02 единицы ниже. Содержимое эритроцитов обычно на 0,1-0,2 единицы рН более кислое, чем плазма.

Несмотря на непрерывное поступление в кровь кислых и щелочных продуктов обмена, рН крови сохраняется на относительно постоянном уровне. Поддержание этого постоянства обеспечивается многочисленными физико-химическими биохимическими и физиологическими механизмами. В крови существует довольно постоянное отношение между кислыми и щелочными компонентами, его принято обозначать термином кислотно-щелочное равновесие (баланс).

Известны три главных пути поддержания рН на постоянном уровне: 1 - буферные системы жидкой внутренней среды организма и тканей; 2 - выделение СО2 легкими; 2 - выделение кислых или удержание щелочных продуктов почками. В крови существуют следующие буферные системы: гемоглобиновая, карбонатная, фосфатная, белков плазмы крови.

Гемоглобиновая буферная система составляет примерно 75% всех буферов крови. Гемоглобин в восстановленном состоянии является очень слабой кислотой, в окисленном - его кислотные свойства усиливаются. Карбонатная буферная система (рис. 7.3) состоит из угольной кислоты (Н2СО3), гидрокарбонатов натрия и калия (NаНСОз, КНСОз). При поступлении в плазму крови более сильной кислоты, чем угольная, анионы сильной кислоты взаимодействуют с катионами натрия и образуют нейтральную соль. В то же время ионы водорода соединяются с анионами НСОз-. При этом возникает малодиссоциированная угольная кислота. В легких под действием содержащегося в эритроцитах фермента карбоангидразы угольная кислота распадается на С02 и H2O. Углекислый газ выделяется легкими, и изменения реакции крови не происходит.

При поступлении в кровь оснований они вступают в соединение с угольной кислотой. В результате образуются гидрокарбонаты и вода. Реакция снова остается постоянной. Роль этой системы в организме значительна, так как с ее помощью осуществляется выделение с выдыхаемым воздухом СО2 и почти мгновенная нормализация реакции крови.

Фосфатная буферная система складывается из смеси однозамещенного и двузамещенного фосфорнокислого натрия (NаН2Р04 и Na2HP04). Первый слабо диссоциирует и обладает свойствами слабой кислоты, второй имеет свойства

Рис. 7.3 Ионный состав крови (А), межтканевой и внутриклеточной жидкостей (Б)

слабой щелочи. Поступившие в кровь кислоты и щелочи взаимодействуют с одним из компонентов системы, в результате рН крови сохраняется.

Белки плазмы крови осуществляют роль нейтрализации кислот и щелочей вследствие присущих им амфотерных свойств: с кислотами они вступают в реакцию как основания, с основаниями - как кислоты. В результате рН крови поддерживается на постоянном уровне.

Обычно в организме кислых продуктов образуется больше, чем щелочных. Существующая в результате этого опасность закисления крови предотвращается тем, что запасы щелочных веществ в крови, представленные в основном щелочными солями слабых кислот, во много раз превышают таковые кислых. В силу способности этих соединений нейтрализовать кислоты их рассматривают как щелочной резерв крови. Резервную щелочность измеряют количеством (СО2 (мл), которое может быть связано 100 мл крови при напряжении СО2 в плазме, равном 40 мм рт. ст.

Хорошая защищенность крови буферными системами все же не всегда может противодействовать изменению кислотно-щелочного равновесия. Если возникает сдвиг активной реакции в кислую сторону, то это состояние называют ацидозом, в щелочную - алкалозом. Различают их компенсированную и некомпенсированную формы. Как показывают результаты экспериментов на теплокровных животных и клинические наблюдения, крайние совместимые с жизнью пределы изменений рН крови составляют 7,0-7,8.

Помимо крови буферные системы существуют и в тканях. Это в основном белковые и фосфатные комплексы. У разных видов животных мощность буферных систем крови и ткани не одинакова. Она особенно значительна у животных, биологически приспособленных к интенсивной мышечной работе.

7.4. ПЛАЗМА КРОВИ

Плазма - жидкая часть крови, остающаяся после удаления форменных элементов и состоящая из растворенных в воде солей, белков, углеводов, биологически активных соединений (табл. 7.1), а также СО2 и О2. В плазме содержится около 90% воды, 7-8% белка, 1,1% других органических веществ и 0,9% неорганических компонентов. Осмотическое давление плазмы и сыворотки (плазма без фибриногена) крови составляет 7,6 атм, рН плазмы артериальной крови в среднем 7,4.

Таблица 7.1

Компоненты плазмы крови и их функции

Компоненты, присутствующие в постоянной концентрации

Вода

Основной компонент плазмы. Служит источником воды для клеток. Разносит по телу множество растворенных в ней веществ. Способствует поддержанию кровяного давления и объема крови

Белки плазмы

Белковая фракция

Средняя концентрация

Мол. масса, кДа

Изоэлектрическая точка

Физиологическое значение

электрофо-ретическая

иммуноэлектрофоре-тическая

г/л

мкмоль/л

Альбумин

Преальбумин

0,3

4,9

61

4,7

Связывание тироксина; онкотическое давление; транспортная функция; белковый резерв

Альбумин

40,0

579,0

69

4,9

?1-Глобу-лины

Кислый ?1- гликопротеин

0,8

18,2

44

2,7

Продукт распада тканей?

?1-Липопротеид ("липопротеиды высокой плотности")

3,5

17,5

2000

5,1

Транспорт липидов (в частности, фосфолипидов)

?2-Глобу-лины

Церулоплазмин

0,3

1,9

160

4,4

Обладает оксидазной активностью, связывает медь

?-2-Макроглобулин

2,5

3,1

820

5,4

Ингибирует плазмин и протеиназы

?2-Гаптоглобулин

1,0

11,8

8,5

4,1

Связывает гемоглобин и препятствует его выделению с мочой

(?-Глобу-лины

Трансферрин

3,0

33,3

90

5,8

Транспорт железа

?-Липопротеид ("липопротеиды низкой плотности")

5,5

0,3-1,8

3000-20 000

-

Транспорт липидов (в частности, холестерина)

Фибриноген

3,0

8,8

340

5,8

Свертывание крови

?-Глобу-лины

IgG

12,0

76,9

156

5,8

Иммуноглобулины: антитела против бактериальных антигенов и чужеродных белков

IgA

2,4

16,0

150

7,3

IgM

1,25

1.3

960

Изогемагтлютинины

IgE

0,0003

0,002

190

Антитела (реагины)

Минеральные ионы

Na+, К+, Ca2+, Mg2+

Совместно участвуют в регуляции осмотического давления и рН крови

Н2Р04_, PO4-, Сl-, НСО3- S042-

Оказывают ряд других воздействий на клетки организма; например, Са2+ может участвовать в свертывании крови, а также в регуляции мышечного сокращения и чувствительности нервных клеток, влияет на коллоидное состояние клеточного содержимого

Компоненты, концентрации которых изменяются

Растворимые продукты пищеварения. Растворимые продукты, подлежащие экскреции: витамины, гормоны

Постоянно транспортируются в клетки и выделяются из них

Плазма циркулирующей крови обеспечивает постоянство объема внутрисосудистой жидкости и кислотно-щелочного равновесия. Она также переносит биологически активные вещества и продукты метаболизма. Через большую поверхность стенок капилляров плазма обменивается веществами с межклеточной жидкостью (рис. 7.4). Обмен ионами, водой, небольшими молекулами происходит быстро, поэтому состав интерстициальной жидкости колеблется незначительно и существенно не отличается от состава плазмы. Различия касаются лишь белков, крупные молекулы которых не могут проходить через стенку капилляров.

Для сохранения функций ткани и клеток кроме объема жидких сред необходимо наличие определенных соотношений присутствующих ионов. Эти соотношения широко применяют для приготовления физиологических растворов, соответствующих по составу и содержанию солей плазме крови (табл. 7.2).

Рис. 7.4 Жидкостные пространства организма

Представлены округленные значения для человека массой 70 кг.

Таблица 7.2

Состав наиболее распространенных физиологических растворов, г/л

Физиологические растворы

NaCI

KCl

CaCI2

NaHCO3

MgCI2

NaHP04

Глюкоза

Раствор Рингера для холоднокровных

6.5

0,14

0,1-0,12

0,2

-

-

-

Раствор Рингера-Локка для теплокровных

9,0

0,42

0,24

0,15

-

-

-

Раствор Тироде для теплокровных

8,0

0,2

0,2

1,1

0,1

0,05

1,0

7.4.1. Белки плазмы крови и их функциональное значение

Белковую фракцию плазмы составляет несколько десятков различных белков. Большая величина молекул дает основание относить их к коллоидам. Присутствие коллоидов в плазме обусловливает ее вязкость.

Белки плазмы различают по строению и функциональным свойствам. Их количественное и качественное определение производят специальными методами электрофореза, основанного на различной подвижности белков в электрическом поле, ультрацентрифугирования, иммуноэлектрофореза, при котором в электрическом поле передвигаются целые комплексы связанных со специфическими антителами молекул. В плазме крови человека содержится примерно 200-300 г белка. Белки плазмы делят на две основные группы: альбумины и глобулины. В глобулиновую фракцию входит фибриноген.

Альбумины. Альбумины составляют около 60% белков плазмы. Их высокая концентрация, большая подвижность при относительно небольших размерах молекулы, определяют онкотическое давление плазмы. Большая общая поверхность мелких молекул альбумина играет существенную роль в транспорте кровью различных веществ, таких как билирубин, соли тяжелых металлов жирные кислоты, фармакологические препараты (сульфаниламиды, антибиотики и др.). Известно, что, например, одна молекула альбумина может одновременно связать 25-50 молекул билирубина.

Глобулины. Эту группу белков электрофоретически, по показателям подвижности, разделяют на несколько фракций: ?1-, ?2-, ?3- и ?-глобулины. С помощью иммуноэлектрофореза эти фракции подразделяют на мелкие субфракции более однородных белков. Так, во фракции ?1-глобулинов имеются белки, простетической группой которых являются углеводы. Эти белки называются гликопротеинами. В составе гликопротеинов циркулирует около 60% всей глюкозы плазмы. Еще одна группа - мукопротеины - содержит мукополисахариды, фракцию аз составляет медьсодержащий белок церулоплазмин, в котором на каждую белковую молекулу приходится восемь атомов меди. Таким образом связывается около 90% всей содержащейся в плазме меди. В плазме имеются еще тироксинсвязывающий и другие белки.

?-глобулины. участвуют в транспорте фосфолипидов, холестерина, стероидных гормонов, металлических катионов. Они удерживают в растворе около 75% всех липидов плазмы. Металлсодержащий белок трансферрин осуществляет перенос железа кровью. Каждая молекула трансферрина несет два атома железа.

?-глобулины характеризуются самой низкой электрофоретической подвижностью. В эту фракцию белков входят различные антитела, защищающие организм от вторжения вирусов и бактерий. Количество этой фракции возрастает при иммунизации животных. К ?-глобулинам относятся также агглютинины крови.

Фибриноген занимает промежуточное положение между фракциями ?- и ?-глобулинов. Этот белок образуется в клетках печени и ретикулоэндотелиальной системы; обладает свойством становиться нерастворимым в определенных условиях (под воздействием тромбина), принимать при этом волокнистую структуру, переходя в фибрин. Содержание фибриногена в плазме крови составляет всего 0,3%, но именно его переходом в фибрин обусловливается свертывание крови и превращение ее в течение нескольких минут в плотный сгусток. Сыворотка крови по своему составу отличается от плазмы только отсутствием фибриногена.

Альбумины и фибриноген образуются в печени, глобулины в печени красном костном мозгу, селезенке, лимфатических узлах. При нормальном питании в организме человека за 1 сут вырабатывается около 17 г альбумина и

5 г глобулина. Период полураспада альбумина составляет 10-15 сут глобулина - 5 сут.

Белки плазмы вместе с электролитами являются ее функциональными элементами. С их помощью в значительной степени осуществляется транспорт веществ из крови к тканям. К числу транспортируемых компонентов относятся питательные вещества, витамины, микроэлементы, гормоны, ферменты а также конечные продукты обмена веществ.

Из питательных веществ самую большую часть составляют липиды. Их концентрация колеблется в широком диапазоне, но максимальное содержание отмечается после приема жирной пищи. На относительно постоянном уровне удерживаются переносимая плазмой глюкоза (44,4-66,6 ммоль/л) и аминокислотные остатки (4 мг%). Витамины могут переноситься либо в связанному белками, либо в свободном виде. Их уровень в плазме также подвержен колебаниям и зависит не только от их содержания в продуктах питания и синтеза кишечной флорой, но и от наличия особого фактора, облегчающего их всасывание в кишке.

Микроэлементы циркулируют в плазме в виде металлсодержащих белков (Со и др.) или белковых комплексов (Fe). Из конечных продуктов обмена наибольшей концентрации, особенно при тяжелой мышечной работе и недостатке кислорода, достигает молочная кислота. Не использованные организмом и подлежащие удалению конечные продукты обмена веществ (мочевина, мочевая кислота, билирубин, аммиак) доставляются плазмой к почкам, где и удаляются с мочой.

Белки плазмы в силу способности связывать большое число циркулирующих в плазме низкомолекулярных соединений участвуют, кроме того, в поддержании постоянства осмотического давления. Им принадлежит ведущая роль в таких процессах, как образование тканевой жидкости, лимфы, мочи, всасывание воды.

7.5. ФОРМЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КРОВИ

У позвоночных животных к форменным элементам крови относятся эритроциты, лейкоциты и тромбоциты (рис. 7.5). Объем их у человека составляет 40-45% общего объема крови. У большинства беспозвоночных животных нет эритроцитов. Лейкоциты распространены у всех многоклеточных, включая и кишечнополостных, не имеющих еще крови в привычном понимании этого слова. Лейкоциты являются единственными клетками в гемолимфе большинства беспозвоночных. Тромбоциты как исключение встречаются у некоторых видов беспозвоночных и получают полное развитие у млекопитающих. У птиц тромбоцитов нет.

Рис. 7.5 Форменные элементы крови

7.5.1. Эритроциты

Эритроциты составляют основную массу крови. Они и определяют ее красный цвет. В процессе филогенеза эритроциты возникли как специализированные клетки, осуществляющие перенос О2 и СО2. Этот перенос происходит благодаря наличию в эритроцитах дыхательных пигментов. У беспозвоночных эти пигменты находятся в гемолимфе, целомической жидкости и лишь у некоторых в клетках крови.

Эритроциты рыб, амфибий, рептилий и птиц представляют собой крупные клетки овальной формы, содержащие ядро. Эритроциты млекопитающих мельче, они лишены ядра, однако в ранних стадиях эмбриогенеза также являются ядерными. Эритроциты (рис. 7.6) имеют форму двояковогнутых дисков диаметром 7,2-7,5 мкм. Цитоплазма их гомогенна. Такая форма не только увеличивает поверхность клетки, но и способствует более быстрой и равномерной диффузии газов через клеточную мембрану. Эритроциты отличаются большой эластичностью. Они легко проходят по капиллярам, имеющим вдвое меньший диаметр, чем сама клетка. Общая площадь поверхности всех эритроцитов взрослого человека составляет примерно 3800 м2, т. е. в 1500 раз превышает поверхность тела.

Эритроцит состоит из однородной электронно-оптически плотной цитоплазмы, содержащей гемоглобин. В нем отсутствуют органеллы. Клеточная мембрана является тем местом, где протекают важнейшие ферментативные процессы и осуществляются иммунные реакции. Она также несет информацию о группах крови и тканевых антигенах. Мембрана состоит из четырех слоев. Наружный образован гликопротеинами и содержит комплексы концевых отделов групповых антигенов (см. разд. 7.8.1). Средние два слоя образуют классическую двойную липидную мембрану. Обращенный к цитоплазме внутренний слой состоит из белков, с которыми связаны молекулы гликолитических ферментов и гемоглобина. Мембрана эритроцита обладает избирательной проницаемостью. Через нее проходят газы, вода, катионы H+ анионы ОН-, Cl-, НСОз-; она малопроницаема для глюкозы, мочевины, катионов К+ и Na+. Через нее почти не проходит большинство катионов, и она совершенно не пропускает белков. Сухой остаток эритроцитов содержит около 95% гемоглобина, остальное приходится на долю липидов, углеводов, солей, ферментов. В эритроцитах больше ионов К+ чем Na+ (в плазме .наоборот).

Процесс разрушения эритроцитов, при котором гемоглобин выходит из них в плазму, называют гемолизом. Существуют сведения о том, что нарушение целостности эритроцитов при гемолизе не обязательно и что процесс может ограничиваться лишь функциональными изменениями эритроцитов с растяжением мембраны клетки и изменением ее проницаемости. Кровь после гемолиза эритроцитов представляет собой прозрачную жидкость красного цвета ("лаковая" кровь). Гемолиз может возникать под влиянием ряда факторов разной природы. Его можно вызывать физическими воздействиями на эритроциты, химическими агентами, гемолитическими ядами растительного, животного и бактериального происхождения, добавлением сыворотки крови животных, не иммунизированных к эритроцитам.

Нормальными усредненными показателями содержания эритроцитов в 1 мкл крови, определяемыми с помощью счетных камер или электронных целлоскопов, принято считать для мужчин 4,0-5,0 млн., для женщин - 3,9-4,7 млн. У животных разных видов число эритроцитов в том же объеме не одинаково. У новорожденных число эритроцитов больше, чем у взрослых. Однако даже в

Рис. 7.6 Нормальные эритроциты. в форме двояковогнутого диска (А) и сморщенные эритроциты в гипертоническом солевом растворе (Б)

одном и том же организме количество эритроцитов в единице объема крови может меняться. Увеличение числа эритроцитов в результате их усиленного образования носит название истинного эритроцитоза, если же число эритроцитов возрастает из-за их поступления из депо крови - перераспределительного эритроцитоза. После кровопотерь, разрушения или пониженного образования эритроцитов происходит уменьшение их количества в крови - анемия.

Общее количество эритроцитов, циркулирующих в организме взрослого человека, в обычных условиях составляет 25 • 1012 - 30 • 1012. Эту совокупность эритроцитов всей крови называют эритроном. Понятие "эритрон" введено американцем У. Каслом для обозначения массы эритроцитов, находящихся в циркулирующей крови, в кровяных депо и костном мозге. Как известно, разрушение эритроцитов осуществляется преимущественно макрофагами за счет процесса, получившего название "эритрофагоцитоз". Возникающие при этом продукты разрушения и в первую очередь железо используются на построение новых клеток. Следовательно, эритрон является замкнутой системой, в которой количество разрушившихся эритроцитов соответствует числу вновь образовавшихся. В этом состоит принципиальная разница между эритроном и другими тканями организма.

Основной функцией эритроцитов является транспорт O2 от легких к тканям и участие в переносе СО2 от тканей к легким. Эритроциты переносят также адсорбированные на их поверхности питательные вещества в виде аминокислотных остатков, биологически активные вещества, обмениваются липидами с плазмой крови. Эритроциты участвуют в регуляции кислотно-щелочного равновесия в организме, а также ионного равновесия плазмы, водно-солевого обмена организма. Эритроциты принимают участие в явлениях иммунитета, адсорбируя различные яды, которые разрушаются затем клетками ретикулоэндотелиальной системы. Важную роль они играют также в регуляции активности свертывающей системы крови. Целые эритроциты, так же как и тромбоциты, влияют на образование тромбопластина. Появление в циркулирующей крови разрушенных эритроцитов может способствовать гиперкоагуляции и тромбообразованию.

7.5.2. Пигменты крови

Пигментами называются вещества различной химической структуры, обладающие определенным цветом и окрашивающие среду, в которой они находятся. Цвет пигментов обусловлен наличием в их молекулах хромофорных групп, поглощающих свет определенной длины волны. Выполняемые пигментами физиологические функции разнообразны. Основные из них - перенос и депонирование 02 и СО2, участие в тканевом дыхании, в окислительно-восстановительных реакциях. В процессе эволюции внутренней среды появилось несколько типов таких пигментов. Все они являются белками, содержащими металл.

Рис. 7.7 Молекула гемоглобина и формула гема

Гемоглобин, миоглобин, гемеритин, хлоркруорин содержат железо, гемоцианин - медь, гемованадин - ванадий. Важнейшими из пигментов являются хромопротеиды. Это белки, молекула которых состоит из белка и окрашенной простетической группы. В качестве простетической группы многие пигменты содержат металлопроизводные порфиринов.

Порфирины привлекают особое внимание. Это связано с тем, что они входят в основной пигмент крови - гемоглобин и в зеленый пигмент растений - хлорофилл. В плазме крови беспозвоночных животных обнаружены железопорфирин-дыхательные пигменты. В крови и лимфе многих беспозвоночных имеются голубые или зеленовато-голубые дыхательные пигменты, содержащие медь. В состав окрашенного белка цитокупреина включены медь и цинк.

Гемоглобин. Гемоглобин является наиболее распространенным кровяным пигментом. Он содержится в эритроцитах всех позвоночных и некоторых беспозвоночных животных (черви, моллюски, членистоногие, иглокожие), а также в корневых клубеньках некоторых бобовых растений. Многие свойства гемоглобина зависят от особенностей его химического строения. Молекулярная масса гемоглобина эритроцитов человека составляет 64,5 кДа.

В одном эритроците находится около 400 млн. молекул гемоглобина. В состав гемоглобина входят соединенные между собой гистидиновым мостиком простои белок глобин и пигментная группа гем (рис. 7.7) в соотношении 96 и 4 % от массы молекулы соответственно. Молекула гемоглобина содержит четыре одинаковые группы гема. Глобин представляет собой белок типа альбумина. У разных видов животных он отличается по своему аминокислотному составу что определяет различие в свойствах гемоглобина. Строение гема одинаково у всех видов животных. Он построен из пиррольных колец и содержит двухвалентное железо (рис. 7.7). Именно железо играет ключевую роль в деятельности гемоглобина, являясь его активной прocmemuчecкoй группой. Одна из валентностей железа реализуется при связывании гема с глобином, ко второй присоединяется О2 или другие лиганды - вода, С02, азиды. Белковая и простетическая части молекулы не только связаны, но и постоянно оказывают друг на друга сильное влияние. Глобин изменяет свойства гема определяя его способность к связыванию кислой рода. В свою очередь, гем обеспечивает устойчивость глобина к действию физических факторов, расщеплению ферментами и т. д.

Количество гемоглобина в крови подвержено индивидуальным колебаниям. Средней нормальной величиной у человека считают 140 г/л крови, что, например, для индивидуума массой 65 кг составляет более 600 г. Высчитано также что 1 г гемоглобина содержит 3,5 мг железа, и, таким образом, во всех эритроцитах организма его находится 2,1 г.

В процессе переноса кислорода гемоглобин превращается в оксигемоглобин (HbO2). Для того чтобы специально подчеркнуть, что при этом соединении валентность железа не меняется, реакцию связывания кислорода с гемоглобином называют не окислением, а оксигенацией. Противоположный процесс именуют дезоксигенацией. В том случае, когда необходимо акцентировать внимание на том, что гемоглобин не связан с кислородом, широко употребляют термин дезоксигемоглобин.

Оксигемоглобин (НbО2) имеет ярко-алый цвет, что и определяет цвет артериальной крови. Образование оксигемоглобина происходит в капиллярах легких, где напряжение 02 высоко. Количество гемоглобина в эритроцитах обусловливает кислородную емкость крови. Следовательно, кровь человека, содержащая около 600 г оксигемоглобина, будучи вся насыщена кислородом, может связать более 800 см3 O2. Кислородную емкость выражают как количество кислорода, связываемое 1 см3 крови. Соответственно этому кислородная емкость нормальной крови, содержащей в каждом кубическом сантиметре 0,14 г гемоглобина, составляет около 0,190 см3 02.

В отличие от капилляров легких, в капиллярах тканей кислорода меньше, его напряжение ниже и здесь оксигемоглобин распадается на гемоглобин и кислород. Гемоглобин, отдавший кислород, называют восстановленным, или редуцированным, гемоглобином (Нb). Именно он определяет вишневый цвет венозной крови. Следовательно, гемоглобин представляет собой своеобразное химическое вещество, вступающее в обратимое соединение с кислородом при любом его напряжении. Способность гемоглобина связывать и отдавать кислород отражается кислородно-диссоциационной кривой. Эта кривая характеризует процент насыщения гемоглобина кислородом в зависимости от его напряжения (Ро2).

По мере того как кровь проходит через ткани и отдает 02, она попутно вбирает в себя конечный продукт окислительных обменных процессов в клетках - СO2. Реакция связывания гемоглобина с СО2. сложнее, чем присоединение 02. Это объясняется прежде всего ролью СO2 в создании кислотно-щелочного равновесия в организме. Механизмы, обеспечивающие транспорт газа, призваны также поддерживать и это равновесие. Гемоглобин, связанный с С02, называют карбогемоглобином.

Гемоглобин особенно легко соединяется с угарным газом - оксидом углерода - СО. Происходит образование карбоксигемоглобина (НЬСО), не способного к переносу 02. В этом случае закономерности его реакции те же, что и для кислорода, но химическое сродство СО к гемоглобину почти в 300 раз выше, чем к 02, Это означает, что достаточно в воздухе оказаться небольшому количеству СО, чтобы произошло образование значительного числа связанных молекул гемоглобина. Образовавшееся соединение - блокированный угарным газом гемоглобин - уже не может служить переносчиком кислорода. Так, при концентрации СО в воздухе, равной 0,1%, около 80% гемоглобина крови оказываются связанными не с кислородом, а с угарным газом. В результате в организме возникают тяжелые последствия кислородного голодания (рвота,

головная боль, потеря сознания).

Слабые отравления угарным газом являются процессом обратимым: СО постепенно отщепляется и выводится при дыхании свежим воздухом. Использование искусственного дыхания чистым кислородом ускоряет примерно в 20 раз эту реакцию. При концентрации СО, равной 1%, через несколько минут наступает гибель организма. В нормальных условиях на долю НЬСО приходится лишь 1% общего количества гемоглобина крови, у курильщиков его содержание достигает 3%, а после глубокой затяжки - 10%.

Гемоглобин, приведенный в соприкосновение с сильнодействующими окислителями (перманганат калия, бертолетова соль, нитробензол, анилин), образует соединение метгемоглобин (НЬОН), имеющее коричневый цвет. При этом происходит окисление железа и переход его в трехвалентную форму. В результате истинного окисления гемоглобин прочно удерживает кислород и в итоге перестает быть его переносчиком. При наследственной метгемоглобинемии происходит нарушение равновесия между процессами окисления гемоглобина и метгемоглобина и восстановления гемоглобина. Проявляется на первом году жизни синюшным цветом кожи (цианоз) и повышением содержания в крови метгемоглобина

Миоглобин. В скелетных и сердечной мышцах животных различных классов и групп находится мышечный гемоглобин - миоглобин (табл. 7.3). Это дыхательный пигмент красного цвета. По своей биохимической характеристике миоглобин близок к гемоглобину крови. Сходство выражается в наличии одной и той же простетической группы, одинакового количества железа в способности вступать в обратимые соединения с О2 и CO2. Однако кислородо-связывающие свойства миоглобина значительно отличаются от таковых гемоглобина. В связи с меньшей, чем у гемоглобина, плотностью у него резко возрастает сродство к кислороду. Поэтому миоглобин исключительно приспособлен к депонированию О2. Это имеет большое значение для снабжения кислородом мышц, особенно производящих ритмические сокращения в течение длительных периодов времени: мышц крыльев птиц, мышц конечностей теплокровных животных, жевательных мышц, сердечной мышцы. При деятельности всех этих мышц в фазе сокращения происходит пережатие капилляров, так что кровоток через ткань в эту фазу фактически прекращается. Именно в этот момент миоглобин служит важным источником кислорода, так как он "запасает" О2 при расслаблении и отдает его во время сокращения мышц. Благодаря высокому сродству к кислороду полунасыщение им миоглобина происходит в обычных условиях быстрее чем за 0,1 с.

В сердце теплокровного животного содержится около 0,5% миоглобина. При падении напряжения O2 с 40 до 5 мм рт. ст. это количество высвобождает 2 мл O2 на каждый 1 г ткани сердечной мышцы. Такого объема газа оказывается достаточно, чтобы покрыть потребности сердца в кислороде во время систолы.

У животных содержание миоглобина зависит от видовой принадлежности условий существования, типа мышцы и степени ее активности. Определенное значение имеет и трофическая иннервация автономной нервной системой.

Таблица 7.3

Содержание миоглобина в сердечных и скелетных мышцах некоторых классов позвоночных животных, г на 100 г сухой ткани

Класс, группа животных, человек

Мышца сердца

Скелетная мышца

Рыбы

0,2-0,5

0,1-0,4

Амфибии

0,1-0,6

0-0,1

Рептилии

0,8-2,6

0.2-2,4

Птицы домашние

1,0-2,0

0,9-1,8

Птицы дикие

2,1-6,5

0,7-5,3

Млекопитающие домашние

0,9-4,4

0,2-8,5

Млекопитающие дикие

1,1-6,2

0,02-5,13

Человек

1,5

1,4-3,9

Особенно высокое содержание миоглобина характерно для водных животных, некоторых беспозвоночных (красные мышцы моллюсков), птиц (гладкая мускулатура мышечного желудка). В нормальных условиях в крови и моче миоглобин отсутствует.

Спектральный анализ гемоглобина и его производных. Использование спектрографических методов при рассмотрении раствора оксигемоглобина выявляет в желто-зеленой части спектра между фраунгоферовскими линиями D и Е две системные полосы поглощения, у восстановленного гемоглобина в той же части спектра имеется лишь одна широкая полоса. Различия в поглощении излучения гемоглобином и оксигемоглобином послужили основой для метода изучения степени насыщения крови кислородом - оксигемометрии.

Карбгемоглобин по своему спектру близок к оксигемоглобину, однако при добавлении восстанавливающего вещества у карбгемоглобина появляются две полосы поглощения. Спектр метгемоглобина характеризуется одной узкой полосой поглощения слева на границе красной и желтой части спектра, второй узкой полосой на границе желтой и зеленой зон, наконец, третьей широкой полосой в зеленой части спектра.

7.5.3.Скорость оседания эритроцитов (СОЭ)

При помещении крови, лишенной возможности свертываться, в вертикально расположенную пипетку наблюдается способность эритроцитов к оседанию. Это происходит потому, что удельная плотность эритроцитов выше, чем плазмы (1,096 и 1,027). СОЭ (традиционно используется и термин "РОЭ" - реакция оседания эритроцитов) выражается в миллиметрах высоты столба плазмы, появившейся над слоем осевших эритроцитов за единицу времени (обычно за 1 ч). Эта реакция характеризует некоторые физико-химические свойства крови. СОЭ за первый час у здоровых мужчин составляет 5-9 мм, у женщин - 2-15 мм. Независимый от эритроцитов режим оседания имеют и лейкоциты. У разных видов животных СОЭ идет с различной скоростью. Реакция протекает наиболее быстро у непарнокопытных.

Механизм оседания эритроцитов является сложным процессом, зависящим от многих факторов, к которым относят количество эритроцитов, их морфологические особенности, величину заряда, способность к агломеризации, белковый состав плазмы.

На величину СОЭ влияет физиологическое состояние организма. Оседание значительно ускоряется во время беременности (до 45 мм), при большинстве острых воспалительных процессов. Низкие значения характерны для новорожденных. Усиленная мышечная тренировка замедляет эту реакцию.

7.5.4. Лейкоциты

Общие свойства. Лейкоциты являются форменными элементами крови, имеющим и ядро, и цитоплазму. Общее количество лейкоцитов в крови значительно меньше чем эритроцитов. У млекопитающих оно составляет примерно 0,1-0,2%, у птиц - около 0,5-1,0% от числа эритроцитов. У взрослого человека натощак в 1 мкл крови содержится 4000-9000 лейкоцитов. Однако их численность колеблется в зависимости от времени суток и функционального состояния организма. Увеличение количества лейкоцитов называется лейкоцитозом, уменьшение - лейкопенией.

Рис. 7.8 Изменение содержания лейкоцитов в крови

Различают физиологический и патологический (реактивный) лейкоцитоз (рис. 7.8). Первый чаще всего наблюдается после приема пищи, во время беременности, при мышечной работе, сильных эмоциях, болевых ощущениях. У животных особенно выражен алиментарный (пищеварительный) лейкоцитоз. Второй вид характерен для воспалительных процессов и инфекционных заболеваний. Физиологический лейкоцитоз по своей природе является перераспределительным. В нем чаще всего участвуют селезенка, красный костный мозг, легкие. Реактивный лейкоцитоз обусловлен повышением выброса клеток из органов кроветворения с преобладанием молодых форм клеток.

Лейкопения характеризует течение некоторых инфекционных заболеваний. Наблюдающаяся в последние годы неинфекционная лейкопения связана главным образом с повышением радиоактивного фона, применением ряда лекарственных препаратов и т. д. Особенно резкой она бывает при поражении красного костного мозга в результате лучевой болезни.

Все виды лейкоцитов обладают амебоидной подвижностью. Скорость их движения может доходить до 40 мкм/мин. При наличии определенных химических раздражителей лейкоциты могут выходить через эндотелий капилляров (диапедез) и устремляться к раздражителю: микробам, распадающимся клеткам данного организма, инородным телам или комплексам антиген-антитело. По отношению к ним лейкоциты обладают положительным хемотаксисом. Своей цитоплазмой лейкоциты способны окружить инородное тело и с помощью специальных ферментов переварить его (фагоцитоз). Один лейкоцит может захватывать до 15-20 бактерий. Помимо того, лейкоциты выделяют ряд важных для защиты организма веществ. К ним прежде всего относятся антитела, обладающие антибактериальными и антитоксическими свойствами, вещества фагоцитарной реакции и заживления ран.

В лейкоцитах содержится целый ряд ферментов, в том числе протеазы, пептидазы, диастазы, липазы, дезоксирибонуклеазы. В обычных условиях ферменты находятся в изолированном состоянии в лизосомах. Лейкоциты способны адсорбировать некоторые вещества и переносить их на своей поверхности. Более 50 % всех лейкоцитов располагается за пределами сосудистого русла, 30% _ в костном мозгу. Следовательно, по отношению к лейкоцитам кровь выполняет функцию переносчика, доставляя их от места образования к различным органам. В зависимости от того, содержит ли цитоплазма зернистость или она однородна, лейкоциты делятся на две группы: гранулоциты и агранулоциты (см. рис. 7.5).

Гранулоциты. Эти клетки составляют 72% всех лейкоцитов крови, время их жизни равно примерно 2 сут. Гранулоциты, в свою очередь, подразделяются на три вида. Клетки, гранулы которых окрашиваются кислыми красками (эозином), называют эозинофилами, основными красками - базофилами, наконец, клетки' способные воспринимать те и другие краски, называют нейтрофилами. Первые окрашиваются в розовый цвет, вторые - в синий, третьи - в розово-фиолетовый.

Увеличение числа эозинофилов называют эозинофилией. Это состояние наиболее часто сопутствует аллергическим реакциям или аутоиммунным заболеваниям, при которых в организме образуются антитела против собственных клеток.

Базофилы, как и тучные клетки соединительной ткани, продуцируют гепарин, препятствующий свертыванию крови. Кроме того, на мембране базофилов находятся специфические рецепторы, к которым присоединяются определенные глобулины крови. В результате образования такого иммунного комплекса из гранул высвобождается гистамин, который вызывает расширение сосудов,

спазм бронхов, зудящую сыпь.

Подавляющее большинство гранулоцитов приходится на долю нейтрофилов.

В зависимости от возраста нейтрофилы имеют ядро различной формы, поэтому их еще называют полиморфно-ядерными. У юных нейтрофилов ядро округлое, у молодых - в виде подковы или палочки (палочкоядерные). С возрастом клеток ядро перешнуровывается и разделяется на несколько сегментов, образуются сегментоядерные нейтрофилы. Нейтрофилы являются наиболее важными функциональными элементами неспецифической защитной системы крови, способными обезвреживать даже такие инородные тела, с которыми организм ранее не встречался. Нейтрофилы скапливаются в местах повреждения тканей или проникновения микробов, захватывают и переваривают их> Помимо того, нейтрофилы выделяют или адсорбируют на своей мембране антитела против микробов и чужеродных белков.

Агранулоциты. Эти клетки делят на лимфоциты и моноциты (см. рис. 7.5). Местом образования лимфоцитов являются многие органы (лимфатические узлы, миндалины, пейеровы бляшки, червеобразный отросток (аппендикс), селезенка, вилочковая железа, красный костный мозг), моноцитов - костный мозг. У всех млекопитающих лимфоциты составляют большую часть агранулоцитов. Для них характерно крупное ядро, окруженное пояском цитоплазмы. Лимфоциты делят на несколько подвидов. Состояние, при котором число лимфоцитов превышает обычный уровень их содержания, называется лимфоцитозом, падение ниже нормальной величины - лимфопенией.

В начале XX в. А. А. Максимовым была создана унитарная теория кроветворения, согласно которой все лимфоциты происходят из стволовых лимфоидных клеток красного костного мозга, затем они переносятся к тканям, где проходят дальнейшую дифференциацию (рис. 7.9). При этом одни лимфоциты развиваются и зреют в вилочковой железе (тимусе), превращаясь в иммунокомпетентные Т-лимфоциты, которые в дальнейшем вновь возвращаются в кровяное русло:

Другие клетки попадают в дорсальный мешковидный выступ заднего отдела клоаки птиц, называемый фабрициевой сумкой (по лат. bursa Fabricii) или выполняющую ее функцию лимфоидную ткань миндалин, аппендикса, пейеровых бляшек кишки у млекопитающих. Здесь они превращаются в зрелые В-лимфоциты. После созревания В-лимфоциты вновь выходят в кровоток и с ним разносятся к лимфатическим узлам, селезенке и другим лимфоидным образованиям.

Часть лимфоидных клеток не проходит дифференцировок в органах иммунной системы. Эти клетки образуют группу так называемых нулевых лимфоцитов, на долю которых приходится 10-20% лимфоидных клеток. Позже при необходимости они способны превращаться в Т- и В-лимфоциты. Лимфоциты могут превращаться и в моноциты, фибробласты, макрофаги, т. е. другие участвующие в восстановительных процессах организма клетки.

Благодаря наличию на наружной поверхности мембраны специфических рецепторов, способных возбуждаться при встрече с чужеродными белками, лимфоциты тонко дифференцируют белки собственных тканей и чужие. Эта

Рис. 7.9 Элементы, регуляции лейкопоэза

Главная функция лейкоцитов - фагоцитоз (клеточный иммунитет) и гуморальный иммунитет. 1 - грудина (красный костный мозг), г - леикопоэтинчувствительная стволовая клетка, 3 - вилочковая железа (тимус), 4 - фабрициева сумка (bursa), В - В-лимфоциты (производящие антитела), Т - Т-лимфоциты (клетки-киллеры, -хелперы и -супрессоры.

способность основана на их антигенных различиях. При этом Т-лимфоциты посредством ферментов самостоятельно разрушают эти белковые тела: бактерии, вирусы, клетки трансплантируемой ткани. Из-за этого качества они получили название киллеров - клеток-убийц.

Несколько иначе реагируют при встрече с инородным веществом В-лимфоциты. Они вырабатывают специфические антитела, которые нейтрализуют и связывают эти вещества, подготавливая тем самым процесс их последующего фагоцитоза. При видоизменении собственных белков организма лимфоциты способны принимать их за инородные; в этом случае возникают аутоиммунные заболевания.

Обычно в кровяном русле находится только часть лимфоцитов, постоянно переходящая в лимфу и возвращающаяся обратно (рециркуляция). Другие лимфоциты постоянно локализуются в лимфоидной ткани. Во время стрессорных состояний лимфоциты интенсивно разрушаются под влиянием гормонов гипофиза и кортикостероидов. Разрушение сопровождается высвобождением и выделением иммунных тел.

Лимфоциты являются центральным звеном иммунной системы, но, кроме того, они участвуют в процессах клеточного роста, дифференцировки, регенерации тканей; переносят макромолекулы информационных белков, необходимого для управления генетическим аппаратом других клеток.

Моноциты - самые крупные клетки крови (диаметр - 12-20 мкм); они имеют округлую форму с хорошо выраженной цитоплазмой (см. рис. 7.5, 7.9). Моноциты образуются в костном мозгу, лимфатических узлах, соединительной ткани. Эти клетки обладают амебоидным движением, характеризуются самой высокой фагоцитарной активностью. По своим свойствам они близки гистиоцитам соединительной ткани, купферовским клеткам печени, альвеолярным, перитонеальным и другим макрофагам.

Помимо перечисленных форм лейкоцитов в крови птиц содержатся крупные, с эксцентрично расположенным ядром и большим количеством цитоплазмы клетки. Этот вид лейкоцитов называют клетками Тюрка.

Продолжительность жизни лейкоцитов в целом небольшая, разная у каждого вида клеток. Гранулоциты живут максимум 8-10 сут, чаще часы и минуты. Среди лимфоцитов имеются короткоживущие и долгоживущие формы. К первым относятся В-лимфоциты. Срок их жизни от нескольких часов до одной недели. Ко вторым принадлежат Т-лимфоциты, живущие месяцы и даже годы. Они играют ведущую роль в трансплантационном иммунитете.

Лейкоцитарная формула. Количественные соотношения всех указанных видов лейкоцитов периферической крови называют лейкоцитарной формулой. Ее определяют на основании дифференциального подсчета 200 лейкоцитов в окрашенном мазке крови и последующего вычисления их процентного содержания. В нормальных условиях лейкоцитарная формула для человека довольно постоянна и представлена следующими соотношениями (%): базофилы - 0-1 эозинофилы - 0,5-5, палочкоядерные нейтрофилы - 1-6, сегментоядерные нейтрофилы - 47-72, лимфоциты - 19-37; моноциты - 3-11. В абсолютных цифрах в 1 мкл крови содержится: базофилов - 0-65, эозинофилов - 20-300, палочкоядерных - 40-300, сегментоядерных - 200-5500, лимфоцитов -1200-3000 моноцитов - 90-600. Отклонение лейкоцитарной формулы служит важным диагностическим признаком при различных заболеваниях. Лейкоцитарные формулы разных видов животных представлены в Приложении.

7.5.5. Тромбоциты

Тромбоциты (кровяные пластинки), - третьи самостоятельные клеточные элементы крови. У млекопитающих эти форменные элементы не имеют ядер, но у всех позвоночных, в том числе и птиц, они есть. Тромбоциты - двояковыпуклые клетки неправильной округлой формы диаметром 1-4 мкм. Они образуются в костном мозгу путем отщепления участков цитоплазмы от мегакариоцитов. Период созревания тромбоцитов составляет 8 сут, продолжительность пребывания в кровотоке - от 5 до 11 сут. Количество тромбоцитов у человека 180 000-320 000 на 1 мкл крови. У животных существует отчетливая видовая специфичность (см. Приложение). Число тромбоцитов возрастает при пищеварении, тяжелой мышечной работе, беременности. Имеют место и суточные колебания: днем тромбоцитов больше, чем ночью.

Функции тромбоцитов многообразны и определяются большим числом специфических свойств (способность к агглютинации, адгезивности, образованию псевдоподий). Тромбоциты характеризуются подвижностью и способностью продуцировать и выделять ферменты, участвующие во всех этапах свертывания крови. Благодаря способности фагоцитировать инородные тела, вирусы и иммунные комплексы тромбоциты участвуют в иммуннобиологической реакции организма. Они содержат большое количество серотонина и гистамина, оказывающих влияние на величину просвета и проницаемость мелких кровеносных сосудов.

7.6. ГЕМОСТАЗ (ОСТАНОВКА КРОВОТЕЧЕНИЯ)

Гемостаз является эволюционно сложившейся защитной реакцией организма, выражающейся в остановке кровотечения при повреждении стенки сосуда. Он возникает в результате спазма кровеносных сосудов и появления закупоривающего сосуд кровяного сгустка.

Для большинства членистоногих, многих моллюсков и асцидий характерна незамкнутая сосудистая система, в которой сердце прокачивает гемолимфу, часто называемую кровью. На этой стадии эволюции уже появляются первые структурно и функционально оформленные приспособления для остановки кровотечения. Например, у некоторых моллюсков в месте повреждения происходит сокращение кожно-мышечного слоя, механически предупреждающее потерю крови. У крабов появляется уже сформировавшийся нейрогенный и миогенный спазм кровеносных сосудов, а у. речного рака возникают ферментативные процессы свертывания гемолимфы, являющиеся прообразом сложных систем свертывания крови у позвоночных. В эволюционном ряду процесс совершенствования защитно-приспособительных реакций был направлен на срочную остановку кровотечения.

В гемостатической реакции млекопитающих и человека принимают участие окружающая сосуд ткань, стенка сосуда, плазменные факторы свертывания крови, все клетки крови, особенно тромбоциты. Важная роль в гемостазе принадлежит биологически активным веществам. Эти биологически активные вещества относятся к трем категориям: способствующие свертыванию крови, препятствующие свертыванию крови и, наконец, система веществ, определяющих разжижение уже свернувшейся крови. Они содержатся в плазме и форменных элементах крови, а также в тканях организма, особенно в сосудистой стенке.

7.6.1. Свертывание крови

Биологическое значение экстраваскулярных тканей сводится к образованию в них активного тканевого тромбопластина. Тромбопластин включается в цепь последующих реакций, конечным продуктом которых является фибрин. Окружающие сосуд ткани также механически препятствуют выходу крови из поврежденного сосуда. В самой стенке сосуда имеется ряд механизмов, оказывающих влияние на процесс свертывания крови. Так, при повреждении сосудистой стенки в связи с изменением электрического заряда (с отрицательного на положительный) отрицательно заряженные тромбоциты приклеиваются к месту повреждения. Происходит адгезия (прилипание) тромбоцитов.

Другим типом взаимодействия тромбоцитов является агрегация (объединение частиц в одно целое), способствующая образованию тромбоцитарной пробки.

Факторы свертывания. В интактном организме млекопитающих и человека факторы свертывания крови находятся в неактивном состоянии. Эти факторы по решению международного комитета обозначаются римскими цифрами в порядке хронологии их открытия. Схематически они могут быть представлены в следующем виде (рис. 7.10).

Фактор1-фибриноген, самый крупномолекулярный белок плазмы, во время свертывания крови он из состояния золя переходит в гель - твердый фибрин, что составляет сущность свертывания. Фактор II - протромбин - гликопротеин, неактивный фермент, предшественник тромбина, который превращается в активный фермент - тромбин. Протромбин синтезируется клетками печени при участии витамина К. тромбин взаимодействует с фибриногеном, в результате чего образуется фибрин. Фактор III - тромбопластин (тканевая тромбокиназа) - фосфолипид, входящий в состав мембран всех клеток организма, катализатор превращения протромбина в тромбин. Фактор IV - ионы Са2+; кальций - участник всех процессов активации ферментов. Факторы V и VI - проакцелерин и акцелерин. Ас-глобулин является ускорителем (акцелератором) превращения тромбопластина. Фактор VII - проконвертин, образуется в печени при участии витамина К; сходен с фактором VI, участвует в образовании тромбопластина. Фактор VIII - антигемофильный глобулин А, участвует в образовании кровяной протромбокиназы. Его генетический дефицит является причиной гемофилии А, проявляющейся частыми и длительными кровотечениями. Фактор IX - антигемофильный глобулин В (фактор Кристмаса); необходим в первой фазе гемокоагуляции, участвует в образовании тромбопластина; при генетической недостаточности наблюдается гемофилия В. Фактор Х - фактор Стюарта-Прауэра, входит в состав тканевой и кровяной протромбиназ; недостаточность фактора обусловливает развитие геморрагического диатеза (болезнь Стюарта-Прауэра). Фактор XI - плазменный предшественник тромбопластина (РТА). Его недостаток также служит причиной гемофилии. Фактор XII - фактор Хагемана. Его активность возникает при соприкосновении с инородной поверхностью. Отсюда второе название - контактный фактор. Он является активатором фактора XI. Фактор XIII - фибринстабилизирующий. Он участвует в образовании окончательного, или нерастворимого, фибрина.

Кроме перечисленных, в тромбоцитах имеется еще 12 факторов, которые называют тромбоцитарными и нумеруют арабскими цифрами. Из них наиболее важными являются: фактор 3 - тромбоцитарный тромбопластин, который высвобождается после разрушения тромбоцитов; фактор 4 - антигепариновый, ускоряющий процесс гемокоагуляци; фактор 5 - свертывающий, определяет адгезию и агрегацию тромбоцитов; фактор 10 - сосудосуживающий, представляющий собой серотонин; фактор 11 - фактор агрегации, обеспечивающий окучивание тромбоцитов в поврежденном сосуде. Ряд подобных ферментов локализуется в эритроцитах и тканях. Все факторы объединены в сложную свертывающую систему,

Рис. 7.10 Плазменные факторы свертывания крови (А) и различные состояния крови in vitro (Б)

их взаимодействие происходит в определенной последовательности. Эритроциты и лейкоциты в процессе гемостаза задерживаются в фибриновой сети, способствуя образованию кровяного сгустка и увеличению его массы. Участие тромбоцитов в этом процессе определяется содержанием в них собственных и адсорбированных факторов свертывания крови, биологически активных веществ, а также их адгезией и агрегацией.

Механизм активации системы свертывания крови (рис. 7.11). Соприкосновение с инородной поверхностью служит пусковым механизмом для активации системы свертывания крови. В этом случае на схемах активные факторы обозначаются добавлением к соответствующей римской цифре буквы "а". Величина повреждения сосуда, а также степень участия отдельных факторов определяют два основных механизма гемостаза: сосудисто-тромбоцитарный и коагуляционный.

Рис. 7.11 Этапы и фазы свертывания крови

Сосудисто-тромбоцитарный механизм гемостаза в остановке кровотечения опирается на ведущую роль сосудистой стенки и тромбоцитов. Этот механизм характерен для гемостаза в мелких сосудах с низким кровяным давлением - артериолах, прекапиллярах, венулах. Он состоит из ряда последовательных этапов.

1. Кратковременный спазм сосудов, возникающий под влиянием высвобождающихся из тромбоцитов адреналина, норадреналина, серотонина.

2. Адгезия тромбоцитов к раневой поверхности, происходящая из-за изменения потенциала стенки сосуда: в месте повреждения отрицательный заряд меняется на положительный. В результате тромбоциты крови, несущие на своей поверхности отрицательный заряд, начинают задерживаться у травмированного участка.

3. Накопление и окучивание (агрегация) тромбоцитов у места повреждения. Этому способствует выделение поврежденной стенкой сосуда и поверхностью тромбоцитов АТФ и АДФ. В результате образуется рыхлая тромбоцитарная пробка, через которую может проходить плазма крови.

4. Необратимая агрегация тромбоцитов. На этой стадии тромбоциты сливаются в однообразную массу, образуя пробку, непроницаемую для плазмы крови. Реакция происходит под влиянием тромбина, разрушающего мембрану тромбоцитов, что, в свою очередь, ведет к выходу из тромбоцитов физиологически активных веществ: серотонина, гистамина, нуклеотидов, ферментов и факторов свертывания крови. Их выделение способствует вторичному спазму сосудов. Фактор 3 посредством тромбоцитарной протромбиназы запускает механизм коагуляционного гемостаза.

5. Ретракция тромбоцитарного тромба. Фибриновые нити и последующая ретракция кровяного сгустка уплотняют тромбоцитарную пробку, закрепляя ее в поврежденном сосуде. Все это приводит к остановке кровотечения. В мелких сосудах гемостаз на этом заканчивается. Тромбоцитарный тромб, будучи непрочным, не выдерживает большого кровяного давления и вымывается. Поэтому в крупных сосудах на этой основе образуется уже более прочный фибриновый тромб. Для его образования включается еще один - ферментативный коагуляционный механизм.

7.6.2. Коагуляционный механизм

Этот механизм имеет место при травме крупных сосудов, когда после описанного выше первого этапа начинается процесс ферментативного свертывания крови. Основные элементы ферментативной теории были открыты профессором Дерптского (Тартуского) университета А. А. Шмидтом (1872) и уточнены П. Моравцем (1905). Коагуляционный процесс протекает в форме трех последовательных фаз.

В первой фазе происходит образование активного, или полного, тромбопластина (фактора III). Оно осуществляется путем взаимодействия предшественников со специфическими белками плазмы. Предшественники тромбопластина содержатся в форменных элементах крови и тканях. В зависимости от источника тромбопластин бывает кровяным и тканевым. Процесс образования активного тромбопластина представляет сложную последовательность событий. Он протекает в несколько стадий и требует непременного участия плазменных и тканевых факторов, таких как факторы V, VI, VIII, IX, X, XI, Са2+.

Возникновение кровяного тромбопластина начинается с активирования особого вещества плазмы фактора Хагемана (фактора XII). В крови он находится в неактивном состоянии из-за наличия в плазме препятствующего его активации антифактора. При соприкосновении с шероховатой поверхностью поврежденного сосуда антифактор разрушается, что позволяет фактору XII выйти из-под его контроля и активироваться. Одновременно с этим на той же шероховатой поверхности активируется и другое вещество - фактор XI (предшественник плазменного тромбопластина). Считают, что фактор XI, взаимодействуя с активированным фактором XII, образует так называемый контактный фактор. Контактный фактор в свою очередь активирует фактор VIII (антигемофильный глобулин А). Последний взаимодействует с фактором IX (антигемофильным глобулином В, или фактором Кристмаса), а также с Са2+. Факторы VIII, IX и ионы кальция (фактор IV) образуют кальциевый комплекс.

Под действием этого комплекса происходит склеивание и набухание кровяных пластинок. Из их гранул выделяется Тромбоцитарный фактор 3. Этот фактор вместе с кальциевым комплексом и контактным фактором образуют промежуточный продукт, который взаимодействует с фактором V (Ас-глобулином) и фактором Х (тромботропином). Следовательно, образование кровяного тромбопластина является результатом взаимодействия факторов плазмы и фактора 3 кровяных пластинок. Тканевой тромбопластин значительно активнее, чем кровяной. Его возникновение является результатом взаимодействия тканевых жидкостей с факторами V, VII, X, Са2+.

Таким образом, первая фаза свертывания крови с участием ферментативных механизмов заканчивается образованием кровяного и тканевого тромбопластинов.

Вторая фаза представляет собой активацию неактивного фермента плазмы протромбина (фактор II) и переход его в активный фактор тромбин.

Этот процесс осуществляется под воздействием образовавшегося в первой фазе "полного" тромбопластина. В превращении протромбина в тромбин участвуют факторы V, VI, VII, Са2+, а также факторы 1 и 2 тромбоцитов.

В третьей фазе происходит образование нерастворимого сгустка нитей фибрина из растворенного в плазме белка фибриногена (фактор I).

Процесс превращения идет под влиянием тромбина с участием Са2+ и факторов кровяных пластинок в два этапа. На первом, ферментативно-протеолитическом, этапе от фибриногена под влиянием тромбина отщепляются пептиды. Итогом этой реакции является образование промежуточного продукта профибрина - фибрин-мономера.

На втором, полимеризационном, этапе молекулы фибрин-мономера взаимодействуют между собой, образуя нерастворимый сгусток фибрина. Полимеризация осуществляется в присутствии ионов Ca2+ и XIII фактора (фибринстабилизирующего). В фибриновую сеть вовлекаются форменные элементы крови, формируется кровяной сгусток, который уменьшает или полностью предотвращает кровопотерю.

Образование сгустка фибрина не является конечным этапом свертывания крови. Спустя некоторое время в результате сокращения нитей фибрина тромб начинает уплотняться, из него удаляется сыворотка. Этот процесс называют ретракцией сгустка. Он происходит при участии тромбоцитов и Са2+. Благодаря ретракции тромб плотнее закупоривает поврежденный сосуд и сближает края раны.

Одновременно с ретракцией сгустка, хотя и с меньшей скоростью, начинается постепенное ферментативное растворение образовавшегося фибрина - фибринолиз. Это расщепление происходит под влиянием фибринолизина (плазмина). В обычных условиях фибринолизин находится в плазме крови в неактивном состоянии в форме профибринолизина. Под влиянием естественных активаторов плазмы он превращается в активный фермент - фибринолизин. Высвободившийся фибринолизин разрывает пептидные связи фибрина, в результате чего фибрин растворяется. Активаторы профибринолизина возникают в плазме особенно интенсивно после усиленной мышечной работы, эмоций. Они также появляются после смерти организма, в результате чего через несколько часов кровь снова становится жидкой.

Нарушение гемостаза происходит при недостатке или отсутствии хотя бы одного фактора или тромбоцитов. Примером такого состояния может служить давно известное наследственное заболевание - гемофилия. Оно встречается исключительно у мужчин, хотя передают его женщины. Гемофилия проявляется частыми и длительными кровотечениями, возникающими в результате пониженной способности крови к свертыванию. Заболевание обусловлено дефицитом либо фактора VIII, либо фактора IX, которые поэтому и называются антигемофильными. Аналогичное заболевание встречается у домашних и хозяйственно полезных животных. Болеют и передают болезнь самки и самцы. Заболевание может возникнуть также в результате кормления животных клевером, содержащим специфическое вещество дикумарин.

Усиление фибринолиза и укорочение времени свертывания крови при гипоксии, интенсивной мышечной работе, стрессе и других подобных состояниях связано с повышением тонуса симпатической нервной системы и, соответственно, выбросом в кровь катехоламинов. При этом посредством фактора Хагемана запускается механизм образования протромбиназы и фибринолиза, усиливается образование составных частей протромбина, а также происходит отрыв клеточных мембран, обладающих свойствами тромбопластина, от эндотелия. Последнее способствует резкому ускорению свертывания крови.

Ускорение свертываемости крови и усиление фибринолиза наблюдается также и при повышении тонуса парасимпатической нервной системы, равно как и при стимуляции блуждающего нерва, введении ацетилхолина, пилокарпина. В этом случае из эндотелия сердца и сосудов происходит выброс активаторов плазминогена и тромбопластина.

7.6.3. Противосвертывающие механизмы

Кровь в организме находится в жидком состоянии, хотя в ней содержатся все необходимые компоненты для свертывания. Это объясняется тем, что у животных и человека существуют специальные Противосвертывающие механизмы, включающие целый ряд веществ. К их числу относятся антитромбопластин, являющийся ингибитором фактора XII и ингибитором превращения протромбина в тромбин. Из последних наиболее активным является гепарин. Он образуется в тучных клетках тканей и базофилах крови. Много гепарина содержится в печени, мышцах, легких. Гепарин обладает многообразным действием, тормозит превращение протромбина в тромбин, препятствует образованию тромбопластина, угнетает процесс образования фибрина. В эту же группу входят ингибитор фактора VII и ингибитор фактора X. Кроме того, в крови имеются вещества, разрушающие тромбин, - антитромбины. Они адсорбируют на своей поверхности образовавшийся тромбин, способствуют возникновению комплексов с гепарином, блокируют активность и ускоряют распад тромбина.

В целом противосвертывающий механизм может быть кратко представлен в следующем виде. При небольших концентрациях тромбина в крови происходит его инактивация антитромбинами и гепарином плазмы, поглощение клетками мононуклеарной фагоцитарной системы. При быстром нарастании концентрации тромбина в крови этих механизмов уже недостаточно для предотвращения нарастающей угрозы тромбообразования и тогда включается следующая, более сложная - нейрогуморальная - противосвертывающая система. Повышенный уровень тромбина воспринимается хеморецепторами сосудистого русла и передается структурам продолговатого мозга. В результате в кровь рефлекторно выбрасываются гепарин и активаторы фибринолитического процесса.

Свертывающая и противосвертывающая системы находятся в организме в постоянной взаимосвязи и взаимодействии, в результате чего кровь в сосудистом русле пребывает в жидком состоянии.

Регуляция свертывания крови. Регуляция свертывания крови осуществляется посредством нейрогуморальных механизмов. Возбуждение симпатической нервной системы, возникающее при стрессовых ситуациях, страхе, боли, а также повышенная секреция адреналина мозговым слоем надпочечников резко ускоряют свертывание крови, вызывая состояние, называемое гиперкоагулемией. Тем самым организм в случае физического повреждения подготавливается к более быстрому тромбообразованию.

Основная роль в этом механизме принадлежит адреналину и норадреналину. Выбрасываемый в кровоток адреналин запускает ряд тканевых и плазменных реакций. Это, во-первых, высвобождение из сосудистой стенки тромбопластина,

Рис. 7.12 Влияние автономной нервной системы на свертывание крови и фибринолиз

Для упрощения опущены промежуточные этапы образования тромбина.

который быстро превращается в крови в протромбиназу, во-вторых, активация в крови фактора Хагемана, влияющего на образование кровяной протромбиназы в-третьих, стимуляция появления в крови тканевых липаз, которые расщепляют жиры и тем самым увеличивают количество жирных кислот и усиливают их тромбопластическую активность, в-четвертых, активация высвобождения фосфолипидов из эритроцитов и других форменных элементов крови.

Совокупность этих реакций приводит в итоге к расходу факторов свертывания крови, поэтому с прекращением действия раздражителя активируется противосвертывающая система, действие которой направлено на замедление свертывания крови - гипокоагуляцию. В это время наблюдается усиление фибринолиза, приводящее к расщеплению избытка фибрина.

Процесс свертывания крови может регулироваться условнорефлекторно через автономную нервную систему (рис. 7.12) и эндокринные механизмы. Путем многократного сочетания условного раздражителя, например метронома, с болевым вырабатывается условный рефлекс на метроном. После этого включение одного лишь метронома будет вызывать гиперкоагуляцию.

Процесс условнорефлекторной гиперкоагуляции также проходит в две фазы:

рефлекторную и рефлекторно-гуморальную. На начальном этапе импульсы из ЦНС поступают к кроветворным органам и кровяным депо, что сопровождается резким выходом тромбоцитов из печени, селезенки, кожи и активацией плазменных факторов. В результате происходит быстрое образование тромбопластина. Затем включаются гуморальные механизмы. Они поддерживают и продолжают активацию свертывающей системы и одновременно снижают действие противосвертывающей системы. Значение условнорефлекторной гиперкоагуляции состоит в подготовке организма к защите от кровопотери.

7.7. ГРУППЫ КРОВИ

Наука о группах крови, как один из разделов общей иммунологии, возникла на рубеже веков. В 1900 г. австрийский исследователь Карл Ландштейнер, смешивая эритроциты с нормальной сывороткой крови других людей, обнаружил, что при одних сочетаниях сыворотки и эритроцитов разных людей наблюдается агглютинация (склеивание и выпадение в осадок) эритроцитов, при других ее нет. Агглютинация возникает в результате взаимодействия присутствующих в эритроцитах антигенов - агглютиногенов - и содержащихся в плазме антител - агглютининов.

В мембрану эритроцитов встроен ряд полисахаридно-аминокислотных комплексов, обладающих антигенными свойствами. С ними реагируют специфические антитела плазмы, которые представляют собой фракции ?-глобулинов. Считают, что при реакции антиген-антитело молекула антитела образует своеобразную связь между двумя эритроцитами. Эта связь возникает вследствие того, что молекула антитела обладает как минимум двумя центрами связывания. Так, каждый из эритроцитов связывается с другими клетками, в результате чего происходит склеивание большого числа эритроцитов.

Главные агглютиногены эритроцитов - агглютиноген А и агглютиноген В, агглютинины плазмы - агглютинин а и агглютинин J3 (рис. 7.13).

Как было установлено К. Ландштейнером и Я. Янским, в крови одних людей совсем нет агглютиногенов (группа I), в крови других содержится только агглютиноген А (группа II), у третьих - только агглютиноген В (группа III), четвертые содержат оба агглютиногена: А и В (группа IV). Групповые антигены находятся в эритроцитах, но они найдены также в лейкоцитах и тромбоцитах.

В плазме крови было открыто соответственно два агглютинирующих агента:

агглютинин ? и агглютинин ?, - которые склеивают эритроциты. В крови разных людей существуют либо один, либо два, либо ни одного агглютинина, никогда не встречаются в организме одновременно агглютиноген А с агглютинином ? и агглютиноген В с агглютинином ? (табл. 7.4). Поэтому в организме не бывает агглютинации собственных форменных элементов.

Таким образом, существует четыре комбинации агглютиногенов и агглютининов системы АВО и, соответственно, выделено четыре группы крови. Их обозначают: 1(0) - ?,?; II (А) - А, ?; III (В) - В, ?; IV (А, В). Принятию решения о переливании крови обязательно предшествует оценка возможности совместимости ее групп. Для этого пользуются строго определенным правилом:

среда реципиента должна быть пригодна для жизни эритроцитов донора. Такой средой является плазма реципиента. Стало быть, в ней должны учитываться агглютинины и гемолизины, тогда как у донора - агглютиногены, которые

Рис. 7.13 Групповые свойства крови

А - группы крови (распределение агглютиногенов эритроцитов и агглютининов плазмы), Б - представление об агглютинации.

Таблица 7.4

Серологический состав (верхняя часть) основных групп крови (система АВО) и совместимость (внизу) различных групп крови

Группа крови

Эритроциты

Плазма или сыворотка

агглютиногены

агглютинины

антиагглютинины

1(0)

0

? ?

0

II(А)

А

?

А

III(B)

В

?

В

IV(AB)

АВ

-

АВ

Группа сыворотки

Группа эритроцитов

1(0)

II(A)

III(B)

IV(AB)

l??

-

+

+

+

II?

-

-

+

+

III?

-

+

-

+

IV

-

-

-

-

Примечание. "+" - наличие агглютинации (группы несовместимы);

"-" -отсутствие агглютинации (группы совместимы).

содержатся в эритроцитах. Практически это осуществляется следующим образом. Исследуемую кровь смешивают с сывороткой, полученной от людей с различными группами крови. Агглютинация происходит при смешивании сыворотки I группы с эритроцитами II, III и IV групп, сыворотки II группы с эритроцитами III и IV групп, сыворотки III группы с эритроцитами II и IV групп.

7.7.1. Группы крови у человека

Согласно существующей статистике, принадлежность людей к той или иной группе крови по системе АВО выглядит следующим образом. Примерно 40% населения центральной Европы имеет I (0) группу, более 40% - II (А) группу 10% или более - III (В), около 6% - IV (АВ) группу. У 90% коренных жителей Северной Америки обнаружена принадлежность к I (0) группе. Учение о группах крови значительно усложнилось в связи с открытием новых агглютиногенов. Например, группа А оказалась состоящей из большого ряда подгрупп, помимо того, обнаружены и новые разновидности агглютиногенов _ М N S Р и т. д. Исходно в крови человека нет антител к этим факторам. После переливания иногрупной крови такие антитела появляются, что иногда становится причиной осложнении при повторных переливаниях крови.

Людей с I группой крови раньше считали универсальными донорами, т. е. их кровь могла быть перелита всем без исключения лицам. Однако теперь известно, что эта универсальность не абсолютна. Это связано с тем, что у людей с кровью I группы в довольно значительном проценте обнаружены иммунные анти-А- и анти-В-агглютинины. Переливание такой крови может привести к тяжелым последствиям и даже к летальному исходу. Эти данные послужили основанием к переливанию только одногрупной крови.

7.7.2. Резус-фактор

Одним из первых агглютиногенов крови человека, не входящих в систему АВО, был резус-агглютиноген, или резус-фактор, обнаруженный К. Ландштейнером и А. Виннером в 1940 г. Он был получен при введении крови обезьян макак-резусов кроликам, в крови которых вырабатывали соответствующие антитела к эритроцитам обезьян. Как оказалось, эта сыворотка иммунизированных кроликов дает резко положительную реакцию агглютинации эритроцитов не только макак, но и человека. В Европе 85% людей имеют в крови этот агглютиноген, из-за чего их называют резус-положительными (Rh+, а не содержащих его -резус-отрицательными (Rh-) (рис. 7.14).

После переливания Rh+-крови Rh--человеку у последнего образуются специфические антитела к резус-антигену - антирезус-агглютиногены. Поэтому повторное введение этому же человеку Rh+-крови может вызвать у него агглютинацию эритроцитов и тяжелый гемотрансфузионный шок.

Резус-фактор имеет большое значение в клинической практике, и определение свойств крови на резус-фактор теперь обязательно проводят вместе с обычным определением групп крови.

Особое значение приобретает определение резус-фактора во время вступления в брак. При резус-положительном отце и резус-отрицательной матери (вероятность таких браков около 60%) ребенок нередко наследует резус-фактор отца. В этом случае могут возникнуть серьезные осложнения, механизм которых состоит в следующем (рис. 7.15, 7.16).

У Rh- матери, вынашивающей Rh+-плод, организм постоянно иммунизируется резус-антигеном плода, диффундирующим через плаценту. При этом у матери происходит образование Rh-агглютининов, которые через плаценту попадают в кровь плода и вызывают агглютинацию и гемолиз его эритроцитов.

Рис. 7.14 Резус-фактор (Rh)

А - процентное соотношение людей с резус-положительной и резус-отрицательной кровью. В - представление о возникновении "резус-конфликта": / - введение резус-положительной крови резус-отрицательному реципиенту, II - выработка резус-антител в организме реципиента, III - повторное введение резус-положительной крови резус-отрицательному реципиенту вызывает агглютинацию

Рис. 7.15 Взаимодействие резус-несовместимых факторов матери и плода

I - введение резус-положительной крови резус-отрицательному реципиенту, II - выработка резус-антител в организме реципиента. III - повторное введение резус-положительной крови резус-отрицательному реципиенту вызывает агглютинацию.

Рис. 7.16 Механизм развития резус-конфликта и способ его предотвращения

Высокая концентрация Rh-агглютининов может привести к гибели плода или развитию тяжелого гемолитического заболевания. Особенно в тяжелой форме это проявляется при повторной беременности, поскольку в плазме матери остаются Rh-антитела, выработанные еще при предыдущей беременности.

В природе широко распространены вещества, сходные с групповыми антигенами человека. Они обнаружены у некоторых бактерий и могут быть причиной иммунизации. Это означает, что некоторые инфекции способны у людей стимулировать образование иммунных антител к эритроцитам. Данное обстоятельство имеет большое практическое значение.

Существование у человека той или иной группы крови является его индивидуальной биологической особенностью. Эта особенность начинает формироваться уже в раннем периоде эмбрионального развития и не меняется на протяжении всей последующей жизни. Некоторые групповые антигены содержатся не только в форменных элементах и плазме крови, они находятся и в других клетках, тканях и некоторых секретах, таких как слюна, желудочный и кишечный соки.

В эволюции позвоночных животных групповая принадлежность крови проявляется уже у отдельных видов рыб, которые имеют несколько групп крови. Четыре группы у копытных, три - у жвачных, разные группы имеют хищные и птицы. У этих животных отсутствует структура системы крови, аналогичная системе человека. Она появляется и обнаруживает относительное подобие лишь у человекообразных обезьян.

7.8. КРОВЕТВОРЕНИЕ И ЕГО РЕГУЛЯЦИЯ

Кроветворение, или гемопоэз, - процесс, состоящий из серии клеточных дифференцировок, которые приводят к образованию зрелых форменных элементов крови. Это одна из наиболее рано возникающих функций организма, в которой в зависимости от вида клеток различают эритропоэз, лейкопоэз и тромбоцитопоэз. Существует эмбриональный гемопоэз, который происходит в зародышевый период и приводит к развитию крови как ткани, и постэмбриональный гемопоэз, представляющий собой систему физиологической регенерации крови.

У плодов млекопитающих образование и развитие клеток крови происходит в печени. К концу эмбрионального периода процесс в печени прекращается и центральным органом, осуществляющим универсальный гемопоэз, становится красный костный мозг. Он обеспечивает стволовыми клетками тимус, лимфатические узлы и другие гемопоэтические органы.

7.8.1. Эритропоэз

Предшественниками эритроцитов являются клетки красного костного мозга (рис. 7.17). В них осуществляется синтез гемоглобина.

Для образования гема используется железо двух белков: ферритина и сидерофилина. Суточная потребность организма в железе составляет 20-25 мг. Большая часть его поступает из отживших и уже разрушившихся эритроцитов, остальное доставляется с пищей. Для образования эритроцитов необходимы фолиевая кислота и витамин B12. Всасывание витамина B12 пищи сопровождается его взаимодействием с внутренним фактором Касла - гастромукопротеином, входящим в состав желудочного сока. Образующийся комплекс попадает в костный мозг (рис. 7.18), где стимулирует образование эритроцитов, способствуя синтезу глобулинов.

Рис. 7.17 Элементы стимуляции эритропоэза 1 - эритропоэтинчувствительные стволовые клетки, 2 грудина, 3 - эритроциты.

Рис. 7.18 Один из механизмов регуляции эритропоэза 1 - желудок, 2 - кровеносные сосуды, 3 - печень, 4 - грудина.

В эритропоэзе принимают также участие витамин С, активирующий синтез железосодержащей части молекулы гемоглобина, витамин В6, влияющий на синтез гема, и витамин B12, участвующий в образовании липидной стромы эритроцита.

В своем развитии эритроциты проходят несколько стадий. Предшественники зрелых форм - ретикулоциты - поступают в кровь и в течение нескольких часов превращаются в зрелые клетки. Ретикулоциты содержат хорошо выявляемые прижизненным окрашиванием гранулярные или нитевидные скопления базофильного вещества, исчезающие у зрелых форм. В обычных условиях количество ретикулоцитов в крови составляет, по разным данным, 1-10% от общего числа эритроцитов, что служит показателем эритропоэза.

Скорость эритропоэза может возрастать в несколько раз при обильных и быстрых кровопотерях, патологическом разрушении зрелых форм, несоответствии между потребностью тканей в кислороде и его поступлением (гипоксемия в любых формах ее проявления). В плазме крови в этих условиях появляются в значительных концентрациях особые ускоряющие эритропоэз вещества - эритропоэтины (см. рис. 7.17). Эритропоэтины представляют собой гормоны гликопротеиновой природы, синтезируемый преимущественно почками, а также в небольших количествах печенью и подчелюстными слюнными железами. Эритропоэтины в небольших концентрациях постоянно присутствуют в плазме человека и животных. Основной клеткой-мишенью для эритропоэтинов являются ядерные эритроидные предшественники в костном мозгу. Эритропоэтины увеличивают скорость образования гемоглобина. Помимо эритропоэтинов на кроветворение оказывают влияние андрогены и ряд медиаторов.

Значительное влияние на эритропоэз оказывают соединения, синтезируемые лимфоцитами, моноцитами, макрофагами и другими клетками. Эти соединения получили название "интерлейкины". Они обозначаются арабскими цифрами (ИЛ-1, ИЛ-2 и т. д.). Интерлейкины стимулируют фибробласты и эндотелиальные клетки, в результате чего усиленно продуцируется белковый фактор Стила, оказывающий непосредственное влияние на полипотентную стволовую клетку и способствующий ее дифференцировке. После того как родоначальники нескольких линий кроветворных клеток дифференцируются в родоначальники одной линии, в реакцию вступают позднедействующие гемопоэтические ростовые факторы и эритропоэтин.

Эритроциты живут относительно недолго, в среднем около 120 сут. При этом непрерывно образуются новые клетки и отмирают старые. Разрушение отживших эритроцитов происходит разными путями: одни гибнут от механического травмирования во время движения по сосудам; часть клеток фагоцитируется мононуклеарной фагоцитарной системой печени и селезенки; старые эритроциты гемолизируются непосредственно в кровяном русле.

При разрушении эритроцитов гемоглобин распадается на гем и глобин. От гема отделяется железо. Оно сразу же используется для создания новых молекул гемоглобина. Возникающий его избыток запасается впрок в печени, селезенке слизистой оболочке тонкой кишки. Железо вступает в соединение со специфическими белками, итогом чего является образование ферритина и гемосидерина.

7.8.2. Лейкопоэз. Тромбоцитопоэз

Лейкоцитопоэз и тромбоцитопоэз менее изучены, чем эритропоэз. Лейкопоэз находится в прямой зависимости от распада лейкоцитов: чем больше их распадается, тем больше образуется. Считается, что все лейкоциты образуются в красном костном мозгу из единой стволовой клетки, между тем родоначальницей миелопоэза (образование гранулоцитов, тромбоцитов и эритроцитов) является клетка-предшественница, или гранулоцитарно-моноцитарная бипотенциальная колониеобразующая единица. Для ее роста и дифференцировки необходим особый колониестимулирующий фактор (КСФ). Вырабатывается он моноцитарно-макрофагальными клетками, лимфоцитами и костным мозгом. Фактор является гликопротеидом и состоит из двух частей - стимулятора продукции эозинофилов и стимулятора продукции нейтрофилов и моноцитов. Оба они относятся к ранним гемопоэтическим ростовым факторам. Содержание их стимулируется Т-хелперами и подавляется Т-супрессорами.

В регуляции лейкопоэза важную роль играют интерлейкины (табл. 7.5). Они не только стимулируют гемопоэз, но, например, ИЛ-3 является фактором роста и развития базофилов, а ИЛ-5 необходим для роста и развития эозинофилов, ИЛ-2, ИЛ-4, ИЛ-6, ИЛ-7 кроме того еще и для дифференцировки Т- и В-лимфоцитов.

Известны два типа агранулоцитарных резервов лейкоцитов - сосудистый и костномозговой. Первый представляет собой большое количество гранулоцитов, расположенных вдоль стенок сосудистого русла, откуда они мобилизуются при повышении тонуса симпатической нервной системы. Число клеток второго, т. е. костномозгового гранулоцитарного резерва примерно в 50 раз превышает их количество в кровотоке. Как известно, лейкоциты являются наиболее "подвижной" частью крови, быстро реагирующей на различные изменения в окружающей среде и организме развитием лейкоцитоза, что и обеспечивается благодаря существованию двух типов клеточного резерва. Стимулирующее влияние на лейкопоэз оказывают нуклеиновые кислоты, гормоны гипофиза. Лейкопоэз возрастает также под влиянием продуктов распада тканей, микроорганизмов и их токсинов (см. рис. 7.9). Полагают, что эти вещества оказывают действие не прямо, а путем стимуляции лейкопоэтинов, которые "вмешиваются" в процесс дифференциации клеток костного мозга. Разрушение и появление новых лейкоцитов происходит непрерывно. Жизненный срок их различен. Они живут часы, дни, недели, часть лейкоцитов не исчезает на протяжении всей жизни

Та б л и ц а 7.5

Специфические гемопоэтические факторы роста

Название

Происхождение

Клетки-мишени

Тимозин

Тимус

Предшественники Т-лимфоцитов

Тимопоэтин

Тимус

Спленин

Селезенка

Предшественники В-лимфоцитов

Интерлейкин-1

Макрофаги

Лимфоциты и их предшественники

Интерлейкин-2

Т-индукторы

Т-лимфоциты

Интерлейкин-3

Т-лимфокиновые клетки (моноциты?)

Гемопоэтические стволовые клетки

Факторы роста В-клеток

Т-хелперы

В-лимфоциты

КСФ (колониестимулирующие факторы)

Лимфоциты, макрофаги и т. д.

Предшественники моноцитов и гранулоцитов

Эритропоэтин

Почки, печень (макрофаги?)

Предшественники эритроцитов

Тромбоцитопоэтин

Почки

Предшественники мегакариоцитов

человека или животного. Местом разрушения лейкоцитов является слизистая оболочка пищеварительного тракта, а также ретикулярная ткань.

Физиологическим регулятором процесса тромбоцитопоэза являются тромбоцитопоэтины (см. табл. 7.5). Химически они связаны с высокомолекулярной белковой фракцией, относящейся к ?-глобулинам. В зависимости от места образования и механизма действия различают тромбоцитопоэтины короткого и длительного действия. Первые образуются в селезенке, усиливают отшнуровку кровяных пластинок от мегакариоцитов и ускоряют их поступление в кровь. Они способствуют переходу предшественников гигантских клеток костного мозга в зрелые мегакариоциты. На активность тромбоцитопоэтинов непосредственное влияние оказывают ИЛ-6, ИЛ-11. Вторые содержатся в плазме крови и стимулируют образование тромбоцитов в костном мозгу. Особенно интенсивно тромбоциты вырабатываются после кровопотерь. Спустя несколько часов число их может удвоиться.

Фактов, свидетельствующих о существовании специализированной системы, регулирующей кроветворение, не существует. Однако обильная иннервация кроветворных тканей, наличие в них большого числа интероцепторов указывают на то, что эти органы включены в систему рефлекторных взаимодействий. Впервые идея нервной регуляции кроветворения и перераспределения форменных элементов крови была высказана С. П. Боткиным. Позднее это положение получило дальнейшее развитие в разнообразных методических условиях и было экспериментально подтверждено В. Н. Черниговским и А. Я. Ярошевским, показавшими наличие двусторонних связей кроветворных органов с центральными структурами нервной системы и возможность условнорефлекторного вызова гемопоэза.

7.9. ЛИМФА

Лимфа является производной крови. Кровь, тканевая жидкость, лимфа и ликвор вместе образуют внутреннюю среду организма.

Лимфа высших животных значительно отличается от гидролимфы кишечнополостных (медузы, гребневики), циркулирующей в их кишечнососудистой системе и непосредственно связанной со средой обитания, а также гемолимфы, которая заполняет сосуды и межклеточные пространства членистоногих и моллюсков, не имеющих замкнутой системы кровообращения.

У высших животных помимо лимфы существуют перилимфа и эндолимфа. Первая заполняет пространство между костью внутреннего уха и перепончатым лабиринтом, вторая составляет жидкое содержимое самого перепончатого лабиринта. Полости тела (плевральная, брюшинная и др.), выстланные серозными оболочками, также содержат жидкость (см. рис. 7.1). Прямых анатомических связей этих полостей с лимфатическими сосудами не найдено.

Образование лимфы и тканевой жидкости впервые было объяснено в середине прошлого столетия К. Людвигом. Согласно его фильтрационной теории, лимфообразоеание является результатом разницы между гидростатическим давлением в кровяных капиллярах и тканях. Позже эта теория была дополнена Э. Старлингом который считал, что кроме гидростатического давления важную роль играет разница в онкотическом давлении. Повышение гидростатического давления крови в капиллярах ведет к образованию лимфы, увеличение онкотического давления препятствует лимфообразованию. Из-за большой разницы давления крови в артериальном и венозном концах капилляров процесс фильтрации лимфы происходит в артериальном конце, возвращается лимфа в кровь в венозном. Возврату лимфы способствует и повышенное онкотическое давление венозного конца капилляров.

Функции лимфы, как и крови, направлены на поддержание относительного постоянства внутренней среды, т. е. гомеостаза. С помощью лимфы осуществляется возврат белков из тканевых пространств, в кровь, участие в перераспределении воды в организме, молокообразовании, пищеварении и обмене веществ. Посредством транспорта из лимфоидных органов макрофагов, лимфоцитов и антител лимфа участвует в иммунных реакциях организма. Она играет решающую роль во всасывании и транспорте жиров и жирорастворимых веществ в кишке. Функция лимфы состоит и в удалении из межклеточного пространства веществ, которые не реабсорбируются в кровеносных капиллярах. Способствуя удалению жидкости из тканевого пространства, лимфатическая система выполняет дренажную функцию.

Лимфа представляет собой прозрачную или слабо опалесцирующую жидкость соленого вкуса щелочной реакции (рН 7,35-9,0). Содержание лимфы в разных органах различно; оно соответствует их функции. Наибольшее количество лимфы образуется в печени, что связано с транспортом синтезирующихся здесь белков. На 1 кг массы органа приходится в печени 21-36 мл лимфы, сердце - 5-18, селезенке - 3-12, мышцах конечностей - 2-3 мл.

Находящаяся в тканях лимфа представляет собой депо жидкости, которая при необходимости используется для увеличения объема циркулирующей крови. У coбак массой 10 кг через грудной проток за 1 сут протекает 500-600 мл лимфы. В лимфе, полученной из грудного протока, находится около 60% белка по сравнению с его концентрацией в плазме крови. Это низкое содержание белка обусловливает меньшую по сравнению с кровью вязкость лимфы и более низкое коллоидно-осмотическое давление. Различие в содержании белков определяет диффузное равновесие между плазмой крови и внутриклеточной жидкостью, поддерживаемой лимфой (см. рис. 7.4). Лимфа имеет вместе с тем несколько более высокую концентрацию хлоридов и гидрокарбонатов, чем плазма крови. Количество и состав белков лимфы зависят от проницаемости кровеносных капилляров, поэтому концентрация белков в лимфе разных органов различна. Лимфа содержит фибриноген и протромбин, поэтому она свертывается. Более продолжительное, чем у крови, свертывание объясняется недостатком тромбоцитов. После свертывания лимфы образуется рыхлый желтоватый сгусток. Выступающую из него жидкость называют сывороткой.

На пути от тканей к венам лимфа проходит через биологические фильтры - лимфатические узлы. Здесь происходит задержка инородных частиц, микроорганизмов и их обезвреживание. Состав клеток лимфы не одинаков в разных участках лимфатического пути. В связи с этим различают периферическую, промежуточную и центральную лимфу.

К периферической относят лимфу, не прошедшую ни через один из узлов; к промежуточной - прошедшую через один-два узла; к центральной - лимфу, находящуюся в крупных лимфатических коллекторах, которые впадают в яремную вену и грудной лимфатический проток. В периферической лимфе клетки единичны, основную их массу составляют лимфоциты. В промежуточной лимфе число их возрастает в несколько раз. Здесь появляются нейтрофилы, эозинофилы, мало дифференцированные стволовые клетки. Больше всего форменных элементов в центральной лимфе. Так, в 1 мкл лимфы кошки содержится 1200 лимфоцитов, у кролика - 32 600, у обезьян - 20 400, у человека - от 2000 до 20 000.

Экстремальные воздействия, такие как травмы, ожоги, обильные кровопотери, сопровождаются интенсивным лимфообразованием. Его повышение происходит и под действием некоторых веществ (экстракты из пиявок, пептиды, гистамин), называемых лимфогенными. Механизм их действия основан на увеличении проницаемости стенки капилляров.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Кровь представляет собой жидкую ткань, осуществляющую в организме целый ряд функций, основными из которых являются: 1) транспорт питательных веществ, метаболитов, веществ, подлежащих экскреции, газов, гормонов, клеток, не выполняющих дыхательные функции; 2) перенос тепла, передача силы (например, для локомоции у дождевых червей); 3) поддержание внутренней среды и др. Объем крови у человека в среднем составляет 6-8% массы тела.

Кровь состоит из жидкой части (плазмы) и взвешенных в ней кровяных клеток (эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов). Объем клеток достигает 45% объема крови. Кровь - коллоидно-полимерный раствор. Растворителем в нем является вода, растворенными веществами - соли и низкомолекулярные вещества плазмы, коллоидным компонентом - белки и их комплексы. В течение всей жизни в организме поддерживается относительное постоянство объема и состава крови, несмотря на непрерывное разрушение и обновление кровяных клеток.

Плазма крови - бесцветная жидкость, состоящая из 90-92% воды 8-10% органических и минеральных веществ. Основными белками плазмы являются альбумины, глобулины, фибриноген. Функция белков заключается в обеспечении распределения воды между кровью и тканевой жидкостью, участии в поддержании водно-солевого равновесия в организме, образовании иммунных тел, свертывании крови. Благодаря наличию белков плазма становится вязкой в связи с этим форменные элементы равномерно распределены в плазме и находятся во взвешенном состоянии. Одним из основных источников энергии для клеток организма является глюкоза плазмы. Помимо этих веществ в плазме содержатся жиры, аммиак, молочная кислота и др.

Из неорганических веществ плазмы большое значение имеют ионы натрия, кальция, калия, магния, хлора и др. Например, ионы Са2+ необходимы для свертывания крови, ионы Mg2+ - для углеводного обмена. От концентрации в плазме различных ионов зависит ее осмотическое давление, имеющее важное значение для распределения в тканях воды и растворенных веществ. Кроме различных ионов на величину осмотического давления влияют и другие вещества, например белки. Осмотическое давление, зависящее от содержания белков в плазме, называется онкотическим. Белки способствуют удержанию воды внутри сосудистой системы. Ионы входят в состав всех кислот, и поэтому от их концентрации зависит кислотность раствора (рН - отрицательный десятичный логарифм концентрации водородных ионов); рН артериальной крови равен 7,4, венозной - несколько ниже.

Поддержание постоянства рН крови и тканей обеспечивается наличием особых буферных систем. Из них наиболее важными являются: 1) буферная система гемоглобина; 2) буферная система белков плазмы; 3) карбонатная система, в состав которой входят угольная кислота и ее соли; 4) фосфатная система, деятельность которой связана с солями фосфорной кислоты. Системе гемоглобина

принадлeжит самая большая роль, так как на ее Долю приходится около 75% буферной способности крови. Постоянство рН крови и тканей обеспечивается легкими, почками, потовыми железами. Регуляция физико-химических свойств крови осуществляется сложными нейрогуморальными механизмами.

Эритроциты - красные кровяные клетки, их окраску определяет содержащееся в них вещество - гемоглобин. Гемоглобин состоит из белковой части - глобина - и небелковой - гема, содержащего двухвалентное железо.

Гемоглобин человека и животных различается только строением белковой части, которая для каждого вида животного специфична.

Гемоглобин легко связывает и отщепляет кислород. Присоединяя кислород, гемоглобин переходит в окисленную форму - оксигемоглобин; 1 г гемоглобина может связать 1,34 мл О2. Эта реакция протекает в легких. При условии перехода всего гемоглобина в окисленную форму количество кислорода, которое может содержаться в 100 мл крови, называют кислородной емкостью крови. Отдавая кислород в капиллярах, оксигемоглобин превращается в восстановленный гемоглобин. В капиллярах тканей гемоглобин способен также образовывать непрочное соединение с углекислым газом. В капиллярах легких, где содержание СО2 значительно меньше, последний отделяется от гемоглобина.

Лейкоциты - белые кровяные клетки, имеющие ядра разнообразной формы. Они неоднородны по своему строению и делятся на две группы: зернистые и незернистые. Между отдельными видами лейкоцитов существует определенное соотношение, называемое лейкоцитарной формулой. Важнейшая функция лейкоцитов - защитная. Они легко проникают через стенки сосудов к местам скопления инородных веществ, поглощают и отмершие клетки, освобождая от них организм.

Тромбоциты, или кровяные пластинки, участвуют в свертывании крови. При нарушении целостности органов и тканей под влиянием находящихся в тромбоцитах и плазме крови веществ происходит превращение жидкого белка плазмы - фибриногена - в гелеобразный фибрин. Вместе с кровяными клетками волокна этого белка образуют сгустки, которые задерживают и прекращают кровотечение. В свертывании крови принимает участие большое число различных факторов, к числу которых относятся ионы Са2+.

Кровь не соприкасается непосредственно с клетками организма; посредник между ними является тканевая жидкость, которая заполняет промежутки между клетками. Тканевая жидкость находится в постоянном движении и поступает вначале в лимфатические сосуды, а оттуда в кровь. Кровь вместе с лимфой и тканевой жидкостью составляют внутреннюю среду организма. Изменение состава крови тотчас же сказывается на составе тканевой жидкости. Постоянство состава внутренней среды является необходимым условием нормальной работы всех органов и тканей.

Для поддержания постоянства внутренней среды в организме существует большое число органов, систем, процессов и механизмов. Среди них выделяются внешние и внутренние барьеры организма. Внешними барьерами являются кожа, печень, селезенка, почки, органы дыхания, пищеварения.

Кожа выполняет множество важных функций, таких как защитная, дыхательная, абсорбционная, выделительная, пигментообразующая. Она принимает участие также в терморегуляции, в обменных процессах, сосудистых и нервно-рефлекторных реакциях. Помимо того, кожа играет роль своеобразного фильтра, препятствующего избыточному выделению воды из глубины на поверхность. В коже сосредоточено огромное количество нервных окончаний, посредством которых осуществляется связь организма с внешней средой.

В обеспечении постоянства внутренней среды важнейшее значение принадлежит также селезенке и печени, являющимся в эмбриональной жизни органами кроветворения. В постнатальном периоде селезенка вырабатывает лимфоциты и моноциты, разрушает старые форменные элементы, служит хранилищем эритроцитов, которые выбрасываются в сосудистое русло при кровопотерях, мышечной работе, эмоциях. Она играет также важнейшую роль в процессе иммунитета. Печень является своеобразным депо антианемического фактора, витаминов, железа, меди и других веществ, разрушает ряд гормонов, обезвреживает токсины и яды. В ней образуются вещества, участвующие в свертывании крови и в деятельности антисвертывающей системы.

Структурной основой внутренних, или гистогематических, барьеров служит эндотелий капилляров. В каждом из органов гистогематические барьеры характеризуются избирательной проницаемостью, в результате чего клетки органа находятся в специфической, именно им присущей среде. Эта избирательность наиболее выражена в гематоэнцефалическом барьере.

В сохранении постоянства внутренней среды огромное значение имеет способность организма защищаться от чужеродных тел и веществ. Эта защита осуществляется посредством иммунной системы, представленной группой органов (селезенка, вилочковая железа, красный костный мозг, лимфатические узлы), а также специальными клетками, распределенными по всему организму. Часть из них постоянно находится в крови, лимфе, проникая во все ткани, элиминируя чуждые организму вещества и продукты.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Актуальные проблемы гемостазиологии / Под ред. Б. В. Петровского и др. М., 1981

Андреенко Г.В. Фибринолиз: Биохимия, физиология, патология. М., 1979.

Баркаган З. С. Геморрагические заболевания и синдромы. М., 1988

Бышевский А. Ш., Зубаиров Д. М., Терсенов О. А. Тромбопластин. Новосибирск, 1993

Виноградова И. Л., Глазко Е. Н., Ичаловская Т. А. и др. Групповые системы крови человека и

гемотрансфузионные осложнения. М., 1989.

Иржак Л. И. Гемоглобины и их свойства. М., 1975.

Кассирский И. А.. Алексеев Г. А. Клиническая гематология. М., 1970.

Коробков А.В., Чеснокова С. А. Атлас по нормальной физиологии. М., 1986

Кудряшов Б.А. Биологические проблемы регуляции жидкого состояния крови и ее свертывания. М., 1975.

Кузник Б. И., Васильев В. Н., Цыбиков Н. Н. Иммуногенез, гемостаз и неспецифическая резистентность организма. М.,1989.

Проблемы и гипотезы в учении о свертывании крови / Под ред. О. К. Гаврилова. М.. 1981.

Прокоп О., Геллер В. Группы крови человека. М.,1991.

Ройт А. Основы иммунологии. М., 1991.

Руководство по гематологии. В 2 т. / Под ред. А. И. Воробьева. М., 1985.

Физиология системы крови. Физиология эритропоэза / Отв. ред. В. Н. Черниговский. Л., 1979.

Физиология человека. В 2 т. / Под ред. В. М. Покровского, Г. Ф. Коротько. М 1997

Физиология человека. В 3 т. / Под ред. Р. Шмидта, Г. Тевса. М., 1996.

Эккepm Р., Ренделл Д., Огастин Дж. Физиология животных. Механизмы и адаптация. В 2 т. М. 1991.

8 ФИЗИОЛОГИЯ ИММУННОЙ СИСТЕМЫ

ВЕХИ ИСТОРИИ

1798 - Э. Дженнер (Е. Jenner, Великобритания) сделал сообщение о возможности предупреждения заболевания натуральной оспой путем прививки людям оспенного материала от больных коров.

1883 - И. И. Мечников (Россия) создал первую экспериментально обоснованную фагоцитарную теорию иммунитета.

1890 - Э. фон Беринг (Е. v. Behring, Германия) предложил способ иммунизации антитоксическими сыворотками; в 1901 г. присуждена первая Нобелевская премия по физиологии или медицине за работы по сывороточной терапии при лечении дифтерии.

1913 - Ш. Рише (Ch. Richet, Франция) - Нобелевская премия за открытие анафилаксии (1902).

1919 - Ж. Борде (J. Bordet, Бельгия) - Нобелевская премия за открытие антигенной специфичности.

1960 - М. Бернет (М. Burnet, Австралия) и П. Медавар (Р. Medawar, Великобритания) - Нобелевская премия за открытие искусственной иммунной толерантности.

1972 - Дж. Эдельман (G. Edelman, США) и Р. Портер (R. Porter, Великобритания) - Нобелевская премия за установление химического строения антител.

1980 - Б. Бенасерраф (В. Benacerraf, США), Ж. Доссе (J. Dausset, Франция) и Дж. Снелл (G. Snell, США) - Нобелевская премия за открытие способа заменять дефектные гены и создавать новые популяции иммунных клеток.

1984 - Н. Ерне (N. Jrne, Дания) - Нобелевская премия за создание новаторской теории "сетей" в иммунологии.

1984 - Г. Келлер (G. Kohler, ФРГ) и С. Милстейн (С. Milstein, Великобритания-Аргентина) - Нобелевская премия за открытие и разработку принципов выработки моноклональных антител с помощью гибридов.

1987 - С. Тонегава (S. Tonegawa, Япония) - Нобелевская премия за открытие принципа образования антител (открытие генов рецепторов Т-лимфоцитов).

1990 - Дж. Марри и Э. Томас (J. Murray, Е. Thomas, США) - Нобелевская премия за открытие в области трансплантации органов и клеток при лечении заболеваний человека.

1996 - П. Догерти (Р. Doherty, США) и Р. Цинкернагель (R. Zinkernagel, Швейцария) - Нобелевская премия за открытие специфичности клеточно-опосредованной иммунной защиты.

1997 - С. Прузинер (S. Prusiner, США) - Нобелевская премия за открытие прионов - новых биологических принципов инфекций.

Иммунная система, наряду с другими регуляторными системами - нервной и эндокринной, играет важную роль в поддержании постоянства внутренней среды организма и обеспечении его адаптации к изменяющимся условиям внешней среды. В отличие от нервной и эндокринной систем, контролирующих количественный гомеостаз, иммунная система охраняет качественное постоянство генетически предетерминированного клеточного и гуморального состава организма.

Иммунная система обеспечивает: а) защиту организма от внедрения чужеродных клеток и от возникших в организме модифицированных клеток (например, злокачественных); б) уничтожение старых, дефектных и поврежденных собственных клеток, а также клеточных элементов, не характерных для данной фазы развития организма; в) нейтрализацию с последующей элиминацией (от лат. elimino, eliminatum - выносить за порог, удалять) всех генетически чужеродных для данного организма высокомолекулярных веществ биологического происхождения (белков, полисахаридов, липополисахаридов и т. д.);

г) продукцию разнообразных биологически активных молекул, от простейших до весьма сложных, обладающих широким спектром эффектов и, в отличие от гормонов, поддерживающих не гомеостатический баланс, а сложную ответную реакцию всего организма на внедрение чужеродных клеток, вирусов, иммунное повреждение, а также воспаление, репарацию и регенерацию (цитокинов, ростовых факторов, медиаторов воспаления и т. д.); д) вовлечение для оптимизации реализуемых ею защитных реакций нервной и эндокринной систем.

Основные компоненты иммунной системы работают в тесной связи с многочисленными клеточными элементами и гуморальными факторами, не принимающими непосредственного участия в иммунных реакциях. Иммунокомпетентные клетки и продуцируемые ими факторы, помимо защитной, могут выполнять в организме другие функции. Известно, что лимфоциты принимают участие в кишечном пищеварении за счет большого запаса содержащейся в них липазы, участвуют в образовании белков плазмы крови, осуществляют транспорт ДНК к тканям. Иммунная система не имеет четких границ в смысле задействованных в ней компонентов и для выполнения главной задачи - защиты организма - может привлекать многие другие системы.

8.1. КОМПОНЕНТЫ ИММУННОЙ СИСТЕМЫ

К основным клеточным иммунным компонентам относятся все лейкоциты крови, представляющие собой так называемые иммунокомпетентные клетки. Зрелые лейкоциты объединяют пять популяций клеток:

лимфоциты, моноциты, нейтрофилы, эозинофилы и базофилы. Иммунокомпетентные клетки можно обнаружить практически в любой части организма, однако сконцентрированы они преимущественно в местах своего образования первичных и вторичных лимфоидных органах (рис. 8.1). Первичным местом образования всех этих клеток является орган кроветворения - красный костный мозг, в синусах которого образуются и проходят полный цикл дифференцировки моноциты и все гранулоциты (нейтрофилы, эозинофилы, базофилы). Здесь же начинается дифференцировка лимфоцитов. Лейкоциты всех популяций происходят от единой костномозговой полипотентной стволовой кроветворной клетки, пул которой является самоподдерживающимся (рис. 8.2).

Различные направления дифференцировки стволовых клеток определяются специфическим микроокружением их в очагах костномозгового кроветворения и продукцией специфических гемопоэтических факторов, в том числе колониестимулирующих, кейлонов, простагландинов и других. Помимо указанных факторов, в систему контроля за образованием и дифференцировкой иммунокомпетентных клеток в костном мозге входит группа общеорганизменных регуляторных веществ, важнейшими из которых являются гормоны и медиаторы нервной системы.

Лимфоциты в организме представлены двумя большими субпопуляциями, которые различаются по гистогенезу и иммунным функциям. Это Т-лимфоциты, обеспечивающие клеточный иммунитет, и В-лимфоциты, ответственные за

осуществление антителообразования, т. е. гуморального иммунитета. Если В-лимфоциты весь цикл дифференцировки до зрелых В-клеток проходят в костном мозге, то Т-лимфоциты на стадии пре-Т-лимфоцитов мигрируют из него по кровотоку в другой первичный лимфоидный орган - тимус, в котором заканчивается их дифференцировка с образованием всех клеточных форм зрелых Т-клеток.

Принципиально отличается от них особая субпопуляция лимфоцитов - нормальные (естественные) киллеры (НК) и К-клетки. НК являются цитотоксическими клетками, осуществляющими разрушение клеток-мишеней (главным образом, опухолевых клеток и клеток, зараженных вирусами) без предварительной иммунизации, т. е. в отсутствие антител. К-клетки способны разрушать клетки-мишени, покрытые небольшим количеством антител.

После созревания иммунокомпетентные клетки, выходят в кровоток, по которому моноциты и гранулоциты мигрируют в ткани, а лимфоциты направляются во вторичные лимфоидные органы, где происходит антигензависимая фаза их дифференцировки. Кровеносная система - основная магистраль транспорта и рециркуляции иммунных компонентов, в том числе иммунокомпетентных клеток. В крови, как правило, не происходит никаких иммунологических реакций. Кровоток только доставляет клетки к месту их функционирования.

Гранулоциты (нейтрофилы, эозинофилы, базофилы) после созревания в костном мозге выполняют лишь эффекторную функцию, после однократного выполнения которой они гибнут. Моноциты после созревания в костном мозгу оседают в тканях, где образовавшиеся из них тканевые макрофаги также выполняют эффекторную функцию, но в течение длительного периода и многократно. В отличие от всех других клеток, лимфоциты после созревания их в костном мозгу (В-клетки) или тимусе (Т-клетки) поступают во вторичные лимфоидные органы (рис. 8.3), где

Рис. 8.1 Лимфомиелоидный комплекс

КМ - костный мозг; КС - кровеносные сосуды; ЛТК - лимфоидная ткань кишки; ЛС - лимфатические сосуды; ЛУ - лимфатические узлы; СЛ - селезенка; Т - вилочковая железа (тимус).

Рис. 8.2 Полипотентная стволовая кроветворная клетка и ее потомки ЦТЛ - цитотоксический Т-лимфоцит (Т-киллер).

Рис. 8.3 Схема образования Т- и В-лимфоцитов и их участия в клеточном и гуморальном иммунитете

основной их функцией является размножение в ответ на антигенный стимул с появлением короткоживущих специфических эффекторных клеток и долгоживущих клеток памяти. 'Иммунологическая память - способность организма отвечать на повторное введение антигена иммунной реакцией, характеризующейся большей силой и более быстрым ответом, чем на первую иммунизацию.

Вторичные лимфоидные органы разбросаны по всему организму, чтобы обслуживать все ткани и участки поверхности. К вторичным лимфоидным органам относятся селезенка, лимфатические узлы, органные скопления лимфоидной ткани у слизистых оболочек - червеобразный отросток (аппендикс), пейеровы бляшки, миндалины и другие образования глоточного лимфоидного кольца солитарные (одиночные) .лимфоидные фолликулы стенок кишки и влагалища, а также диффузные скопления лимфоидных клеток в субэпителиальных пространствах всех слизистых оболочек организма и новообразованные очаги лимфоидной ткани в грануляционной ткани вокруг хронических очагов воспаления.

Во вторичных лимфоидных органах Т- и В-лимфоциты впервые контактируют с чужеродными для организма антигенами. Такой контакт осуществляется преимущественно в лимфоидной ткани, по месту поступления антигена. После контакта происходит размножение клонов (от греч. klon - росток, отпрыск) Т- и В-клеток, специфичных к данному антигену, и дифференцировка большей части клеток этих клонов в конечные эффекторные короткоживущие (Т-эффекторы из Т-лимфоцитов и плазматические клетки из В-лимфоцитов). Часть Т- и В-лимфоцитов этих специфических к антигену клонов размножается, не переходя в короткоживущие эффекторные клоны, и превращается в клетки иммунологической памяти. Последние частично мигрируют в другие вторичные лимфоидные органы, в результате чего в них возникает повышенный уровень лимфоцитов, специфичных к антигену, атаке которого организм подвергся хотя бы один раз. Благодаря этому создается иммунологическая память на конкретный антиген во всей иммунной системе.

Поступление лимфоцитов из кровотока во вторичные лимфоидные органы жестко контролируется. Существенная часть зрелых Т- и В-лимфоцитов постоянно циркулирует в кровотоке между лимфоидными органами (так называемые рециркулирующие лимфоциты). Под рециркуляцией лимфоцитов понимают процесс миграции лимфоцитов из крови в органы иммунной системы, периферические ткани и обратно в кровь (рис. 8.4). Лишь небольшая часть лимфоцитов относится к нерециркулирующему пулу.

Функциональное назначение рециркуляции лимфоцитов состоит в осуществлении постоянного "иммунного надзора" тканей организма иммунокомпетентными лимфоцитами, в эффективном обнаружении чужеродных и измененных собственных антигенов и снабжении органов лимфоцитопоэза информацией о появлении антигенов в различных тканях. Различают быструю рециркуляцию (осуществляется в течение нескольких часов) и медленную (длится неделями). В ходе быстрой рециркуляции лимфоциты крови специфически связываются со стенкой специализированных сосудов, расположенных в лимфоидных органах, - посткапиллярных венул с высоким эндотелием - и далее мигрируют через эти эндотелиальные клетки в лимфоидную ткань, затем в лимфатические сосуды и через грудной лимфатический проток возвращаются в кровь. Этим путем мигрирует около 90% лимфоцитов, имеющихся в лимфе грудного протока. При медленной рециркуляции лимфоциты крови мигрируют через посткапиллярные венулы с плоским эндотелием, характерные для неиммунных органов, в различные периферические ткани, затем попадают в лимфатические сосуды, лимфатические узлы и через лимфоток в грудной лимфатический проток снова в кровь. Таким путем рециркулирует примерно 5-10% лимфоцитов, содержащихся в лимфе грудного протока.

Специфическое связывание лимфоцитов со стенками посткапиллярных венул с высоким эндотелием происходит благодаря наличию на поверхности эндотелиальных клеток определенных молекул и соответствующих им рецепторов на Т- и В-лимфоцитах (рис. 8.5). Этот механизм обеспечивает избирательное накопление в лимфоузлах и других вторичных лимфоидных органах лимфоцитов определенных популяций. В пейеровых бляшках содержится около 70% В-лимфоцитов и 10-20% Т-лимфоцитов, в то же время в периферических лимфоузлах, наоборот, около 70% Т- и 20% В-клеток. Многие Т- и В-лимфоциты, активированные антигеном, покидают место, где они были активированы, а затем после циркуляции в кровотоке возвращаются в те же или близкие к ним лимфоидные органы. Такая закономерность лежит в основе местного иммунитета органов и тканей. Среди рециркулирующих лимфоцитов большей

Рис. 8.4 Пути рециркуляции лимфоцитов

Белые стрелки - быстрая рециркуляция. Черные стрелки - медленная рециркуляция. ВЛС - выносящий лимфатический сосуд; ГП - грудной лимфатический проток; КС - кровеносный сосуд; ПКВ - посткапиллярные венулы с высоким эндотелием;

ПЛС - приносящий лимфатический сосуд, ЛС - лимфатический сосуд.

Рис. 8.5 Гипотетическая модель механизмов, обеспечивающих органную специфичность миграции лимфоцитов

Заселенность определенных органов теми или иными субпопуляциями лимфоцитов регулируется процессами избирательного узнавания посткапиллярных венул с высоким эндотелием.

скоростью миграции обладают Т-лимфоциты и клетки иммунологической памяти обоих типов.

Непосредственное участие в иммунной защите принимают также клетки кожного и слизистого покровов, создающие механический барьер на пути чужеродного антигена. В качестве механических факторов неспецифических защитных механизмов можно рассматривать слущивание (десквамацию) клеток поверхностных слоев многослойных эпителиев, выработку слизи, покрывающей слизистые оболочки, биение ресничек, осуществляющее транспорт слизи по поверхности эпителия (в респираторном тракте - мукоцилиарный транспорт). Микробы удаляются с поверхности эпителиев также током слюны, слез мочи и других жидкостей.

В осуществлении защиты организма от внедрения чужеродных клеток участвуют клетки, синтезирующие разнообразные иммунологически активные вещества (например, клетки сальных желез вырабатывают жирные кислоты клетки потовых желез - молочную кислоту, низкое значение рН которой обеспечивает антимикробное действие). Во многих секретах, продуцируемых клетками организма, содержатся бактерицидные компоненты, такие как соляная кислота в желудочном соке, спермин и цинк в сперме, лактопероксидаза в молоке, лизоцим в слезах, носовых выделениях и слюне. Известен также механизм микробного антагонизма, сущность которого состоит в том, что нормальная бактериальная флора человека может угнетать рост многих потенциально патогенных микроорганизмов и грибов вследствие конкуренции за необходимые питательные вещества или выработки таких соединений, как колицины или кислоты. Например, патогенная флора влагалища угнетается молочной кислотой, которая вырабатывается одним из видов бактерий-комменсалов. Повреждение последних с помощью антибиотиков повышает риск инфицирования паразитическими грибами и бактериями.

К гуморальным иммунным компонентам относятся самые разнообразные иммунологически активные молекулы, от простых до весьма сложных, которые продуцируются иммунокомпетентными и другими клетками и участвуют в защите организма от чужеродного или своего дефектного. Среди них, прежде всего, следует выделить вещества белковой природы - иммуноглобулины, цитокины, систему компонентов комплемента, белки острой фазы, интерферон и другие. К иммунным компонентам относятся ингибиторы ферментов, подавляющие ферментативную активность бактерий, ингибиторы вирусов, многочисленные низкомолекулярные вещества, являющиеся медиаторами иммунных реакций (гистамин, серотонин, простагландины и другие). Огромное значение для эффективной защиты организма имеют насыщенность тканей кислородом, рН среды, наличие Са2+ и Mg2+ и других ионов, микроэлементы, витамины и др.

8. 2. МЕХАНИЗМЫ НЕСПЕЦИФИЧЕСКОГО (ВРОЖДЕННОГО) ИММУНИТЕТА

Неспецифические (врожденные) защитные механизмы представляют собой совокупность всех физиологических факторов, способных а) предотвратить попадание в организм или б) нейтрализовать и разрушать проникшие в него чужеродные вещества и частицы или образовавшиеся в нем собственные измененные клетки. Эти механизмы не обладают специфичностью в отношении воздействующего агента.

Помимо упоминавшихся механических и химических факторов существует несколько других способов защиты: фагоцитоз ("поедание" клетками), внеклеточное уничтожение зараженных вирусами и опухолевых клеток с помощью цитотоксических факторов (клеточная цитотоксичностъ) и разрушение чужеродных клеток с помощью растворимых бактерицидных соединений.

8.2.1. Фагоцитоз

Фагоцитоз представляет собой филогенетически наиболее древнюю иммунную реакцию и является первой реакцией иммунной системы на внедрение чужеродных антигенов, которые могут поступать в организм в составе бактериальных клеток или вирусных частиц, а также в виде высокомолекулярного белка или полисахарида. Макрофаги и моноциты - древние клетки иммунной системы. Последние являются циркулирующими в периферической крови предшественниками макрофагов, функции которых разнообразны и не исчерпываются потребностями иммунной защиты организма.

Впервые на защитную функцию макрофагов указал И. И. Мечников, открывший явление фагоцитоза и получивший за это Нобелевскую премию 1908 г. В настоящее время известна другая фундаментальная роль макрофагов - представление этими клетками антигенов лимфоцитам. Без этой функции макрофагов невозможно специфическое распознавание чужеродного антигена. Кроме того, макрофаги являются продуцентами многочисленных медиаторов иммунных реакций (интерлейкины, простагландины), а также белков системы комплемента.

Основой эволюционного становления фагоцитоза как иммунологического феномена явилась пищеварительная функция. Предковые одноклеточные организмы поглощали и переваривали чужеродные вещества внешней среды с целью питания. Такой тип питания сохранился у современных протозоа, губок и кишечнополостных. Источником питания, возможно, служили не только неструктурированные вещества, но и прокариоты, среди которых встречается много патогенных микроорганизмов. Несмотря на совершенствование в филогенезе механизмов специфической иммунной защиты, фагоцитарная функция амебоцитов-макрофагов сохранилась в эволюции от одноклеточных до высших многоклеточных, включая млекопитающих.

Моноциты. Основой всей моноцитарно-фагоцитарной системы (МФС) является популяция иммунокомпетентных клеток - моноциты. В периферической крови человека в нормальных условиях содержится обычно 0,2-0,8 • 109 этих клеток в 1 л. После недолгого пребывания в крови моноциты мигрируют в ткани, где формируют МФС. Моноциты присутствуют повсюду - в соединительной ткани, вокруг базальных мембран мелких кровеносных сосудов, высокое содержание их обнаруживается в легких (альвеолярные макрофаги) и печени (клетки Купфера). Макрофаги выстилают синусоиды селезенки и медуллярные

Рис. 8.6 Основные фазы фагоцитоза (1-8) и уничтожение бактерии

синусы лимфатических узлов. Моноцитарное происхождение имеют мезангиальные клетки почечных клубочков, микроглиальные клетки мозга и остеокласты костной ткани. Моноциты, как правило, мигрируют в ткани диффузно, хаотично. В случае появления клеток, несущих чужеродную информацию, возникает хемотаксический сигнал, направляющий и ускоряющий движение моноцитов из кровотока и окружающих тканей. Макрофаги и некоторые другие клетки МФС живут около 2 месяцев, а некоторые субпопуляции - многие годы. Полагают, что именно этими долгоживущими клетками определяется пожизненная фиксация татуировки и "черное легкое" курильщиков. Внесосудистый пул клеток МФС превышает пул моноцитов циркулирующих в крови, примерно в 25 раз. Наиболее богаты ими печень, легкие, селезенка. Во многих тканях (например, в мышечных) плотность расположения макрофагов исключительно низка.

Механизм фагоцитоза однотипен и включает 8 последовательных фаз (рис. 8.6): 1) хемотаксис (направленное движение фагоцита к объекту), 2) адгезия (прикрепление к объекту), 3) активация мембраны (актин-миозиновой системы фагоцита), 4) начало собственно фагоцитоза, связанное с образованием вокруг поглощаемой частицы псевдоподий, 5) образование фагосомы (поглощаемая частица оказывается заключенной в вакуоль благодаря надвиганию на нее плазматической мембраны фагоцита подобно застежке-молнии, 6) слияние фагосомы с лизосомами, 7) уничтожение и переваривание, 8) выброс продуктов деградации из клетки.

Фагоцитозу часто предшествует процесс опсонизации (от греч. opsoniazo - снабжать пищей, питать) объекта (клетки, несущей чужеродную информацию). Инициатором этого процесса является образование на поверхности клетки комплекса антиген-антитело. Опсонизация обеспечивается присутствием небольшого количества в организме молекул антител ("нормальные антитела"). Антитела, локализующиеся на поверхности чужеродной клетки, стимулируют активацию и присоединение к ним белков системы комплемента. Образовавшийся комплекс действует как активатор остальных стадий фагоцитоза, стимулирует прямо или через посредство других клеток образование веществ, усиливающих эффект опсонизации чужеродной клетки.

Хемотаксис. Чужеродные клетки (опсонизированные или неопсонизированные) посылают в окружающую среду хемотаксические сигналы, в направлении которых фагоцит начинает двигаться. В качестве хемотаксических факторов рассматривается целый ряд веществ, в том числе продукты метаболизма микроорганизмов. Считается, что на ранних этапах эволюции каждый из этих факторов действовал самостоятельно. У высших организмов, в том числе у человека, все они действуют в комплексе, последовательно включаясь и усиливая друг друга. Пусковым фактором является комплекс антиген-антитело, определяющий высокую специфичность суммарного хемотаксического сигнала. На этот сигнал приходят первые фагоцитирующие элементы, которые, активируя другие иммунокомпетентные клетки, стимулируют их к выработке медиаторов, усиливающих хемотаксис. Далее хемотаксический потенциал усиливается за счет новообразованных антител, усиления образования комплексов антиген-антитело, а также ряда факторов, образующихся при разрушении макрофагами сосудов и тканей в воспалительном очаге. Этот хемотаксический сигнал второго порядка (развитого очага воспаления) обеспечивает поддержание в нем активной работы за счет поступления новых порций иммунокомпетентных клеток. Достигнув очага воспаления, макрофаг останавливается под влиянием фактора торможения миграции лейкоцитов, вырабатываемого Т-лимфоцитами-хелперами. Исчезновение в очаге воспаления чужеродных антигенов, начало процессов регенерации ведет к резкому уменьшению хемотаксического стимула и появлению продуктов, представляющих собой отрицательный хемотаксический сигнал. В результате этого новые фагоциты перестают мигрировать в воспалительный очаг, а оставшиеся жизнеспособные рассеиваются по всей ткани.

Адгезия. Акт адгезии включает две фазы: распознавание чужеродного (специфический процесс) и прикрепление, или собственно адгезию (неспецифический процесс). Адгезия фагоцитирующей клетки к объекту фагоцитоза происходит крайне медленно в том случае, если отсутствует предварительное специфическое распознавание чужеродных клеток. У высших организмов адгезия практически всегда идет с включением специфического компонента. Для активации этого процесса необходимо небольшое количество иммуноглобулинов, которые постоянно присутствуют в организме как нормальные антитела.

Захват (собственно фагоцитоз). Важная роль в осуществлении этого этапа фагоцитоза принадлежит специфическим компонентам иммунной реакции. Известно, что захват неопсонизированных частиц идет медленно, причем часть из них вообще не фагоцитируется. Наиболее сильными опсонинами являются иммуноглобулины. Специфичность в осуществлении фагоцитоза появляется в ходе эволюции как надстройка, физиологически связанная с уже имеющейся иммунной системой. В процессе фагоцитоза плазматическая мембрана макрофага при помощи образованных ею выступающих складок захватывает объект фагоцитоза и обволакивает его. Образующаяся при этом небольшая вакуоль называется фагосомой. В дальнейшем фагосома отрывается от поверхности мембраны и перемещается в цитоплазму.

Киллинг (убийство). В фагосоме захваченная чужеродная клетка гибнет. Для осуществления киллинга макрофаг продуцирует и секретирует в фагосому реакционноспособные производные кислорода.

Переваривание. Последний этап фагоцитоза - переваривание захваченного и убитого материала. Для этого с фагосомой, содержащей объект фагоцитоза, объединяются лизосомы, которые содержат более 25 различных ферментов, в число которых входит большое количество гидролитических энзимов. В фагосоме происходит активация всех этих ферментов, так называемый метаболический взрыв, в результате которого фагоцитированный объект переваривается. Часть молекул антигена при этом разрушается не полностью, их антигенная активность может существенно возрастать. Далее фагосома с остаточным антигеном выбрасывается на поверхность клетки, высвобождая иммуногенный антиген, что имеет важное значение для индукции лимфоцитами специфического иммунного ответа.

Нейтрофилы. Главный барьер против микробных инфекций представляют нейтрофилы - популяция лейкоцитов, иначе называемая микрофагами, или микрофагоцитами. Они имеют много общего с другими форменными элементами крови гемопоэтического стволового предшественника. В крови человека нейтрофилы доминируют среди остальных лейкоцитов. Они представляют собой неделящиеся короткоживущие клетки с сегментированным (более зрелые сегментоядерные нейтрофилы) и несегментированным (менее зрелые палочкоядерные нейтрофилы) ядром и набором гранул, различающихся по морфологии, гистогенезу, биохимическому составу, плотности и скорости функциональной мобилизации. Примерно 70% нейтрофилов не циркулируют в крови, а прикреплены к эндотелию сосудов. Главный резервуар пристеночных нейтрофилов - микрососуды легких: число депонированных здесь клеток в несколько раз превосходит количество циркулирующих нейтрофилов.

Срок пребывания нейтрофилов в кровотоке составляет около 6,5 ч. Далее нейтрофилы, проникая через эндотелий сосудов, попадают в ткани, где и заканчивают свое существование в течение 3-5 сут, осуществляя свои эффекторные функции, очень похожие на те, которые присущи макрофагам. Значительная часть нейтрофилов приходит к эпителию слизистых оболочек и, проникая через него, заканчивает свой жизненный цикл в слизистом надэпителиальном слое (срок жизни таких нейтрофилов исчисляется часами).

У нейтрофилов известны три типа гранул: первичные азурофильные гранулы, содержащие миелопероксидазу, небольшое количество лизоцима и набор катионных белков; вторичные "специфические" гранулы, содержащие лактоферрин, лизоцим и белок, связывающий витамин B12; третичные гранулы (мельчайшие гранулы, или С-частицы), содержащие кислые гидролазы, а также практически всю желатиназную активность нейтрофила. Дегрануляция нейтрофилов может быть истинной, когда гранулы целиком выталкиваются из клетки (экзоцитоз), но чаще из гранул выделяются только растворимые компоненты и имеет место вторичное запустевание гранул (так называемая секреторная дегрануляция). Обширные запасы гликогена, который может быть использован при гликолизе, позволяют нейтрофилам существовать в анаэробных условиях.

Основной функцией нейтрофилов является уничтожение чужеродных клеток или веществ биополимерной природы путем фагоцитоза. Эту функцию нейтрофилы осуществляют только после выхода их из сосудистого пула. Процесс фагоцитоза, осуществляемого нейтрофилами, состоит из тех же самых этапов, которые выше описаны для макрофагов. В отличие от макрофагов, нейтрофилы могут фагоцитировать чужеродную клетку или частицу только один раз, после чего они гибнут.

Хемотаксис нейтрофилов обусловлен в основном продуктами жизнедеятельности бактерий или денатурированными белками разрушенных клеток собственного организма, т. е. в определенной степени эта стадия фагоцитоза является специфичной. Суммарный хемотаксический эффект усиливается многочисленными факторами разнообразной природы, активирующимися в начале разрушения чужеродного. Сам нейтрофил, будучи активированным в начале фагоцитоза, также выделяет ряд хемотаксических факторов. Благодаря каскадному усилению хемотаксического сигнала к месту разрушения объекта фагоцитоза привлекается большое количество нейтрофилов.

Уничтожение чужеродных клеток фагоцитами (макрофагами и нейтрофилами). Антигенная стимуляция резко меняет метаболический профиль фагоцитирующих клеток. К наиболее выраженным сдвигам относится резкое увеличение потребления глюкозы в реакциях гексозомонофосфатного шунта (ГМФШ), генерирующего НАДФ • Н для восстановления молекулярного кислорода на мембранах цитохрома b-245. Если в покоящемся нейтрофиле подобным образом утилизируются лишь 1-2% глюкозы, то стимулированный нейтрофил способен окислить до 30% глюкозы. Одновременно возрастает потребление кислорода и образование оксидантов с мощным энергетическим потенциалом. Этот процесс

называют респираторным взрывом.

В результате респираторного взрыва образуются мощные бактерицидные агенты: супероксидный анион (О2-), перекись водорода H202), синглетный кислород (1O2), гидроксильные радикалы (ОН-). Сочетание перекиси водорода, миелопероксидазы и ионов галогенов создает мощную систему галогенирования, приводящую к появлению крайне агрессивных вторичных метаболитов: гипохлорной кислоты (НОСl), хлорамина, продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ). Ключевым считается супероксидный анион, с которого берет начало каскад активных форм кислорода и сопряженных с ним феноменов. Избыток энергии реализуется путем выделения тепла, повышенной химической активностью (отсюда высокая биопидность), либо эмиссией квантов света (хемилюминесценция).

Кислороднезависимые механизмы. При дисмутации супероксидного аниона потребляются ионы водорода и слегка повышается рН, это создает оптимальные условия для функционирования семейства катионных белков. Эти белки, имеющие высокую изоэлектрическую точку, разрушают бактериальную стенку за счет протеиназного эффекта и за счет непосредственного присоединения к поверхности микроорганизма. Низкие значения рН, устанавливающиеся после слияния фагосомы с лизосомами, лизоцим и лактоферрин представляют собой Кислороднезависимые бактерицидные и бактериостатические факторы, которые могут действовать в анаэробных условиях. Убитые микроорганизмы расщепляются гидролитическими ферментами, и продукты деградации высвобождаются из фагоцитарной клетки.

Разные формы реактивности фагоцитов обеспечиваются и проявляются нередко независимо друг от друга. При хроническом грануломатозе макрофаги и нейтрофилы в связи с дефектом цитохромов b-245 не способны образовывать активные метаболиты кислорода. Это сопровождается тем, что бактерии фагоцитируются, но не уничтожаются в клетках. Кроме того, известно, что многие микроорганизмы содержат в большом количестве каталазу и могут легко инактивировать продуцируемую фагоцитами перекись водорода. Фагоциты, дефектные по глюкозо-6-фосфатдегидрогеназе, не способны продуцировать активные метаболиты кислорода и защищать организм от бактериальных инфекций. При синдроме "ленивых лейкоцитов" нарушена реакция нейтрофилов на хемотаксические сигналы.

8.2.2. Внеклеточное уничтожение (цитотоксичность)

Макрофаги и нейтрофилы. Известно, что фагоцитирующие клетки способны уничтожать микроорганизмы и остатки тканей не только внутри, но и вне клетки. Фагоциты при этом не поглощают объект, а взаимодействуют с ним с помощью рецепторов и убивают его. В элиминации опухолевых клеток и клеток, зараженных вирусами, принимают участие не только макрофаги, как это было принято думать, но и нейтрофилы.

Во время антигенной стимуляции фагоцитов резко возрастает поглощение кислорода и в среде появляются его высокореактивные метаболиты. Последние способны повреждать чужеродные клетки сами по себе и в комбинации с некоторыми другими микробицидными факторами, например, с миелопероксидазой. Перекись водорода вместе с миелопероксидазой и системой галогенирования является весьма активным цитотоксическим агентом в отношении опухолевых клеток и клеток, зараженных вирусами. Для осуществления цитотоксических эффектов фагоцитирующие клетки должны быть активированы цитокинами или другими гуморальными факторами неспецифической защиты организма.

Нормальные киллеры. В уничтожении зараженных вирусами и опухолевых клеток участвуют особые элементы иммунной системы - нормальные киллеры (НК). НК- это большие зернистые лимфоциты, которые образуются из полипотентной стволовой кроветворной клетки в костном мозге. После недолгого созревания они появляются в крови, а затем мигрируют в органы лимфоидной системы. Впервые эти клетки были обнаружены в рассасывающихся аденокарциномах молочной железы у мышей. Было показано, что НК обладают цитолитической активностью, направленной против широкого спектра опухолевых клеток-мишеней. НК полностью лишены классической иммунологической специфичности и могут уничтожать любые опухолевые клетки независимо от их органного, генетического и видового происхождения. НК, в отличие от В-лимфоцитов, не имеют встроенных в мембрану иммуноглобулиновых молекул; они не содержат клеточных рецепторов и антигенных детерминант, присущих Т-лимфоцитам.

НК узнают определенные структуры высокомолекулярных гликопротеинов, которые экспрессируются на мембране опухолевых или зараженных вирусами клеток. Благодаря этому НК отличают такие клетки от нормальных. Узнавание клетки-мишени и сближение с ней происходит за счет рецепторов НК. Для лизиса клеток-мишеней с помощью НК необходимы тесные межклеточные контакты.

В результате тесного межклеточного взаимодействия между клеткой-мишенью и НК последний активируется и выбрасывает содержимое своих гранул в узкую межклеточную щель, возникающую при контакте клеток. Возможно что главная роль в последующем киллинге клетки-мишени принадлежит перфорину, или цитолизину, который может встраиваться в мембрану клетки-мишени с образованием трансмембранной поры. В пользу такого предположения говорят данные о том, что антитела к перфорину подавляют цитолиз клеток-мишеней с помощью НК. Гранулы НК содержат сериновые протеиназы, миелопероксидазу, перекись водорода, а также лимфотоксин, который путем экзоцитоза проникает в клетку-мишень и вызывает повреждение ядра. Повреждения клетки сопровождаются нарушением ее водно-солевого гомеостаза и приводят к ее лизису. НК способны неоднократно осуществлять свое цитотоксическое действие.

Эозинофилы. Полиморфноядерные "двоюродные братья" нейтрофилой - эозинофилы - содержат в отличие от последних гранулы, интенсивно окрашивающиеся кислыми красителями. Эозинофилы обладают цитотоксическим действием на многие паразитические формы, в том числе на крупных паразитических червей типа гельминтов, которые не могут быть фагоцитированы.

(Эозинофилы человека содержат примерно 200 гранул на клетку, большинство из которых, как показали электронномикроскопические исследования имеют в диаметре 0,9-1,3 мкм. Зрелые эозинофилы содержат также гранулы меньшего размера со средним диаметром 0,05-0,5 мкм. На поверхности эозинофилов имеются рецепторы к некоторым антителам, особенно IgG и IgE классов. Активация этих рецепторов приводит к мощному усилению дыхания, сопровождающемуся выработкой значительных количеств токсических метаболитов кислорода. При антигенной стимуляции эозинофилы продуцируют довольно много перекиси водорода. Прикрепляясь к паразиту, эозинофилы локально освобождают содержимое гранул и даже вводят его непосредственно в цитоплазму клеток. В случае гельминтозов токсический эффект наблюдается через 6-18 ч после фиксации эозинофилов на паразитическом черве. Помимо активных метаболитов кислорода важную роль в осуществлении цитотоксического действия эозинофилов, вероятно, играют катионные белки, которые "протыкают" мембрану клетки-мишени подобно перфорину НК.

8.2.3. Разрушение чужеродных клеток с помощью гуморальных механизмов

Система комплемента и ее активация. Комплементом называют сложный комплекс белков и гликопротеинов (около 20), которые так же как и белки, участвующие в процессах свертывания крови, фибринолиза и образования кининов, формируют каскадные системы эффективной защиты организма от чужеродных клеток. Для этой системы характерен быстрый, многократно усиленный ответ на первичный антигенный сигнал за счет каскадного процесса. При этом продукт одной реакции служит катализатором последующей. Первые данные о существовании системы комплемента были получены в конце XIX в. при изучении механизмов защиты организма от проникающих в него бактерий и уничтожения чужеродных клеток, введенных в кровь. Эти исследования показали, что на проникновение микроорганизмов и чужеродных клеток организм отвечает образованием антител, способных агглютинировать эти клетки, не вызывая при этом их гибели. Добавление к этой смеси свежей сыворотки вызывало гибель (цитолиз) объектов иммунизации. Сделанное наблюдение послужило толчком для интенсивных исследований, направленных на выяснение механизмов лизиса чужеродных клеток.

Ряд компонентов системы комплемента обозначают символом "С" и цифрой, которая соответствует хронологии их открытия. В наибольшей концентрации в сыворотке крови человека присутствует компонент СЗ (1,2 мг/мл). Существует два пути активации комплемента: без участия антител - альтернативный и с участием антител - классический.

Альтернативный путь активации комплемента. Первый путь активации комплемента, вызываемый чужеродными клетками, с филогенетической точки зрения является более древним. Основные этапы его представлены на рис. 8.7. Ключевую роль в активации

Рис. 8.7

Альтернативный путь активации комплемента, вызываемый микроорганизмами, и его регуляция факторами I и Н

Рис. 8.8 Образование мембраноатакующего комплекса при активации комплемента по альтернативному пути с участием компонентов С5Б-С9

комплемента таким способом играет СЗ, который, представляет собой гликопротеин, состоящий из двух полипептидных цепей. При нормальных условиях внутренняя тиоэфирная связь в СЗ медленно активируется в результате взаимодействия с водой и следовыми количествами протеолитических ферментов плазмы крови, приводя к образованию СЗb и СЗа (фрагменты СЗ). В присутствии ионов Mg2+ СЗb может образовывать комплекс с другим компонентом системы комплемента фактором В; затем последний фактор расщепляется одним из ферментов плазмы крови - фактором D. Образовавшийся комплекс СЗbВb (линия над обозначением указывает на наличие ферментативной активности, при расщеплении компонентов системы комплемента большему фрагменту присваивается символ "a", а меньшему - символ "а") представляет собой СЗ-конвертазу - фермент, расщепляющий СЗ на СЗa и СЗb.

Некоторые микроорганизмы могут активировать СЗbВb-конвертазу с образованием большого количества продуктов расщепления СЗ путем связывания фермента на углеводных участках своей поверхностной мембраны и защиты ее тем самым от действия фактора Н. Затем другой белок пропердин взаимодействует с конвертазой, повышая стабильность ее связывания. Как только СЗ расщепляется с помощью конвертазы, его внутренняя тиоэфирная связь активируется, и реакционноспособное производное СЗb ковалентно связывается с. мембраной микроорганизма. Один активный центр СЗbВb позволяет связаться с микроорганизмом большому количеству молекул СЗb. Существует и механизм, сдерживающий этот процесс в нормальных условиях: в присутствии факторов I и Н СЗb превращается в СЗbi, последний под влиянием протеолитических ферментов расщепляется до конечных неактивных пептидов СЗс и C3d.

Следующий активируемый компонент - С5, взаимодействуя с мембраносвязанным СЗb, становится субстратом для СЗbВb и расщепляется с образованием короткого пептида С5а, причем фрагмент С5b остается фиксированным на мембране. Затем С5b последовательно присоединяет С6, С7 и С8 с образованием комплекса, способствующего ориентации на мембране молекул последнего компонента С9. Это приводит к развертыванию молекул С9, проникновению их внутрь билипидного слоя (рис. 8.8) и полимеризации в кольцеобразный "мембраноатакующий комплекс" (МАК). Вклинившийся в мембрану комплекс С5b-С7 позволяет С8 войти в непосредственный контакт с мембраной, вызвать дезорганизацию ее регулярных структур и, наконец, привести к образованию

Рис. 8.9 Функционально-активные комплексы, образующиеся на поверхности чужеродной клетки при активации комплемента по классическому пути

I, II, III - центры связывания.

спиралевидных трансмембранных каналов. Формирующийся трансмембранный канал полностью проницаем для электролитов и воды. За счет высокого коллоидно-осмотического давления внутри клетки в нее поступают ионы Na+ и воды, что и приводит к лизису чужеродной клетки или микроорганизма.

Помимо способности лизировать клетки с чужеродной информацией комплемент обладает также другими важными функциями: а) за счет присутствия на поверхности фагоцитирующих клеток рецепторов к СЗb и СЗbi облегчается адгезия микроорганизмов; б) образующиеся в процессе активации комплемента небольшие пептиды СЗа и С5а ("анафилатоксины") стимулируют хемотаксис нейтрофилов к месту скопления объектов фагоцитоза, активируют кислородзависимые механизмы фагоцитоза и цитотоксичности, вызывают выброс медиаторов воспаления из тучных клеток и базофилов, расширение кровеносных капилляров и повышение их проницаемости; в) протеиназы, появляющиеся при активации комплемента, несмотря на их субстратную специфичность, способны активировать другие ферментные системы крови: систему свертывания и систему кинино-образования; г) компоненты комплемента, взаимодействуя с нерастворимыми комплексами антиген-антитело, уменьшают степень их агрегации.

Классический путь активации комплемента. Инициация классического пути происходит в тот момент, когда антитело, соединенное с микробом или другой клеткой, несущей чужеродную информацию, связывает и активирует первый компонент каскада Clq (рис. 8.9). Эта молекула поливалентна в отношении связывания антител. Она состоит из центрального коллагеноподобного стержня, разветвляющегося на шесть пептидных цепочек, каждая из которых оканчивается связывающей антитело субъединицей. По данным электронной микроскопии вся молекула напоминает тюльпан (рис. 8.10). Его шесть лепестков образованы С-концевыми глобулярными участками полипептидных цепей, коллагеноподобные участки скручены в каждой субъединице в трехспиральную структуру. Все вместе они образуют структуру, подобную стеблю, за счет объединения в районе N-концевого участка дисульфидными связями. Глобулярные участки отвечают за взаимодействие с антителами, а коллагеноподобный участок - за связывание с двумя другими субъединицами С1. Для объединения трех субъединиц в единый комплекс необходимы ионы Са2+. Комплекс активируется, приобретает протеолитические свойства и участвует в формировании центров связывания других компонентов каскада. Завершается процесс образованием

Рис. 8.10 Структура Clq фрагмента компонента С1 системы комплемента

МАК. Специфические к антигену антитела могут дополнять и усиливать способность механизмов естественного иммунитета инициировать острые воспалительные реакции. Меньшая часть комплемента в организме активируется по альтернативному пути, который может осуществляться в отсутствие антител. Этот неспецифический путь активации комплемента важен при уничтожении фагоцитами стареющих или поврежденных клеток организма, когда атака начинается с неспецифической сорбции иммуноглобулинов и комплемента на поврежденной клеточной мембране. Тем не менее, классический путь активации комплемента в организме человека и других млекопитающих является превалирующим.

Белки острой фазы. Концентрация некоторых белков плазмы крови, имеющих общее название "белки острой фазы" резко увеличивается в ответ на инфекцию или повреждение тканей. К этим белкам относятся С-реактивный белок (СРБ), сывороточный амилоидный А-белок, (?1-антитрипсин, ?2-макроглобулин, фибриноген, церулоплазмин, компонент комплемента С9 и фактор В.

В процессе инфекции продукты жизнедеятельности микробов (например, эндотоксины) стимулируют выработку интерлейкина-1 (ИЛ-1), который представляет собой эндогенный пироген. ИЛ-1 не только повышает температуру тела, но и, воздействуя на печень, резко усиливает продукцию гепатоцитами СРБ. Концентрация последнего в плазме крови может увеличиваться в 1000 раз.

СРБ состоит из пяти идентичных нековалентно связанных полипептидных цепей, образующих замкнутый пентамер. Важное свойство этого белка - способность связываться в присутствии ионов Са2+ с некоторыми микроорганизмами, в состав мембран которых входит фосфорилхолин. Образовавшийся комплекс активирует систему комплемента по классическому пути. Это приводит к связыванию СЗb с поверхностью микроба, в результате последний опсонизируется и подготавливается к фагоцитозу. Кроме того, СРБ усиливает подвижность лейкоцитов, повышает функциональную активность лимфоцитов и облегчает взаимодействия антител с антигенами.

Интерфероны. У млекопитающих, так же как у других позвоночных животных, обнаружен ряд антивирусных агентов широкого спектра действия _ интерфероны (ИФН). ИФН по своей химической природе являются белками и гликопротеинами.

Закономерности продукции и действия ИФН складываются из четко следующих друг за другом этапов и представляют собой своеобразную цепную реакцию в ответ на сигнал тревоги, будь то вирусные инфекции или стрессы. Открыты основные компоненты системы ИФН: удалось определить локализацию генов, ответственных за его образование, а также выделить мРНК, несущие программу синтеза ИФН. ИФН оказался в числе первых клеточных белков, синтезированных вне организма с помощью генной инженерии. Идентифицированы различные типы ИФН; гены каждого из них клонированы.

Существует более 20 ИФН-?, которые продуцируются преимущественно макрофагами и В-лимфоцитами. Продуцентами ИФН-? являются фибробласты и некоторые другие клетки соединительной ткани. ИФН-? несколько короче, чем другие ИФН. ИФН-? продуцируется Т-лимфоцитами в ответ на митогенную стимуляцию. Процесс этот двухфазный и зависит от участия вспомогательных клеток, в основном моноцитов и макрофагов.

При вирусной инфекции клетки синтезируют ИФН и освобождают его в межклеточное пространство, где он связывается со специфическими рецепторами соседних незараженных клеток. Полагают, что в клетке, подвергшейся воздействию ИФН, дерепрессируются по меньшей мере два гена и начинается синтез двух ферментов. Первый - протеинкиназа А - фосфорилирует рибосомальный белок и фактор инициации, необходимый для синтеза белка, тем самым снижая трансляцию мРНК. Второй фермент катализирует образование короткого полимера адениловой кислоты, активирующего латентную эндонуклеазу, что приводит к деградации иРНК вируса и хозяина. Конечный результат действия ИФН состоит в образовании барьера из неинфицированных клеток вокруг очага вирусной инфекции, чтобы ограничить ее распространение. Полагают, что ИФН играют важную роль именно в борьбе с вирусами, а не в предотвращении вирусных инфекций.

В крови здорового человека содержится примерно 4 МЕ/мл ИФН, наиболее низкие уровни этих биологически активных веществ наблюдаются у детей до 3-х лет и у лиц старше 60 лет. Уровень ИФН может влиять и на начальные этапы эмбрионального развития - период имплантации (предотвращает имплантацию оплодотворенной яйцеклетки и начало ее дробления). Низкий уровень синтеза и освобождения ИФН связывают с особенностями сыворотки крови новорожденных - сниженной антиокислительной активностью и преобладанием факторов, повышающих выход катепсина D из лизосом. При внесении в систему клеток новорожденных ингибитора протеаз или препаратов с антиоксидантным действием продукция ИФН возрастает.

Лейкоциты доноров с I (0), III (В) и IV (АВ) группами крови, как правило, хорошо продуцируют ИФН. У доноров с группой крови II (А) почти в 40% случаев выявлена дефектность системы ИФН, выражающаяся в резко сниженной способности продуцировать этот белок в ответ на вирусную инфекцию. Возможно, именно с этим связано то, что лица с группой крови II (А) более предрасположены к острым респираторным инфекциям и среди них чаще встречаются больные с различными онкологическими заболеваниями.

Изучение влияния стресса на животных выявило прямую корреляцию между изменением антивирусной активности крови и способностью лимфоцитов синтезировать ИФН с интенсивностью стрессорных воздействий. Показано, что в течение первых суток после стресса резко снижается способность спленоцитов (моноцит, образующийся в ретикулярной ткани селезенки) синтезировать ИФН-? и ИФН-? с параллельным падением уровня ИФН в крови и снижением активности НК. Лишь на 8-й день после стресса отмечается нормализация продукции ИФН. У спортсменов при предельных тренировочных нагрузках, имеющих характер стрессорных воздействий, происходит выраженное угнетение системы ИФН. Вскоре после этого количество циркулирующего ИФН достоверно повышается при одновременном снижении в 5-10 раз синтеза ИФН. При последующем отдыхе выявлена тенденция к нормализации уровня ИФН.

При изучении факторов, обусловливающих понижение общей резистентности организма (охлаждение, голодание, ионизирующие излучения, действие иммунодепрессантов, стероидных гормонов и др.), было установлено, что все они заметно угнетают выработку ИФН.

Секреция ИФН из клеток-продуцентов находится под контролем некоторых пептидных гормонов, глюкокортикоидов и простагландинов. Сам ИФН способен и прямо имитировать эндокринные эффекты подавляющего большинства гормонов. Так, ИФН индуцирует, подобно АКТГ, синтез стероидных гормонов в культуре клеток коры надпочечников, а подобно меланотропину, стимулирует синтез меланина в культуре клеток меланомы. Гормоноподобное действие ИФН на клетки-мишени выражается в активации их специфических функций, выполнение которых предопределено характером тканевой дифференцировки. Такое действие, возможно, обусловливает антипролиферативный эффект ИФН, поскольку дифференцировка клеток обычно сопровождается снижением их способности делиться.

Учитывая филогенетическую древность системы ИФН, предполагают, что эволюция ИФН и некоторых пептидных гормонов шла из единого предшественника, и ИФН является своего рода протогормоном, т. е. несет в себе функции, развившиеся впоследствии в эндокринные. Следовательно, систему ИФН можно представить в роли филогенетического предшественника ряда гормонов, из которых каждый развивался по мере усложнения межтканевых взаимоотношений в направлении реализации конкретной эндокринной функции. Вместе с тем эти гормоны сохранили ряд свойств, характерных для ИФН - его противовирусное действие.

Известно, что ИФН могут оказывать влияние на такие функции ЦНС, как опиоидная рецепция, сон и др. Введение рекомбинантного человеческого ИФН-аз алкоголизированным крысам нормализует рецепцию опиоидов у животных. Введение этого же препарата кроликам усиливает медленную фазу сна, повышает температуру мозга, изменяет характер энцефалограммы. Механизмы взаимодействия системы ИФН и нейроэндокринной системы имеют комплексный и неоднозначный характер. Таким образом, ИФН, являясь модуляторами иммунных реакций, выполняют важные регуляторные функции в общем комплексе контрольно-регуляторного механизма, направленного на поддержание гомеостаза организма.

Лизоцим. Лизоцим (мурамилпептидаза) представляет собой термостабильный фермент с молекулярной массой 14,6 кДа. Он содержится в слезах, слизи носа, слюне, желудочном и кишечном соках, а также сыворотке крови. Продуцируется макрофагами и клетками эпителия различных слизистых оболочек (клетками Панета - энтероцитами с ацидофильными гранулами). Лизоцим обладает прямой бактерицидной активностью в отношении грамположительных (окрашенных по методу Грама) бактерий (стафилококков, стрептококков) и в меньшей степени в отношении грамотрицательных бактерий. Будучи способным разрывать гликозидные связи между N-ацетилглюкозамином и N-ацетилмурамовой кислотой, лизоцим разрушает клеточную стенку бактерий, что приводит к лизису микроорганизмов. В случае инфекции грамотрицательными микроорганизмами лизоцим действует совместно с системой комплемента.

Фибронектин. Фибронектин - белок (молекулярная масса около 550 кДа), который содержится в плазме крови и тканевых жидкостях. Он является важным компонентом системы неспецифической защиты организма. Этот белок продуцируется макрофагами, тучными клетками и фибробластами. Обнаружены пять различных функциональных доменов, которые в одной или более комбинациях связываются с коллагеном, фибрином, Clq и некоторыми микроорганизмами (стафилококки, стрептококки). Эти домены существуют как глобулярные области, отделенные короткими сегментами полипептидной цепи, и обеспечивают различные биологические свойства фибронектина.

Рецепторы к фибронектину имеются практически на всех клетках человека. Связывание лигандов с "плавающим" носителем рецепторов приводит к конформационным изменениям белка, который подвергается быстрому действию протеазы.

Фибронектин участвует в клеточной адгезии, распластывании и движении клеток, а также влияет на различные типы фагоцитарных реакций. Фибронектин обладает хемотаксической активностью для фибробластов, что может иметь важное значение в процессе восстановления поврежденных тканей.

8.2.4. Роль острой воспалительной реакции в механизмах неспецифической резистентности организма

Основой эффекторной функции иммунной системы является воспалительная реакция, которая локализуется в месте вторжения чужеродного или появления своего недоброкачественного начала. В результате формируется очаг воспаления.

Рассмотрим защитную стратегию при острой воспалительной реакции, вызванной запуском альтернативного пути активации комплемента (рис. 8.11). На поверхности микробной клетки или другого объекта, несущего чужеродную информацию, происходит активация СЗ-конвертазы (альтернативного или классического пути), которая расщепляет большие количества СЗ. При этом большие количества СЗb связываются с поверхностью антигена (например, микроорганизма), а фрагмент СЗа появляется в среде в свободном виде. Это активирует следующий этап, в результате чего образуются С5а и МАК. Встраивание МАК в клеточную стенку микроорганизма или мембрану клетки, несущей чужеродную информацию, приводит к лизису этих клеток. Как отмечалось выше,

Рис. 8.11 Основные механизмы. формирования внешних симптомов острой воспалительной реакции, вызванной запуском альтернативного пути активации комплемента

СЗ - компонент системы комплимента; СЗЬ - фрагмент СЗ, образовавшийся в результате взаимодействия тиоэфирной связи с водой и ферментами плазмы крови; СЗbВb - СЗ-конвертаза, расщепляющая СЗ на СЗа и СЗb; С5 - активирующий компонент;

С5 - короткий пептид, образованный при расщеплении СЗbВb.

СЗа и С5а являются мощными хемотаксическими факторами и медиаторами проницаемости сосудов. Это ведет к расширению капилляров, экссудации белков плазмы крови в окружающие ткани, а также к концентрации в очаге воспаления полиморфноядерных лейкоцитов (прежде всего, нейтрофилов).

Базофилы и тучные клетки. Кроме того, СЗа и С5а связываются со специфическими рецепторами на поверхности тучных клеток и базофилов. После образования в красном костном мозге и недолгой циркуляции в крови базофилы и тучные клетки мигрируют в ткани, где первые после выполнения своей главной функции довольно быстро погибают, вторые (часто после дополнительной дифференцировки) превращаются в долгоживущие оседлые клетки. Тучных клеток и базофилов особенно много в коже, легких, пищеварительном тракте которые непосредственно соприкасаются с окружающей средой.

Образование тучных клеток и базофилов увеличивается под влиянием колониестимулирующих факторов, продуцируемых моноцитами и макрофагами. Эти клетки активируются продуктами Т-лимфоцитов. Так, ИЛ-3, продуцируемый Т-лимфоцитами с фенотипической характеристикой хелперов, является одним из главных факторов, поддерживающих рост и жизнеспособность предшественников тучных клеток. В его отсутствии тормозится дифференцировка тучных клеток и базофилов, связанная с формированием гранул. ИЛ-4, продуцируемый не только Т-лимфоцитами, но и самими тучными клетками, стимулирует пролиферацию предшественников тучных клеток и базофилов, а для некоторых линий тучных клеток служит аутокринным ростовым фактором.

Активация тучной клетки (базофила) приводит к высвобождению медиаторов воспаления двумя различными путями (рис. 8.12): 1) выброс ранее образованных медиаторов из гранул, который происходит через 15-20 с после появления чужеродной клетки; 2) выброс новосинтезированных медиаторов в результате усиления процессов фосфолипидного обмена и увеличения образования арахидоновой кислоты, имеющих место в более поздние сроки после активации тучной клетки. Функциональная активность тучных клеток возрастает с увеличением температуры, она подавляется при отсутствии в среде Са2+ и подъеме концентрации в крови глюкокортикоидных гормонов.

Рис. 8.12 Активация тучной клетки, приводящая к высвобождению медиаторов по двум. путям: 1) выброс ранее образованных медиаторов; 2) выброс новообразованных в результате метаболизма арахидоновой кислоты медиаторов ХФН-

хемотаксический фактор нейтрофилов; ХФЭ - хемотаксический фактор эозинофилов.

Основные биологически активные вещества, входящие в состав гранул, и их биологические эффекты представлены на рис. 8.12. Это гистамин (двухосновный вазоактивный амин, образующийся при декарбоксилировании аминокислоты гистидина, индуцирует сокращение гладких мышц трахеи, бронхов, кишки, повышает проницаемость сосудов, кожи и других органов, вызывает кожный зуд, оказывает влияние на различные функции и миграцию лейкоцитов), серотонин (оказывающий такое же влияние на гладкую мускулатуру и проницаемость сосудов, как гистамин, демонстрирует многочисленные эффекты на деятельность иммунокомпетентных клеток), гепарин.

Большое количество биологически активных веществ, которые могут рассматриваться как продуцируемые тучными клетками и базофилами медиаторы воспаления, представляет собой продукты метаболизма арахидоновой кислоты. Арахидоновая кислота (рис. 8.13) содержит в своем составе четыре двойных

Рис. 8.13 Структура арахидоновой кислоты

связи в 5-, 8-, 11-и 14-м положениях (считая от С-конца), что делает ее удобным предшественником во многих биохимических превращениях. Биологически важные продукты метаболизма арахидоновой кислоты по липоксигеназному пути - лейкотриены (ЛТ), ЛТ-В4, ЛТ-С4 и ЛТ-D4 - вызывают расширение (ЛТ-В4) или сужение (ЛТ-С4) подкожных кровеносных сосудов, оказывают влияние на гладкие мышцы, на артериальное давление, ЦНС и процесс миграции иммунокомпетентных клеток. При метаболизме арахидоновой кислоты по циклооксигеназному пути образуются простагландины (преимущественно ПГ-D2), влияющие на тонус кровеносных сосудов и сокращение гладких мышц, а также на иммунную систему (подавляют пролиферацию Т- и В-лимфоцитов, хемотаксис лейкоцитов, цитотоксичность НК и других клеток, высвобождение медиаторов воспаления).

Расширение капилляров (гиперемия), экссудация белков плазмы крови и жидкостей из-за изменений гидростатического и осмотического давления (отек) и накопление нейтрофилов носят общее название "острой воспалительной реакции". Накапливающиеся в воспалительном очаге эозинофилы выделяют биологически активные вещества, большинство из которых является антимедиаторами по отношению к веществам, секретируемым тучными клетками или базофилами. Благодаря этому уменьшается интенсивность протекания экссудативной фазы воспалительного процесса. Способность инактивировать медиаторы тучных клеток и базофилов позволяет эозинофилам предотвращать обширное повреждающее действие воспалительной реакции на собственные ткани организма.

В настоящее время имеются работы, свидетельствующие о том, что эозинофилы могут оказывать и повреждающее действие на ткани. Известно, что эозинофилы секретируют два нейротоксических белка, которые могут самостоятельно или вместе с другими продуктами этих клеток повреждать периферические нервы и формировать гиперреактивность гладкой мускулатуры некоторых структур, таких как бронхи.

8.3. МЕХАНИЗМЫ СПЕЦИФИЧЕСКОГО ПРИОБРЕТЕННОГО ИММУНИТЕТА

Иммунная система включает в себя не только перечисленные выше малоспецифические в своей основе компоненты, но и эволюционно новые элементы, определяющие высокую специфичность иммунных реакций. Специфичность иммунной реакции определяется лимфоцитами и продуцируемыми ими специфическими иммуноглобулинами. Содержание лимфоцитов в крови человека в среднем составляет 1-4 • 109 клеток в 1 л крови. Имеются два основных типа лимфоцитов, обладающих разными гистогенезом и конечной эффекторной функцией: Т-лимфоциты, обеспечивающие клеточный иммунитет, и В-лимфоциты, ответственные за антителообразование. В отличие от других иммунокомпетентных клеток малые лимфоциты, циркулирующие в кровотоке, способны к интенсивной пролиферации и дифференцировке в ответ на антигенный стимул. Лимфоциты, циркулирующие в крови, являются в основном зрелыми клетками, дифференцированными на субпопуляции: Т-хелперы (помощники), Т-супрессоры, В-лимфоциты и др. В ответ на антигенное раздражение лимфоциты могут, оседая в лимфоидной ткани, активно размножаться и дифференцироваться в конечные эффекторные клетки (в плазматические клетки из В-лимфоцитов и цитотоксические - из Т-лимфоцитов).

После исчезновения антигена гибнут клетки специфических клонов, однако часть таких специфических лимфоцитов, представляющих собой длительно живущие клетки, остается. Эти лимфоциты обусловливают иммунологическую память к данному антигену, обеспечивая при вторичном появлении его в организме более интенсивное по скорости размножение с образованием большого числа специфических клеток. Существование приобретенной иммунологической памяти подтверждается следующим примером (рис. 8.14).

После первичного введения кролику столбнячного анатоксина (бактериальный экзотоксин, потерявший токсичность) проходит несколько дней, прежде чем в крови будут обнаружены антитела, затем количество их возрастает до максимума и далее падает. При вторичном введении препарата динамика иммунного ответа резко меняется: наблюдается более быстрая и интенсивная продукция антител. Этот вторичный ответ является результатом "настройки" или примирования лимфоцитами, которые могут пролиферировать значительно быстрее под влиянием антигена.

Рис. 8.14 Первичный и вторичный иммунный ответ на введение столбнячного анатоксина

Ответ при повторном контакте с антигеном наступает быстрее и протекает с большей интенсивностью.

Основное свойство приобретенного иммунитета - его специфичность - обусловлено способностью распознающих участков молекул антител различать антигены. Антитела, реагирующие с анатоксином, не связываются, например, с гемагглютинином вируса гриппа, и, соответственно, антитела к вирусу гриппа не взаимодействуют со столбнячным анатоксином. Эта способность узнавать единственный антиген и выделять его среди других имеет фундаментальное биологическое значение для распознавания "своего" и "чужого". Неспособность отличить "свое" от "не своего" может привести к синтезу антител, взаимодействующих с компонентами собственного организма (аутоантитела), а это заканчивается возникновением тяжелых патологических процессов. М. Бернет и Ф. Феннер предположили, что организм человека имеет механизм, различающий "свое" и "не свое". По их мнению, этот механизм состоит в том, что циркулирующие компоненты организма, попадающие в развивающуюся лимфоидную систему в пренатальном периоде, "запоминаются" как "свои". Затем по отношению к ним возникает постоянная неспособность к иммунному ответу, или толерантность. Это означает, что после завершения созревания иммунной системы неспособность реагировать на "свои" компоненты становится нормой.

8.3.1. Характеристика клеток, участвующих в реакциях специфического иммунитета

Единая общепринятая классификация клеток, обеспечивающих реакции специфического иммунитета, отсутствует. На основании функциональных особенностей выделяют несколько типов клеток:

антигенпредставляющие (презентирующие) клетки (АПК), захватывающие антигены, перерабатывающие их и представляющие соответствующие антигенные детерминанты другим иммунокомпетентным клеткам, (к АПК относятся дендритные АПК, моноциты и макрофаги, а также В-лимфоциты);

эффекторные клетки, непосредственно осуществляющие реакции специфического иммунитета (к эффекторным иммунокомпетентным клеткам относятся цитотоксические T-лимфоциты - ЦТЛ - и плазматические клетки);

регуляторные клетки, обеспечивающие активацию или угнетение отдельных звеньев иммунных реакций (активаторы - индукторы T-хелперов, индукторы T-супрессоров, T-хелперы 1, T-хелперы 2, макрофаги; ингибиторы - T-супрессоры; Т-контрсупрессоры делают T-хелперы нечувствительными к Т-супрессорам);

клетки памяти, хранящие информацию о взаимодействии с конкретным антигеном и тем самым способствующие более активному развитию иммунного ответа при повторном его воздействии.

Антигенпредставляющие клетки (АПК) располагаются на главных путях поступления антигенов в организм (в коже и в слизистых оболочках), откуда, захватив антигены, они мигрируют в периферические органы иммунной системы, где представляют антигены лимфоцитам. Ранее АПК полностью отождествляли с макрофагами. Эффективность представления антигенов макрофагами значительно ниже, чем специализированными на этой функции дендритными АПК. Последние, в свою очередь, по сравнению с макрофагами обладают значительно более низкой фагоцитарной и цитотоксической активностью. Функции АПК включают: 1) захват нативного (неизмененного) антигенного материала путем фагоцитоза, пиноцитоза или рецепторно-опосредованного эндоцитоза; 2) частичный протеолиз (процессинг) эндогенного материала в эндосомах в течение 3060 мин при низких рН с высвобождением эпитопов антигенов (эпитоп - часть антигена, взаимодействующая с паратопом, т. е. гипервариабельной частью антитела), которые могут быть прерывистыми и непрерывными; 3) синтез гликопротеиновых молекул главного комплекса гистосовместимости, или МНС (англ. Major Histocompatibility Complex), называемого у человека также системой HLA (англ. Human Leukocyte Antigens - антигены лейкоцитов человека), а также связывание синтезированных молекул МНС с эпитопами антигенов; 4) транспорт комплексов молекулы МНС/эпитоп антигена на поверхность АПК, где они представляются распознающим их лимфоцитам;

5) экспрессию на поверхности клетки наряду с комплексом МНС/антиген ряда добавочных (костимулирующих) молекул, усиливающих процесс взаимодействия с лимфоцитами; 6) секрецию растворимых медиаторов (преимущественно ИЛ1), которые вызывают активацию лимфоцитов.

Рис. 8.15 Структура продуктов главного комплекса гистосовместимости классов I и II. Пояснения в тексте

Синтез молекул главного комплекса гистосовместимости, процессинг и представление антигенов. Структура молекул МНС I и II классов представлена на рис. 8.15. Молекулы МНС I класса являются мембранными гликопротеинами, состоящими из одной полипептидной ?-цепи, с молекулярной массой 45 кДа. Роль ?-субъединицы выполняет нековалентно связанная с ?-цепью молекула ?2-микроглобулина с молекулярной массой 12 кДа. Ген МНС расположен в хромосоме 6 человека и 17 мыши. Структурный ген молекулы ?2-микроглобулина локализуется вне МНС, в другой хромосоме. Установлено, что ?цепь состоит из трех внеклеточных доменов ?-1, ?-2 и ?-3), гидрофобного трансмембранного участка и короткой цитоплазматической части. Существует множество аллельных вариантов гена, кодирующего ?цепь молекулы I класса, тогда как аллельный полиморфизм у ?2-микроглобулина проявляется в слабой степени.

Молекулы МНС II класса также являются мембранными гликопротеинами и состоят из гомологичных полипептидных цепей с молекулярной массой соответственно около 35 кДа (?-цепь) и 29 кДа (?-цепь). Так же как и у молекул МНС I класса, для антигенов II класса существует множество аллельных вариантов.

Продукты генов МНС III класса - три компонента системы комплемента:

С2, С4 и фактор В.

Молекулы МНС I класса синтезируются в гранулярной эндоплазматической сети (грЭПС) (рис. 8.16), где они образуют комплексы с антигенами, представляющими собой эндогенно синтезированные молекулы (вирусные белки в инфицированных клетках или белки опухолевых клеток). Эти антигены подвергаются предварительному расщеплению в особом протеолитическом АТФ-зависимом крупном белковом комплексе - протеосоме. Образующиеся при этом короткие пептидные фрагменты транспортируются в просвет грЭПС с помощью специальных переносчиков в мембране - ТАР-белков (англ. Transporter for Antigen Presentation - переносчик для представления антигена), где связываются с молекулами МНС I класса. Образовавшиеся комплексы транспортируются через комплекс Гольджи и экспрессируются на поверхности АПК. Молекулы МНС I класса обнаруживаются на поверхности всех клеток и тромбоцитов, благодаря чему распознающие их цитотоксические лимфоциты имеют возможность уничтожения любых зараженных или опухолевых клеток.

Молекулы МНС II класса также образуются в грЭПС (см. рис. 8.16.), где они формируют комплекс с так называемой инвариантной пептидной цепью (II).

Рис. 8.16 Схема синтеза молекул главного комплекса гистосовместимости I и II классов, процессинга и представления антигенов

А - молекулы главного комплекса гистосовместимости I класса; Б - молекулы главного комплекса гистосовместимости II класса. АГ - антиген; грЭПС - гранулярная (шероховатая) эндоплазматическая сеть; КГ - комплекс Гольджи; МНС - главный комплекс гистосовместимости;

МНС/АГ - комплекс молекул главного комплекса гистосовместимости с антигенными пептидами; ПЛ - плазмалемма;

ПС - протеосома; ПФ - пептидные фрагменты; ТАР - белок-переносчик для представления антигена; ЭКАГ - экзогенный антиген; ЭНАГ - эндогенный антиген;

ЭС - эндосома; И - инвариантные цепи.

Гликопротеины МНС II класса экспрессируются на "профессиональных" АПК (макрофагах, дендритных АПК и В-лимфоцитах), что обеспечивает их взаимодействие с Т-лимфоцитами. Известно, что способность молекул МНС образовывать комплексы с антигенными пептидами различается у отдельных людей, что может оказывать влияние на особенности их иммунных реакций, в частности, на устойчивость к инфекциям.

АПК, захватившие антиген, мигрируют из тканей в лимфатические капилляры, а оттуда - в Т-зависимые зоны регионарных лимфатических узлов, где они окончательно созревают и приобретают способность к представлению антигенов лимфоцитам. Только небольшая часть антигенов может связываться с мигрирующими дендритными клетками. Часть антигена, проникшего в ткани, вероятнее всего, окажется в дренирующем лимфатическом узле. Антигены, захваченные в верхних дыхательных путях или кишке, попадают в лимфоидные ткани, ассоциированные со слизистыми оболочками (MALT, англ. Mucosal Associated Lymphoid Tissue). Антиген, проникший в кровь, попадает в селезенку. Макрофаги в печени и легких могут фагоцитировать антигены, но это, как правило, не приводит к иммунному ответу. В лимфоидных тканях антигены могут поглощаться и разрушаться макрофагами. Некоторые антигены специфически связываются с антиген-распознающими рецепторами В-лимфоцита, образовавшийся комплекс далее поглощается с помощью механизма рецепторно-опосредованного эндоцитоза, подвергается процессингу и экспрессируется на поверхности В-лимфоцитов в виде пептидов, связанных с молекулами МНС II класса.

При встрече с Т-лимфоцитом, обладающим рецепторами к соответствующему антигену, АПК контактно взаимодействует с ним, активируя его и инициируя развитие иммунной реакции. Характер этой реакции зависит от природы молекул МНС, связанных с антигеном. Антигены, образующие комплекс с молекулами МНС I класса, распознаются у человека лимфоцитами с поверхностными маркерами CD8+, а антигены, связанные с белками МНС, II класса - лимфоцитами с фенотипом CD4+.

Полноценное функционирование АПК способствует эффективному и своевременному распознаванию микробных, вирусных и опухолевых антигенов, что препятствует развитию инфекций и новообразований. Последние часто протекают на фоне сниженной активности АПК, поэтому стимуляция деятельности этих клеток рассматривается как перспективный метод иммунотерапии таких заболеваний.

T-лимфоциты, их цитофизиология и участие в иммунных реакциях. В периферической крови человека Т-лимфоциты составляют в среднем 1030% всех лейкоцитов и более 50% всех лимфоцитов. В отличие от В-лимфоцитов они обладают высокой способностью к рециркуляции, поэтому их содержание в грудном лимфатическом протоке чрезвычайно велико (около 90%). T-лимфоциты выполняют следующие функции: 1) с помощью имеющихся на их поверхности Т-клеточных рецепторов (ТКР) обеспечивают специфическое распознавание антигенных детерминант (эпитопов); 2) специализированные сенсибилизированные T-лимфоциты-киллеры - ЦТЛ осуществляют элиминацию антигенов; 3) специальные субпопуляции Т-лимфоцитов обеспечивают регуляцию иммунного ответа, активируя или угнетая иммунные реакции; 4) осуществляют регуляцию гемопоэза путем выделения соответствующих гемопоэтических факторов;

5) участвуют в регуляции пролиферации нелимфоидных клеток путем секреции соответствующих цитокинов; 6) играют важную роль в поддержании структурного гомеостаза организма благодаря продуцируемым цитокинам, которые оказывают влияния на нервную и эндокринную системы.

Образование Т-лимфоцитов - процесс более сложный и многоступенчатый по сравнению с образованием других иммунокомпетентных клеток. Он включает две фазы: антигеннезависимую и антигензависимую.

Антиген-независимая фаза образования T-клеток осуществляется последовательно в двух органах: в костном мозге и в вилочковой железе (тимусе). Антиген-зависимая фаза дифференцировки этих клеток проходит во вторичных лимфоидных органах, где преимущественно размножаются клоны тех клеток которые имеют специфические рецепторы к внедрившемуся антигену. При этом резкое увеличение специфического клона Т-лимфоцитов наблюдается на 45 сут (первичный иммунный ответ) или на 34 сут (вторичный иммунный ответ) после внедрения в организм чужеродного материала.

В костном мозге из полипотентной стволовой кроветворной клетки образуется пул стволовых лимфоидных клеток, а из него - пул предшественников T-клеток (преT-клетки). Костномозговые преT-клетки имеют поверхностный маркер SP1 (антиген мозга), могут появляться на поверхности так называемые дифференцировочные антигены, присущие практически всем Т-лимфоцитам. Поверхностные функциональные маркеры в соответствии с принятой международной номенклатурой обозначаются аббревиатурой CD (от англ. Cluster of Differentiation - группа дифференцировки) с добавлением цифровых и буквенных символов. Появляющиеся на пре-Т-клетках человека дифференцировочные антигены обозначаются как CD2 и CD3. Для этих клеток характерно высокое содержание терминальной дезоксинуклеотидилтрансферазы (ТДТ) - фермента, обеспечивающего встраивание дополнительных нуклеотидных последовательностей в сегменты ДНК, кодирующие вариабельные участки со стороны N-конца будущей белковой молекулы одной из полипептидных цепей Т-клеточный антигенраспознающий рецептор (ТКР). Интенсификация этого встраивания увеличивает структурное разнообразие ТКР на последующих этапах развития Т-лимфоцитов . Пре-T-клетки, привлекаемые специальными хемотаксическими факторами, через кровоток попадают в вилочковую железу.

Вилочковая железа (тимус) представляет собой окруженный капсулой лимфоидный орган, который располагается за грудиной в переднем средостении.

Этот лимфоэпителиоидный орган представляет собой эволюционное приобретение позвоночных животных. У всех беспозвоночных он отсутствует, даже в зачаточной форме. Возникновение этого органа у позвоночных животных рассматривается как ключевое событие в эволюции иммунитета и может быть отнесено к ароморфозу, так как повысило эффективность работы всей системы специфической иммунной защиты. В тимусе происходит формирование основных функционально активных субпопуляций T-клеток, заселяющих периферию зрелыми эффекторными и регуляторными клетками, принимающими непосредственное участие в иммунном реагировании.

Тимус является первым лимфоидным органом, возникающем в процессе эмбриогенеза у млекопитающих и птиц. У млекопитающих орган представлен двумя долями, каждая из которых подразделяется на более мелкие дольки, частично отделенные друг от друга выростами капсулы, называемыми трабекулами. Периферическую часть дольки занимает кора, центральную часть - мозговое вещество (рис. 8.17). Важную роль в функционировании тимуса играет строма, состоящая, главным образом, из эпителиальных клеток. Эпителиальные клетки тимуса синтезируют ряд пептидных гормонов, из которых четыре изучены достаточно хорошо. К ним относятся тимулин, ?- и ?-тимозин, тимопоэтин, активным центром последнего является пентапептид ТР5. Указанные пептидные гормоны участвуют в многоэтапной дифференцировке лимфоцитов в тимусе. T-лимфоциты, находящиеся в тимусе, имеют общую антигенную детерминанту, отличающую их от T-клеток в других органах и тканях. В связи с этим их принято называть тимоцитами.

Специализированные крупные эпителиальные клетки наружного коркового слоя, так называемые "клетки-кормилицы", контактируют с большим количеством лимфоцитов, среди которых много активированных клеток-лимфобластов. Дендритные эпителиальные клетки внутренней части коркового вещества имеют разветвленные отростки с большим количеством молекул МНС II класса на поверхности. Эти клетки, соединенные Своими отростками, образуют сеть, сквозь которую тимоциты должны пройти при переходе из коркового вещества в мозговое. При этом тимоциты должны также пройти через барьер, образованный макрофагами на границе двух слоев. В мозговом веществе тимуса имеются

Рис. 8.17 Клеточное строение дольки тимуса

1 - лимфобласт, 2 - гибнущая клетка, 3 - делящийся лимфоцит, 4 - дендритная эпителиальная клетка коркового вещества, 5 - капсула, 6 - корковое вещество, 7 - септа, 8 - мозговое вещество, 9 - интердигитатная клетка, 10 - тельце вилочковой железы (Гассаля), 11- эпителиальная клетка, 12- рыхлые скопления малых лимфоцитов мозгового вещества, 3 - макрофаг, 14 - плотные агрегаты малых лимфоцитов коркового вещества.

эпителиальные клетки с более широкими отростками, чем в корковом веществе. На поверхности последних экспрессированы антигены МНС не только II класса но и I класса. В этой зоне тимуса обнаруживаются также интердигитатные клетки костномозгового происхождения и макрофаги. Все перечисленные клетки взаимодействуют с делящимися лимфобластами средних размеров.

Пре-T-клетки, имеющие поверхностный маркер SP1 (антиген мозга), концентрируются в субкапсулярной зоне. Здесь под влиянием гормонов тимуса и, возможно, цитокинов (например, ИЛ7) происходят первые события, связанные с реорганизацией генома пре-T-клеток. Основные направления внутритимусной дифференцировки тимоцитов представлены на рис. 8.18. Кортикальные тимоциты начинают экспрессировать специфичные для коркового слоя маркеры (CD1 у человека, TL у мышей), постоянные маркеры Т-лимфоцитов (CD2 и CD5 у человека, Thyl у мышей) и маркеры, специфичные для популяции хелперов/индукторов и цитотоксических/супрессорных лимфоцитов (CD4 и CD8). Постепенно почти все клетки начинают экспрессировать ТКР, образованный двумя полипептидными цепями, соединенными с CD3 (рис. 8.19). Тимоциты перемещаются из коркового вещества в мозговое, где происходит разделение клеток-носителей CD4 и CD8 с параллельной дифференцировкой лимфоцитов на T-хелперы и цитотоксические (супрессорные) T-лимфоциты.

Экспрессируемые ??ТКР+ выступают в качестве структур клеточной поверхности, посредством которых реализуется внутритимусный процесс позитивной и негативной селекции соответствующих Т-клонов- одного из наиболее

Рис. 8.18 Внутритимусная дифференцировка T-клеток

CD4 - маркер T-хелперов/индукторов; CDS - маркер Т-киллеров/супрессоров; ТКР - Т-клеточный антигенраспознающий рецептор; IL2R - рецептор к IL2; ?, ? - полипептидные цепи ТКР; Н2К - антиген главного комплекса гистосовместимости I класса у мышей.

Рис. 8.19 Т-клеточный рецептор - трансмембранный гетеродимер из двух полипептидных цепей ? и ?, каждая из которых содержит вариабельный и константный домены Рецептор прочно связан с маркерной молекулой -дифференцирующим антигеном, появляющимся на пре-Т-клетках человека (CD3), которая состоит из трех цепей: ? (гамма), ? (дельта), ? (эпсилон).

Рис. 8.20 Дифференцированные маркеры Т-лимфоцитов человека и мыши в процессе развития этих клеток в тимусе

TdT - терминальная дезоксинуклеотидилтрансфераза; Тр - Т-клеточный ?,? -рецептор, соединенный с ТЗ; ЭБ - эритроциты барана. Эквивалентные маркеры человека и мыши: Tl/LyI, T4/L3T4, T8/Ly2, T6/TL.

важных событий в дифференцировке тимоцитов. ТКР распознают экзогенный чужеродный антиген, экспрессированный на поверхности АПК, только в комплексе с молекулами МНС I и II класса. ТКР обладают способностью к двойному распознаванию - чужеродного антигена и собственного антигена МНС. Распознавание "своего" является тем событием, которое определяет положительный отбор "нужных" организму клонов тимоцитов. При этом тимоциты с ТКР, не способными к самораспознаванию, гибнут. Структура участка ТКР, взаимодействующая с антигенами МНС, должна быть такой, чтобы его аффинность к собственным антигенам не была слишком высокой. Клоны с высокоаффинными антигенраспознающими участками уничтожаются.

Позитивная и негативная селекция тимоцитов, осуществляющаяся во внутреннем слое коры тимуса, создает условия для дальнейшей дифференцировки отобранных клонов на функционально активные субпопуляции (рис. 8.20). Если позитивная селекция направлена на распознавание антигенов МНС I класса, в мозговом веществе происходит формирование CD4+CD8+TKP+клoнoв. В тех случаях, когда ТКР тимоцитов распознают антигены МНС II класса, происходит формирование CD4+CD8-TKP+клoнoв.

Таким образом в медуллярной зоне завершается внутритимусная дифференцировка тимоцитов, приводящая к формированию субпопуляций с хелперной/индукторной (CD4+CD8) и киллерной/супрессорной (CD4-CD8+) функциями. Выселяющиеся из медуллярной зоны тимоциты имеют также рецепторы к ИЛ2 и могут продуцировать этот цитокин. Они мигрируют в кровь, а затем в периферические лимфоидные или лимфомиелоидные органы (лимфатические узлы, пейеровы бляшки кишки, миндалины, селезенку), локализуясь в их Т-областях (рис. 8.21, 8.22). При этом T-лимфоциты покидают кровеносные сосуды в особых участках через посткапиллярные венулы с высоким эндотелием. Эти клетки через лимфу могут вновь попадать в кровь. Лимфоциты из

Рис. 8.21 Строение лимфатического узла

МС - медуллярные синусы; МТ - медуллярные тяжи. 1 - поток лимфы, 2 - афферентные сосуды, 3 - клапан, 4 - краевой синус, 5 - соединительнотканная капсула, 6 - кортикальная область (В-клеточная), 7 - паракортикальная область (Т-клеточная), 8 - артерия лимфоузла, 9 - вена лимфоузла, 10 - ворота органа, 11 - первичный лимфоидный фолликул, 12 - вторичный фолликул с мантией из малых В-лимфоцитов и зародышевым центром.

Рис. 8.22 Строение селезенки

1 - вена, 2 - артерия, 3 - фолликул с зародышевым центром, 4 - краевая зона (В-клеточная), 5 - Т-клеточная область, 6 - селезеночные тяжи, 7 - венозные синусоиды, 8 - артериола.

Рис. 8.23 Циркуляция лимфоцитов в лимфоидной ткани, ассоциированной со слизистыми оболочками

Антигенреактивные клетки перемещаются из пейеровых бляшек (возможно, из легкого и других скоплений диффузной лимфоидной ткани в слизистых оболочках) и заселяют собственную пластинку слизистой оболочки кишки и другие слизистые поверхности (волнистые линии). Аг - антиген; IgA - иммуноглобулин А

Рис. 8.24 Миграция Т-лимфоцитов через высокий эндотелий посткапиллярных венул

БМ- базальная мембрана; ЭНД- эндотелиальная клетка. Лимфоцитарная адгезия к эндотелию включает так называемый адгезивный каскад - последовательную быструю смену различных адгезивных молекул от момента прикрепления Т-клеток до их выхода в окружающую ткань.

1- образование слабых контактов Т-лимфоцитов с эндотелием (нестабильное взаимодействие); 2- выделение триггерных сигналов, активирующих функцию Т-клеточных интегринов; 3- возникновение сильной адгезии Т- клеток к эндотелию; 4- миграция Т- лимфоцитов к межэндотелиальным контактам и их проникновение в окружающие ткани.

сосудистого русла направляются и в ткани органов, не относящихся к иммунной системе, мигрируя через стенку мелких кровеносных сосудов (посткапиллярных венул) с обычным (плоским) эндотелием. До встречи с антигенами такие лимфоциты называют "наивными" (не имевшими "опыта" взаимодействия с антигеном).

Антигензависимая фаза развития Т-лимфоцитов происходит во вторичных лимфоидных органах и тканях (лимфатических узлах, селезенке, пейеровых бляшках и др.). Известно, что T-лимфоциты способны взаимодействовать только с антигеном, представленным им особыми АПК, в которых антиген ранее был подвергнут процессингу. T-клетки поступают в ткани и лимфатические узлы по афферентным лимфатическим сосудам, проникая через стенки посткапиллярных венул с так называемым высоким эндотелием (рис. 8.23).

Эфферентные лимфатические сосуды, отходящие от последнего узла каждой цепочки лимфатических узлов, соединяются, образуя грудной проток, по которому лимфоциты возвращаются обратно в кровь (грудной проток у человека открывается в левую подключичную вену). В селезенку T-лимфоциты поступают из артериол, а покидают ее по селезеночной вене. Миграция Т-лимфоцитов в лимфоидную ткань называется хомингом (от англ. homing - возвращающийся домой). регуляция хоминга T-клеток обеспечивается благодаря следующим принципам: 1) каждая линия иммунных клеток обладает собственными механизмами миграции; 2) покоящиеся клетки мигрируют в лимфатические узлы, а T-клетки памяти мигрируют первично в нелимфоидную ткань; 3) клетки памяти мигрируют преимущественно в ткани, где они ранее были стимулированы антигеном; 4) воспаление вызывает скопление Т-лимфоцитов и уменьшает селективность, которая управляет нормальным хомингом. В основе хомингового движения лежит специфическое взаимодействие адгезивных молекул на Т-клетках и эндотелии, которое обеспечивает региональную специфичность Т-клеточных субпопуляций (рис. 8.24).

В результате взаимодействия с антигеном T-лимфоциты активируются, пролиферируют (экспансия клона), секретируют разнообразные цитокины (лимфокины), вновь поступают в кровь, а из нее - повторно в ткани (процесс рециркуляции), где они осуществляют свои защитные функции. Часть лимфоцитов превращается в долгоживущие T-клетки памяти, которые сохраняют в течение всего времени своего существования усиленную экспрессию ТКР и ряда других маркеров. Последнее обстоятельство определяет высокую чувствительность этих клеток к повторному действию антигена. Рециркулирующие T-лимфоциты живут 46 месяцев, а T-клетки памяти сохраняются преимущественно в лимфоидных органах в течение многих лет.

Специфика участия Т-лимфоцитов в различных защитных реакциях обусловлена их принадлежностью к одной из функциональных групп (табл. 8.1). Функциональные группы Т-лимфоцитов объединяют: 1) клетки-помощники (индукторы T-хелперов - ИТх, индукторы T-супрессоров - ИТс, T-хелперы 1 - Tx1, T-хелперы 2 - Tx2), вызывающие активацию Т или В-клеток, 2) клетки-эффекторы - ЦТЛ, непосредственно осуществляющие защитные реакции, 3) клетки-регуляторы (T-супрессоры - Тc, Т-контрсупрессоры - Ткс), влияющие на межклеточные взаимодействия, 4) клетки памяти, сохраняющие иммунологическую "память" о первичном контакте с антигеном (Тп).

Взаимодействие Т-лимфоцитов с антигенами и их участие в иммунных реакциях. Для активации покоящихся Т-лимфоцитов необходимы два сигнала (рис. 8.25). Роль первого может выполнять антиген, связанный с молекулами

Таблица 8.1

Субклассы Т-лимфоцитов, их функции и маркеры мембраны

Субклоны Т-клеток

Функции

Факторы Т-субклассов

Маркеры

Помощники(активаторы)

Индукторы Т-хелперов

Экспрессия Ia молекулы на макрофагах и других А-клетках. Секреция ИЛ-1 макрофагами

ФАМ, 1а-ФИ, ?-ИФН, ФСК-ГМ

CD4+(CD8-), CD29

Индукторы Т-супрессоров

Активация дифференцировки предшественников Т-супрессоров

ФИТс

CD4+(CD8-), 2H4(CD45R, Lew18)

Т-хелперы 1

Дифференцировка ЦТЛ, ГЗТ, активация Т-хелперов 2

ИЛ-2, ИЛ-3,

?-ИФН, ФНО, ЛТ

CD4+(СD8-), CD45, 4В4, СВ44(ГПФ-1)

Т-хелперы 2

Пролиферация и активация B-клеток, синтез антител, подавление Т-хелперов 1

ИЛ-4, ИЛ-5, ИЛ-6

CD4+(CD8-), 4В4, CD28

Эффекторы

ЦТЛ

Лизис клеток (трансплантата, опухоли, инфицированных вирусами, бактериальными и другими белками)

Сериновая протеаза in vivo

CD8+(CD4-), CD28

Перфорин in, vitro

То же

Регуляторы

Т-супрессоры

Подавление функций Т-хелперов 1 и 2, В-клеток

ТсФ

CD8+(CD4-), CD11,C1,C4,I-J1(CD28-)

Т-контрсупрессоры

Подавление функции Т-супрессоров: развитие резистентности Т-хелперов к эффекту Т-супрессоров

ТксФ

(CD4-,CD8-), I-J3, рецептор к Vicia villosa

Примечание. ФАМ - фактор активации макрофагов; Iа-ФИ - фактор индукции Ia-молекулы;

ИФН - интерферон; ФСК-ГМ - фактор стимуляции роста колоний гранулоцитов и макрофагов;

ФИТс- фактор индукторов Т-супрессоров; ИЛ- интерлейкин; ЦТЛ- цитотоксический Т-лимфоцит; ГЗТ - гиперчувствительность замедленного типа; ФНО - фактор некроза опухолей;

ЛТ - лимфотоксин; ГПФ - гликопротеин фагоцитов; ТсФ - фактор Т-супрессоров; ТксФ - фактор Т-контрсупрессоров.

Рис. 8.25 Распознавание антигенов и активация Т-хелпера (Тх) при его взаимодействии с антигенпредставляющей клеткой (АПК)

Главный активационный сигнал, обозначенный светлой звездочкой обеспечивается распознаванием посредством ТКР и CD4 на мембране Тх эпитопа антигена в комплексе с молекулами главного комплекса гистосовместимости II класса на поверхности дендритной АПК Добавочный активационный сигнал, обозначенный черной звездочкой обеспечивается взаимодействием костимулирующих молекул на поверхности АПК с адгезионными молекулами на плазмалемме Т-лимфоцитов . При активации Тх выделяют ряд цитокинов, состав которых различается у T-хелперов I порядка (Тх") и T-хелперов II порядка (Тх,) AM адгезионные молекулы; CD3, CD4 поверхностные функциональные маркеры; МНС II/АГ комплекс молекул главного комплекса гистосовместимости класса II и антигена; ТКР Т-клеточный рецептор

Рис. 8.26 Биохимические механизмы активации Т-лимфоцитов 5-ГПЭТЕК - 5-гидропероксиейкозотетраеновая кислота; 5-ГЭТЕК - 5-гидроксиэйкозотетраеновая кислота;

цГМФ - циклический 3',5'-гуанозинмонофосфат.

МНС класса II на поверхности АПК. Этот комплекс распознается с помощью ТКР и CD4 или CDSкомпонента на мембране Т-лимфоцита. Тройное взаимодействие между антигеном, гликопротеином МНС и рецептором Т-лимфоцита генерирует сигнал, передаваемый Т-клетке через комплекс ТКР с CD3. Одновременно это взаимодействие обеспечивает воздействие на Т-лимфоцит высокой локальной концентрации ИЛ1 (или других цитокинов), продуцируемого АПК. В процессе активации T-лимфоциты увеличиваются в размере, переходят в состояние бласт-трансформации.

Биохимические механизмы активации T-клеток сложны (рис. 8.26). Среди процессов, стимулируемых антигеном и ИЛ1, вероятно, наиболее важна активация фосфолипазы С, расщепляющей Фосфатидилинозитолдифосфат на два медиатора - диацилглицерол и инозитолтрифосфат. Увеличение концентрации Са2+ в клетке активирует различные ферментативные системы, что в конце концов приводит к стимуляции синтеза РНК, белка и ИЛ2. Увеличение концентрации Са2+ в клетке обусловлено либо открытием кальциевых каналов в плазматической мембране, либо, что более вероятно, мобилизацией внутриклеточных запасов Са2+ под влиянием инозитолтрифосфата.

Важным условием активации Т-лимфоцитов является способность определенных субпопуляций этих клеток взаимодействовать лишь с собственными клетками, экспрессирующими молекулы МНС, свойственные данному организму (рис. 8.27). Эта способность T-клеток носит название рестрикции (от лат. restrictio - ограничение) по МНС. Молекулы CD4 и CD8 служат дополнительными рецепторами (корецепторами) молекул МНС II и I классов соответственно. Благодаря потребности в комбинированном активационном сигнале предотвращаются возможные реакции на антиген, который не подвергся необходимому процессингу и представлению, и на собственные антигены. Различные цитокины, такие как ИФН и ИЛ4, способны повышать плотность распределения молекул МНС II класса, регулируя таким образом функции АПК. Другие цитокины, подобно ИЛ6 и ФНО, увеличивают плотность распределения антигенов МНС I класса.

Рис. 8.27 Первичное распознавание антигена Т-хелперами, Т-супрессорами и Т-киллерами

1 - молекула МНС I класса;

2 - молекула МНС II класса (1а); 3 - антиген интактный;

4 - антиген процессированный (пептид). ФДК - фактор дифференцировки киллеров; п - предшественник; РР - радиорезистентный; ТсФ - фактор Т-супрессора; ПГЕ2 - простагландин Е2; ФСК - фактор стимуляции роста колоний (стимулирует секрецию ИЛ2); 1аФИ - фактор индукции la молекулы (МНС II класса); ФИТс - фактор индуктора Т-супрессора;

ТКР - Т-клеточный рецептор. Пояснения в тексте.

Индукторы T-хелперов (ИТх) начинают функционировать спустя 1620 ч после появления чужеродного материала. Реагируя на процессированный анти ген и молекулы МНС II класса, ИТх быстро секретируют факторы, которые способствуют экспрессии молекул МНС II класса (la молекулы) на поверхности макрофагов, а также синтезу ИЛ1 теми же макрофагами.

T-хелперы (Тх) играют важную роль в деятельности иммунной системы - распознавании антигена, запуске реакций клеточного и гуморального иммунитета, регуляции взаимодействий Т-лимфоцитов друг с другом и между Т- и В-лимфоцитами, продукции лимфокинов. Главная их функция - стимулирующее (хелперное) влияние на эффекторные клетки. Они экспрессируют на своей поверхности ТКР и антигенную детерминанту - молекулу CD4

Распознавание комплекса молекулы МНС II класса и антигена который находится на поверхности АПК (дендритная АПК, макрофаг, интердигитатная

клетка, В-лимфоцит), осуществляется посредством ТКР и CD4 на мембране Tх (см. рис. 8.258.27).

Подклассы Тх - Tx1 и Тх2, различаются характером цитокинов (лимфокинов), секретируемых при активации, экспрессией некоторых костимулирующих адгезивных молекул, а также функциональной ролью в различных звеньях иммунитета. Поддержание соотношения между подклассами Тх представляется весьма важным для течения и исхода инфекционных и аутоиммунных заболевании. взаимодействия между "наивными" Т-клетками и их подклассами представлено на рис. 8.28. Клетки каждого подкласса усиливают дифференциоовку "наивных" T-клеток в свой подкласс Тх. За дифференцировку

Tx1 отвечают преимущественно за реакции клеточного иммунитета и воспаления, а также, частично, за некоторые реакции гуморального иммунитета (связанные с деятельностью фагоцитов). Тх2 стимулируют реакции гуморального иммунитета, а также участвуют в ряде регуляторных механизмов. Они продуцируют ИЛ4, ИЛ5, ИЛ6, ИЛ9, ИЛ10, ИЛ13, ФСКГМ (колониестимулирующий фактор для клеток гранулоцитарно-моноцитарного ряда) Указанные лимфокины вызывают активацию В-лимфоцитов, усиливается их пролиферация и диффepeнциpoвкa в плaзмaтичecкиe клетки, вырабатывающие IgM, IgA, IgG (не связывающие комплемент), а также IgE (что способствует развитию аллергических реакций),

Относительное содержание Тх в крови в норме у здорового человека составляет около 2/3 циркулирующих Т-лимфоцитов . Снижение содержания Тх

Рис. 8.28 Развитие T-хелперов и взаимодействие их подклассов

Тхо - предшественник Т-лимфоцитов ("наивная" Т-клетка); Tx1 - Т-лимфоцит первого порядка; Тх2 - Т-лимфоцит второго порядка. Цитокины, выделяемые Тх каждого подкласса, усиливают образование клеток своего подкласса (стрелки со знаком "+") и угнетают развитие и активность клеток другого подкласса (стрелки со знаком "").

имеет место при различных врожденных и приобретенных иммунодефицитных состояниях. Оно может возникать при проникновении в клетки вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) путем прикрепления к молекулам CD4 и, следовательно, является признаком синдрома приобретенного иммунодефицита (СПИД). Именно внутри Тх образуется более 99% из 1010 вирусных частиц, появляющихся ежедневно в организме ВИЧ-инфицированного больного. Причины возникновения дефицита Тх остаются пока невыясненными. Предполагают, что дефицит Тх может возникать в результате разрушения Тх вирусом или цитотоксическими лимфоцитами. Потеря большого количества Тх приводит к иммунной недостаточности, проявляющейся в развитии тяжелых инфекций, опухолей, неврологических расстройств.

Индукторы T-супрессоров (ИТс), как полагают, играют важную роль в активации дифференцировки T-супрессоров (Тс), т. е. вносят вклад в подавление иммунного ответа. Эти клетки имеют такой же фенотип, что и Тх, т. е. CD4+(CD8), однако несут на своей поверхности антигенные детерминанты, характерные только для данного субкласса Т-лимфоцитов . ИТс, будучи активированы нативным антигеном, продуцируют фактор ИТс (ФИТс). Последний, воздействуя на макрофаги и другие АПК, стимулирует синтез и выделение ими простагландина Е2, который, в свою очередь, активирует Тс (см. рис. 8.27, 8.28).

T-супрессоры (Тс), на поверхности которых имеются ТКР и молекулы CD8, распознают эпитопы антигенов в комбинации с продуктами системы МНС I класса (см. рис. 8.27). Клетками-мишенями Тс являются В-лимфоциты, Тх и ЦТЛ. Функция Тс заключается в угнетении активности иммунных реакций путем непосредственного контактного воздействия на указанные клетки или секреции угнетающих (супрессорных) факторов (ТсФ). Тс подавляют развитие аутоиммунных реакций. Возникновение иммунодефицита при жизнедеятельности организма в экстремальных условиях (облучение УФ-лучами, обширные ожоги и травмы, опухоли, вирусные и бактериальные инфекции) обусловлено, прежде всего, активацией Тс. Тс, прямо контактируя с мембраной Тх, подавляют секрецию цитокинов Тх и экспрессию рецепторов к ИЛ1, ИЛ2, а также иных структур на мембране Тх и угнетают нарастание уровня Са2+ в цитоплазме Тх.

Функция Те может быть полезной и необходимой. В организме эмбриона, новорожденного животного и человека активированные Тс, блокируя пролиферацию Тх-клеток и генерацию ЦТЛ, способствуют развитию толерантности к собственным белкам и блокируют иммунный ответ лимфоцитов матери, проникших в организм новорожденного, на аллоантигены самого новорожденного. В дальнейшем Тс угнетают аутоиммунные процессы и подавляют развитие аллергии с помощью ингибирования синтеза иммуноглобулина класса Е. Высказывалось мнение, согласно которому роль Тс могут играть Tx1 и Тх2, которые вырабатывают ряд цитокинов, способных угнетать активность лимфоцитов

и макрофагов.

Цитотоксические T-лимфоциты (ЦТЛ), или Т-киллеры (Тк), посредством ТКР и молекулы CD8 распознают эпитопы антигенов в комплексе с молекулами

Рис. 8.29 Распознавание антигенов на поверхности клетки-мишени и активация цитотоксических Т-лимфоцитов (ЦТЛ)

Главный активационный сигнал (светлая звездочка) обеспечивается распознаванием Т-клеточным рецептором (ТКР) и CDS на мембране ЦТЛ эпитопа антигена в комплексе с молекулами главного комплекса гистосовместимости I класса (МНС 1/АГ) на поверхности клетки-мишени (КЛМ). Дополнительный активационный сигнал (черная звездочка) обеспечивается взаимодействием костимулирующих молекул (КМ) на поверхности КЛМ с адгезионными молекулами (AM) на поверхности ЦТЛ. При активации ЦТЛ выделяет ряд цитокинов.

Рис. 8:30 Контактное действие цитотоксического Т-лимфоцита (ЦТЛ) на клетку-мишень (КЛМ)

1 - ЦТЛ секретирует в межклеточную щель белки-перфорины (П), которые встраиваются в плазмалемму КЛМ (белые стрелки) и образуют в ней трансмембранные поры, вызывающие нарушение осмотического равновесия КЛМ (пунктирная стрелка) и ее гибель; 2 - апоптоз КЛМ (стрелка в виде "молнии") индуцируется в результате введения (черная стрелка) в ее цитоплазму через ранее образованные поры в плазмалемме сериновых протеиназ-гранзимов (ГР), синтезируемых и выделяемых ЦТЛ; 3 - индукция апоптоза КЛМ (стрелка в виде "молнии") в результате взаимодействия Fas-лиганда (FasL) на поверхности ЦТЛ с антигеном Fas (APO1) на плазмалемме КЛМ.

МНС I класса (рис. 8.29). Распознавание антигенов и активация ЦТЛ происходит под влиянием двух основных сигналов: 1) взаимодействие TKPCD8 на Тк с комплексом МНС I класса/эпитоп антигена на клетке-мишени; 2) воздействия цитокинов, выделяемых Тх, макрофагами и АПК. Активированные ЦТЛ продуцируют ИФН-? и ИЛ2, стимулируют представление антигенов, активируют клетки, участвующие в воспалении, и уничтожают клетки-мишени, зараженные вирусами, грибами и некоторыми бактериями, очищая от них организм.

При встрече с различными клетками ЦТЛ обследуют их поверхность в поисках антигенного эпитопа. При обнаружении клетки-мишени зрелый Тк связывается с ней и оказывает на нее летальное цитотоксическое воздействие. После этого воздействия, иначе называемого "смертельным ударом", или "смертельным поцелуем", осуществляемого исключительно прицельно и не повреждающего соседние клетки, Тк отсоединяется от гибнущей клетки-мишени и через некоторое время готов лизировать следующую жертву. Активность Тк находится под контролем Тх и Тс, причем Тх действуют непосредственно на Тк а Тс - опосредованно через угнетение функциональной активности Тх. Механизмы контактного цитотоксического действия Тк на клетку-мишень связаны с ее разрушением снаружи и изнутри (рис. 8.30). Различают 3 вида таких механизмов контактного цитотоксического действия Тк: а) образование пор в плазмалемме клеток-мишеней; б) индукция апоптоза клеток-мишеней ферментами введенными в их цитоплазму через поры в плазмалемме; в) индукция апоптоза клеток-мишенеи, опосредованная поверхностными рецепторами на их плазмалемме

ЦТЛ, вступивший в контакт с клеткой-мишенью, в присутствии ионов Са2+ направленно (векторно) секретирует в межклеточное пространство особые белки перфорины, накопленные в цитоплазматических гранулах. Мономеры белков встраиваются в качестве трансмембранных белков в плазмалемму клеток-мишеней, а в дальнейшем они полимеризуются с образованием трансмембранных пор (рис. 8.31). Размер пор достигает 520 нм (внутренний диаметр наиболее крупных равен 10 нм). Поры, возникающие в плазмалемме клетки-мишени после контакта с ЦТЛ, подобны тем, которые образуются при воздействии МАК-компонентов комплемента. Формирование пор в плазмалемме приводит к нарушению осмотического равновесия клетки-мишени, ее набуханию и гибели. Образующиеся поры, очевидно, могут служить для проведения в клетку-мишень веществ, разрушающих клетки-мишени изнутри.

Тк синтезируют и накапливают в гранулах ряд ферментов, из которых наиболее важной представляется группа сериновых протеиназ - гранзимов. Будучи выделенными в узкое межклеточное пространство путем Са2+-зависимого экзоцитоза, гранулы Тк могут освобождать эти ферменты, которые через трансмембранные поры проникают в цитоплазму клеток-мишеней и запускают программу апоптоза, вызывающую гибель клеток.

Т-контрсупрессоры (Ткс) - специальная категория Т-лимфоцитов , которые продуцируют свой фактор (ТксФ) и могут угнетать функциональную активность Тс (см. рис. 8.27). После взаимодействия ТксФ с Тх последние приобретают резистентность к Тс и их факторам, т. е. секреция ИЛ2 не подавляется.

Физиологическая роль Ткс выявляется к концу 1й недели жизни ребенка после завершения Тс своей главной функции - обеспечения сохранности жизни новорожденного. Ткс, подавляя функцию Тс, способствуют развитию иммунных реакций на раннем этапе жизни. В последующем отсутствие регуляции аутоиммунитета Тс приводит к развитию аутоиммунных заболеваний типа энцефаломиелита, красной волчанки, миастении, ревматоидного артрита.

T-клетки ГЗТ (Тгзт) являются эффекторными клетками иммунных реакций гиперчувствительности замедленного типа. Они обладают поверхностным антигеном CD4 и экспрессируют ТКР совместно с молекулами МНС II класса. Тгзт распознают чужеродные антигены, преимущественно продуцируемые внутриклеточными микроорганизмами. В последние годы накоплены данные, свидетельствующие о том, что роль Тгзт фактически исполняют Tx1, обеспечивающие течение указанных реакций. Тгзт, в отличие от Тк, сами не обладают непосредственным цитотоксическим действием, однако обеспечивают защитные реакции клеточного иммунитета, вовлекая в них клетки других типов. Проявлением реакций ГЗТ служат очаги хронического воспаления, состоящие

Рис. 8.31 Образование пор в плазмалемме клетки-мишени при атаке цитотоксического Т-лимфоцита

1 - мономеры перфорина (МП) выделяются ЦТЛ в пространство между ним и клеткой-мишенью; 2 - МП связываются с фосфолипидными головками плазмалеммы (ПЛ) клетки-мишени; 3 - МП претерпевают конформационные изменения и внедряются в липидный бислой; 4-5- полимеризация МП с образованием поры (П) - агрегата МП цилиндрической формы, с просветом в центре. Все процессы, начиная со связывания МП с ПЛ и заканчивая образованием П, являются Са2+-зависимыми.

преимущественно из макрофагов и лимфоцитов, часто формирующих характерные компактные структуры - гранулемы.

Функции субклассов Т-лимфоцитов в иммунитете и в первичном распознавании антигена представлены на схеме (см. рис. 8.27). Деление Т-лимфоцитов на субпопуляции с хелперной и супрессорной/киллерной функциями, а также способность этих клеток к продукции регуляторных цитокинов обнаружены у представителей всех классов позвоночных животных.

Рис. 8.32 Сравнение клеточного и гуморального иммунитетов

В-лимфоциты и плазматические клетки. Гуморальный иммунный ответ в виде продукции антител зависит от функционирования В-системы специфической иммунной защиты. Центральным органом системы является костный мозг у млекопитающих или фабрициева сумка (бурса) у птиц (рис. 8.32). Клеточный состав системы представлен В-лимфоцитами различной Степени зрелости вплоть до заключительной клеточной формы - продуцирующих антитела плазматических клеток. В состав В-системы в качестве важного компонента входят эффекторные молекулы - иммуноглобулины

различных изотипов, индуцируемый синтез которых есть результат взаимодействия В-клетки с антигеном при участии вспомогательных клеточных популяций (Тх, макрофагов и др.). Функции В-лимфоцитов можно определить следующим образом: 1) распознавание антигенов иммуноглобулиновыми рецепторами; 2) обеспечение реакций гуморального иммунитета; 3) образование плазмоцитов - клеток, вырабатывающих антитела.

В-лимфоциты, в отличие от T-клеток, обладают слабой способностью к рециркуляции. В связи с этим В-клетки практически отсутствуют в лимфе грудного протока, в крови же их количество составляет не более 30%. Среди В-лимфоцитов преобладают короткоживущие, хотя встречаются и долгоживущие формы. Характерной особенностью В-лимфоцита является наличие на его поверхности иммуноглобулинового рецептора, а также рецептора к СЗ-компоненту комплемента. Кроме того, на поверхности В-лимфоцитов имеются характерные антигенные маркеры: CD19, CD20, CD22, а также CD21 - на зрелых В-клетках и CD23 - на плазматических клетках.

Образование В-лимфоцитов и их активация находятся под контролем нейроэндокринной системы. На поверхности этих клеток имеется большое число рецепторов к различным гормонам и медиаторам. Глюкокортикоидные гормоны в больших дозах подавляют антителообразование, в малых - стимулируют его. В отличие от Т-лимфоцитов В-клетки не способны трансформироваться и пролиферировать под влиянием таких лектинов растительного происхождения, как фитогемагглютинин и конканавалин А.

В то время как первые признаки Т-системы обнаруживаются у беспозвоночных животных и даже у примитивных многоклеточных (губки, кишечнополостные), В-система специфического иммунитета исторически развивалась в пределах типа позвоночных животных. Анализ способности к антителопродукции в филогенетическом ряду указывает на постепенное усиление этой иммунологической функции от менее организованных позвоночных животных к их более совершенным формам. У круглоротых продукцию антител к бактериальным антигенам удается вызвать с трудом, при этом иммунологическая память о первичном контакте с антигеном не формируется. У костистых рыб гуморальная форма иммунного реагирования имеет более выраженный характер, вполне сопоставимый с ответом млекопитающих. В ряде случаев иммунный ответ у рыб характеризуется созданием иммунологической памяти, хотя и в слабой форме.

Ряд прогрессивных черт в отношении иммунной реактивности отмечен у бесхвостых амфибий - животных, впервые вышедших на сушу. Переход от водного к наземному образу жизни помимо морфофункционального прогресса в целом, очевидно, потребовал совершенствования системы иммунной защиты. Последнее, вероятно, инициировалось неизбежными контактами с новыми группами наземных патогенных микроорганизмов. У амфибий появляется функционирующий в качестве источника В-клеток костный мозг, возникает достаточно эффективная иммунологическая память, формируются механизмы повышения аффинности антител по мере развития иммунного процесса и приобретаются дополнительные изотипы иммуноглобулинов. Эти прогрессивные черты развития гуморального иммунного ответа эволюционно закрепляются у пресмыкающихся и птиц, достигая особого совершенства у млекопитающих.

Этапы антигеннезависимой дифференцировки В-клеток. Предшественники В-лимфоцитов обнаружены в островках гемопоэтической ткани эмбриональной печени на 89й неделе зародыша. Затем образование В-клеток в печени постепенно прекращается и в последующем происходит только в костном мозгу. От полипотентной стволовой кроветворной клетки формируется коммитированный предшественник лимфопоэза, общий для Т и В-клеточного пути развития. Особенностью данного клона клеток, отличающего его от других клеток костного мозга, является наличие специфического поверхностного маркера (антиген ThB у мышей и CD10 у человека). От предшественника лимфоцитов возникает родоначальная форма В-клеточного пути развития или предшественник В-клеток I типа. Незрелые В-клетки являются прямыми потомками предшественников В-лимфоцитов II типа и представлены в костном мозгу и на периферии, главным образом, в селезенке и в небольшом количестве в лимфатических узлах. Основные этапы антигеннезависимой дифференцировки В-лимфоцитов представлены на рис. 8.33.

Рис. 8.33 Этапы, антигеннезависимой дифференцировки В-лимфоцитов

СКК - стволовая кроветворная клетка; КЛ - коммитированный лимфоцит, общий для Т и В-клеточного путей развития; ПpBI - предшественник В-клеток I типа; ПрВII - предшественник В-клеток II типа; НВ - незрелые В-лимфопиты;

BI - В-лимфоциты I типа; ВII - В-лимфопиты II типа. Пояснения в тексте.

Рис. 8.34 Зрелые В-клетки экспрессируют набор разнообразных связанных с мембраной молекул преимущественно гликопротеиновой природы

ВЭБ - рецепторы вируса Эшптейна-Барра; Ф - фосфорилирующие ферменты; Г - гликозидазы; И - рецепторы инсулина; Д - рецепторы других гормонов; С - рецепторы антигенспецифических факторов Т-клеток; Н - рецепторы антигеннеспецифических факторов Т-клеток.

На завершающем этапе дифференцировки В-клеток в костном мозгу на поверхности незрелых В-лимфоцитов появляются специфический маркер этих клеток (у мышей - мышиный В-лимфоцитарный антиген), дифференцировочные маркеры В-клеток (у мышей Lyb2), а также иммуноглобулины двух изотипов IgM и IgD. Незрелые В-лимфоциты уже способны к распознаванию антигена, однако взаимодействие клетки с антигеном не обеспечивает трансформации лимфоцита в антителопродуценты. Интенсивность синтеза поверхностных молекул иммуноглобулинов невелика по сравнению с более зрелыми клеточными формами. Этап становления зрелых клеток начинается с образования В-клеток I типа, представляющих собой промежуточную стадию развития между В-клетками и наиболее зрелыми В-клетками II типа. В отличие от незрелых В-лимфоцитов, В-лимфоциты первого типа начинают экспрессировать антигены II класса МНС (Ia-белки) и рецептор для Fc фрагмента иммуноглобулина. Антигеннезависимое развитие В-клеток завершается формированием В-клеточных форм II типа.

На этой стадии рецепторный и антигенный комплекс клеточной поверхности выражен с наибольшей полнотой: помимо первого дифференцировочного антигена (Lyb2 у мышей) появляются следующие (Lyb3, 5), начинается экспрессия рецептора к СЗ-компоненту комплемента, усиливается выраженность антигенов МНС I класса (рис. 8.34). В ходе пролиферации и дифференцировки В-клеток в костном мозгу в отсутствие антигенной стимуляции происходит реаранжировка части генома, ответственной за антигенную специфичность этих клеток. В результате образуются клетки с огромным (порядка 109 вариантов) спектром антигенраспознающих рецепторов.

Из костного мозга "наивные" В-лимфоциты попадают в кровь, неся на своей поверхности молекулы иммуноглобулинов, которые представляют собой специфические антигенраспознающие рецепторы (до 104-105 на клетку) а также характерные маркеры CD19, CD20, CD21, CD22 и CD23. В-лимфоциты экспрессируют на плазмалемме молекулы МНС I и II классов, рецепторы к СЗ-компоненту комплемента и Fc участкам молекул иммуноглобулинов.

Механизмы взаимодействия В-лимфоцитов с антигенами. Из крови где В-лимфоциты составляют 10-20% циркулирующих лимфоцитов, они направляются в периферические иммунные органы и заселяют их В-зависимые области. Скопления В-лимфоцитов представляют собой основные структуры кортикальной зоны лимфатического узла. В узле, находящемся в состоянии покоя, они имеют сферическую форму и называются первичными фолликулами. после стимуляции антигеном В-лимфоциты образуют вторичные фолликулы, в которых корона (мантия) концентрически упакованных покоящихся малых В-лимфоцитов окружает бледно окрашенный зародышевый центр

Рис. 8.35 Сравнение структуры лимфатического узла неиммунизированной (слева) и иммунизированной (справа) мыши (схема). В результате иммунизации выявлены следующие особенности: 1 - зародышевые центры (светлые кружки) представляют собой кластеры делящихся и дифференцирующихся В-клеточных бластов, отвечающих на локализованный там же антиген и обеспечивающих проникновение малых В-лимфоцитов в окружающие серповидные области первичных фолликулов; 2 - расширение мякотных тяжей мозгового вещества (MB) за счет плазматических клеток. ВЭВ - посткапиллярные венулы с высоким эндотелием; МС - синусы мозгового слоя.

(рис. 8.35). Последний содержит крупные интенсивно пролиферирующие лимфобласты, макрофаги и специализированные АПК.

В В-зависимой зоне в результате взаимодействия с антигеном (и Тх) происходит активация и пролиферация В-лимфоцитов. Это завершается созреванием и дифференцировкой активированных В-лимфоцитов в плазматические клетки, продуцирующие антитела, и В-клетки памяти. Антитела могут продуцироваться и самими активированными В-лимфоцитами, тем не менее главным источником антител являются плазматические клетки.

Часть активированных В-лимфоцитов с током лимфы возвращается в кровь, а из нее в различные органы (в том числе и в очаги воспаления), где они превращаются в плазматические клетки. Значительное количество активированных В-лимфоцитов направляется в слизистые оболочки, особенно те, которые явились входными воротами для данного антигена. Основу местной иммунной системы слизистых оболочек составляет MALT. Здесь активированные В-лимфоциты дифференцируются в плазматические клетки, в том числе вырабатывающие секреторные IgA, которые обеспечивают местный гуморальный иммунитет слизистых оболочек, защищающий их от колонизации микроорганизмами и от возможного внедрения микробов в ткани (см. рис. 8.23).

Активация В-лимфоцитов является одним из ключевых этапов в развитии иммунного ответа гуморального типа. Признаками активации служат увеличение размеров клетки (бласттрансформация), гиперэкспрессия антигенов МНС II класса (Ia-антигенов), деполяризация мембраны лимфоцитов, увеличение концентрации в цитоплазме свободных ионов Са2+ и появление на мембране новых, так называемых активационных антигенов. Для активации В-лимфоцитов необходимо получение ими двух сигналов. Первый переводит клетку из состояния покоя в G1-фазу клеточного цикла. Роль его выполняет антиген, связывающийся со специфическим иммуноглобулиновым рецептором на поверхности В-лимфоцита, либо с его аналогом на Т-лимфоците. В обычных физиологических условиях этот этап активации иммунологически специфичен. Второй этап состоит в контактном взаимодействии В-лимфоцита с Тх, секретирующим ряд лимфокинов.

Различают три типа антигенов, участвующих в активации В-лимфоцитов (рис. 8.36): тимуснезависимые антигены типа 1 (бактериальные липополисахариды); тимуснезависимые антигены типа 2 (полисахарид пневмококков, полимеры D-аминокислот, поливинилпирролидон); тимусзависимые антигены (ряд антигенов, которые в отсутствие Т-лимфоцитов лишены иммуногенности).

Тимуснезависимые антигены типа 1 при достаточно высокой концентрации способны к поликлональной активации значительной части популяции В-лимфоцитов. При низкой концентрации подобных антигенов, не приводящей

Рис. 8.36 Распознавание В-клетками трех типов антигенов Волнистая стрелка - активирующий сигнал; прерывистая черта - перекрестное связывание рецепторов.

к поликлональной активации, те В-лимфоциты, у которых иммуноглобулиновые рецепторы специфичны по отношению к данным антигенам, будут пассивно фиксировать их на своей поверхности. За счет собственной митогенной активности эти антигены будут стимулировать пролиферацию клеток.

Тимуснезависимые антигены типа 2 - линейные антигены, имеющие часто повторяющуюся, определенным образом организованную детерминанту. Для таких антигенов характерна низкая скорость распада в организме. Они длительно персистируют (от лат. persistio - постоянно пребывать, оставаться) на поверхности специализированных макрофагов краевого синуса лимфатического узла и маргинальной зоны селезенки. Тимуснезависимые антигены обоих типов вызывают преимущественный синтез IgM, а индуцируемый ими иммунный ответ практически не сопровождается формированием клеток памяти.

Большинство антигенов являются тимусзависимыми: у животных, подвергнутых неонатальной тимэктомии и имеющих мало T-клеток, они либо не вызывают синтеза антител, либо этот синтез очень слаб. В отсутствии Т-лимфоцитов такие антигены лишены иммуногенности: они могут быть одновалентными в отношении специфичности каждой детерминанты, подвергаться быстрой деградации фагоцитирующими клетками, но, как правило, не обладают собственной митогенной активностью. Тимусзависимые антигены неспособны активировать В-лимфоциты в отсутствие второго сигнала, обусловленного Тх, что послужило основанием к наименованию последних.

Антигенраспознающие рецепторы В-лимфоцита специфически связывают антиген, который далее поглощается с помощью механизма рецепторно-опосредованного эндоцитоза, подвергается процессингу и экспрессируется на поверхности В-лимфоцита в виде пептидов, связанных с молекулами МНС II класса (рис. 8.36, 8.37).

Тх, ранее активированный антигеном в ходе взаимодействия с АПК, распознает комплекс молекулы МНС II класса антиген на поверхности В-лимфоцита. При этом в Тх происходит внутренняя перестройка, отчасти сходная с наблюдаемой в Тк при контакте с клеткой-мишенью, - ориентация его органелл в направлении В-клетки. Благодаря этому, очевидно, Тх способен осуществлять направленную секрецию интерлейкинов (главным образом, ИЛ2, ИЛ4, ИЛ5, ИЛ6, ИЛ10) и ИФН на поверхность В-лимфоцита.

Первичный гуморальный иммунный ответ развивается при первой встрече с антигеном и вызывает выработку небольшого количества антител, которое спустя некоторое время существенно уменьшается. Вторичный гуморальный иммунный ответ возникает при повторном попадании в организм антигена и характеризуется быстрым развитием и продукцией большого количества антител. Он обеспечивается В- и Т-лимфоцитами памяти, образующимися при первом воздействии антигена.

В-клетка памяти (Вп) - долгоживущая клетка, обеспечивающая быструю пролиферацию и дифференцировку В-лимфоцитов в плазмоциты при повторном контакте с антигенами. В отличие от зрелых лимфоцитов, которые живут в периферических иммунных органах всего несколько суток и погибают, если не встречаются со своим специфическим антигеном, Вп могут жить в течение нескольких месяцев и даже лет, не делясь и участвуя в рециркуляции.

Существует пять принципиально различных механизмов активации В-клеток. Все они реализуются через фосфатидилинозитоловый каскад. Рецепторы, через которые происходит активация В-лимфоцитов, ассоциированы с G-белком. Существование в В-клетках двух типов G-белков (Gs и G1) и наличие тесной функциональной взаимосвязи между ними дают возможность приложить диссоциационную модель к В-лимфоцитам (рис. 8.38). Согласно этой модели, субъединица а Gi-белка взаимодействует с фосфолипазой С и активирует ее. Последнее приводит к стимуляции В-лимфоцита. Освобождающиеся при этом субъединицы ? и ? связываются с субъединицей ?s.

Gi-белок не только служит в качестве агента, сопрягающего антигенраспознающий рецептор с фосфолипазой С, но представляет собой точку ветвления в регуляции многих эффекторных систем. В частности, с помощью G-белков происходит интеграция на уровне клеточной мембраны фосфатидилинозитольной системы, а также аденилатциклазной, циклооксигеназной и ряда других систем. На рис. 8.38, показана интеграция мембраноцитоплазматических

Рис. 8.37 Взаимодействие В-лимфоцита (ВЛ) с Т-хелпером второго порядка (Tx2)

Антиген (АГ) поглощается ВЛ, подвергается процессингу и экспрессируется на его поверхности в комплексе с молекулами МНС П класса (МНС II/AT). Этот комплекс распознается Тх2 с помощью Т-клеточного рецептора (ТКР) и CD4. Тх2 секретирует ряд интерлейкинов, которые активируют ВЛ, стимулируя его пролиферацию и дифференцировку в плазматическую клетку, продуцирующую иммуноглобулины (Ig). Активации ВЛ способствует контактное взаимодействие рецептора CD40 на его плазмалемме с лигандом CD40L на поверхности активированного Tx2. Эффективность активации ВЛ повышается взаимодействием костимулирующих молекул (КМ) на поверхности ВЛ с адгезионными молекулами (AM) на плазмалемме Tx2.

Рис. 8.38 Интеграция мембраноцитоплазматических контролирующих деятельность В-лимфоцитов сигналов с помощью системы Gбелков

Gi - ингибирующий G-белок; Gs - стимулирующей G-белок; IgM - иммуноглобулиновый рецептор; ФЛС - фосфолипаза С; ИФа - инозитолтрифосфат; ДАТ - диацилглицерол;

ГТФ - гуанозинтрифосфат; АТФ - аденозинтрифосфат; цАМФ - циклический аденозинмонофосфат. Пояснения в тексте.

сигналов с помощью G-белков, в которой участвуют иммуноглобулиновый рецептор, взаимодействующий с антигеном, и ?-адренорецептор, взаимодействующий со своим лигандом.

Плазматические клетки (плазмоциты). Это неподвижные или слабо подвижные, короткоживущие (23 сут, по другим сведениям - до 1030 сут) клетки, представляющие собой конечный этап развития В-лимфоцитов. В ходе дифференцировки из В-лимфоцитов они утрачивают рецепторы к СЗ-компоненту комплемента, мембранные иммуноглобулины и молекулы МНС, а также маркеры CD19 и CD21.

Плазматические клетки имеют сравнительно мелкие размеры (диаметр 920 мкм, в среднем - 14 мкм), круглую или овальную форму (рис. 8.39). Ядро - округлое, расположено эксцентрично, содержит крупные глыбки хроматина, которые располагаются в виде радиальных тяжей ("спиц колеса"). В отличие от других клеток, интенсивно вырабатывающих белки, продукты синтетической деятельности плазмоцитов, иммуноглобулины, не накапливаются в цитоплазме в секреторных гранулах, а по мере образования транспортируются мелкими пузырьками к плазмалемме, где непрерывно выделяются с помощью экзоцитоза.

В обычных условиях плазматические клетки не циркулируют в крови. Они располагаются в лимфатических узлах (преимущественно в мозговых тяжах и зародышевых центрах), в белой пульпе селезенки, в красном костном мозге (составляя 12% его клеток). Значительное количество плазмоцитов находится в рыхлой волокнистой соединительной ткани, в особенности, образующей собственную пластинку слизистых оболочек и строму различных желез- например, слезных, слюнных, молочных, где преобладают клетки, продуцирующие IgA.

Функция плазматических клеток состоит в обеспечении гуморального иммунитета путем выработки антител. За 1 с каждый плазмоцит синтезирует до нескольких тысяч молекул иммуноглобулинов (более 10 млн в час). Продуцируемые иммуноглобулины относятся к пяти классам, причем плазмоциты способны переключаться с выработки иммуноглобулинов одного класса на другой. Переключение классов продуцируемых иммуноглобулинов (переключение изотипов) происходит в развивающихся плазмоцитах примерно с суточным интервалом - с IgM на IgG или IgA (без изменения их антигенсвязывающего участка).

Рис. 8.39 Ультраструктурная организация плазматической клетки

КГ - комплекс Гольджи; МТХ - митохондрии; грЭПС - гранулированная (шероховатая) эндоплазматическая сеть.

8.3.2. Иммуноглобулины, структура и роль в реализации специфического иммунного ответа

Иммуноглобулины. Иммуноглобулины (Ig) представляют собой группу сывороточных белков, обладающих рядом общих свойств и играющих важную роль в реализации иммунного ответа высших позвоночных (табл. 8.2). По общему мнению исследователей, занимающихся изучением эволюционного иммуногенеза, способность к синтезу антител является привилегией позвоночных животных. У представителя иглокожих (морская звезда Asterias rubens), эволюционно предшествовавших позвоночным, найдены антителоподобные продукты. Однако прямая филогенетическая связь между антителоподобным белком иглокожих и иммуноглобулинами позвоночных не установлена.

Молекула иммуноглобулина состоит из двух тяжелых (Н) и двух легких (L) цепей, соединенных между собой дисульфидными связями (рис. 8.40). Н и L-цепи одной молекулы полностью идентичны.

Рис. 8.40 Структурная организация молекулы IgG, показывающая, как антиген связывается между вариабельными участками легкой и тяжелой цепи

1 - константные участки, где последовательность аминокислот одинакова во всех молекулах данного типа, 2 - антигенный связывающий участок, 3 - вариабельные участки, где последовательность аминокислот различна в разных молекулах, 4 - легкая цепь, 5 - тяжелая цепь, 6 - шарнирная область, 7- дисульфидная связь. Остальные пояснения в тексте.

Молекулы антител отличаются исключительным разнообразием, связанным, в первую очередь, с вариабельными областями, расположенными в N-концевых участках легких и тяжелых цепей молекулы иммуноглобулина. Остальные участки относительно неизменны. Это позволяет выделить в молекуле иммуноглобулина вариабельные и константные области тяжелых и легких цепей. Отдельные участки вариабельных областей (так называемые гипервариабельные участки) отличаются особым разнообразием. В зависимости от строения константных и вариабельных областей Иммуноглобулины могут быть разделены на изотипы, аллотипы и идиотипы.

Изотипы отражают разнообразие иммуноглобулинов на уровне биологического вида. При иммунизации животных одного вида сывороткой крови особи

Таблица 8.2

Классы иммуноглобулинов и их биологическая активность

Иммуноглобулин

Тяжелая цепь

Активность

IgM

?(мю)

Первый класс антител, появляющийся в сыворотке после введения антигена; начинает первичный иммунный ответ

IgG

? (гамма); 1, 2, 3, 4

Основной класс антител в сыворотке; начинает вторичный иммунный ответ

IgA

? (альфа); 1, 2

Основной класс антител, выделяемых с такими секретами, как слюна, слезная жидкость, бронхиальная и кишечная слизь; составляет первую линию обороны организма против бактериальных и вирусных антигенов

IgD

? (дельта)

Почти не секретируются; связаны с мембранами. Функция неизвестна

IgE

?(эпсилон)

Возможно, участвуют в аллергических реакциях. Другие функции неизвестны.

Рис. 8.41 Структура глобулярные вариабельного (VL) и константного (СL) доменов легкой цепи. Одна поверхность домена состоит из четырех цепей (пунктирные стрелки), образующих антипараллельную ?-складчатую структуру. Другая поверхность домена образована тремя цепями (сплошные стрелки). Черная полоса - межцепочечная дисульфидная связь. Гипервариабельные области в трех отдельных петлях, находящихся в непосредственной близости друг от друга, вносят вклад в образование антигенсвязывающего центра. Цифрами обозначены номера некоторых аминокислотных остатков в каждой из комплементарных детерминант.

другого вида образуются антитела, распознающие изотипические специфичности молекулы иммуноглобулина. Каждый класс иммуноглобулинов имеет свою изотипическую специфичность, против которой могут быть получены специфические антитела, например, кроличьи антитела против IgG мыши. Характеристика основных классов иммуноглобулинов представлена в табл. 8.2.

Наличие аллотипов обусловлено генетическим разнообразием внутри вида и касается особенностей строения константных областей молекул иммуноглобулинов у отдельных лиц или семей. Это разнообразие имеет такую же природу, как и различия людей по группам крови системы АВО.

Идиотипы представляют собой участки вариабельной части молекулы иммуноглобулина, которые сами являются антигенными детерминантами. Антитела, полученные против таких антигенных детерминант (антиидиотипические антитела), способны различать антитела разной специфичности. С помощью антиидиотипических сывороток можно обнаружить одну и ту же вариабельную область на разных тяжелых цепях и в разных клетках.

Пространственная структура молекулы иммуноглобулина обеспечивается дисульфидными связями внутри цепей. Гипервариабельные области легких и тяжелых цепей совместно образуют антигенсвязывающий центр, "отвечая", таким образом, за специфичность антитела (рис. 8.41, 8.42). По химической природе иммуноглобулины являются гликопротеинами: к двум тяжелым цепям через боковые цепи остатков аспарагина присоединяются углеводные группы.

Антитела, принадлежащие к разным классам, отличаются друг от друга во многих отношениях по периоду полураспада, распределению в организме, способности фиксировать комплемент и связываться с поверхностными Fc-рецепторами иммунокомпетентных клеток. Поскольку иммуноглобулины всех классов содержат одни и те же ? и ? легкие цепи, а также одинаковые вариабельные домены тяжелых и легких цепей, указанные выше различия должны быть обусловлены константными областями тяжелых цепей. На рис. 8.43 представлена модель молекулы IgG, на которой видно пространственное расположение и взаимодействие доменов молекулы, а также взаимосвязи между отдельными структурами и их биологическими функциями.

IgG - основной класс иммуноглобулинов, находящихся в сыворотке крови (80% всех иммуноглобулинов) и тканевых жидкостях. Имеет мономерное строение. Вырабатывается в большом количестве при вторичном иммунном ответе. Антитела этого класса способны активировать систему комплемента и связываться с рецепторами на нейтрофилах и макрофагах. IgG является главным опсонизирующим иммуноглобулином при фагоцитозе. Поскольку IgG способен

Рис. 8.42 Двухмерное изображение антигенсвязывающего центра иммуноглобулиновой молекулы, представляющего собой полость, образованную пептидными петлями, содержащими гипервариабельные участки (обозначены серым цветом) легких и тяжелых цепей

G - остатки глицина. Цифры - номера аминокислотных остатков. G отличаются постоянным месторасположением вне зависимости от специфичности или видовой принадлежности Ig. Они позволяют пептидным цепям образовывать антипараллельную ?-складчатую структуру, которая обеспечивает сближение гипервариабельных областей. Каждый антигенсвязывающий центр при участии разных гипервариабельных областей способен образовывать комплекс с рядом разнообразных антигенных детерминант.

преодолевать плацентарный барьер, ему принадлежит главная роль в защите от инфекций в течение первых недель жизни. Иммунитет новорожденных усиливается также благодаря проникновению IgG в кровь через слизистую оболочку кишки после поступления туда молозива, содержащего большие количества этого иммуноглобулина. Содержание IgG в крови зависит от антигенной стимуляции: уровень его чрезвычайно низкий у животных, содержащихся в стерильных условиях. Он быстро повышается при помещении животного в нормальные условия.

IgM составляет примерно 6% иммуноглобулинов сыворотки крови. Молекула образована комплексом из пяти связанных мономерных субъединиц (пентамер). Синтез IgM начинается до рождения. Это первые антитела, продуцируемые развивающимися В-лимфоцитами. Кроме того, они первыми появляются в мембраносвязанной мономерной форме на поверхности В-лимфоцитов. Полагают, что IgM в филогенезе иммунного ответа позвоночных появился раньше, чем IgG. Антитела этого класса выделяются в кровь на ранних стадиях первичного иммунного ответа (рис. 8.44). Связывание антигена с IgM вызывает присоединение Clq компонента комплемента и его активацию, что приводит к гибели микроорганизмов. Антитела этого класса играют ведущую роль в выведении микроорганизмов из кровотока. Если у новорожденных в крови обнаруживается

Рис. 8.43 Расположение, взаимодействие и биологические свойства доменов в молекуле IgG, vh - вариабельный домен тяжелой цепи; vl - вариабельный домен легкой цепи. С?1, С?2 и С?З - домены константной области тяжелой цепи. Пояснения в тексте.

Рис. 8.44 Динамика образования IgM и IgG при первичном и вторичном иммунном ответе на введение антигена

По оси абсцисс - время после первой иммунизации, недели. По оси ординат - концентрация антител в сыворотке, относительные единицы. Вторичный ответ выражается в усилении продукции антител класса IgG.

высокий уровень IgM, то это обычно указывает на внутриутробное заражение плода. У Млекопитающих, птиц и пресмыкающихся IgM является пентамером, у земноводных - гексамером, а у большинства костистых рыб - тетрамером. При этом в аминокислотном составе константных участков легких и тяжелых цепей IgM различных классов позвоночных не выявлено существенных различий.

IgA существует в двух формах: в сыворотке крови и в секретах экзокринных желез. Сывороточный IgA составляет примерно 13% общего содержания иммуноглобулинов в крови. Представлены димерные (преобладают), а также три и тетрамерные формы. IgA в крови обладает способностью связывать и активировать комплемент. Секреторный IgA (sIgA) - основной класс антител в секретах экзокринных желез и на поверхности слизистых оболочек. Он представлен двумя мономерными субъединицами, связанными с особым гликопротеином - секреторным компонентом. Последний вырабатывается клетками железистого эпителия и обеспечивает связывание и транспорт IgA в секреты экзокринных желез. Секреторный IgA блокирует прикрепление (адгезию) микроорганизмов к поверхности слизистых оболочек и ее заселение ими. sIgA может также играть роль опсонина. Высокие уровни секреторного IgA в молоке матери защищают слизистые оболочки пищеварительного тракта младенца от кишечных инфекций. При сопоставлении различных секретов оказалось, что максимальный уровень sIgA обнаружен в слезах, а наибольшие концентрации секреторного компонента - в слезных железах (причем у мужчин больше, чем у женщин).

IgD составляет менее 1% общего содержания иммуноглобулинов в сыворотке крови. Антитела этого класса имеют мономерное строение. Они содержат большое количество углеводов (918%). Этот иммуноглобулин отличается чрезвычайно высокой чувствительностью к протеолизу и небольшим периодом полураспада в плазме крови (около 2,8 сут). Последнее, возможно, обусловлено большой протяженностью шарнирной области молекулы. Почти весь IgD вместе с IgM находится на поверхности лимфоцитов крови. Полагают что эти антигенные рецепторы могут взаимодействовать между собой, контролируя активацию и супрессию лимфоцитов. Известно, что чувствительность IgD к протеолизу возрастает после связывания с антигеном.

Плазматические клетки, секретирующие IgD, были найдены в миндалинах. Они редко встречаются в селезенке, лимфатических узлах и лимфоидных тканях кишки. Иммуноглобулины этого класса являются главной мембранной фракцией на поверхности В-лимфоцитов, выделенных из крови больных хроническими лейкозами. На основании этих наблюдений была выдвинута гипотеза о том, что молекулы IgD являются рецепторами лимфоцитов и, возможно участвуют в индукции иммунологической толерантности.

IgE присутствует в крови в следовых количествах, составляя лишь 0- 002% всех иммуноглобулинов в сыворотке крови. Подобно IgG и IgD, имеет мономерное строение. Вырабатывается преимущественно плазмоцитами в слизистых оболочках пищеварительного тракта и респираторных путей. Содержание углеводов в молекуле IgE составляет 12%. При подкожной инъекции человеку этот иммуноглобулин задерживается в коже на длительное время, связываясь с тучными клетками. В последующем взаимодействие антигена с такой сенсибилизированной тучной клеткой приводит к ее дегрануляции с высвобождением вазоактивных аминов. Этот процесс обусловливает симптомы сенной лихорадки и бронхиальной астмы при контакте с антигеном (например, с пыльцой цветущих растений) у людей, страдающих аллергией.

Основной физиологической функцией IgE является, очевидно, защита слизистых оболочек организма путем локальной активации факторов плазмы крови и эффекторных клеток благодаря индукции острой воспалительной реакции. Болезнетворные микробы, способные прорвать линию обороны, образованную IgA, будут связываться со специфическими IgE на поверхности тучных клеток, в результате чего последние получат сигнал к высвобождению вазоактивных аминов и хемотаксических факторов, а это в свою очередь вызовет приток циркулирующих в крови IgG, комплемента, нейтрофилов и эозинофилов. Возможно, локальная выработка IgE способствует защите от гельминтов, так как этот иммуноглобулин стимулирует цитотоксическое действие эозинофилов и макрофагов.

Уровни иммуноглобулинов, характерные для взрослого человека, обеспечивающие полноценную иммунную защиту организма, достигаются лишь в подростковом возрасте.

Врожденная или приобретенная ?-гаммаглобулинемия - иммунодефицитное состояние, связанное с нарушением образования плазмоцитов, которые отсутствуют или имеются в незначительном количестве. При этом содержание иммуноглобулинов в крови, тканевых жидкостях и секретах резко снижается. Описаны заболевания, обусловленные избирательным нарушением дифференцировки клеток, продуцирующих IgA (реже - IgM, IgG), или выработкой аномальных иммуноглобулинов. Такие дефекты гуморального иммунитета предрасполагают к развитию рецидивирующих инфекций, тяжесть которых определяется степенью и характером угнетения реакций гуморального иммунитета. В некоторых случаях имеет место развитие дефектов клеточного иммунитета.

Механизмы, обеспечивающие разнообразие антител. При анализе строения иммуноглобулинов следует различать два понятия - гетерогенность и вариабельность. Гетерогенность определяет те свойства иммуноглобулинов, которые обусловлены константной частью молекулы, вариабельность - индивидуальная характеристика антител, относящихся к одному и тому же классу. Последняя проявляется в специфической антигенсвязывающей активности, обусловленной изменениями последовательности аминокислотных остатков в N-концевой части молекулы. В организме синтезируются миллионы различных антител, способных распознать практически любой антиген, который может проникнуть в организм.

Гены, кодирующие молекулу антитела, подразделяются на три кластера, которые расположены в трех различных хромосомах. Гены каждого кластера кодируют ? (каппа), ? {ламбда) и тяжелые (Н) цепи. В синтезе ?-цепи принимает участие всего один V-ген (рис. 8.45). Как и другие белки, ?-цепь кодируется отдельными сегментами ДНК, разделенными промежуточными нуклеотидными последовательностями - интронами. Интроны удаляются либо при транслокации ДНК, либо путем вырезания соответствующих последовательностей из про-мРНК. Продукт трансляции мРНК содержит лидерную последовательность, необходимую для прохождения его через эндоплазматический ретикулум; пептид, кодируемый V? (аминокислотные остатки 198); пептид, кодируемый соединительным J-сегментом (остальные 11 аминокислот вариабельной области); пептид, кодируемый сегментом С? (константная область).

Гены, кодирующие к и тяжелые цепи, устроены аналогично, хотя и несколько сложнее (рис. 8.46). Около 200 генов Ук объединены в 5 групп, каждая из которых содержит похожие гены. Хотя гены каждой группы допускают определенное разнообразие структуры каркаса и гипервариабельных участков, они Обладают значительно большим сходством между собой, чем с генами V? других групп.

Рис. 8.45 Генетический контроль образования ?-цепи мыши

В В-лимфоците участок, кодирующий вариабельную область, формируется в результате соединения сегмента V?, и соединительного сегмента J. Этот процесс облегчается тем, что последовательности нуклеотидов интрона, расположенные с 3'-конца сегмента V?, спариваются с последовательностями, расположенными на 5'-конце J-сегмента. Окончательное соединение сегментов происходит, когда промежуточная последовательность удаляется путем сплайсинга из транскрибированной мРНК

Рис. 8.46 Гены, кодирующие к- и тяжелые (Н) цепи иммуноглобулина G мыши

Существует около 200 V?- и VH-генов, образующих подсемейства или группы, имеющие сходные нуклеотидные последовательности Механизм рекомбинаций обеспечивает объединение сегментов V, D и J, которые совместно кодируют вариабельную область антител, образуемых определенной В-клеткой.

Одной из возможностей увеличения вариабельности антител являются рекомбинации, в результате которых в местах соединения сегментов V D и J возникают разнообразные последовательности нуклеотидов. Разнообразие антител достигается также за счет встраивания нуклеотидов с 5'-конца D и J-сегментов. Из-за ошибки встраивания может происходить потеря или прибавление оснований в месте стыковки "нового" 5'VH-гена с соответствующим концевым участком сегмента D.

Эволюция иммуноглобулинов. Все гены, кодирующие молекулы, которые относятся к суперсемейству иммуноглобулинов, происходят от одного общего предка. Продуктами этих генов-предшественников была система молекул клеточной адгезии. Эволюция привела к образованию гена, кодирующего домен типа ?2-микроглобулина.

Все продукты генов, относящихся к суперсемейству иммуноглобулинов, построены из одного или большего числа таких доменов. Эти домены имеют высокую степень гомологии. Они образованы примерно 110 аминокислотными остатками, содержат чередующиеся гидрофобные и гидрофильные участки, образующие антипараллельные раскладчатые участки со вставками разной длины. В результате дупликации такого гена возник ген мультидоменного белка - древний NCAM (англ. CellAdhesion Molecules).

Дальнейшая эволюция привела к образованию генов, кодирующих рецепторы гормонов, антигены МНС, дифференцировочные антигены, миелиновые белки, антигенсвязывающие рецепторы T-клеток и иммуноглобулины (рис. 8.47). В результате перекомбинации экзонов произошло объединение доменов типа фибронектина с доменами типа NCAM, что привело к возникновению современного семейства молекул клеточной адгезии (NCAM, ICAM, NgCAM, MAG, контактин). В результате дупликации и дивергенции генов возникали взаимодействующие друг с другом семейства молекул (ТКР, антигены МНС, IgA и поли-IgА-рецептор).

Исследования в области эволюционной иммунологии позволяют выделить четыре филогенетических уровня развития иммунной системы.

На первом уровне функционирует древняя система молекул клеточной адгезии, обеспечивающих взаимодействие клеток между собой (одноклеточные эукариоты, примитивные многоклеточные). Не исключено, что это квази-иммунное распознавание чужеродного сохраняется у других представителей беспозвоночных и позвоночных животных, включая млекопитающих и человека.

На втором уровне, определяемом как примитивное клеточное распознавание, формируются домены, входящие в антиген-распознающие структуры (практически все беспозвоночные первично-, и вторичноротые).

Третий уровень, охватывающий хордовых без млекопитающих, характеризуется появлением иммуноглобулинов. Причем, у миксин, являющихся подклассом типа хордовых, иммуноглобулины имеют наиболее простую форму, тогда как у миног, составляющих другой подкласс того же типа, происходит дивергенция С-домена на Сн- и CL-домены, в результате чего появляются тяжелые и легкие цепи молекулы иммуноглобулина. Различные изотипы тяжелых Н-цепей обнаруживаются, начиная с двоякодышащих рыб и земноводных.

Четвертый филогенетический уровень включает млекопитающих и характеризуется дальнейшей дивергенцией доменов, в результате которой возникают классы и подклассы иммуноглобулинов.

Рис. 8.47 Эволюция молекул суперсемейства иммуноглобулинов

САМ - молекулы клеточной адгезии.

8.4. РЕГУЛЯЦИЯ ИММУННОГО ОТВЕТА

Система регуляции деятельности иммунной системы должна быть достаточно надежной; так как в противном случае вероятность развития неконтролируемой иммунной реакции чрезвычайно высока и могут наблюдаться тяжелые последствия. О важности такого контроля косвенно свидетельствует то, что в организме существует множество механизмов, ограничивающих иммунный ответ.

8.4.1. Механизмы ограничения иммунного ответа

Одним из наиболее эффективных механизмов, ограничивающих синтез антител, является механизм отрицательной обратной связи, в основе которого лежит ингибирование иммунной реакции ее продуктом (антителами). Известно, что целые молекулы иммуноглобулинов тормозят иммунный ответ более эффективно, чем их фрагменты. В связи с этим можно полагать, что в данном случае происходит не простое снижение содержания антигена за счет связывания его с антителами. Механизм такого торможения, скорее всего, связан с образованием перекрестных связей между антигеном, молекулой IgG и Fc-рецептором В-лимфоцита. Показано, что IgG обладает тормозящим действием, a IgM усиливает иммунный ответ (рис. 8.48). Поскольку антитела последнего изотипа появляются первыми после введения антигена, то на ранней стадии иммунного ответа им предположительно приписывается усиливающая антителообразование роль. Приведем несколько примеров снижения иммунореактивности под действием антител. Введение анти-D-антител Rh--матерям предотвращает развитие у них первичной сенсибилизации резус-антигеном в результате беременности. Удаление из кровотока антител методом плазмафореза в ходе иммунного ответа усиливает их синтез, а введение преформированных IgG существенно снижает число антителообразующих клеток, тормозя синтез иммуноглобулинов по механизму обратной связи.

Механизмы ограничения иммунного ответа с участием T-супрессоров. С помощью Тс осуществляется регуляция различных форм гуморального и клеточного иммунитета, в том числе гиперчувствительности замедленного типа а также пролиферации ЦТЛ, Тх и В-клеток. Клетки-супрессоры могут обладать антигенной специфичностью (подавлять иммунный ответ на определенный антиген), а могут быть и антиген-неспецифическими. Активация антиген-специфических.Тс осуществляется с помощью ИТс, имеющих такой же фенотип, как и Тх (CD4+). Этот процесс происходит при контакте ИТс с антигеном на поверхности АПК, несущих антигенные детерминанты HLDQ продуктов МНС II класса. Собственно механизм супрессии осуществляется с помощью растворимых факторов, способных подавлять активность как Тх, так и В-клеток или ЦТЛ. Неспецифический Тс вовлекается в угнетение иммунного ответа и под влиянием антигена секретирует неспецифические супрессорные факторы, которые угнетают реакцию поблизости расположенных клеток на антигены. Вероятный механизм взаимодействия различных популяций Тс представлен на рис. 8.49. Адгезивные клетки (макрофаги и дендритные АПК) также могут функционировать в качестве акцепторов для растворимых супрессорных факторов, продуцируемых эффекторными Тс. Связывание этих факторов может приводить к потере антиген-презентирующей способности в связи с блокированием синтеза ИЛ1. Взаимодействуя с антигеном на поверхности АПК, Тс могут регулировать активность Тх, связывающих другие антигенные детерминанты. Подобное взаимодействие,

возможно, лежит в основе так называемой "конкуренции антигенов", при которой один Т-зависимый антиген подавляет иммунный ответ на другой.

Несмотря на достаточно многочисленные исследования, показавшие, что клетки с фенотипом CD8+ могут подавлять продукцию антител посредством антиген-специфического секреторного фактора, все попытки получить устойчивую линию Тс, а также получить биохимические и молекулярно-биологические характеристики супрессорного фактора оказались безуспешными. В связи с этим роль Тс в ограничении иммунного ответа кажется сомнительной.

Идиотипические сетевые взаимодействия. Автор гипотезы сетевого взаимодействия, лауреат Нобелевской премии Н. Ерне предположил, что лимфоциты, способные распознавать огромное число разнообразных чужеродных антигенных детерминант, должны распознавать и идиотипические детерминанты самих лимфоцитарных рецепторов. Предполагается, таким образом, существование общего сетевого взаимодействия или набора сетевых взаимодействий идиотип- антиидиотип между лимфоцитами различных Т- и В-субпопуляций (рис. 8.50). Попадание в организм чужеродного антигена неизбежно должно нарушить равновесие сетевых идиотипических взаимодействий, а стремление системы восстановить утраченное равновесие будет естественно ограничивать иммунный ответ. Идиотипические взаимодействия могут сильно влиять на параметры иммунного ответа. Ничтожно малые количества антиидиотипических антител (нанограммы) могут значительно усиливать экспрессию идиотипа при ответе на соответствующий антиген, а большие дозы (микрограммы) вызывают супрессию. Можно полагать, что после удаления антигена из организма идиотип-антиидиотипические взаимодействия не должны играть слишком большой роли в иммунорегуляции. Идиотипическая сеть, вероятно, служит для сохранения иммунного ответа на протяжении

Рис. 8.48 Продукция антител к эритроцитам барана. Усиление образования антител преформированными IgM и, наоборот, подавление - преформированными IgG Мышам за два часа до иммунизации эритроцитами барана (105 клеток) вводили культуральную среду - чистую или содержащую моноклональные IgM или IgG к эритроцитам. СО - стандартное отклонение.

Рис. 8.49 Вероятный механизм взаимодействия идиотип-специфических Т-супрессоров, опосредованного антиген-презентирующей клеткой ТсФ - фактор, вырабатываемый Т-супрессорами.

Рис. 8.50 Элементы идиотипической сети, в которой антигенные рецепторы, одного лимфоцита взаимно распознают идиотипы рецепторов другого лимфоцита

а - анти; Ид - идиотип; Ат1-Ид; Ат2?-аИд, не взаимодействующие с паратопами; Ат2?-аИд, несущие "внутренний образ" антигена и взаимодействующие с паратопами; Ат3-а(аИд).

долгого времени и поддержания клеточной памяти. Наличие Тх, специфичных в отношении общего идиотипа В-клеток памяти, значительно ускоряет образование антител при вторичном иммунном ответе.

Идиотипическая сеть позволяет манипулировать иммунным ответом, в частности при гиперчувствительности, лежащей в основе иммунных заболеваний, аллергии и отторжения трансплантата. Обнаружено, что аутоиммунизация воздействует на собственную идиотипическую сеть более эффективно, чем ксеноиммунные антиидиотипические антитела, распознающие только часть идиотипов. "Вакцинация" животных облученными клетками Т-хелперных линий специфическими к антигенам ткани мозга и щитовидной железы, предотвращает развитие аутоиммунного энцефалита и тиреоидита. Иногда удается предотвратить отторжение крысами линии А трансплантатов от линии В, иммунизируя реципиентов антителами, полученными у крыс А против трансплантационных антигенов крыс В. При этом в результате антиидиотипического ответа происходит супрессия Т-лимфоцитов , распознающих трансплантат своими поверхностными анти-В-рецепторами.

В определенных условиях антиидиотипические антитела могут стимулировать образование антител. Моноклональные антиидиотипические антитела несущие "внутренний образ антигена", можно использовать в качестве заменителя антигена для иммунизации в тех случаях, когда трудно получить сам антиген в достаточном количестве.

Значение генетических факторов. Если в течение ряда поколений скрещивать мышей, ведя отбор на способность давать слабый или сильный гуморальный иммунный ответ, то можно получить две линии животных, одна из которых дает высокие титры антител на любые антигены, другая - относительно низкие. Различия в иммунореактивности обусловлены по меньшей мере десятью разными генетическими локусами. Один или несколько из них определяют поведение макрофагов. Несмотря на то, что обе линии обладают одинаковой скоростью выведения частиц угля или бараньих эритроцитов из кровотока путем фагоцитоза, макрофаги высокореактивной линии оставляют на своей поверхности больше антигена в относительно неизмененной и, видимо, иммуногенной форме, чем макрофаги линии с низкой реактивностью. Мыши с низкой реактивностью более резистентны к заражению бактерией Salmonella typhimurium, чем макрофаги высокореактивных мышей. Таким образом, макрофаги обладают наследственно закрепленной способностью поддерживать гуморальный и клеточный иммунитет.

8.4.2. Участие цитокинов в регуляции иммунных реакций

Цитокинами принято называть обширное семейство биологически активных пептидов, обладающих гормоноподобным действием, обеспечивающих взаимодействие клеток иммунной, кроветворной, нервной и эндокринной систем. В отличие от гормонов, поддерживающих гомеостатический баланс, цитокины обеспечивают ответную реакцию на внедрение чужеродных тел, иммунное повреждение, а также воспаление, репарацию и регенерацию. Многие исследователи рассматривают цитокины как "микроэндокринную систему". Цитокины являются необходимыми медиаторами межклеточного взаимодействия. Они формируют сеть коммуникационных сигналов между клетками иммунной системы и клетками других органов и тканей.

Цитокины впервые были описаны как полипептидные факторы, обусловливающие взаимодействие клеток иммунной системы. Эти медиаторы, секретируемые лимфоцитами и моноцитами, получили название соответственно "лимфокины" и "монокины". Позднее, когда было обнаружено, что подобные или идентичные белковые медиаторы могут секретировать не только иммунокомпетентные, но и другие клетки, эти молекулы стали называть цитокинами. В последние годы появился еще один термин "эндогенные иммуномодуляторы", объединяющий интерлейкины, лимфокины, монокины, интерфероны, гормоны тимуса, цитотоксические и супрессорные факторы. Следовательно, последний термин имеет более широкое смысловое значение, чем понятие "цитокины".

Классификация и общие свойства цитокинов. Универсальное определение цитокинов отсутствует, тем не менее они рассматриваются как полипептиды и белки, которые обеспечивают развитие воспаления и иммунного ответа. Цитокины секретируются не всегда. В некоторых случаях они могут экспрессироваться на поверхности стимулированных клеток. Однако независимо от того, секретируются цитокины или только экспрессируются, все они обладают некоторыми общими свойствами:

- синтезируются в процессе реализации механизмов неспецифического или

специфического иммунитета;

- связываются со специфическими рецепторами на клетках-мишенях;

- проявляют свою активность при низких концентрациях (порядка 10-11 моль/л);

- не обладают ферментативной активностью или химической реактивностью;

- действуют опосредованно, изменяя функциональное состояние клеток-мишеней с помощью вторичных мессенджеров (от англ. messenger - вестник, посыльный);

- оказывают аутокринное (на клетку-продуцент), паракринное (на соседние с клеткой-продуцентом клетки) и дистантное (на клетки удаленных на значительное расстояние органов и тканей) действие;

- служат медиаторами иммунной и воспалительной реакций;

- действуют как факторы роста и факторы дифференцировки клеток (при этом вызывают преимущественно медленные клеточные реакции, требующие синтеза новых белков);

- образуют регуляторную сеть, в которой отдельные элементы обладают синергическим или антагонистическим действием;

- обладают полифункциональной активностью и перекрывающимися функциями.

Лейкоциты являются источниками цитокинов, в то же время - и мишенью для них. В связи с этим многие из цитокинов получили название "интерлейкинов".

Классификация цитокинов до определенного времени была бессистемной. Некоторые из них первоначально назвали по их доминирующему биологическому действию. С 1976 г., когда был открыт ИЛ2, описано более 20 иммунологически активных цитокинов, оказывающих различное действие на иммунную систему в условиях in vitro. Некоторые цитокины имеют не интерлейкиновую номенклатуру, а свое первоначальное название, например, ФНО (фактор некроза опухолей), КСФ (колониестимулирующие факторы), OSM (онкостатин М), LIF (фактор, ингибирующий лейкозные клетки), NGF (фактор роста нервов), CNTF (цилиарный нейротрофический фактор). Различные цитокины могут быть сгруппированы в 5 обширных классов, объединенных по их доминирующему биологическому действию: 1) воспалительные; 2) антивоспалительные; 3) факторы, вызывающие рост и дифференцировку лимфоцитов; 4) гемопоэтические колониестимулирующие факторы; 5) факторы, вызывающие рост мезенхимальных клеток.

В большинстве случаев регуляторная функция цитокинов осуществляется в местах проникновения или концентрации патогенных агентов и сводится к вовлечению клеток близлежащих тканей и крови в процесс элиминации чужеродного агента, обеспечивая иммунные и воспалительные реакции. В критические моменты, когда местная воспалительная реакция оказывается несостоятельной, цитокины появляются в крови и разносятся кровотоком в различные органы и ткани, знаменуя начало острофазового ответа организма. Иммунный процесс, воспаление и острофазовый ответ характеризуются множеством хорошо известных проявлений: лихорадкой, похуданием, сонливостью, потерей аппетита, лейкоцитозом, появлением в крови белков острой фазы, активацией гипофизадреналовой системы (стрессорная реакция), болевым синдромом и т. д. Все или большинство из них являются результатом действия цитокинов.

Механизмы действия цитокинов. Влияние цитокина осуществляется путем его взаимодействия со специфическим мембранным рецептором клетки-мишени. В большинстве случаев рецепторы для цитокинов представлены одной двумя или тремя пептидными или гликопротеидными цепями, встроенными в клеточную мембрану. При этом цитокин взаимодействует с внешней, экстрацеллюлярной, частью рецептора. Сигнал о такого рода взаимодействии передается внутрь клетки интрацеллюлярной частью рецептора, которая обладает ферментативной активностью. Эффективность действия рецептора зависит от его аффинности, т. е. от того, какое минимальное количество лиганда необходимо для образования прочного комплекса и, как следствие, для передачи специфического сигнала внутрь клетки.

Аффинность зависит от числа белковых цепей, входящих в состав рецептора. Как известно, вторая цепь может быть общей у ряда рецепторов с разной специфичностью. Так, белок gp 130 присутствует в качестве дополнительной цепи в рецепторах для ИЛ6, OSM и LIF (рис. 8.51). В рецепторах для ИЛ3, ИЛ5 и GMCSF (колониестимулирующие факторы гранулоцитарно-моноцитарного ряда) роль дополнительной цепи выполняет белок КН97. С этой особенностью строения большинства цитокиновых рецепторов связана, по-видимому, так называемая избыточность действия, когда разные цитокины влияют сходным образом на одну и ту же клеточную мишень.

Рецепторы цитокинов обнаруживаются на различных типах клеток. Связывание цитокина с рецептором приводит к экспрессии генов и последующему синтезу молекул, характерных для данного типа клеток. Большинство генов могут экспрессироваться под действием нескольких цитокинов, взаимодействующих со своими индивидуальными клеточными рецепторами. При этом возможны различные варианты таких взаимодействий:

Рис. 8.51 Участие белка gр130 в формировании высокоаффинных рецепторов для цитокинов

ИЛ6К - рецептор для ИЛ6; OSMR - рецептор для онкостатина М; UFR - рецептор для фактора, ингибирующего лейкозные клетки.

синергизм, суммация, антагонизм. Многие цитокины могут рассматриваться как аутокринные факторы роста и участвовать в саморегуляции экспрессии своих собственных рецепторов.

Цитокины играют важную роль в регуляции иммунных реакций (рис. 8.52). Большинство из них являются иммуномодуляторами, обладающими стимулирующими функциями. По-прежнему мало известно об ингибиторах иммунной реакции. Одним из претендентов на эту роль является семейство трансформирующих факторов роста, продуцируемых макрофагами и лимфоцитами и способных выполнять функцию антигеннеспецифических супрессорных молекул (эпидермальный фактор роста - EGF, трансформирующий фактор роста - TGF? и TGF?, фактор роста фибробластов - FGF и другие). Такую же функцию выполняет "растворимый супрессор иммунного ответа" (англ. Soluble Immune Response Supressor, SIRS), обладающий способностью ингибировать пролиферацию лимфобластов. Данные о специфичности действия SIRS и о клетках, несущих его рецептор, отсутствуют. Сообщалось также об антагонисте ИЛ1, молекула которого имеет 26% гомологии с ИЛ1? и 14% - с ИЛl?. Возможным ингибитором пролиферации T-хелперов 1 порядка является ИЛ10, который подавляет продукцию ИФН-? и нарушает функцию представления антигенов макрофагами Tx1. С другой стороны, тот же самый цитокин индуцирует пролиферацию тимоцитов в присутствии ИЛ2 и ИЛ4, усиливает экспрессию продуктов МНС II класса на В-лимфоцитах, является кофактором роста В-лимфоцитов и индуктором выработки иммуноглобулинов. Имеются данные о подавляющем влиянии на иммунные реакции ИЛ4. Оказалось, что этот цитокин подавляет экспрессию генов ИЛ1 и ФНО.

Эффекты, вызываемые цитокинами, чрезвычайно сходны с симптомами, появляющимися у больных с острыми и хроническими заболеваниями инфекционного происхождения. Это свидетельствует о том, что цитокины являются ключевыми факторами, регулирующими активность нейронов ЦНС, утилизацию липидов, проницаемость сосудов, гемопоэз и уровень белков острой фазы. При местно протекающем воспалении цитокины повышают функциональную активность макрофагов и гранулоцитов, стимулируют синтез одного из основных медиаторов воспаления - гистамина, усиливают продукцию факторов свертываемости крови эндотелиоцитами сосудов, активируют систему остеокластов, стимулируют выработку набора хондролитических ферментов, способствуют заживлению ран и формированию рубцовой ткани.

Рис. 8.52 Участие цитокинов в регуляции иммунных реакций

1 - действие иммуномодуляторов; 2 - направление дифференцировки клеток. Остальные обозначения - в тексте.

8.4.3. Основные свойства некоторых цитокинов

ИЛ1. Впервые этот плейотропный медиатор был обнаружен в перитонеальном (брюшинном) экссудате в острую фазу воспаления. После введения его животным наблюдается повышение температуры тела. В связи с этим ИЛ1 получил название "эндогенный пироген". Позднее эндогенный пироген был очищен. Дальнейшие исследования позволили обнаружить новые эффекты влияния эндогенного пирогена: уменьшение уровня цинка и железа в плазме крови, нейтрофилию, стимуляцию синтеза амилоидного белка А в печени, колониестимулирующую активность. Эндогенный пироген был описан как "лимфоцит-активирующий фактор", являющийся костимулятором Т-лимфоцитов . Стандартным биологическим тестом для обнаружения ИЛ1 служит синергичная стимуляция пролиферации мышиных тимоцитов в комбинации с митогенными лектинами растительного происхождения, такими как конканавалин А или фитогемагглютинин.

На основании исследований, посвященных продукции ИЛ1, главными его источниками считались моноциты и макрофаги. Однако позднее было обнаружено, что ИЛ1 продуцируется и другими клетками, имеющими с макрофагами общее происхождение: звездчатые ретикулоэндотелиоциты (клетки Купфера) в печени, белые отростчатые эпидермоциты (клетки Лангерганса) в эпидермисе, клетки микроглии и др. К числу продуцентов этого медиатора относятся фибробласты. Т- и В-лимфоциты, натуральные киллеры, нейтрофилы и эндотелиоциты. Установлено, что нейроны и астроциты способны стимулировать и высвобождать ИЛ1. Продукция ИЛ1 осуществляется периферическими симпатическими нейронами и хромаффинными клетками мозгового вещества надпочечников и пищеварительного тракта.

ИЛ1 существует в виде двух различных полипептидных форм ИЛ1 а и ИЛ1?, синтез которых кодируется двумя генами. Обе эти формы образуются из соответствующих молекул-предшественников, имеющих одинаковую молекулярную массу (31 кДа). Предшественник ИЛ1? (проИЛ1?) биологически активен и способен соединяться с рецептором в форме димера. ИЛ1? приобретает способность связываться с рецептором только после ферментативного расщепления, в результате которого образуется конечный продукт с молекулярной массой 17,5 кДа. Этот процесс катализируется ИЛ1-?-конвертирующим энзимом.

Преобладающей формой ИЛ1 является ИЛ1?: количество соответствующей мРНК, обнаруживаемое в активированных клетках, в 1050 раз превышает количество мРНК для ИЛla. В неактивированных клетках, как правило, не находят значительных количеств мРНК, кодирующих синтез ИЛ1. Резкое увеличение продукции цитокина происходит в ответ на инфекцию, действие микробных токсинов, медиаторов воспаления, продуктов активированных лимфоцитов и комплемента.

Несмотря на структурные различия ИЛla и ИЛ1?, разную продолжительность их жизни (ИЛl? - 15 ч, ИЛ1? - 2,5 ч), две формы цитокина связываются с одними и теми же рецепторами. Обнаружено два типа рецепторов для ИЛ1: на Т-лимфоцитах и фибробластах с молекулярной массой 80 кДа и на В-лимфоцитах с молекулярной массой 68 кДа. Оба типа рецепторов принадлежат к семейству иммуноглобулинов, их внеклеточные домены содержат три домена гомологичных иммуноглобулинов.

ИЛ1 играет одну из центральных ролей в воспалительной реакции, в ответе на бактериальную инфекцию и тканевые повреждения. Он проявляет свойства нейроэндокринного гормона, стимулируя продукцию кортикотропина, простагландинов и целого ряда других гормонов. Сообщалось, что ИЛ1 является митогеном для астроцитов. Этот цитокин стимулирует продукцию ИЛ2 Т-лимфоцитами, повышает экспрессию рецептора для ИЛ2. ИЛ1 усиливает пролиферацию В-лимфоцитов, секрецию антител и экспрессию мембранного иммуноглобулинового рецептора. Под влиянием ИЛ1 возрастает секреция гепатоцитами сывороточных амилоидов А и Р, С-реактивного белка, ?1-антитрипсина и церулоплазмина. Связывание ИЛ1 с рецепторами сопровождается целым рядом других биологических эффектов: повышением температуры тела, нарушением сна, головной болью, нарушениями деятельности пищеварительной системы. Модуляция под действием ИЛ1 тех или иных процессов осуществляется путем повышения или понижения уровня экспрессии других рецепторов. ИЛ1 усиливает связывание опиатов рецепторами, повышает экспрессию рецепторов для TFGJ3 (трансформирующего фактора роста), понижает экспрессию ИЛ1-рецепторов I типа, уменьшает число рецепторов ФНО, снижает количество мРНК, кодирующей синтез рецепторов ИЛ6, ингибирует образование рецепторов для лютеинизирующего гормона.

ИЛ2. Этот цитокин с молекулярной массой 15 кДа играет исключительно важную роль в реализации механизмов иммунного ответа. У различных видов животных и человека продукция ИЛ2 осуществляется лимфоцитами периферической крови, костного мозга, лимфатических узлов, перитонеального экссудата, тимуса, селезенки, миндалин и грудного протока, стимулированными к пролиферации антигенами или лектинами. При этом продуцентами ИЛ2 являются T-хелперы 1. Покоящиеся лимфоциты не содержат и спонтанно не продуцируют ИЛ2. Обычный физиологический путь активации лимфоцитов, обусловленный взаимодействием специфического антигена и ТКР, не является единственным путем стимуляции Т-лимфоцитов . T-лимфоциты могут быть стимулированы к продукции ИЛ2 с помощью ряда митогенных лектинов (фитогемагглютинин, конканавалин А), антител к поверхностным маркерным молекулам и целого ряда других биологически активных веществ. Сообщалось о значительном усилении продукции ИЛ2 лимфоцитами и гормональными факторами тимуса.

Помимо участия ИЛ2 в дифференцировке и пролиферации Т-лимфоцитов , этот лимфокин вносит важный вклад в реализацию механизмов противоопухолевой защиты. Он повышает литическую активность нормальных киллеров, а также индуцирует клетки системы лимфокин-активированных киллеров. Кроме того, ИЛ2 вызывает пролиферацию ЦТЛ. Под действием ИЛ2 усиливается секреция ИФН? Т-лимфоцитами. Таким образом, ИЛ2 является ключевым фактором в развитии иммунологических реакций. Действие ИЛ2 приводит к развитию плейотропного эффекта с участием нескольких субпопуляций иммунной системы (рис. 8.53).

Рецептор для ИЛ2 состоит из трех полипептидных цепей, которые могут быть экспрессированы вместе и по отдельности (рис. 8.54). В зависимости от того, из скольких цепей будет составлен рецептор, изменяется его аффинность. Так, при экспрессии одной ?-цепи (молекулярная масса 55 кДа) рецептор обладает наиболее низкой аффинностью с константой диссоциации (Kd) около 10 нМ. Такой рецептор очень небольшую цитоплазматическую часть и после связывания ИЛ2 не способен проводить сигнал внутрь клетки.

ИЛ3. Этот цитокин относится к семейству гемопоэтических ростовых факторов (молекулярная масса 1528 кДа), является колониестимулирующим фактором гранулоцитов-макрофагов. ИЛ3 вместе с эритропоэтином поддерживает рост и дифференцировку клеток эритроидного ряда. Он способен регулировать раннюю стадию дифференцировки В-лимфоцитов, поддерживает рост пре-В-клеток, а также усиливает секрецию IgG.

Рис. 8.53 Схема биологических эффектов ИЛ2

Аг- антиген; Мф - макрофаг; Тл - Т-лимфоцит; Вл - В-лимфоцит;

- натуральные киллеры; ЛАК - лимфокин-активированные киллеры;

ФНО- фактор некроза опухолей, Iа - молекулы МНС II класса.

Рис. 8.54 Строение высокоаффинного рецептора для ИЛ2

Для проведения сигнала требуется гетеродимеризация цитоплазматических доменов ?- и ?-цепеи.

По химической природе ИЛ3 - гликопротеин, углеводный компонент содержит сиаловые кислоты. Основным источником ИЛ3 являются T-лимфоциты с фенотипическими характеристиками хелперов, активированные фитогемагглютинином или антигеном.

ИЛ3 - один из основных факторов, поддерживающих рост и жизнеспособность предшественников тучных клеток, играющих важную роль в нормальной жизнедеятельности организма и при патологии. ИЛ3 мыши и человека выполняют функцию фактора, активирующего клетки к продукции гистамина. Не исключено, что вызываемая им активация пролиферации полипотентных клеток костного мозга связана со способностью ИЛ3 стимулировать в клетках синтез гистамина. Благодаря активации костномозгового кроветворения ИЛ3 обладает радиопротекторными свойствами. Он потенцирует цитотоксическую активность макрофагов, вызванную липополисахаридом.

ИЛ4. Этот лимфокин (молекулярная масса 1520 кДа) продуцируется Т-хелперами 2 и является фактором дифференцировки для Т- и В-лимфоцитов. Он служит кофактором пролиферации покоящихся В-лимфоцитов и индуцирует продукцию отдельных изотипов иммуноглобулинов, в частности, IgE и IgG ИЛ4 служит ростовым фактором для части Т-лимфоцитов , стимулирует пролиферацию костномозговых клеток-предшественников гемопоэза и тучных клеток. Известна способность ИЛ4 генерировать активность ЛАК и усиливать противоопухолевую активность макрофагов. Помимо Т-лимфоцитов , ИЛ4 может также продуцироваться тучными клетками и точно не идентифицированными клетками стромы костного мозга.

Важной особенностью ИЛ4, отличающей его от многих других цитокинов является строгая видовая специфичность биологического действия. ИЛ4 человека оказывает биологическое действие и связывается только с клетками человека и обезьян. Мышиный ИЛ4 активен только в отношении различных линий мышей, но не действует на клетки приматов.

ИЛ4 играет роль регулятора иммунологических функций, способствующего достижению оптимального уровня иммунного ответа. Однако его гиперпродукция или дисбаланс регуляторных влияний со стороны других цитокинов могут проявляться в форме повышенной иммунологической реактивности.

ИЛ5. Этот димерный белок с молекулярной массой 5060 кДа продуцируется Т-хелперами 2, т. е. теми же клетками, что и ИЛ4. Синтез ИЛ5 Т-хелперными лимфоцитами происходит только в ответ на антигены или другие индукторы.

Влияние ИЛ5 на эозинофилы заключается в усилении функциональной активности зрелых клеток, поддержании их жизнеспособности, продукции супероксидного аниона и стимуляции хемотаксиса эозинофилов, а также избирательной стимуляции пролиферации и дифференцировки предшественников эозинофилов в костном мозгу. В последнем ИЛ5 синергичен с ИЛ1 и ИЛ3. Вероятно, ИЛ5 является цитокином, ответственным за селективную активацию эозинофилов при аллергических заболеваниях.

ИЛ6. Этот цитокин представляет собой белок с молекулярной массой 1934 кДа. Он секретируется многими типами клеток, участвующих прямо или косвенно в осуществлении воспалительной реакции и иммунного ответа (покоящиеся T-лимфоциты; T-лимфоциты, трансформированные вирусом; фибробласты; моноциты; макрофаги; эндотелиоциты; кератиноциты; клетки многих опухолей). Действие ИЛ6 может осуществляться местно в очаге воспаления и системно при его попадании в циркуляцию.

Местное действие ИЛ6 на иммунокомпетентные клетки заключается в стимуляции пролиферации T-хелперов 1 и 2, усилении продукции ИЛ2, индукции ЦТЛ, а также в ускорении дифференцировки В-лимфоцитов в антителопродуценты. ИЛ6 увеличивает экспрессию молекул МНС класса I, но не класса II.

Системное действие ИЛ6, характеризующее его как типичный медиатор воспалительной реакции, проявляется при распространении очага инфекции и попадании ИЛб в циркуляцию. Одним из важных звеньев системного действия ИЛ6 служит его стимулирующее влияние на пролиферацию костномозговых клеток-предшественников гранулоцитов и макрофагов, приводящее к увеличению выхода зрелых форм этих клеток для восполнения утраченных в ходе воспалительной реакции фагоцитов.

ИЛ6 вызывает индукцию белков острой фазы воспаления гепатоцитами. Эта особенность цитокина также является проявлением его системного действия. ИЛб, так же как ИЛ1 и ФНО, индуцирует лихорадку, являясь еще одним эндогенным пирогеном. Он оказывает прямое действие на клетки мозга, индуцируя продукцию АКТГ.

ИЛ7. Этот лимфокин является полипептидом с молекулярной массой 14,9 кДа. Биологические свойства ИЛ7 изучены недостаточно. Полагают, что этот цитокин выступает одним из факторов, продуцируемых клетками стромы костного мозга, а возможно, и тимуса, которые стимулируют рост пре-В- и пре-Т-лимфоцитов .

ИЛ8. Представляет собой олигопептид с молекулярной массой 8,8 к Да. Его изоэлектрическая точка находится в области 8,08,5. Как и все интерлейкины, он является индуцибельным белком. ИЛ8 продуцируется макрофагами, лимфоцитами, эпителиальными клетками почки, фибробластами, эндотелиоцитами. Рецепторы для ИЛ8 обнаружены на нейтрофилах. ИЛ8 является мощным индуктором острой воспалительной реакции, вызывая миграцию нейтрофилов в очаг проникновения патогенного фактора. Помимо основной функции, ИЛ8 способствует усилению адгезивных свойств нейтрофилов, генерации активных форм кислорода, активации пентозофосфатного шунта, подъему концентрации Са2+, изменяет форму нейтрофилов, способствует экзоцитозу.

Фактор некроза опухолей (ФНО). Был впервые получен в результате введения мышам бактериальных эндотоксинов. Обладает цитотоксической активностью по отношению к опухолевым клеткам. ФНО представляет собой полипептид с молекулярной массой около 17 кДа. Основными продуцентами этого цитокина являются моноциты (макрофаги) и лимфоциты. Под воздействием бактериальных токсинов клетки моноцитарно-макрофагальной системы активируются и начинают синтезировать ФНО, ИЛ-1, ИЛ-6 и вещества прокоагулянтного действия.

Многие функции ФНО-? и ФНО-? (лимфотоксин) идентичны функциям ИЛ-1. При совместном использовании этих цитокинов часто наблюдается потенцирование действия или синергизм между молекулами. ФНО? и ИЛ1 действуют синергично на фибробласты, усиливая продукцию ПГЕ2. Синергичное влияние выявлено при радиопротекторном эффекте. Полагают, что такой синергизм является скорее всего результатом воздействия вторичных мессенджерных молекул, так как ИЛ1 уменьшает число рецепторов для ФНОа.

ФНО? и ФНО? способны тормозить клеточную пролиферацию, дифференцировку и функции клеток почти всех типов. Они служат медиаторами цитотоксичности. В результате их высвобождения повышается проницаемость капилляров, повреждается эндотелий сосудов, возникает внутрисосудистый тромбоз. В настоящее время признано, что ФНО играет ведущую роль в патогенезе септического шока.

ИЛ10. Этот лимфокин (1721 кДа), продуцируемый Т-хелперами 2, может рассматриваться как антагонист ряда цитокинов. ИЛ10 подавляет продукцию ИФН? Т-хелперами 1. ОH тормозит пролиферативный ответ T-клеток на антигены и митогены, а также подавляет секрецию ИЛ1?, ФНО и ИЛ6. В то же время ИЛ10 стимулирует секрецию иммуноглобулинов В-лимфоцитами.

ИЛ12. Лимфокин человека состоит из двух субъединиц с молекулярной массой 40 и 50 кДа, удерживаемых дисульфидной связью. Субъединица р40 гомологична рецептору для ИЛ6, а субъединица р50 имеет частичную гомологию с ИЛ6 и гранулоцитарным колониестимулирующим фактором. ИЛ12 повышает литическую активность клеток системы ЛАК, а также специфическую цитотоксичность ЦТЛ. ИЛ12 рассматривают как ростовой фактор при активации Т-лимфоцитов и натуральных киллеров.

8.4.4. Регуляторные иммунонейроэндокринные сети

Клетки иммунной системы обладают передающими трансмембранный сигнал рецепторами к целому ряду гормонов и нейромедиаторов, включая кортикостероиды, инсулин, гормон роста, тестостерон, эстрадиол, адреналин, норадреналин, ацетилхолин, эндорфины, энкефалины и другие (рис. 8.55). Глюкокортикоиды, андрогены, эстрогены и прогестерон подавляют иммунные реакции, а гормон роста, тироксин, инсулин, мелатонин их стимулируют. В то же время показано, что характер влияния на иммунные процессы глюкокортикоидных гормонов зависит от концентрации последних: высокие концентрации оказывают иммунодепрессивное действие, низкие - иммуностимулирующее. Половые различия особенно заметны при аутоиммунных заболеваниях.

Усиление иммунного ответа может быть получено в результате денервации селезенки, которая, так же как и другие органы иммунной системы, имеет автономную иннервацию. Неонатальная симпатэктомия, произведенная с использованием 6-гидроксидофамина, также усиливает иммунный ответ.

Сильный стресс может индуцировать состояние иммунодефицита. Такое состояние наблюдается у спортсменов-профессионалов на "пике" спортивной формы. При этом выявляется снижение активности натуральных киллеров, уменьшение показателя CD4/CD8 и содержания IgA в слюне, снижение интенсивности пролиферативного ответа лимфоцитов на антигены и митогены, а также угнетение функций неспецифического иммунитета. Аналогичные изменения можно наблюдать у животных в эксперименте при продолжительных и интенсивных стрессорных воздействиях.

Сетевые взаимодействия. Некоторые цепи сетевых взаимодействий между иммунной и нейроэндокринной системами подробно рассмотрены. Известно, что многие иммунные реакции находятся под контролем гипоталамо-гипофизарно-адреналовой системы. При этом показано увеличение синтеза глюкокортикоидов под действием ИЛ1, ИЛ2, ФНО и ИЛ6. В то же время глюкокортикоиды тормозят иммунный ответ, воздействуя на продукцию упомянутых цитокинов (рис. 8.56). Наиболее изучено участие эндокринной системы в эффекторной передаче сигналов от мозга к органам и клеткам, реализующим иммунологические функции организма. Переключение нервных механизмов на эндокринные может происходить посредством активации продукции либеринов и статинов, стимуляции синтеза и освобождения гипоталамических нейрогормонов (окситоцин, вазопрессин) и тропных гормонов гипофиза, а также через изменение притока сигналов по нервным путям к эндокринным органам. Поступление гормонов с кровотоком в органы иммунной системы, вероятно, регулируется опосредованно, через изменение их кровоснабжения. К основным способам передачи модулирующих сигналов от мозга к иммунной системе следует отнести гормональные, нервные и нейропептидные пути. Нейроны, нейросекреторные клетки и глиальные элементы головного мозга, в свою очередь, несут

Рис. 8.55 Рецепторы к нейромедиаторам и регуляторным пептидам на мембранах макрофагов и лимфоидных клеток

МХР - мускариновый холинорецептор; ГР - гистаминовый рецептор; ОР - опиатный рецептор; СР - серотониновый рецептор; ?-АР - ?-адренорецептор; Т - Т-лимфоцит; В - В-лимфоцит; М - макрофаг.

Рис. 8.56 Два механизма вмешательства иммунных процессов в деятельность нервной и эндокринной систем

А - глюкокортикоидная обратная связь: торможение синтеза интерлейкина-1 и других лимфокинов; Б - аутоантитела к гормонам и их рецепторам. Тх - Т-хелпер, МФ - макрофаг.

специфические рецепторы к медиаторам иммунной системы, взаимодействуя с которыми, выполняют центральный компонент острофазового ответа.

В осуществление сетевых взаимодействий могут также включаться клеточные рецепторы к гормонам, сами гормоны, антитела к гормонам и антиидиотипические антитела (рис. 8.56). Появление в организме антител к гормональным рецепторам приводит к развитию аутоиммунных заболеваний. Существует значительное разнообразие аутоиммунных процессов, мишенью которых становится щитовидная железа.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Иммунная система - сложная физиологическая система, контролирующая индивидуальность и целостность организма. Главной особенностью работы этой системы является способность отличать собственные структуры организма от генетически чужеродных и уничтожать последние. Началом каждой иммунологической реакции служит процесс распознавания антигена. В том случае, если иммунная система определяет, что появившиеся клетки или вещества - это не "свое", а "чужое", включаются механизмы иммунного ответа.

Способность организмов отличать "свое" от "чужого" существует сотни миллионов лет, однако лишь у позвоночных появляется морфологическая основа иммунной системы в виде лимфомиелоидного комплекса. У млекопитающих имеется разветвленная сеть обособленных, в достаточной мере структурированных образований, включающих костный мозг и тимус (первичные лимфоидные органы), а также селезенку, пейеровы бляшки кишки, миндалины, многочисленные и сложно организованные лимфатические узлы (вторичные лимфоидные органы). Подобно нижестоящим в филогенетическом отношении классам позвоночных, у млекопитающих различают органы со смешанным лимфомиелопоэзом (костный мозг, селезенка) и органы, в которых осуществляется исключительно лимфопоэз (тимус, лимфатические узлы). Наличие афферентных и эфферентных лимфатических сосудов обеспечивает миграцию и широкий обмен клетками между органами и кровеносной системой. Лимфоидные органы находятся под контролем нервной и эндокринной систем, деятельность которых, в свою очередь, изменяется в зависимости от уровня функционирования иммунной системы.

Основными клеточными элементами иммунной системы являются лейкоциты во всем многообразии их популяций и субпопуляций. Начиная с работ И. И. Мечникова, считается, что эффективное функционирование иммунной системы обеспечивается тесным единством специфических и неспецифических факторов системной защиты. По механизму действия в большей степени специфичны те факторы иммунитета, которые возникают на поздних этапах эволюции. Наиболее филогенетически старым элементом клеточного иммунитета считают фагоцитирующие клетки, представленные у человека моноцитами (макрофагами) и нейтрофилами. Одна из субпопуляций лимфоцитов - естественные (нормальные) киллеры - не обладает специфичностью, оказывая цитотоксическое действие на все чужеродные клетки. Наиболее высокоспецифическое действие в отношении чужеродных антигенов демонстрируют филогенетически молодые Т- и В-лимфоциты. В целостном организме высших позвоночных в результате кооперации всех факторов неспецифические компоненты приобретают определенную степень специфичности, а специфические факторы выполняют функцию инициаторов, включающих мощные силы неспецифического иммунитета.

Рис. 8.57 Схема иммунного ответа

АГ - антиген; АГ* - продукты деградации антигена; АПК - антигенпрезентирующая клетка; Б - базофил; В - В-лимфоцит; Г - гепатоцит ИЛ - интерлейкин; ИФ - интерферон; КАГ - чужеродная клетка; Мэ - макрофагэффектор; Н - нейтрофил; Пл - плазматическая клетка; РОФ - реактанты острой фазы воспаления; Та - Т-амплификатор (Тх 1); Тк -Т-киллер; Тх - Т-хелпер; ФНО - фактор некроза опухолей; Э -эозинофил; 1а - молекулы МНС II класса; Ig - иммуноглобулин; Нк - нормальный киллер.

При появлении в организме патогенных микроорганизмов, злокачественных клеток, а также клеток, зараженных вирусами, формируется неспецифическая воспалительная реакция, направленная на обезвреживание, связывание и удаление чужеродных антигенов. Эта реакция, названная острофазовым ответом, затрагивает многие системы организма и осуществляется на клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях (рис. 8.57). Организация острой воспалительной реакции носит клеточно-гуморальный характер, и в ней участвуют гранулоциты (нейтрофилы, эозинофилы, базофилы), макрофаги, лимфоциты (клеточные элементы специфического иммунитета), а также системы комплемента, интерферона, лизоцим, С-реактивный белок, цитокины и специфические антитела. Дегрануляция тучных клеток и базофилов, приводящая к появлению в среде ряда биологически активных веществ (гистамин, серотонин, гепарин и др.), вызывает сокращение гладкой мускулатуры артерий, расширение капилляров, увеличение их проницаемости для клеточных элементов, высокомолекулярных веществ и воды. Острая воспалительная реакция протекает в условиях нарушения функций ЦНС, что проявляется в изменении поведенческих реакций, возникновении лихорадки, увеличении содержания в крови АКТГ и стероидных гормонов коры надпочечников.

Специфические иммунные механизмы у позвоночных основаны на реакциях двух типов: клеточного и гуморального. Такой дуализм иммунной системы основан на наличии двух популяций лимфоцитов - Т- и В-клеток. При этом первые отвечают за клеточные реакции, вторые вырабатывают антитела. Помимо лимфоцитов, в иммунных реакциях участвуют и другие типы клеток, так называемые вспомогательные клетки, например, макрофаги. Созревание и дифференцировка лимфоцитов в эффекторные Т- и В-клетки включает антигеннезависимую и антигензависимую стадии, которые подразделяются на несколько этапов, причем на каждом из них для клеток характерно появление

определенных антигенов, называемых дифференцировочными. Они могут служить маркерами процесса дифференцировки.

Существует также особый генетический аппарат, имеющий важное значение для проявления иммунного ответа. Главный комплекс гистосовместимости (англ. Major Histocompatibility Complex - МНС) на разном уровне воздействует на иммунные процессы. В области МНС локализованы так называемые Ir-гены (англ. Immune Response), определяющие интенсивность иммунного ответа на тот или иной антиген. Благодаря деятельности этого комплекса формируется многообразие мембранных структур, характерное для клеток конкретного индивидуума и играющее важную роль в кооперации клеток.

Иммунный ответ клеточного типа базируется на активности Т-лимфоцитов , часть из которых оказывает непосредственное воздействие на антиген (например, клетки-киллеры), другие влияют опосредованно через медиаторы иммунного ответа (лимфокины). Специфичность клеточного иммунного ответа обеспечивается Т-клеточными рецепторами. В индукции клеточного иммунного ответа важную роль играют макрофаги, которые участвуют в презентации антигена и продуцируют факторы, стимулирующие пролиферацию и дифференцировку T-клеток. Если Т-лимфоцит присоединил соответствующий антиген, то в присутствии медиаторов иммунного ответа начинается пролиферация в результате которой возникает клон специфических T-клеток. В процессе развития иммунного ответа имеют место сложные кооперативные взаимодействия отдельных субпопуляций Т-лимфоцитов .

Неактивированные В-лимфоциты синтезируют небольшое количество иммуноглобулинов, которые встраиваются в мембрану клеток и функционируют в качестве антиген-специфических рецепторов. Синтез рецепторов и встраивание их в мембрану - это антиген-независимый процесс, рассматриваемый как этап нормальной дифференцировки В-лимфоцитов. При попадании антигена в организм происходит его связывание на рецепторах лимфоцитов, что служит необходимым, но не единственным сигналом к дальнейшей пролиферации и дифференцировке В-лимфоцитов. В большинстве случаев для индукции иммунного ответа необходимо взаимодействие нескольких типов клеток: помимо антителопродуцирующих В-клеток и их предшественников принимают участие макрофаги и T-лимфоциты.

Первичный иммунный ответ, как правило, протекает в три этапа: латентная фаза (антитела еще не обнаруживаются), log-фаза (постепенное увеличение синтеза специфических антител), плато (поддержание максимального количества циркулирующих антител). По достижении максимального уровня синтез антител может прекратиться, что ведет к уменьшению их общей концентрации вследствие катаболизма. Вторичный иммунный ответ, имеющий место при повторном контакте с антигеном, развивается значительно быстрее. Он характеризуется короткой латентной фазой, интенсивным антителообразованием и более высоким максимальным уровнем антител. Существование вторичного иммунного ответа обусловлено присутствием в организме долгоживущих клеток памяти.

В регуляции иммунного ответа гуморального типа принимают участие многочисленные факторы. Антитела, появляющиеся в начале иммунного ответа усиливают продукцию иммуноглобулинов. Антитела, синтезирующиеся на более поздних сроках иммунного ответа и обладающие большим сродством к антигену, оказывают ингибирующее действие на синтез иммуноглобулинов. Регуляция иммунного ответа гуморального типа осуществляется следующим образом: клетки- хелперы усиливают синтез антител, затем активируются механизмы, ограничивающие этот процесс. Немаловажную роль при этом играют генетические факторы.

Антитела продуцируются прежде всего в селезенке, костном мозге и лимфатических узлах. Затем они попадают в кровь или лимфатические протоки. Между внутри и внесосудистыми пространствами существует динамическое равновесие, определяемое проницаемостью для соответствующего иммуноглобулина. Концентрации IgA и IgE крайне высоки вне сосудистого русла, так как они секретируются в основном в слизистых оболочках.

При первичном иммунном ответе выработка IgM значительно опережает по времени синтез IgG, фаза продукции последнего более продолжительна. При вторичном иммунном ответе IgG синтезируется более активно. Подобная закономерность прослеживается для иммуноглобулинов в процессе эволюции позвоночных.

Рыбы и хвостатые земноводные имеют только один класс иммуноглобулинов, соответствующий высокомолекулярному IgM человека. У лягушек появляется второй иммуноглобулин с молекулярной массой порядка 180 кДа, который соответствует Ig-? кур и наблюдается во всем филогенетическом ряду от амфибий до птиц. Полагают, что этот иммуноглобулин является непосредственным предшественником IgA млекопитающих. IgG, IgD и IgE являются особенностью млекопитающих.

В ходе онтогенеза способность организма к иммунному ответу на антиген возникает не сразу, а вырабатывается в течение длительного периода. Сначала организм отвечает иммунными реакциями на ограниченное число антигенов, постепенно их количество увеличивается. Организм новорожденных обладает менее выраженной иммунологической компетентностью, чем взрослых. Развитие иммунных реакций клеточного и гуморального типов в онтогенезе происходит практически параллельно. При этом решающим фактором для индукции иммунной реакции служит тип антигена. У плода человека в III триместре беременности некоторые антигены могут вызывать иммунные реакции клеточного и гуморального типа. Ответ на другие антигены возможен только после рождения ребенка. У новорожденных способность к иммунному ответу проявляется в реакции на прививку БЦЖ ( BCG (Bacillus CalmetteGuerin - бацилла Кальметта-Герена) - вакцинный штамм микобактерии туберкулеза (Mycobacterium bovis) со сниженной вирулентностью; применяется для профилактики туберкулеза), которую делают вскоре после рождения. Первым иммуноглобулином, продуцирующимся в организме человека, является IgM. К моменту рождения в организме ребенка обнаруживается определенный уровень IgM. Концентрация IgM достигает уровня взрослого индивидуума через 12 года, IgG - через 8 лет, IgA - спустя 10 лет.

Между клетками различных субпопуляций Т и В-лимфоцитов возникают сложные сетевые взаимодействия вида идиотип-антиидиотип, обусловленные их способностью распознавать не только чужеродные антигенные детерминанты, но и идиотипические детерминанты самих лимфоцитарных рецепторов. T-хелперы, T-супрессоры и В-лимфоциты взаимодействуют друг с другом в идиотип-антиидиотипических реакциях, приводящих к стимуляции либо подавлению

иммунного ответа.

Регуляция пролиферации и дифференцировки в специфические эффекторы Т- и В-лимфоцитов осуществляется с помощью цитокинов. Цитокины - это гликопротеины, молекула которых содержит 100200 аминокислотных остатков. Семейство цитокинов включает интерлейкины (выделено - 15, хорошо изучены функции у 8), интерфероны, колониестимулирующие факторы, факторы некроза опухолей. Часть из них продуцируется в организме постоянно, секреция других индуцируется антигенами. Биологическая активность этих веществ осуществляется через специфические рецепторы, широко представленные на многих типах клеток.

Цитокины контролируют протекание иммунных реакций, инициируют формирование воспалительной реакции, участвуют в элиминации опухолевых клеток, а также оказывают влияние на функциональное состояние нервной и эндокринной систем.

Между иммунной и нейроэндокринной системами существуют тесные двусторонние связи, которые определяют формирование защитных реакций организма на повреждающие воздействия различной природы. В реализации этих связей важное место принадлежит ИЛ1, обладающему широким спектром влияний на механизмы резистентности организма. Помимо участия в системе интраиммунной регуляции ИЛ1 в качестве иммуномедиатора оказывает прямое влияние на структуры ЦНС. Нейротропные эффекты цитокина включают воздействие (непрямое) на терморегуляторные центры и индукцию лихорадки, индукцию медленноволнового сна, аналгетическое действие, снижение аппетита, а также активацию гипоталамо-гипофизарно-адренокортикальной системы. Реализуемые через цитокины и антитела взаимосвязи между иммунной и нейроэндокринной системами играют важную роль в механизмах резистентности организма к различным патологическим факторам.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Вершигора А. Е. Общая иммунология. Киев, 1990.

Галактионов В. Г. Графические модели в иммунологии М., 1986.

Галактионов В. Г. Очерки эволюционной иммунологии. М., 1995.

Горышина Е.Н.,Чага О. Ю. Сравнительная гистология тканей внутренней среды с основами иммунологии. Л.,1990.

Дреслер К. Иммунология: Словарь. Киев, 1988.

Иммунология: В 3 т. / Под ред. У. Пола. М., 1987.

Кетлинский С. А.. Симбирцев А. С.. Воробьев А. А, Эндогенные иммуномодуляторы. СПб 1992

клиническая иммунология и аллергология: В 3 т. / Под ред. Л. Йегера. М., 1990

клиническая иммунология. Руководство для врачей / Под ред. Е. И. Соколова. М 1998

Лорнева Е. А., Шхинек Э. К. Гормоны и иммунная система. Л., 1988.

Новиков В. С., Смирнов В. С. Иммунофизиология экстремальных состояний. СПб 1995

Пальцев М. А., Иванов А. А Межклеточные взаимодействия. М., 1995.

Ллеифер Дж. Наглядная иммунология. М., 1999.

Программированная клеточная гибель / Под ред. В. С. Новикова. СПб., 1996

Роит А. Основы иммунологии. М., 1991.

Хаитов Р. М., Пинегин Б. В.. Истамов X. И. Экологическая иммунология. М 1995

Ярилин А. А. Основы иммунологии. М. 1999.

Ярилин А. А., Добротина Н. А. Введение в современную иммунологию. Н. Новгород, 1997.

9 ФУНКЦИИ КРОВООБРАЩЕНИЯ

ВЕХИ ИСТОРИИ

VII в. до н. э - II в. н. э. - Гиппократ, Эразистрат, Аристотель (Древняя Греция), К. Гален (С. Galenus Древний Рим) создали учение о кровообращении, согласно которому кровь зарождалась в печени, двигалась по сосудам от сердца к тканям и там исчезала. Различие между артериями и венами не было известно. Предполагалось наличие сообщения между правой и левой половинами сердца. Эти представления оставались догмой в течение последующих 1500 лет.

XIII в. - Ибн Нафис (Ibnul-Nafiess, Арабский Восток) описал легочный кровоток и правильно понял его назначение Отверг представление о сообщении между правой и левой половинами сердца.

XV в. - Леонардо да Винчи (Leonardo da Vinci, Италия) описал четыре камеры сердца, атриовентрикулярные клапаны, их сухожильные хорды и сосочковые мышцы.

XVI в. - М. Сервет (М. Servet, Испания) повторно открыл существование малого круга кровообращения.

1620 - Г. Асселиус (G. Asellius, Италия) впервые описал лимфатические сосуды.

1628 - У. Гарвей (W. Harvey, Англия) в трактате "Анатомические исследования о движении сердца и крови у животных" описал большой и малый круги кровообращения и объяснил их функции.

1661 - М. Мальпиги (М. Malpighi, Италия) открыл существование капилляров. 1816 - Р. Лаэннек (R. Laennec, Франция) изобрел стетоскоп и разработал метод аускультации сердца.

1832 - Ж. Марей (J. Маrеу, Франция) создал сфигмограф - прибор для регистрации пульсовых колебаний стенок артерий.

1842 - А. П. Вальтер (Россия) открыл влияние симпатических нервов на просвет кровеносных сосудов.

1845 - Я. Пуркинье (Пуркине) (J. Purkinje, Чехия) описал специфические мышечные волокна, проводящие возбуждение по сердцу (волокна Пуркинье), положил начало изучению проводящей системы сердца.

1845 - Братья Эд. и Эр. Г. Веберы (Ed. Weber, Er. H. Weber, Германия) обнаружили торможение сердца вплоть до полной его остановки в диастоле при раздражении блуждающих нервов.

1843-1860 - К. Людвиг (К. Ludwig, Германия) установил наличие в продолговатом мозгу сосудодвигательного центра. Разработал метод графической регистрации кровяного давления на кимографе изобрел прибор для измерения скорости движения крови по сосудам (часы Людвига) Первым предложил метод перфузии для поддержания функций изолированных органов животных. В 1866 г. обнаружил центростремительный нерв-депрессор (чувствительные волокна, идущие от барорецепторов сосудов в составе блуждающего нерва).

1852 - К. Бернар (К. Bernard, Франция) описал роль симпатической нервной системы в регуляции просвета сосудов.

1867 - И. Ф. Цион (Россия) описал учащение сердечной деятельности при раздражении симпатических нервов сердца (положительный хронотропный эффект).

1870 - А. Фик (A. Fick, Германия) разработал принцип определения минутного объема кровотока, основанный на определении количества кислорода, поглощаемого организмом за единицу времени, и сравнении содержания кислорода в артериальной и венозной крови.

1871 - Ф. В. Овсянников (Россия) открыл сосудодвигательный центр и описал его локализацию в продолговатом мозгу.

1871 - Г. Боудич (Н. Bowditch, США) обнаружил постепенное достижение максимальной амплитуды сокращений сердца при последовательных раздражениях одинаковой силы ("лестница Боудича").

1880 - Г. Станниус (Н. Stannius, Германия) показал убывание степени автоматии проводящей системы сердца лягушки по ходу движения крови по органу - градиент автоматии.

1887 - У. Шарпи и А. Уоллер (W. Sharpey, A. Waller, Великобритания) впервые записали электрокардиограмму человека капиллярным электрометром конструкции Липпмана. Уоллер предложил схему электрического поля сердца, выдвинул представление о дипольной структуре сердца и электрической оси.

1893 - В. Гис (W. His, Германия) обнаружил предсердно-желудочковый пучок (пучок Гиса).

1895 - О. Франк (О. Frank, Германия), Э. Старлинг (Е. Starling, Великобритания) открыли физиологический закон, согласно которому сила сокращения волокон миокарда пропорциональна первоначальной длине перед началом сокращения ("закон сердца", или закон Франка-Старлинга).

1896 - С. Рива-Роччи (S. Riva-Rocci, Италия) разработал метод бескровного измерения артериального давления с помощью ртутного сфигмоманометра. Момент измерения определялся путем пальпации места проекции артерии.

1903 - В. Эйнтховен (W. Einthoven, Нидерланды) создал первый электрокардиограф на базе струнного гальванометра Швейггера. Предложил три стандартных отведения, описал нормальную ЭКГ. Разработал основы векторного анализа ЭКГ, предложил метод определения электрической оси сердца. Сформулировал правило треугольника.

1905 - Н. С. Коротков (Россия) предложил аускультативный способ определения артериального давления (тоны Короткова).

1906 - Л. Ашофф (L. Ashoff, Германия) и С. Тавара (S. Tawara, Япония) описали предсердно-желудочковый узел (узел Ашоффа-Тавары).

1907 - А. Ф. Самойлов (Россия) описал зависимость ЭКГ от фаз дыхания. Экспериментально обосновал возможность кольцевого движения волны возбуждения по миокарду предсердий при мерцательной аритмии.

1907 - А. Кис и М. Флек (A. Keith, M. Flack, Великобритания) обнаружили синусно-предсердный узел (узел Киса-Флека) - водитель ритма сердца.

1911 - В. В. Воронин и А. А. Богомолец (Россия) разработали метод измерения кровяного давления в мельчайших кровеносных сосудах.

1916-Дж. Бахман (J. Bachman, США) открыл пучок волокон, соединяющий миокард обоих . предсердий (пучок Бахмана).

1920 - А. Крог (A. Krogh, Дания) - Нобелевская премия за открытие механизма капиллярного кровообращения.

1921-1936 - О. Леви (О. Loewi, Австрия) установил, что при раздражении симпатического или блуждающего нервов изолированного сердца лягушки в перфузате появляются вещества, оказывающие соответственно симпатический или парасимпатический эффекты. В 1936 г. вместе с Г. Дейлом (Н. Dale, Великобритания) удостоен Нобелевской премии "за открытия, связанные с химической передачей нервных импульсов".

1923 - Г. Геринг (Н. Hering, Германия) описал рефлексогенную зону в области разветвления общей сонной артерии.

1924 - В. Эйнтховен - Нобелевская премия за создание метода электрокардиографии.

1926 - К. и Ж. Хейманс (С. Heymans, J. Heymans, Бельгия) открыли хеморецепторы каротидного синуса и дуги аорты.

1941 - А. А. Кедров (СССР) разработал аппаратуру для реографии.

1950 - Н. Н. Савицкий (СССР) создал механокардиограф.

1956 - А. Курнан (A. Cournand, США), В. Форсман (W. Forssmann, ФРГ) и Д. Ричарде (D. Richards, США) - Нобелевская премия за создание методики катетеризации сердца.

1957 - Д. Бове (D. Bovet, Италия) - Нобелевская премия за создание аналогов кураре (нарушающих проведение возбуждения от нерва к мышце) и антигистаминовых препаратов.

1967 - К. Барнард (Ch. Barnard, ЮАР) впервые пересадил больному сердце погибшего человека.

1998 - Р. Фуршготт, Л. Игнарро и Ф. Мюрад (R. Furchgott, L. Ignarro, F. Murad, США) - Нобелевская премия за открытие роли NO как сигнальной молекулы в сердечнососудистой системе.

Непрерывное движение крови в организме обеспечивается системой органов кровообращения - сердцем и сосудами. Посредством кровообращения достигается интеграция различных функций организма и его участие в реакциях на изменение окружающей среды.

9.1. ЭЛЕМЕНТЫ ЭВОЛЮЦИИ

Совершенствование организации сердечнососудистой системы представляет собой результат длительного филогенетического развития. Система транспорта у простейших - диффузия - дополняется интенсивным движением протоплазмы. Это свойство сохранилось почти у всех клеток многоклеточных. Губки и кишечнополостные используют для транспорта веществ среду своего обитания. Жгутиками или сокращением мышц они проталкивают воду по межклеточным каналам. У нематод, иглокожих, некоторых полихет и голотурий движение жидкости поддерживается соматическими мышцами.

У членистоногих, низших моллюсков и низших хордовых появляется незамкнутая циркуляторная система, в которой сердце перекачивает гемолимфу. По системе трубок она достигает различных частей тела, где сосуды прерываются специальными лакунами, у которых отсутствуют собственные стенки. Гемолимфа смешивается с тканевой жидкостью, проникает в межклеточное пространство и затем вновь возвращается в сердце.

Характерной чертой эволюции является постепенное обособление аппарата кровообращения и превращение его в замкнутую систему (рис. 9.1). У олигохет, многих полихет, головоногих моллюсков появляется замкнутая система кровообращения с одним или несколькими нагнетающими устройствами. На этом этапе эволюции кровь соприкасается с тканями при помощи капилляров. У некоторых животных образуются специальные синусы.

Таким образом, возникает два вида внутренней среды: кровь, циркулирующая по сосудам, и тканевая жидкость, или лимфа, находящаяся в межклеточных пространствах.

Рис. 9.1 Эволюция системы кровообращения А - черви; Б - низшие моллюски; В - рыбы; Г - амфибии; Д - высшие позвоночные. Сократительное образование, сообщающее крови движение, заштриховано, артериальная система обозначена темным цветом, 1 - местоположение органа дыхания (на рисунке не обозначен), 2 - лакунарная часть системы, 3 - капилляры.

Рис. 9.2 Кровообращение млекопитающих (А) и распределение крови в сосудах различного типа (Б)

1 - капилляры головы, 2 - легочная вена, 3 - дуга аорты, 4 - левое предсердие, 5 -левый желудочек, 6 - брюшная аорта, 7 - капилляры большого круга, 8 - кишечная артерия, 9 - воротная вена, 10 - печеночная вена, 11 - правый желудочек, 12 - правое предсердие, 13 - легочная артерия, 14 - капилляры, 15 - русло емкостных сосудов, 16 - русло резистивных сосудов, 17 - ткани, 18 - русло обменных сосудов.

Одновременно с усложнением периферической части кровеносной системы происходит постепенное структурное и функциональное обособление специализированного центрального органа - сердца. У низших хордовых животных, таких как ланцетник, роль насоса выполняет пульсирующий брюшной сосуд, у червей- спинной. У пиявок существует два боковых пульсирующих сосуда, сокращающихся поочередно.

У членистоногих, моллюсков произошло обособление сердца, что значительно увеличило эффективность системы кровообращения. Сердце большинства членистоногих представляет собой сокращающуюся трубку, у некоторых видов оно свободно лежит в перикардиальной полости. У многих насекомых сердце "подвешено" при помощи мышц. Сокращаясь, мышцы растягивают сердце, создавая в нем отрицательное давление.

Следующим этапом эволюции явилось возникновение камерных сердец, а также выделение большого и малого (легочного) кругов кровообращения. У рыб существует только один круг, сердце разделено на две камеры. Из желудочков вся кровь направляется в жабры; обогащенная кислородом, она разносится затем по всему телу и после этого возвращается в предсердия. Сердца моллюсков уже состоят из одного-двух предсердий и желудочка. У головоногих моллюсков вблизи основания жабр находятся еще дополнительные, проталкивающие венозную кровь сердца. Такая система оказывается эффективнее системы кровообращения рыб, в которой сердцу приходится преодолевать двойное сопротивление: жаберных сосудов и сосудов остальных частей тела. У рыб происходит выделение лимфатической системы в самостоятельную. Она представлена у них лимфатическими мешками и сложноразветвленными трубками. Периферические концы трубок замкнуты, центральные - открываются в вены.

Выход из водной среды на сушу, повышенная гравитация предъявили новые требования к системе кровообращения: возросла масса сердца, изменились сосудистые стенки. Низкое давление в малом (легочном) круге кровообращения и, соответственно, более высокое давление в большом круге позволяют рептилиям и гомойотермным животным выдерживать дополнительную нагрузку, связанную с переходом к наземному образу жизни. У амфибий разделение двух кругов кровообращения неполное. У них нет межжелудочковой перегородки, хотя имеются межжелудочковые складки. Венозная кровь из органов поступает по венам в правое предсердие, а оттуда в желудочек. Желудочек нагнетает кровь в малый круг кровообращения. Прошедшая через легкие и обогащенная кислородом аэрированная кровь возвращается в левое предсердие и затем поступает в тот же общий желудочек. Считают, что из-за наличия межжелудочковых складок в сердце не происходит полного смешивания крови. Аэрированная кровь направляется сердцем в аорту и далее в сосуды головы. В остальные органы поступает смешанная венозная и аэрированная кровь.

Сердце рептилий характеризуется наличием двух желудочков, разделенных перегородкой. У ящериц и змей она неполная, но потоки аэрированной и неаэрированной крови в какой-то степени разделены. У высших рептилий (крокодил), птиц и млекопитающих межжелудочковая перегородка сформирована полностью. В связи с разделением кровообращения на большой и малый круги в правой половине сердца циркулирует только венозная кровь, в левой - артериальная (рис. 9.2). В сердце плода млекопитающих между предсердиями имеется овальное отверстие, которое зарастает после рождения.

Совершенствование функций сердца и сосудов в процессе филогенеза происходило одновременно с совершенствованием нервных связей системы кровообращения. Иннервация сердца появляется только у миног, миксин. Она осуществляется блуждающим нервом, симпатической иннервации еще нет. Эти особенности определяют низкие адаптационные возможности системы кровообращения животных, обитающих в относительно более постоянных условиях среды, чем наземные.

9.2. ФУНКЦИИ СЕРДЦА

Источником энергии, необходимой для продвижения крови по сосудам, является работа сердца. Его строение изменялось и совершенствовалось в процессе филогенеза. Различают следующие типы сердец:

пульсирующие сосуды, трубкообразные сердца, камерные сердца, ампулярные добавочные сердца.

Пульсирующие сосуды наиболее распространены на низших стадиях эволюции и особенно отчетливо выражены у кольчатых червей. Они могут сокращаться перистальтически или локально. Жидкость циркулирует в них медленно. Пульсирующие сосуды у насекомых трудно отличить от трубкообразных сердец.

Типичные трубкообразные сердца имеются у большинства членистоногих. В этих сердцах для некоторых видов характерно наличие приемной камеры, представляющей прообраз предсердия, для других - появление клапанов. Сокращение может охватывать все трубкообразное сердце целиком или распространяться волнообразно. Кровь в такое сердце обычно поступает через парные отверстия, оттекает по одной или нескольким артериям.

Следующим этапом филогенеза являются камерные сердца моллюсков и позвоночных. Это уже более совершенный тип насоса, состоящий из предсердий, желудочков и клапанного аппарата. У моллюсков и рыб сердце двухкамерное, состоящее из предсердия с предшествующим ему венозным синусом и желудочка, от которого отходит артериальный сосуд - брюшная аорта. Сердце рыб перекачивает только венозную кровь, поступающую от органов. От сердца кровь гонится к жабрам, где она обогащается кислородом.

Эволюция двухкамерного сердца начинается с двоякодышащих рыб. Появление легких у земноводных сопровождается образованием двух предсердий, и сердце становится трехкамерным. У этих животных возникают краниальные и каудальные полые вены, отводящие кровь от тела в правое предсердие.У высших позвоночных и человека появились четырехкамерные сердца с полным разделением потоков артериальной и венозной крови (см. рис. 9.2). Они будут рассмотрены ниже.

Ампулярные сердца существуют как добавочные к основным. Они располагаются преимущественно в местах повышенного сопротивления сосудов, где для прокачивания крови требуется создание повышенного давления. У моллюсков, например, они находятся в жабрах, у насекомых - в местах прикрепления крыльев и конечностей.

9.2.1. Общие принципы строения

У высших позвоночных сердце состоит из двух половин: левой (системной) и правой (легочной). Их функциональное разделение происходит только после рождения. В каждой половине находятся предсердие и желудочек. Предсердие и желудочек соответствующей половины соединены между собой предсердно-желудочковым (атриовентрикулярным) отверстием, снабженным в левой половине двустворчатым, в правой - трехстворчатым клапанами (рис. 9.3-9.6).

Со стороны желудочков к клапанам прикрепляются сухожильные хорды (нити), что позволяет клапанам открываться только в сторону желудочков. Помимо клапанов отверстия имеют кольцевые сосочковые мышцы, участвующие в замыкании отверстий. От левого желудочка отходит аорта, которой начинается большой круг кровообращения, а от правого желудочка - легочная артерия, являющаяся началом малого, или легочного, круга кровообращения. Отверстия, которыми начинаются эти сосуды, закрыты полулунными клапанами, открывающимися только во время сокращения желудочков.

Стенка сердца состоит из трех слоев: эндокарда, миокарда (рис. 9.4) и эпикарда. Основную массу составляет миокард, имеющий наиболее сложное строение. Его образуют отдельные мышечные волокна, каждое из которых является функциональной единицей. Миокард представляет собой цепочку соединенных последовательно (конец в конец) клеток, имеющих общую мембрану. Ткань миокарда, сохраняя сходство с поперечнополосатой скелетной мышечной тканью, существенно отличается от нее рядом признаков, в том числе особой насыщенностью кардиомиоцитов митохондриями, что отражает высокий уровень метаболизма ткани, обладающей непрерывной активностью.

Поперечный срез, сделанный через середину обоих желудочков, указывает на значительно большую толщину левого. Различия касаются также и внутреннего строения. Стенки левого желудочка представляют собой мощный цилиндр из циркулярной мускулатуры, покрытый снаружи и изнутри спиральными волокнами. B правом желудочке циркулярный слой развит относительно слабо, а основную массу составляют спиральные волокна. Такие различия в строении отражают функциональные особенности, т. е. те усилия, которые развиваются каждым из желудочков.

В миокарде кроме сократительных, или рабочих, волокон имеется особая система мышечных единиц, обладающих способностью к генерации спонтанной ритмической активности, распространению возбуждения ко всем мышечным слоям и координации последовательности сокращения камер сердца. Эти специализированные мышечные волокна составляют проводящую систему сердца.

Волокна рабочего миокарда соединяются друг с другом с помощью вставочных дисков - нексусов (рис. 9.7), обладающих незначительным электрическим сопротивлением. Они служат местом перехода возбуждения между клетками, обеспечивая функциональное единство миокарда.

Рис. 9.3 Внешний вид сердца, его главных артерий (А) и вен (Б)

1 - левая общая сонная артерия, 2 - левая подключичная артерия, 3 - левое предсердие, 4 - левая венечная артерия, 5 - огибающая ветвь левой венечной артерии, 6 - передняя нисходящая ветвь венечной артерии, 7 - задняя нисходящая ветвь левой венечной артерии. 8 - правая венечная артерия, 9 - ушко правого предсердия, 10 - легочный ствол, 11 - верхняя полая вена, 12 - аорта, 13 - плечеголовной ствол, 14 - большая вена сердца, 15 - средняя вена сердца, 16 - малая вена сердца, 17 - передняя вена сердца, 18 - венечный синус (впадает в правое предсердие), 19 - правое предсердие (оттянуто).

Рис. 9.4 Поперечный разрез сердца

1 - правое предсердие, 2 - левое предсердие, 3 - ветви левой легочной вены, 4 - париетальный листок перикарда, 5 - полость перикарда, 6 - митральный клапан, 7 - висцеральный листок перикарда, 8 - миокард, 9 - эндокард, 10 - левый желудочек, 11 - верхушка сердца, 12 - межжелудочковая перегородка, 13- правый желудочек, 14 - трехстворчатый клапан.

Рис. 9.5 Клапанный аппарат сердца

1 - левый предсердно-желудочковый (митральный, двухстворчатый) клапан, 2 - предсердно-желудочковая перегородка, 3 - нисходящая ветвь левой коронарной артерии, 4 - огибающая ветвь левой венечной (коронарной) артерии, 5 - клапан легочного ствола (артерии), в - правая коронарная артерия, 7 - устье правой коронарной артерии, 8 - клапан аорты; 9 - правый предсердно-желудочковый (трехстворчатый) клапан.

Рис. 9.6 Внутреннее строение сердца

Видны клапаны и места впадения и выхода основных артерий и вен. 1 - плечеголовной ствол, 2 - левая общая сонная артерия, 3 - левая подключичная артерия, 4 - аорта, 5 - ветви левой легочной артерии, 6 - левые легочные вены, 7 - левое предсердие, 8 - двустворчатый (левый атриовентрикулярный) клапан, 9 - аортальный полулунный клапан, 10- левый желудочек, 11 - межжелудочковая перегородка, 12 - верхушка сердца, 13 - нисходящая аорта, 14 - правый желудочек, 15 - сосочковая мышца, 16 - нижняя полая вена, 17 - сухожильные нити, 18 - трехстворчатый (правый атриовентрикулярный) клапан, 19- правое предсердие, 20 - полулунный клапан легочной артерии, 21 - правые легочные вены, 22- ветви правой легочной артерии, 23 - верхняя полая вена.

Рис. 9.7 Строение, сердечной (желудочек) мышцы. млекопитающих

Отчетливо виден вставочный диск, состоящий из двух мембран клеток, соединенных между собой конец в конец с помощью множества щелевых контактов и десмосом. 1 - миофибрилла, 2 - поверхностная мембрана, 3 - вставочный диск, 4 - саркоплазматический ретикулум, 5 - поперечная трубочка, 6 - митохондрия.

Таким образом, сердечная мышечная ткань ведет себя как функциональный синцитий. Эта особенность организации является основой для проявления закона "все или ничего". Суть этого закона состоит в том, что при действии раздражителя сердце либо отвечает сокращением всех рабочих мышечных волокон, либо (если раздражитель подпороговый) не отвечает совсем (рис. 9.8).

Этим свойством сердечная мышца отличается от. скелетных мышц и нервов, где каждая клетка возбуждается изолированно.

9.2.2. Свойства сердечной мышцы

К основным свойствам сердечной мышцы относятся автоматия, возбудимость, проводимость, сократимость.

Автоматия сердца. Способность к ритмическому сокращению без всяких видимых раздражении под влиянием импульсов, возникающих в самом органе, является характерной особенностью сердца. Это свойство называется автоматизмом. В том случае, когда импульсы появляются в мышечных волокнах, сердечная деятельность считается миогенной, если же импульсы возникают в клетках нервных ганглиев сердца - нейрогенной.

В миогенном сердце перерезка всех идущих к нему внешних нервов не прекращает автоматизма, поэтому извлеченное из тела сердце теплокровных и особенно холоднокровных животных при создании необходимых условий способно сокращаться в течение нескольких часов и даже суток. Ритмическое сокращение сердца проявляется уже на ранних стадиях эмбрионального развития (у человеческого эмбриона - на 18-20-е сут). Так же ритмически сокращаются сердечные клетки эмбриона в культуре ткани.

Рассматривая вопрос о координации сердечного цикла с эволюционной точки зрения, У. Гаскелл установил, что для червей, имеющих сердце трубчатого типа, характерно кольцеобразное расположение мышечных волокон со способностью

их к ритмическим сокращениям. Дальнейшее филогенетическое развитие сердца шло за счет образования мощной мышечной массы, при этом утрачивалась способность всей массы к автоматической ритмике. И только в определенных участках сердца оставались, еще более совершенствуясь, группы мышечных волокон, сохранившие первичное свойство автоматизма. Они имеют особое гистологическое строение, отличное от волокон рабочей мускулатуры. За этими волокнами установилось название атипическая мышечная ткань.

У холоднокровных эти волокна идут правильными рядами и кольцеобразно охватывают венозный синус. Они сконцентрированы также в атриовентрикулярном мостике и луковице аорты. На границе предсердий и желудочка волокна образуют спираль и далее спускаются по желудочку к верхушке сердца. Способностью к спонтанной генерации ритма обладают более примитивные клетки, но не высокоспециализированные рабочие кардиомиоциты. На ранних стадиях онтогенеза ритмической активностью обладают все клетки закладки сердца.

Природа автоматии до сих пор до конца не выяснена. У высших позвоночных и птиц возникновение импульсов связано с функцией атипических мышечных клеток - пейсмекеров, заложенных в узлах сердца. Нервные структуры способны оказывать влияние на силу и частоту их разрядов, однако сам процесс генерации импульсов является специфической особенностью этих клеток.

Атипическая ткань в сердце птиц и млекопитающих локализуется в областях, гомологичных венозному синусу и атриовентрикулярной области холоднокровных. Первый узел проводящей системы расположен в месте впадения полых вен в правое предсердие - синусно-предсердный (синусный, синоатриальный, синусно-аурикулярный, Киса-Флека) узел (рис. 9.9). Он является главным центром автоматии сердца - пейсмекером первого порядка.

Рис. 9.8 Сократительные свойства сердечной мышцы (закон "все или ничего" - А) и скелетной мышцы (градуальностъ -Б)

I - амплитуда сокращений, II - сила раздражения.

Рис. 9.9 Проводящая система сердца

1 - верхняя полая вена, 2 - синусно-предсердный узел, 3 - передний межузловой и межпредсердный пучки Бахмана, 4 - средний межузловой пучок Венкенбаха, 5 - задний межузловой пучок Торела, 6 - предсердно-желудочковый узел, 7 - предсердно-желудочковый пучок (Гиса), 8, 9 - левая и правая ножки пучка Гиса, 10 - субэндокардиальная сеть волокон Пуркинье, 11 - пучок Кента, 12 - пучок Махайма, 13 - пучок Паладино, 14 - нижняя полая вена, 15 - венечный синус, 16 - передняя ветвь ножки пучка Гиса.

От узла возбуждение распространяется к рабочим клеткам миокарда предсердий - и диффузно, и по специальным внутрисердечным проводящим пучкам. Оба потока достигают второго узла - не менее важного места, обладающего способностью генерировать импульсы, - предсердно-желудочкового (атриовентрикулярного, Ашоффа-Тавара) узла. Он расположен в толще сердечной перегородки на границе предсердий и желудочков. Узел состоит из трех обладающих собственной частотой возбуждения частей: верхней предсердной, средней и нижней желудочковой. Этот узел является пейсмекером второго порядка. Возбуждение через предсердно-желудочковый узел в нормальных условиях может проходить только в одном направлении. Ретроградное проведение импульсов невозможно.

Так достигается направленность движения возбудительного процесса и, как следствие, координированность работы предсердий и желудочков.

При прохождении возбуждения через предсердно-желудочковый узел импульсы задерживаются на 0,02-0,04 с. Это явление получило название атрио-вентрикулярной задержки. Ее значение состоит в том, что за время задержки успевает завершиться систола желудочков и их волокна будут находиться в фазе рефрактерности.

Третий уровень, обеспечивающий ритмическую активность сердца, расположен в пучке Гиса и волокнах Пуркинье (сердечных проводящих миоцитах). Пучок Гиса берет начало от предсердно-желудочкового узла и образует две ножки, одна из которых идет к левому, другая - к правому желудочку. Эти ножки ветвятся на более тонкие проводящие пути, заканчивающиеся волокнами Пуркинье, которые непосредственно контактируют с рабочими клетками миокарда.

Центры автоматии, расположенные в проводящей системе желудочков, носят название пейсмекеров третьего порядка. Таким образом, возбуждение по ножкам пучка Гиса направляется к верхушке сердца и оттуда по разветвлениям ножек и волокнам Пуркинье возвращается к основанию сердца. В результате этого сокращение сердца в целом осуществляется в определенной последовательности: сначала сокращаются предсердия, затем верхушки желудочков и, наконец, их основания. Пучок Гиса и волокна Пуркинье отсутствуют у пойкилотермных животных. Возбуждение у них распространяется по волокнам миокарда.

Перечисленные водители ритма сердца находятся в соподчиненном положении. В сердце существует так называемый убывающий градиент автоматии. Он выражается в убывающей способности к автоматии различных структур проводящей системы по мере их удаления от синусно-предсердного узла. В синусно-предсердном узле число разрядов составляет в среднем 60-80 имп/мин, в предсердно-желудочковом - 40-50, в клетках пучка Гиса - 30-40, в волокнах Пуркинье - около 20 имп/мин.

Таким образом, в сердце существует определенная иерархия центров автоматии, что позволило У. Гаскеллу сформулировать правило, согласно которому степень автоматии отдела тем выше, чем ближе он расположен к синусно-предсердному узлу. Это правило получило название закона градиента сердца.

В обычных условиях частоту активности миокарда всего сердца в целом определяет синусно-предсердный узел. Он подчиняет себе все нижележащие образования проводящей системы, навязывая им свой ритм. Поэтому все отдельные части проводящей системы, хотя и имеют собственный ритм, начинают работать в едином ритме. Явление, при котором структуры с замедленным ритмом генерации потенциалов усваивают более частый ритм других участков проводящей системы, называют усвоением ритма.

Следует заметить, что в областях узлов синусно-предсердном, предсердно-желудочковом - находятся нервные клетки. Их скопления и многочисленные волокна образуют густую нервную сеть, пронизывающую структуру узла. Эти нервные клетки относятся к кардиальной части метасимпатической нервной системы (см. разд. 5.4.3).

В мышечных волокнах предсердий и желудочков скорость проведения возбуждения колеблется в узких пределах, составляя 0,9-1,0 м/с, в волокнах предсердно-желудочкого узла - 0,05, в пучке Гиса - 1,0-1,5, в волокнах Пуркинье - 3,0 мс. Быстрое проведение в волокнах Пуркинье определяет почти одновременное возбуждение всех участков желудочков. Время полного охвата составляет около 10-15 мс. В связи с этим возрастают мощность сокращения и эффективность работы, связанная с проталкиванием желудочком крови.

Для обеспечения работы сердца необходимым условием является анатомическая целостность его проводящей системы. В том случае, если в пейсмекере первого порядка в силу каких-то причин не возникает возбуждения или блокируется его передача, роль водителя ритма берет на себя пейсмекер второго порядка. В случае же невозможности передачи возбуждения к желудочкам они начинают сокращаться в ритме пейсмекеров третьего порядка. При поперечной блокаде предсердия и желудочки сокращаются каждый в своем ритме. Повреждение водителей ритма ведет к полной остановке сердца.

На ранних стадиях эволюции встречается сугубо нейрогенный механизм регуляции сердечного ритма, так называемое нейрогенное сердце. Например, у большинства ракообразных на дорсальной поверхности сердца расположено несколько ганглиозных нервных клеток. Это генераторы ритма, т. е. пейсмекерные клетки сердца. Возникающее в них возбуждение широкой волной разливается на мышечные клетки, вызывая их сокращение. Частота генерации находится в прямой зависимости от наполнения сердца, т. е. состояния растянутости его стенок. Подобные ганглионарные нервные клетки-пейсмекеры есть и в сердце некоторых насекомых: у взрослых пчел, тараканов. Обнаружены они у ряда кольчатых червей. Удаление ганглиев приводит к немедленной остановке сердца. Нейрогенные сердца чрезвычайно чувствительны к эфиру. Даже малые его концентрации вызывают остановку сокращения сердца.

Клетки атипической мышечной ткани, составляющие проводящую систему сердца, функционально неоднородны. Из всей массы синусно-предсердного узла только несколько клеток, называемых истинными пейсмекерами, обладают способностью к спонтанной генерации потенциала действия. Остальные клетки относятся к потенциальным (латентным) водителям ритма. Они, как и рабочие кардиомиоциты, разряжаются в результате пришедшего к ним возбуждения. Потенциальные пейсмекеры отличаются от истинных особенностями медленной диастолической деполяризации и более низкой частотой разрядов. В свою очередь, от рабочих миокардиоцитов они отличаются тем, что последние вообще не способны к спонтанной деполяризации. В случае прекращения функции истинного пейсмекера потенциальный пейсмекер может взять на себя его ведущую роль, в то время как рабочие кардиомиоциты такой

способностью не обладают.

Особенностью механизма возникновения ритмов истинных и потенциальных пейсмекеров является то, что в отличие от волокон сократительного миокарда мембрана этих клеток во время диастолы приобретает большую ионную проницаемость что ведет к развитию медленной диастолической деполяризации - пейсмекерного потенциала. В этот момент возникает местное нераспространяющееся возбуждение. У потенциальных пейсмекеров эта фаза достигает порогового уровня позже, чем у истинных. С достижением диастолического порогового уровня происходит возникновение, распространяющегося ПД.

Ионный механизм пейсмекерного потенциала состоит в том, что во время фазы реполяризации клеточная мембрана становится более проницаемой для внутриклеточного К+ и мембранный потенциал приближается к равновесному калиевому потенциалу Еk. В результате проникновения внутрь клетки Na+ и Са2+ и уменьшения скорости выхода из клетки К+ возникает медленная диастолическая деполяризация. Когда уровень потенциала уменьшится по сравнению с исходным приблизительно на 2 мВ, наступает резкое увеличение проницаемости мембраны вначале для Na+, а позже для Са2+. Этот ионный ток приводит к возникновению пика ПД. Общая амплитуда ПД составляет около 100 мВ. С закрытием ионных каналов положительный заряд наружной поверхности мембраны восстанавливается. Появление ПД в пейсмекерной клетке сопровождается возникновением деполяризации в прилежащих к ней ведомых рабочих кардиомиоцитах, не обладающих автоматизмом, и распространением возбуждения. Рабочие клетки миокарда в отличие от водителей ритма в состоянии покоя характеризуются чрезвычайно низкой ионной проницаемостью для Na+ и Са2+, так что движение через их каналы К+ не вызывает сдвигов мембранного потенциала.

Ритм работы сердца зависит от массы животного и уровня метаболизма. Как правило, частота сердечных сокращений у животных с низкой общей подвижностью меньше, чем у подвижных. У улиток она колеблется от 0,2 до 20 в 1 мин, у кальмара и осьминога - от 40 до 80. У мелких животных частота сердечных сокращений, как правило, выше, чем у крупных. Например, частота сокращений у мелких птиц достигает несколько сотен в 1 мин, у домашних - 150-300, у мыши - 600-700, кролика - 120-140, кошки - 100-120, собаки - 60-120, лошади, слона - 25-60.

Зависимость между величиной животного и частотой сердечных сокращений объясняется более высоким уровнем метаболизма мелких животных. Высокий уровень может обеспечиваться только интенсивным кровоснабжением органов и тканей, а следовательно, более быстрым режимом работы сердца. Частота сердечных сокращений резко усиливается при мышечной работе. У ныряющих млекопитающих, птиц и черепах во время ныряния наблюдается урежение сердечной деятельности.

Возбудимость сердечной мышцы. Под действием электрических, химических, термических и других раздражителей сердце способно приходить в состояние возбуждения. В основе процесса возбуждения лежит появление отрицательного электрического потенциала в первоначально возбужденном участке.

Как и у любой возбудимой ткани, мембрана рабочих клеток сердца поляризована. Снаружи она заряжена положительно, изнутри - отрицательно. Это состояние возникает в результате разной концентрации Na+ и К+ по обе стороны мембраны, а также разной проницаемости мембраны для этих ионов. В покое мембрана кардиомиоцитов почти непроницаема для Na+ и частично для К+. В результате процесса диффузии ионы К+, выходя из клетки, увеличивают положительный заряд на ее поверхности. Внутренняя сторона мембраны при этом становится отрицательной. В миокарде теплокровных животных разность потенциалов в покое (потенциал покоя) составляет 60-80 мВ. При действии раздражителя любой природы, прихода возбуждения от соседней клетки или пейсмекера происходит поступление Na+ в клетку. В этот момент на поверхности мембраны возникает отрицательный электрический заряд и развивается реверсия потенциала. Амплитуда ПД составляет 100 мВ и более. Возникший потенциал деполяризует мембраны соседних клеток, у них возникают собственные ПД.

Рис. 9.10 Экстрасистола

А - схематическое изображение; Б - кривая сокращения. I - сокращение, II - возбудимость;

стрелками показаны раздражения, наносимые в разные фазы сердечного цикла, треугольниками - импульсы, исходящие из синусного узла.

Таким образом происходит распространение возбуждения в целом органе. Этот процесс одинаков в рабочем миокарде и в водителях ритма.

Возможность вызвать возбуждение сердца электрическим током нашла практическое применение в медицине. Под действием электрических импульсов, источником которых являются электронные стимуляторы, сердце начинает возбуждаться и работать в заданном ритме.

При нанесении электрических раздражении на работающее сердце в разные фазы его цикла оказывается, что независимо от величины и силы раздражения сердце не ответит, если это раздражение будет нанесено в период систолы, т. е. во время периода абсолютной рефрактерности (от фр. refractaire - невосприимчивый). Период рефрактерности длится столько же времени, сколько продолжается систола.

С началом расслабления возбудимости сердца начинает восстанавливаться и наступает период относительной рефрактерности. Нанесение в этот момент интенсивного стимула способно вызвать внеочередное сокращение - экстрасистолу. При этом пауза, следующая за экстрасистолой, длится больше времени, чем обычно, это так называемая компенсаторная пауза (рис. 9.10). После фазы относительной рефрактерности наступает период повышенной возбудимости. По времени он совпадает с диастолическим расслаблением и характеризуется тем, что импульсы небольшой силы могут вызвать сокращение сердца. Период этот непродолжителен, и вскоре наступает восстановление уровня возбудимости.

Потенциал действия клетки рабочего миокарда длится 0,3 с, что примерно в 150 раз продолжительнее, чем в клетке скелетной мышцы. Во время развития ПД клетка невозбудима к последующим стимулам. Ее рефракторный период почти в 100 раз больше такого же периода скелетной мышцы. Эта особенность исключительно важна для функции сердца как органа, так как в ответ на частые повторные раздражения миокард может отвечать только одним потенциалом действия и одним сокращением. Все это создает условия к ритмическому сокращению органа.

Длительный абсолютный рефракторный период, т. е. полная невозбудимость сердечной мышцы, предохраняет ее от быстрого повторного возбуждения до тех пор, пока не закончилась предыдущая волна деполяризации. Тем самым предотвращается нарушение нагнетательной функции сердца. Наличие фазы рефрактерности также препятствует возникновению кругового движения возбуждения по миокарду. В противном случае нарушилось бы ритмическое чередование систолы и диастолы. Абсолютная рефрактерность исключает и возможность тетанического сокращения сердца, заставляя его работать в ритме одиночного сокращения.

Сократимость сердечной мышцы. Несмотря на то что миокард состоит из большого числа мышечных элементов, он всегда функционально реагирует как единое целое. В отличие от скелетной мышцы миокард не обнаруживает зависимости между силой раздражения и величиной реакции. На подпороговые раздражения сердце вообще не отвечает, но как только сила раздражения достигает порогового уровня, возникает полное сокращение миокарда. Дальнейшее нарастание силы раздражающего тока не изменяет величины сокращения. Таким образом, пороговое раздражение является одновременно и максимальным. Эта особенность сокращения сердечной мышцы получила название закона "все или ничего".

Подчинение сердечной мышцы закону "все или ничего" объясняется ее структурной организацией. В сердечной мышце отдельные мышечные волокна соединены друг с другом вставочными дисками - протоплазматическими мостиками с очень малым электрическим сопротивлением. Поэтому при достижении раздражающим импульсом пороговой величины возбуждение распространяется, как по синцитию, и обязательно синхронно охватывает всю мышцу в целом.

Вместе с тем закон "все или ничего" не абсолютен. Если раздражать мышцу импульсами возрастающей частоты, не меняя их силы, .то величина сократительного ответа миокарда будет возрастать на каждый последующий стимул. Это явление получило название лестницы Боудича. Считают, что механизм возникновения явления лестницы состоит в том, что каждый последующий стимул попадает в фазу повышенной возбудимости мышцы, вызывая тем самым повышенную ответную сократительную реакцию.

Сократимость сердечной мышцы определяется особенностями строения ее волокон и соотношением между длиной и напряжением саркомера. Изменения сократительной силы миокарда, возникающие периодически, осуществляются посредством двух механизмов саморегуляции: гетерометрического и гомеометрического.

В основе гетерометрического механизма лежит изменение исходных размеров длины волокон миокарда, которое возникает при изменении величины притока венозной крови. Иными словами, чем сильнее сердце растянуто во время диастолы, тем оно сильнее сокращается во время систолы. Эта особенность сердечной мышцы установлена О. Франком и Э. Старлингом на сердечно-легочном препарате и получила название закона сердца (Франка-Старлинга). Объяснить его можно следующим образом. Сердечное волокно состоит из двух частей: сократительной и последовательно с ней соединенной эластичной. Во время возбуждения первая часть сокращается, вторая - растягивается, как пассивная пружина, в зависимости от нагрузки. В целостном организме действие закона сердца ограничено рядом других условий.

Гомеометрический механизм не связан с изменением длины саркомера и основан на непосредственном действии биологически активных веществ (таких как катехоламины) на метаболизм мышечных волокон, выработку в них энергии. Адреналин и норадреналин увеличивают вход Са2+ в клетку в момент развития потенциала действия, вызывая тем самым усиление сердечных сокращений.

Серию последовательных явлений в клетке миокарда, начинающуюся с пускового механизма сокращения - потенциала действия мембраны, включающую далее последовательность внутриклеточных процессов и

Рис. 9.11 Потенциалы, действия и сокращение скелетной и сердечной мыщц (А) и соответствующие им. изменения сократительного аппарата (Б)

а - потенциалы действия, б - изометрическое сокращение, 1 - начало сокращения, 2 - расслабление, 3 - сарколемма, 4 - миоплазма, 5 - поперечная трубочка, 6 - продольная трубочка, 7 - актив, 8 - миозин, стрелками обозначено движение ионов Са2+.

завершающуюся укорочением миофибрилл, называют сопряжением возбуждения и сокращения (электромеханическое сопряжение).

Укорочение мышечного волокна при сокращении мышцы происходит за счет вдвигания активных нитей между миозиновыми (рис. 9.11). Этот процесс осуществляется посредством веслообразных движений выступающих участков миозиновой нити - поперечных мостиков. Во время расслабления волокна актиновые нити отодвигаются назад, занимая прежнее положение. На их поверхности располагаются тонкие нити из белка тропомиозина. Они блокируют взаимодействие актина с миозином. Тропомиозин, в свою очередь, образует комплекс с белком тропонином. Тропонин обладает высоким сродством к Са2+ Миозиновые нити состоят из двух белков: легкого и тяжелого меромиозина. Тяжелый меромиозин образует поперечные мостики. Он обладает АТФазной активностью.

Сокращение кардиомиоцита запускается ионами Са2+. В результате потенциала действия Са2+ выходит из цистерн саркоплазматического ретикулума и поступает к сократительным белкам, где связывается тропонином. Возникновение связи сопровождается изменением пространственного расположения на актиновой нити тропонин-тропомиозинового комплекса. Этим снимается тормозное действие актина на активные центры. В результате образуется сокращающийся актомиозин, а также происходит расщепление АТФ, энергия которого идет на скольжение актиновых нитей.

В результате реполяризации мембраны наступает расслабление кардиомиоцита. Оно основано на том, что под действием реполяризации происходит удаление Са2+ от тропонина и последующее его связывание саркоплазматическим ретикулумом. В этот момент включаются насосы клеточных мембран, которые перекачивают Са2+ в межклеточную жидкость (рис. 9.11).

К структурам, отвечающим за сопряжение возбуждения и сокращения миокарда, относятся система поперечных трубочек, особенно сильно развитая в желудочках, а также система продольных трубочек, являющаяся внутриклеточным резервуаром Са2+

Ключевым событием в сокращении служит вход в клетку ионов Са2+ во время потенциала действия. Кальций увеличивает длительность потенциала действия и, как следствие, продолжительность рефракторного периода. Перемещение Са2+ из тканей жидкости является основой для регуляции "силы сокращения".

Следовательно, ПД играет роль не только пускового механизма сокращения, оказывая триггерное воздействие путем высвобождения внутриклеточного Са2+, он также пополняет запасы иона для последующих сокращений. Удаление Са2+ из межклеточных пространств приводит к полному разобщению возбуждения и сокращения миокарда. При этом ПД остается в неизменном виде, сокращения же кардиомиоцитов не происходит.

9.2.3. Механическая работа сердца

Сердце нагнетает кровь благодаря ритмическому последовательному сокращению мышечных волокон предсердий и желудочков. Его механической деятельностью управляют процессы возбуждения. Наличие проводящей системы сердца, общих слоев миокарда у обоих предсердий, одновременного прихода возбуждения по ножкам пучка Гиса и волокнам Пуркинье к клеткам миокарда желудочков делают сокращение предсердий и позже сокращение желудочков практически одновременным.

Несмотря на большую сложность процессов, лежащих в основе сердечной деятельности, сердце построено по принципу насоса ритмического действия. Как и всякий насос для перекачивания жидкости, оно снабжено двумя видами клапанов, расположенных на входе и выходе желудочков.

На эволюционном пути сформированный клапанный аппарат появился у низших позвоночных. В области внутренней поверхности артериального конуса сердца ганоидных рыб вдается три призматических соединительнотканных выроста. При расслабленном состоянии конуса во время диастолы кровь

Рис. 9.12 Изменение формы, сердца при сокращении его отделов

А - вид сверху, Б - изменение объема сердца в разные фазы его деятельности; пунктиром показаны контуры желудочков и отдельных отверстий при диастоле, предсердия удалены; 1 - полулунные клапаны аорты, 2 - трехстворчатый клапан, 3 - двустворчатый клапан, 4 - полулунные клапаны легочной артерии, 5 - систола предсердия, 6 - систола желудочков.

Рис. 9.13 Давление в полостях сердца в разные фазы сердечного цикла

А - правая половина сердца, Б - левая половина: верхние цифры означают давление в предсердиях, нижние - в желудочках (мм рт. ст.).

Рис. 9.14 Фазы сердечного цикла

I - предсердия; // - желудочки; фаза систолы заштрихована, фаза диастолы - светлая; а - асинхронное сокращение; б - изометрическое сокращение (а + б - фаза напряжения); в - фаза изгнания; г - протодиастолический период; д - изометрическое расслабление;

е - фаза наполнения желудочков.

свободно протекает через щель, образованную выростами. В момент систолы конуса и уменьшения диаметра трубки выросты плотно смыкаются и отделяют полость желудочка от аорты.

У костистых рыб клапанный механизм напоминает уже механизм высших позвоночных. В процессе эволюции масса клапанов уменьшается и заменяется легкой соединительнотканной мембраной. Мембрана одним своим краем закреплена неподвижно на сердечной стенке.

Предсердия и желудочки (рис. 9.12, см. рис. 9.5) разделяют левый и правый предсердно-желудочковые створчатые клапаны (в левой половине - двустворчатый, или митральный, в правой - трехстворчатый). Во время систолы желудочков эти клапаны препятствуют обратному забросу крови в предсердия.

По иному типу построены клапаны аорты и легочного ствола. Они образуют обращенные в полость сосуда карманоподобные углубления, полулунные заслонки, окружающие в виде полумесяцев устье сосудов, из-за чего получили название полулунных клапанов. Во время систолы желудочков клапаны открыты и прижаты к внутренним стенкам сосудов. В момент наступления диастолы устремляющаяся обратно из аорты и легочной артерии кровь захлопывает клапаны. Закрытие клапанов не требует специальной энергии сокращения, этот акт возникает в результате изменения давления в полостях сердца.

Безостановочное движение крови по сосудам обусловливается ритмическими сокращениями сердца, которые чередуются с его расслаблениями. Сокращение сердечной мышцы называется систолой, ее расслабление - диастолой. При каждой систоле желудочков происходит выталкивание крови из левого желудочка в аорту, из правого желудочка - в легочную артерию, во время диастолы они заполняются кровью, поступающей из предсердий (рис. 9.13). В предсердия кровь попадает из вен. В обычных условиях систола и диастола четко согласованы во времени. Период, включающий одно сокращение и последующее расслабление сердца, составляет сердечный цикл. Его общая продолжительность у человека и млекопитающих равна примерно 0,8 с. Сердечный цикл имеет три фазы: систолы предсердий, систолы желудочков, общая пауза.

Началом каждого цикла считается систола предсердий, длящаяся 0,1 с (рис. 9.14). Во время систолы повышается давление в полостях предсердий, что ведет к выталкиванию крови в желудочки. Желудочки в этот момент расслаблены, створки предсердно-желудочковых клапанов свисают и кровь свободно поступает из предсердий в желудочки. При сокращении предсердий кровь не может поступать в вены. В самом начале систолы их отверстия суживаются. Невозможно также затекание крови из аорты и легочной артерии в желудочки. Полулунные клапаны этих сосудов вследствие заполнения их кармашков кровью закрыты.

По окончании систолы предсердий начинается систола желудочков, длительность которой 0,3 с. В момент систолы желудочков предсердия оказываются уже расслабленными. Как и предсердия, оба желудочка - левый и правый -

сокращаются одновременно. Систола желудочков начинается с асинхронного сокращения их волокон, возникающего в результате распространения возбуждения по миокарду. Этот период непродолжителен (0,047-0,075 с). В этот момент еще не происходит повышения давления в полостях желудочков. Оно начинает резко расти, когда возбуждение охватывает все волокна, достигая 70-88 мм рт. ст. в левом и 15-20 мм рт. ст. в правом предсердиях.

Вследствие повышения внутрижелудочкового давления предсердно-желудочковые клапаны быстро захлопываются. В этот момент полулунные клапаны еще тоже закрыты, поэтому полость желудочка оказывается замкнутой и объем крови в полости остается постоянным. В результате возбуждения увеличивается напряжение мышечных волокон без изменения их длины (изометрическое напряжение), что ведет к еще большему возрастанию давления крови. Стенка левого желудочка растягивается и ударяет о внутреннюю поверхность грудной клетки. Таким образом возникает сердечный толчок.

Когда давление крови в желудочках превзойдет давление в аорте и легочной артерии, полулунные клапаны откроются, их лепестки прижмутся к внутренним стенкам и наступит период изгнания, длящийся примерно 0,25 с.

В начале периода изгнания давление крови в полости желудочков продолжает нарастать, достигая примерно 130 мм рт. ст. в левом и 25 мм рт. ст. в правом. В результате кровь быстро изливается в аорту и легочную артерию объем желудочков резко уменьшается. Это фаза быстрого изгнания.

После открытия полулунных клапанов выброс крови из сердца начинает замедляться, сокращение миокарда желудочков слабеет, наступает фаза медленного изгнания. С падением давления полулунные клапаны захлопываются препятствуя тем самым обратному току крови из аорты и легочной артерии, миокард желудочков начинает расслабляться. Теперь снова наступает короткий период, во время которого закрыты клапаны аорты и еще не открылись предсердно-желудочковые. Когда же давление в желудочках окажется чуть меньше, чем в предсердиях, раскрываются предсердно-желудочковые клапаны происходит наполнение желудочков кровью, которая будет выброшена в следующем цикле, и наступает диастола всего сердца. Она продолжается до следующей систолы предсердий. Эта фаза, или общая пауза, имеет большое значение так как в этот период происходит изъятие Са2+ из миофибрилл канальцами саркоплазматического ретикулума.

9.2.4. Тоны сердца

Изменение давления в камерах сердца и отходящих сосудах вызывает движение клапанов сердца и перемещение крови. Вместе с сокращением сердечной мышцы эти действия сопровождаются звуковыми явлениями, называемыми тонами сердца (рис. 9.15.). При сокращении сердца сначала слышен более протяженный звук низкого тона - первый тон (тон I) сердца. После короткой паузы за ним более высокий, но короткий звук - второй тон (тон II) После этого наступает пауза. Она более длительна, чем пауза между тонами. Такая последовательность повторяется в каждом сердечном цикле.

Первый тон появляется в момент начала систолы желудочка (систолический тон). В основе его лежат колебания створок предсердно-желудочковых клапанов, прикрепленных к ним сухожильных хорд, а также колебания производимые массой мышечных волокон при их сокращении. Эти колебания желудочков и клапанов передаются на грудную клетку. Второй тон возникает в результате захлопывания полулунных клапанов и ударов друг о друга их створок в момент начинающейся диастолы желудочков (диастолический тон). Колебания передаются на столбы крови крупных сосудов. Этот тон тем выше, чем выше давление в аорте и, соответственно, в легочной артерии.

Использование метода фонокардиографии позволяет выделить обычно не слышные ухом третий и четвертый тоны. Третий тон (желудочковый) возникает в начале наполнения желудочков при быстром притоке крови. Он отражает вибрацию стенки желудочков. Происхождение четвертого тона (предсердного) связывают с сокращением миокарда предсердий и началом расслабления.

9.2.5. Основные показатели деятельности сердца

Левый и правый желудочки при каждом сокращении сердца человека изгоняют соответственно в аорту и легочный ствол примерно по 65-70 мл крови. Объем одинаков для левого и правого желудочков, если организм находится в состоянии покоя. Этот объем называется систолическим, или ударным. Умножив систолический объем на число сокращений в 1 мин, можно вычислить минутный объем. Он составляет в среднем 4,5-5,0 л.

Систолический и минутный объем сердца не постоянны. Они резко меняются при напряженной физической работе. Минутный объем может достигать у человека 20-30 л. У нетренированных это увеличение объема происходит в основном за счет частоты сердечных сокращений, у тренированных - главным образом в результате увеличения систолического объема сердца.

Еще одним показателем является сердечный индекс - отношение минутного объема к площади поверхности тела. Из данных минутного объема крови и среднего давления крови в аорте определяют внешнюю работу сердца. В условиях физического покоя она составляет у человека примерно 70-110 Дж, при физической работе возрастает до 800 Дж.

Наиболее удобным объектом для исследования систолического объема сердца и влияния на него различных условий является сердечно-легочный препарат млекопитающих, предложенный Э. Старлингом (рис. 9.16).

Рис. 9.15 Положение сердца в грудной полости и места выслушивания тонов сердца

1 - место проекции клапана аорты; 2 -место проекции и выслушивания трехстворчатого клапана; 3 - место проекции и выслушивания клапанов легочной артерии; 4 - место проекции митрального клапана; 5 - верхушка сердца. Верхняя стрелка - место выслушивания клапана аорты, нижняя - двухстворчатого (митрального) клапана.

Рис. 9.16 Сердечно-легочный препарат (по Старлингу)

1 - регулируемое сопротивление, 2 - компрессионная камера, 3 - легкое (вентилируемое), 4 - давление в аорте, 5 - объем желудочка, 6 - давление наполнения, 7 - венозный резервуар.

В этом препарате сердце сохраняет естественные связи с вентилируемым искусственно легким и с венечным кровотоком, т. е. малым кругом кровообращения. Вместо большого круга кровообращения подключают заполненную кровью систему трубок. Благодаря устройству для изменения гидродинамического сопротивления в этом препарате существует возможность регулировать приток крови к правому предсердию, менять сопротивление в искусственном большом круге, изменяя таким образом нагрузку на сердце.

9.3. ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАММА

Распространение возбуждения от водителя ритма по проводящей системе сердца и самой сердечной мышце сопровождается возникновением на поверхности клеток отрицательного потенциала. В связи с этим происходит синхронный разряд огромного числа возбужденных единиц, их суммарный потенциал оказывается настолько велик, что может регистрироваться далеко за пределами сердца на поверхности тела. В силу высокой проводимости прилежащие к сердцу ткани становятся электроотрицательными.

В связи с многокамерной геометрией миогенного сердца позвоночных регистрируемая электрическая волна имеет сложный характер и отражает возникновение в миокарде деполяризации и реполяризации, а не его сокращение. Кривую, отражающую динамику разности потенциалов в двух точках электрического поля сердца в течение сердечного цикла, называют электрокардиограммой (ЭКГ), а метод исследования - электрокардиографией (рис. 9.17).

Электрокардиограмма была впервые зарегистрирована в 1887 г. А. Уоллером, но широкое распространение получила после использования В. Эйнтховеном (1903) струнного гальванометра для исследования электрических потенциалов сердца.

Рис. 9.17 Электрокардиография (классические биполярные отведения)

А - распространение по телу силовых линий биотоков сердца; Б - схема, поясняющая различную амплитуду зубца Д в ЭКГ (треугольник Эйнтховена) в трех стандартных отведениях (J, //, III), В - изменение ЭКГ в зависимости от расположения оси сердца; Г - ЭКГ.

Для регистрации ЭКГ у человека применяют три стандартных отведения - расположение электродов на поверхности тела. Первое отведение - на правой и левой руках, второе - на правой руке и левой ноге, третье - на левой руке и левой ноге. Помимо стандартных отведении применяют отведения от разных точек грудной клетки в области расположения сердца, а также однополюсные, или униполярные, отведения.

Типичная ЭКГ позвоночных животных и человека состоит из пяти положительных и отрицательных колебаний - зубцов, соответствующих циклу сердечной деятельности (рис. 9.18). Их обозначают латинскими буквами от Р до Г. Промежутки между зубцами называют сегментами, совокупность зубца и сегмента - интервалом. Три крупных зубца вершиной вверх, два мелких Р, R, Т - обращены Q, S - направлены вниз.

Рис. 9.18 Типичная ЭКГ человека во втором отведении (фронтальная плоскость)

Обозначены зубцы Р, Q, R, S, Т; промежутки между линиями на бумаге составляют 1 мм (здесь увеличено).

Зубец Р отражает период возбуждения предсердий, являясь алгебраической суммой потенциалов, возникающих в правом и левом предсердии. Его длительность равна в среднем 0,1 с. Интервал PQ соответствует проведению возбуждения через предсердно-желудочковый узел. Он продолжается от 0,12 до 0,18 с.

Комплекс QRST обусловлен возникновением и распространением возбуждения в миокарде желудочков, поэтому его называют желудочковым комплексом. Возбуждение желудочков начинается с деполяризации межжелудочковой перегородки, что ведет к появлению на ЭКГ интегрального вектора - направленного вниз зубца Q.

Зубец R является самым высоким в ЭКГ. Он представляет собой период распространения возбуждения по основаниям желудочков, в то время как зубец S отражает полный охват возбуждением желудочков, когда вся поверхность сердца стала электроотрицательной и исчезла, таким образом, разность потенциалов между отдельными участками сердца. Комплекс QRS совпадает с реполяризацией предсердий. Его длительность составляет 0,06-0,09 с.

Зубец Т отражает восстановление нормального потенциала мембраны клеток миокарда, т. е. реполяризации миокарда. Этот зубец является самой изменчивой частью ЭКГ, так как реполяризация происходит не одновременно в разных волокнах миокарда. Сегмент ТР совпадает с периодом покоя сердца - общей паузой и диастолой. Общая длительность комплекса QRST равна примерно 0,36 с. Электрокардиограмма и основные показатели деятельности сердца в различные фазы сердечного цикла приведены на рис. 9.19.

Относительная продолжительность отдельных фаз ЭКГ млекопитающих имеет сходный характер, несмотря на то что ритм сердца варьирует у них в очень широких пределах. Например, у мыши при частоте сердечных сокращений 635 в 1 мин интервал PR составляет 57%, QT- 42%, у крокодила при частоте сердечных сокращений 36 в 1 мин соответственно PR - 30%, QT - 70%. Во время зимней спячки, например, у ежа сердце сокращается в редком ритме, поэтому интервал PR будет несравненно длиннее других компонентов ЭКГ.

В разных областях сердца во время сердечного цикла процессы деполяризации и реполяризации возникают не одновременно (рис. 9.19, 9.20). В связи с этим колеблется и разность потенциалов между ними. Условную линию соединяющую две точки ЭКГ с наибольшей разностью потенциалов, называют электрической осью сердца. В отдельные периоды она характеризуется разной величиной и направленностью, т. е. обладает свойством векторной величины едновременная регистрация величины разности потенциалов и характера электрической оси сердца называется векторкардиограммой.

Для оценки сердечной деятельности стал широко использоваться принцип эхолокации, характерный для многих позвоночных животных, таких как дельфины, летучие мыши и т. д. В этом случае датчик работает по принципу испускания и улавливания быстрых сигналов. При эхокардиографии регистрируют ультразвуковые колебания, которые отражаются от различных cтpуктур сердца - наружных и внутренних поверхностей стенок предсердий и желудочков, перегородок, клапанов и др. (рис. 9.21). В результате образуются кривые характеризующие изменения взаимного расположения и движения различных отражающих поверхностей во времени. Метод позволяет получить объективные показатели расстояний между Различными структурами органа, находящимися в радиусе ультразвукового луча. Помимо того, метод также дает

Рис. 9.19 Кривые внутрижелудочкового давления, объема желудочка, венозного пульса, фонокардиограмма и электрокардиограмма за один сердечный цикл

Рис. 9.20 Формирование ЭКГ в ходе возбуждения сердца Возбужденные участки заштрихованы. 1-12 - последовательные этапы возбуждения сердца. Вверху - диафрагмы сердца; внизу- ЭКГ. Темные участки на ЭКГ соответствуют заштрихованным на диаграгмме, и отражающим состояние возбуждения.

Рис. 9.21 Метод эхокардиографии. основанный на принципе испускания и улавливания быстрых сигналов

Видно захлопывание митрального клапана в начале систолы (указано стрелками). На приведенной слева эхокардиограмме: ПЖ - правый желудочек; МЖП - межжелудочковая перегородка; ЛЖ - левый желудочек; ПМК и ЗМК - передняя и задняя створки митрального клапана.

информацию о динамике этих расстояний, например, об изменении размеров самого сердца в процессе сердечного цикла, движениях клапанов.

У беспозвоночных электрограмма нейрогенного сердца состоит из быстрых осцилляции и медленных колебаний. Эти разряды соответствуют потенциалам пейсмекерных ганглиозных клеток. Их удается зарегистрировать от одиночных нейронов. У членистоногих форма и продолжительность аналогичных разрядов зависят от многих факторов, таких, например, как температура.

У ракообразных в сердечных ганглиях небольшое число нервных клеток образует единую систему, обладающую ритмической активностью. Клетки эти мелкие и крупные. Мелкие являются пейсмекерами, крупные - моторными нейронами, воспроизводящими ритм пейсмекеров. От пейсмекерных нейронов регистрируются медленные потенциалы. Моторные клетки разряжаются частыми импульсами в виде залпов. Они не влияют на пейсмекерные клетки своими разрядами, но могут оказывать электротоническое действие. Характер взаимоотношений между ними предполагает наличие реверберирующих контуров.

9.4. РЕГУЛЯЦИЯ РАБОТЫ СЕРДЦА

Относительное постоянство параметров внутренней среды организма, быстрое и точное приспособление гемодинамики к широкому разнообразию условий, в которых находится организм, достигаются благодаря в высшей степени совершенным механизмам регуляции сердечной деятельности. У млекопитающих, птиц, рептилий и амфибий эта регуляция осуществляется принципиально одинаково и складывается из присущих самому сердцу собственных механизмов, а также внесердечных воздействий. К внутрисердечным регуляторным механизмам относят внутриклеточные, регуляцию межклеточных взаимодействий и собственно внутрисердечные нервные механизмы.. Внесердечные воздействия представлены нервной и гуморальной регуляцией.

9.4.1. Внутриклеточная регуляция

Внутриклеточный уровень регуляции заключается в способности кардиомиоцитов при выполнении ими специфической сократительной функции синтезировать различные белки в соответствии с уровнем их разрушения. Синтез белков происходит дифференцированно благодаря существованию специальных ауторегуляторных механизмов. Процесс этот осуществляется кардиомиоцитами во взаимодействии с соединительнотканными клетками.

Рис. 9.22 Различные типы потенциалов действия сердечных клеток, коррелированные с временным ходом ЭКГ

А - конфигурация потенциалов действия кардиомиоцитов различных отделов сердца;

С-А - синусно-предсердный (синоатриальный узел); П - предсердие; А-В - предсердно-жедудочковый (атриовентрикулярный) узел; ПЖ - предсердно-желудочковый пучок (пучок Гиса); ПН и ЛН - правая и левая ножки пучка; Ж - желудочки. 1-6 - потенциалы действия клеток миокарда; 7 - ЭКГ; В - потенциал действия одиночной клетки миокарда; а - ПД желудочка. Стрелками показаны преобладающие потоки ионов Na+, Ca2+, K+, ответственные за различные фазы (1-4} ПД; б - авторитмическая активность синусно-предсердного (синоатриального) узла. Стрелками показана медленная диастолическая деполяризация.

Особенность кардиомиоцитов заключается в цикличности их обменных процессов, связанных с ритмом сердечной деятельности (рис. 9.22). Наиболее быстрый распад богатых энергией соединений - АТФ и гликогена - происходит в момент систолы и соответствует комплексу QRS электрокардиограммы. Ресинтез и восстановление уровня этих веществ успевает полностью осуществиться за время диастолы. Поэтому в чрезвычайных условиях при усиленной работе сердца одним из компенсаторных механизмов, адаптирующих деятельность сердца к воздействиям, является удлинение фазы диастолы.

Кардиомиоциты способны избирательно адсорбировать из циркулирующей крови и накапливать в цитоплазме вещества, поддерживающие и регулирующие их биоэнергетику, а также соединения, повышающие потребность клеток в кислороде. Последнее имеет большое приспособительное значение, так как эти влияния посредством гомеометрического механизма регуляции сократительной силы сердца вызывают увеличение силы его сокращений. Так возникающая благодаря внутриклеточным механизмам адсорбция из крови катехоламинов (адреналина, норадреналина) обеспечивает усиление сердечного кровотока что сопровождается более сильным растяжением клеток миокарда во время диастолы. (Известно, что чем больше растянуты миофибриллы, тем сильнее они сокращаются.) Следовательно, чем больше крови притекло к сердцу, тем сильнее оно растянуто во время диастолы и тем интенсивнее его сокращение. Этот механизм лежит в основе закона Франка-Старлинга (см. разд. 9.2.2).

9.4.2. Межклеточная регуляция

В сердечной мышце межклеточная регуляция связана с наличием вставочных дисков - нексусов, обеспечивающих транспорт необходимых веществ, соединение миофибрилл, переход возбуждения с клетки на клетку. Такая организация позволяет миокарду реагировать на возбуждение как синцитий. В случае выпадения функции нексусов нарушается одновременность прихода возбуждения к отдельным клеткам, синхронность сокращения мышечных волокон появляется нарушение сердечного ритма. Межклеточная регуляция включает также взаимодействие кардиомиоцитов с соединительнотканными клетками составляющими строму сердечной мышцы. Наряду с механической опорной Функцией соединительнотканные клетки являются источником пополнения кардиомиоцитов высокомолекулярными органическими соединениями, постоянно необходимыми для функции и для поддержания структуры клетки.

9.4.3. Внутрисердечная нервная регуляция

Внутрисердечный уровень регуляции является автономным, хотя он включен и в сложную иерархию центральной нервной регуляции. Собственная нервная регуляция сердца осуществляется метасимпатической нервной системой, нейроны которой располагаются в интрамуральных ганглиях сердца (см. разд. 5.4.3). Метасимпатическая нервная система обладает полным набором функциональных элементов, необходимых для самостоятельной рефлекторной деятельности: сенсорными клетками, интегрирующим интернейронным аппаратом, двигательными нейронами.

Сенсорные нейроны обслуживают не только внутрисердечные механизмы регуляции. По их аксонам, проходящим в составе блуждающих и симпатических нервов, чувствительная импульсация может достигать высших отделов нервной системы. В свою очередь, на вставочных и моторных метасимпатических нейронах синаптически оканчиваются преганглионарные волокна блуждающего нерва и сердечных симпатических ветвей, т. е. метасимпатические нейроны - общий конечный путь для импульсов внутрисердечного и центрального происхождения.

В деятельности метасимпатической нервной системы участвует более 20 известных сейчас медиаторов и модуляторов межнейронной передачи возбуждения. Долгое время считали, что внутрисердечный нервный аппарат является лишь местом переключения центробежных импульсов с преганглионарных волокон блуждающего нерва.

Интракардиальный метасимпатический нервный аппарат регулирует ритм сердечных сокращений, скорость предсердно-желудочкового проведения, реполяризацию кардиомиоцитов, скорость диастолического расслабления.

Функции сердечной части метасимпатической нервной системы особенно отчетливо выступают при трансплантациях сердца у теплокровных животных. После дегенерации всех нервных волокон внесердечного происхождения (симпатических и парасимпатических) она остается неповрежденной в структурном и функциональном отношении. При разных нагрузках на организм с гомотрансплантированным сердцем кровообращение в большом круге меняется так же, как в нормальных условиях, и целиком обеспечивает потребности организма.

В специальных опытах при гемодинамическом разобщении правой и левой половин сердца Т. И. Косицким установлено, что растяжение механорецепторов одной из камер изолированного сердца сопровождается усилением сокращения не только этой камеры, но и других камер, диастолическая длина мышечных волокон которых не изменилась. Эти реакции других камер, в отличие от растягиваемой и реагирующей согласно закону Франка-Старлинга, исчезают при действии ганглиоблокаторов.

Местные сердечные рефлексы, осуществляемые метасимпатической нервной системой, регулируют уровень сердечной деятельности в соответствии с потребностями общей гемодинамики организма. Например, раздражение рецепторов растяжения при усилении притока крови и переполнении коронарных сосудов сопровождается ослаблением силы сердечных сокращений, уменьшением притока крови. В результате в артериальную систему перекачивается меньший объем крови. Она задерживается в венах, обладающих большей емкостью, предотвращая, таким образом, внезапный выброс излишней крови в артерии, который мог бы привести к тяжелым последствиям для организма.

Опасно для организма и уменьшение сердечного выброса. Оно может вызвать критическое для жизни падение артериального давления. При недостаточном растяжении механорецепторов сердца из-за слабого заполнения его камер кровью возникает процесс рефлекторного возрастания силы сердечных сокращений, что в результате приводит к более интенсивному перекачиванию крови в аорту, усилению притока из вен и более полному заполнению камер во время диастолы!

Следовательно, осуществляемые метасимпатической нервной системой внутрисердечные периферические рефлексы выполняют в организме защитную роль, поддерживая стабильность наполнения кровью артериальной системы.

9.4.4. Экстракардиальная нервная регуляция

Экстракардиальный уровень регуляции обеспечивают специальные супраспинальные и корковые механизмы, передающие свои влияния по волокнам блуждающих и симпатических нервов.

Эволюция внесердечных регуляторных нервных механизмов шла по пути специализации и совершенствования. У моллюсков сердце снабжено ускоряющими и тормозными нервными волокнами, идущими в составе висцеральных нервов. У одних видов моллюсков при стимуляции этих волокон преобладает торможение сердечной деятельности. При этом один залп импульсов может вызвать задержку одного сердечного сокращения. У других видов более выражено ускорение, у третьих - вслед за ускорением наступает торможение. Ускоряющие волокна имеют более высокий порог, чем тормозные. При повторном раздражении может возрастать амплитуда сердечных сокращений.

Строение экстракардиальных путей ракообразных более совершенно. Из ЦНС к сердцу направляется несколько нервов. Они регулируют пейсмекерный ганглий и сердечную мышцу. У отдельных видов к сердцу подходят две пары ускоряющих и одна пара тормозных нервов, берущих начало в подглоточном ганглии.

Внесердечные механизмы регуляции у высших позвоночных принципиально одинаковы. Деятельностью сердца у них непосредственно управляют сердечные центры продолговатого мозга и моста, влияния которых передаются сердцу по блуждающим и симпатическим нервам (рис. 9.23).

Регистрация электрических процессов в одиночных чувствительных нервных волокнах предсердия выявила существование двух типов механорецепторов. На активное напряжение реагируют А-рецепторы, на пассивное растяжение отвечают В-рецепторы. Волокна от этих специализированных рецепторов идут в составе блуждающего нерва. Помимо того, имеется большая группа свободных нервных окончаний, локализующихся преимущественно в субэндокардиальном сплетении. Их волокна проходят в составе симпатических путей и передают сигналы болевой чувствительности.

Вагусные влияния. В продолговатом мозгу располагается парасимпатическое ядро блуждающего нерва. Аксоны клеток этого ядра в составе правого и левого нервных стволов направляются к сердцу и образуют синапсы на моторных метасимпатических нейронах интрамуральных ганглиев. Волокна правого блуждающего нерва распределяются преимущественно в правом предсердии. В соответствии с этим связанные с ним метасимпатические нейроны иннервируют миокард, коронарные сосуды и особенно густо пронизывают синусно-предсердный узел. Напротив, волокна левого блуждающего нерва через посредство метасимпатических нейронов передают свои влияния предсердно-желудочковому узлу. В результате такой структурной топографии стимуляция правого блуждающего нерва сказывается преимущественно на частоте сердечных сокращений, левого - на предсердно-желудочковом проведении.

Впервые влияние блуждающих нервов на сердце обнаружили братья Э. и Э. Г. Веберы (1845). Они установили, что стимуляция этих нервов уменьшает частоту сокращений сердца и ослабляет их силу. Как было показано позднее, сильные раздражения периферического конца перерезанного блуждающего нерва или введение ацетилхолина в сердце сопровождаются замедлением сердечного ритма, или так называемым отрицательным хронотропным эффектом. Одновременно возникает уменьшение амплитуды сокращений сердца - отрицательный инотропный эффект, понижается возбудимость сердечной мышцы - отрицательный батмотропный эффект, уменьшается скорость проведения возбуждения в сердце - отрицательный дромотропный эффект. При этом иногда возникает полная блокада проведения возбуждения в предсердно-желудочковом узле.

Сильное раздражение блуждающих нервов

Рис. 9.23 Общая иннервация сердца

1 - мозжечковые влияния, 2 - ядро одиночного пути, 3 - гипоталамические влияния, 4 - афференты от периферических механо- и хеморецепторов, 5 - ядро блуждающего нерва, 6 - блуждающий нерв, 7 - сердце, 8 - метасимпатическая нервная сеть, 9 - симпатический узел, 10 - спинной мозг, 11 - ядро сосудодвигательного центра, 12 - стволовые центры, 13 - ствол мозга.

может вызвать полную остановку сердечной деятельности, однако прекратившиеся вначале сокращения сердца, несмотря на продолжающееся раздражение, способны постепенно восстановиться. Это явление получило название ускользания сердца из-под влияния блуждающего нерва.

Во время умеренной стимуляции блуждающего нерва хронотропный эффект из-за замедления диастолической деполяризации может изменяться. При этом мембранный потенциал сердечных клеток приобретает пороговое значение позднее, чем в обычных условиях. Во время сильных раздражении диастолическая деполяризация исчезает совсем и возникает гиперполяризация клеток-водителей ритма. Отрицательный инотропный эффект связан с укорочением ПД, хотя форма последнего остается неизменной. Слабое раздражение блуждающих нервов может быть подобным действию симпатических нервов. Это явление объясняется тем, что в составе интрамуральных метасимпатических эффекторных нейронов кроме холинергических находятся нейроны с адренергическим или другим видом передачи, обладающие более низким порогом возбуждения.

Эффект блуждающего нерва при одной и той же силе раздражения может иногда сопровождаться и противоположными реакциями. Это связано со степенью наполнения сердца и сердечных сосудов кровью, т. е. с активностью собственного внутрисердечного нервного аппарата. При его переполнении или значительном наполнении раздражение волокон блуждающего нерва сопровождается появлением тормозных реакций. Напротив, при слабом наполнении сердца и, соответственно, слабом возбуждении механорецепторов внутрисердечной нервной сети проявляются стимулирующие влияния.

Следовательно, наполнение кровью артериальной системы посредством насосной функции сердца регулируется двумя дублирующими механизмами его деятельности - собственными внутрисердечным и центральным, передаваемым по волокнам блуждающего нерва.

Симпатические влияния. Влияние на сердце раздражения симпатического нерва впервые исследовали И. Ф. Цион (1867), а затем в 80-х гг. одновременно И. IL Павлов и У. Гаскелл. Оказалось, что симпатический нерв, как и блуждающий, влияет на все стороны сердечной функции. Однако это влияние имеет противоположную направленность по сравнению с раздражением блуждающего нерва и проявляется в учащении сокращений сердца - положительный хронотропный эффект, усилении сокращений предсердий и желудочков - положительный инотропный эффект, улучшении проведения возбуждения в сердце - положительный дромотропный эффект, повышении возбудимости сердца - положительный батмотропный эффект.

Среди симпатических ветвей, идущих к сердцу, как установил И. П. Павлов находятся волокна, раздражение которых вызывает избирательное увеличение силы сердечных сокращений, это усиливающий нерв сердца. По мнению И. П. Павлова, этот нерв играет трофическую роль, он оказывает влияние на проведение возбуждения в сердечной мышце. Посредством его стимуляции можно снять блокаду проведения возбуждения в предсердно-желудочковом узле.

При положительном инотропном эффекте восходящая часть кривой, отражающей сокращение предсердий и желудочков, бывает круче, помимо того уменьшается интервал от начала сокращения до пика. При этом увеличивается скорость расслабления миокарда. Положительный дромотропный эффект относится только к предсердно-желудочковому узлу. Симпатическая стимуляция усиливает в нем проведение возбуждения и тем самым укорачивает интервал между сокращениями предсердий и желудочков. Что касается батмотропии, под которой понимают влияние на возбудимость ткани, то стимуляция симпатических нервов повышает возбудимость лишь в том случае, если она была перед этим снижена. (Некоторые авторы считают понятие батмотропного эффекта неясным и путаным и предлагают вообще от него отказаться.)

Вызываемые раздражением симпатических волокон эффекты возникают через большие промежутки времени, превышающие 10 с, и продолжаются еще длительное время после окончания раздражения. Характерно, что при одновременном раздражении симпатических и блуждающих нервов преобладает действие на сердце блуждающих нервов.

Рис. 9.24 Опыт О. Леви

А - схема опыта, Б - кривые сердечных сокращений при раздражении блуждающего нерва; I - денервированное сердце лягушки, 2 - сердце лягушки с оставшейся веточкой блуждающего нерва, 3 - стимулятор, 4 - вагусная остановка раздражаемого сердца, 5 - остановка второго сердца.

В основе эффектов, вызываемых стимуляцией периферических концов тех и других нервов, лежит выделение биологически активных веществ, с помощью которых осуществляется передача возбуждения. Впервые это было установлено австрийским фармакологом О. Леви (1921). Он соединил два изолированных сердца лягушки с двумя концами одной и той же канюли (рис. 9.24).

Сильное раздражение блуждающего нерва одного из сердец вызывало остановку не только иннервируемого этим нервом сердца, но и другого, интактного, связанного с первым только общим раствором канюли. Следовательно, при раздражении первого сердца в раствор выделялось вещество, влияющее на второе сердце. Это вещество было названо "вагусштофф" и оказалось впоследствии ацетилхолином. При аналогичном раздражении симпатического нерва сердца было получено другое вещество - "симпатикусштофф", представляющее собой адреналин или норадреналин, сходные по своему химическому строению.

Действие ацетилхолина на сердце (рис. 9.25) в первую очередь основано на повышении мембранной проницаемости для иона K+, препятствующей развитию деполяризации. С этим же явлением связано запаздывание в синусно-предсердном узле медленной диастолической деполяризации, что сопровождается укорочением ПД кардиомиоцитов и в итоге ослаблением сокращения сердца. В предсердно-желудочковом узле усиленный отток K+ противодействует входящему току ионов Са2+ Ацетилхолин быстро разрушается и оказывает только местное действие, связываясь с определенными молекулярными структурами клеток - холинорецепторами. Антагонистом ацетилхолина и раздражающих влияний блуждающего нерва в сердце является атропин.

По-иному влияет на возбудимые структуры сердца норадреналин (рис. 9.26). Его действие связано с ростом мембранной проницаемости для Са2+, что сопровождается повышением степени сопряжения возбуждения и сокращения миокарда, а также потенциалозависимой проницаемости для К+. Норадреналин может в определенных пределах восстанавливать изменение функции сердца при сдвигах содержания калия в крови во время чрезмерных физических нагрузок, или других состояний. Сниженная избытком К+ возбудимость и проводимость предсердий и желудочков восстанавливается норадреналином. Норадреналин разрушается значительно медленнее, чем ацетилхолин, поэтому его взаимодействие с адренорецепторами сердечных клеток, как и раздражение симпатических волокон, сопровождается более продолжительным эффектом.

Рис. 9.25 Влияние раздражения блуждающего нерва на сердце лягушки

А - запись сокращения изолированного сердца, под кривой - отметка раздражения блуждающего нерва; Б - запись сокращения второго изолированного сердца. Стрелкой отмечен момент переноса жидкости, питавшей первое сердце во время раздражения, во второе сердце.

Рис. 9.26 Влияние раздражения симпатического нерва на сердце лягушки

А - резкое усиление и учащение сердечных сокращений при раздражении симпатического нерва (отметка раздражения на нижней линии); Б - действие физиологического раствора, взятого из первого сердца во время стимуляции симпатического нерва, на второе сердце, не подвергавшееся раздражению.

9.4.5. Гуморальная регуляция

Гуморальная регуляция деятельности сердца осуществляется биологически активными веществами, выделяющимися в кровь и лимфу из эндокринных желез, а также ионным составом межклеточной жидкости. Эта регуляция в наибольшей степени присуща адреналину, секретируемому мозговым слоем надпочечников. Адреналин выделяется в кровь при эмоциональных нагрузках, физическом напряжении и других состояниях (см. разд. 5.2.2 и 6.4.1). Его взаимодействие с (?-адренорецепторами кардиомиоцитов приводит к активации внутриклеточного фермента аденилатциклазы. Последний ускоряет образование циклического АМФ (цАМФ). В свою очередь, цАМФ необходим для превращения неактивной фосфорилазы в активную. Активная фосфорилаза обеспечивает снабжение миокарда энергией путем расщепления внутриклеточного гликогена с образованием глюкозы. Адреналин повышает также проницаемость клеточных мембран .для ионов Са2+

Важное значение имеет гормон поджелудочной железы и кишки - глюкагон. Он оказывает на сердце положительный инотропный эффект путем стимуляции аденилатциклазы. Гормон щитовидной железы - тироксин - увеличивает частоту сердечных сокращений и повышает чувствительность сердца к симпатическим воздействиям. Гормоны коры надпочечников - кортикостероиды, биологически активный полипептид - ангиотензин II, вещество энтерохромаффинных клеток кишки - серотонин - увеличивают силу сокращений миокарда.

Большое влияние на деятельность сердечной мышцы оказывает ионный состав среды. Повышение содержания во внеклеточной среде К+ угнетает деятельность сердца. При этом вследствие изменения градиента концентрации иона увеличивается проницаемость мембран для К+ падают возбудимость, скорость проведения возбуждения и длительность ПД. В этих условиях синусно-предсердный узел перестает выполнять роль водителя ритма. Подобным образом на сердце влияют ионы НСО3- и Н+. Ионы Са2+ повышают возбудимость и проводимость мышечных волокон, активируя фосфорилазу и обеспечивая сопряжение возбуждения и сокращения.

9.4.6. Тонус сердечных нервов

Как уже было показано, первая ступень иерархии нервных центров, регулирующих нормальную работу сердца, представлена местными рефлексами, которые осуществляются метасимпатической нервной системой. Второй ступенью являются ядра блуждающих и симпатических нервов, обладающие характерным тоническим свойством. Под тонусом обычно понимают длительное, то усиливающееся, то ослабевающее возбуждение, не сменяющееся торможением (см. разд. 5.4.4).

У человека и большинства млекопитающих работа предсердий и синусно-предсердного узла постоянно контролируется блуждающим и симпатическим нервами, в то время как желудочки находятся под контролем преимущественно симпатических нервов. В существовании тонуса блуждающих нервов легко убедиться, перерезав у животного правый и левый нервы. В этом случае частота сердечных сокращений возрастает почти вдвое. Отсюда может быть сделан вывод, что автоматическая деятельность сердца все время подвергается угнетению импульсами, идущими по волокнам блуждающего нерва. Наличие этих разрядов легко прослеживается при регистрации эфферентной импульсации. В покое тонус блуждающих нервов преобладает над симпатическим тонусом.

Тонус блуждающих нервов (см. разд. 5.4.4) возникает в результате притока импульсации от рецептивных зон дуги аорты, каротидного синуса, кроме того, он обусловлен восходящими активирующими влияниями ретикулярной формации, клеткам которой свойственна постоянная импульсная активность. Она связана с конвергенцией коллатералей огромного числа чувствительных путей, а также с высокой чувствительностью ее клеточных мембран.

В поддержании тонуса участвуют различные гуморальные раздражители, такие как гормоны, уровень парциального давления CO2. Тонус блуждающих нервов находится в зависимости и от фаз дыхательного цикла. Во время выдоха он повышается, что влечет за собой урежение частоты сердечных сокращений. Это обычное в нормальных условиях состояние называют дыхательной аритмией (феномен Геринга). Дыхательная аритмия исчезает после атропинизации животных или перерезки у них блуждающих нервов.

Определенным тонусом обладают также симпатические клетки, посылающие свои аксоны к сердцу. После перерезки всех симпатических путей или удаления основных источников симпатической иннервации сердца - шейно-грудных (звездчатых) ганглиев - ритм сердца собаки снижается на 15-25%. При полной симпатической и парасимпатической денервации сердца оно начинает сокращаться в ритме, который задается синусно-предсердным узлом. Этот собственный ритм сердца несколько выше, чем ритм интактного сердца.

Таким образом, перерезка блуждающих и симпатических нервов, равно как и их раздельная стимуляция, приводит к противоположным изменениям различных показателей сердечной деятельности. Однако это не означает, что действие этих нервов на сердце взаимно нейтрализуется. Напротив, нормальная работа сердца определяется взаимодействием влияний, поступающих к нему по блуждающим и симпатическим путям.

9.4.7. Гипоталамическая регуляция

Ядра гипоталамуса являются следующей ступенью в иерархии нервных центров, регулирующих сердечную деятельность (см. разд. 6.2). В процессе филогенеза эта функция возникает с первым появлением гипоталамуса среди позвоночных - у рыб. Гипоталамус рыб может облегчать и тормозить сердечные рефлексы. У млекопитающих посредством прямых связей гипоталамус соединяется с ядрами блуждающих нервов в продолговатом мозгу и боковыми рогами спинного мозга, т. е. с центрами парасимпатической и симпатической иннервации сердца.

У наркотизированных животных при раздражении различных зон гипоталамуса удалось выявить точки, стимуляция которых сопровождается изменением либо только ритма сердца, либо только силы сокращений или расслабления миокарда левого желудочка. Следовательно, в гипоталамусе существуют отдельные структуры, регулирующие определенные функции сердца. При раздражении одной и той же точки гипоталамуса возникающие эффекты чаще всего обусловлены одновременно и симпатическими, и парасимпатическими механизмами. По своей силе и выраженности эти реакции значительно превосходят реакции в естественных условиях, где они не возникают изолированно друг от друга. Непосредственное участие в регуляции работы сердца принимают паравентрикулярное, вентромедиальное и предоптическое ядра, сосцевидные тела.

Гипоталамус - интегративный центр, который может изменять параметры сердечной деятельности для обеспечения текущих потребностей организма и всех его систем при различных поведенческих реакциях. Однако осуществляемая им перестройка деятельности висцеральных органов не является самостоятельной, а зависит от сигналов, поступающих из лимбической системы и коры головного мозга.

9.4.8. Корковая регуляция

Кора головного мозга является высшей ступенью в иерархии механизмов целенаправленного управления деятельностью сердца (см. разд. 5.5.7). Электрическая стимуляция почти любого участка коры мозга вызывает ответы сердечнососудистой системы. Они проявляются особенно отчетливо при раздражении моторной и премоторной зон коры, поясной извилины, орбитальной поверхности лобных долей, передней части височной доли. Эти активные области совпадают с зонами проекций в кору больших полушарий блуждающего нерва и его сердечных ветвей. Анатомическое соседство пунктов, ответственных за возникновение двигательных реакций и реакций сердца, имеет важное значение для оптимального обеспечения сердцем поведенческих реакций индивидуума.

При относительно нормальном функционировании организма кора мозга как и гипоталамус, способна тормозить или активировать работу сердца. Использование в экспериментах хирургической декортикации или распространяющейся калиевой депрессии изменяет характер исходных сердечных рефлексов, снимая модулирующее влияние коры полушарий.

Кора головного мозга является органом психической деятельности обеспечивающим целостные приспособительные реакции организма. Многочисленные наблюдения показывают, что работа сердца изменяется при действии условии, влияющих на деятельность коры мозга: боли, страха, радости, тревоги, ярости и т. п. Например, у спортсменов наблюдается так называемое предстартовое состояние, проявляющееся учащением сердцебиения. Оно связано с активацией корой мозга гипоталамо-гипофизарной системы и надпочечников выделяющих адреналин в кровь. Сигналы, непосредственно предвещающие возникновение этих ситуаций или возможность их наступления, способны по механизму условного рефлекса вызвать перестройку функций сердца, чтобы обеспечить предстоящую деятельность организма.

Влияние коры полушарий на работу сердца подтверждается многочисленными наблюдениями с образованием экстероцептивных и интероцептивных условных рефлексов. В обоих случаях модулирующие влияния коры направлены к центрам продолговатого и спинного мозга, где формируется эфферентная импульсация к сердцу. Она приспосабливает работу сердца к текущим или предстоящим потребностям организма в целом, отдельных органов и систем и, наконец, самого сердца. При очень сложных ситуациях, действиях чрезвычайных раздражителей могут возникнуть нарушения и срывы высших регуляторных механизмов (неврозы). В этих случаях параллельно с расстройствами поведенческих реакций возможны существенные нарушения деятельности сердца.

9.4.9. Рефлекторная регуляция

Емкость сосудистого русла варьирует в широких пределах в зависимости от условий существования организма в окружающей среде, а также при изменении деятельности любых его органов. В связи с этим частота и сила сердечных сокращений могут рефлекторно увеличиваться или уменьшаться. Изменение деятельности сердца обычно происходит параллельно с изменением состояния сосудов. Регуляция сердечной деятельности является сложным рефлекторным актом при участии центральных и периферических механизмов. По эфферентным нервным волокнам к сердцу передаются импульсы, возникающие рефлекторно в ответ на раздражение различных интеро- и экстероцепторов.

В системе кровообращения существует ряд рефлексов, имеющих важное гемодинамическое значение. Характерным признаком этих рефлексов является постоянство в расположении их рецептивных полей. К числу таких полей относятся (см. рис. 9.23) устья полых вен, дуга аорты и сонный (каротидный) синус - область разветвления сонной артерии на наружную и внутреннюю. В этих рецептивных полях, именуемых иначе рецептивными зонами, сосредоточено огромное количество механо- и хеморецепторов, тонко реагирующих на различные изменения гемодинамики. Возникающие в этих рецепторах импульсы по чувствительным волокнам поступают к циркуляторным центрам продолговатого мозга и другим отделам ЦНС.

В устье полых вен при их впадении в сердце находятся рецепторы растяжения, разделяющиеся, как и в предсердии, на рецепторы типа А и рецепторы типа В. Оба вида рецепторов возбуждаются при малейшем колебании внутрисосудистого объема крови, первые - при активном сокращении предсердий, вторые - при пассивном растяжении мускулатуры предсердий.

Эта область является рецептивным полем для рефлекса Бейнбриджа, состоящего в том, что при повышении давления крови в полых венах возникает возбуждение рецепторов обоих типов, рефлекторно уменьшается тонус блуждающего нерва и возрастает тонус симпатического нерва. Сигналы от А-рецепторов повышают симпатический тонус. Оба эти влияния вызывают ускорение сердечного ритма с возрастанием силы сокращений. Тем самым при интенсивном притоке крови предсердия и венозная часть кровеносной системы предохраняются от чрезмерного растяжения.

Из рефлекторных влияний на деятельность сердца особую роль играют импульсы от механорецелторов каротидного синуса и дуги аорты. Пока существует циркуляция крови и поддерживается кровяное давление, эти рецепторы постоянно находятся в возбужденном состоянии. Степень их возбуждения зависит от уровня кровяного давления. Чем оно выше, тем сильнее разряжаются рецепторы, тем интенсивнее рефлекторное возбуждение сердечных волокон блуждающего нерва и, как следствие, торможение деятельности сердца.

Наряду с механорецепторами этих областей в рефлекторной регуляции сердца принимают непосредственное участие и хеморецепторы. Адекватными раздражителями для них является напряжение O2 и СО2 (или повышение концентрации ионов Н+) в крови. При возбуждении импульсы от хеморецепторов, направляясь в центры продолговатого мозга, приводят к снижению частоты сердечных сокращений.

Рис. 9.27 Вагусные рефлексы на сердце (А, Б) и их графическое отражение

А - рефлекс Гольтца (раздражение - удар в надчревную область, реакция - рефлекторная остановка сердца); В - рефлекс Даньини-Ашнера (раздражение - давление на глазные яблоки, реакция - рефлекторное замедление сердечных сокращений); 1 - продолговатый мозг, 2 - блуждающий нерв, 3 - сердце, 4 - гипоталамус.

Рецептивные зоны расположены и в легочной артерии, поэтому при повышении давления в малом кругу происходит замедление сердечного ритма и увеличение объема селезенки (рефлекс П (Ирина).

Интенсивное механическое или химическое раздражение интероцепторов, содержащихся во всех кровеносных сосудах, тканях и органах, как было установлено В. Н. Черниговским, может рефлекторно изменять деятельность сердца, вызывая либо учащение и усиление, либо ослабление сердечных сокращений. Отчетливое торможение сердечной деятельности наблюдается при раздражении рецепторов брюшины. Так, поколачиванием по брюху лягушки пинцетом можно уменьшить частоту сердечных сокращений вплоть до остановки сердца (рефлекс Гольтца). У человека подобная обратимая остановка сердца возникает при сильном ударе в живот. В этом случае афферентные импульсы по чревным нервам достигают спинного мозга, а затем ядер блуждающих нервов. Оттуда по эфферентным волокнам они направляются к сердцу. К вагусным рефлексам относится и глазосердечный рефлекс (рефлекс Даньини-Ашнера), заключающийся в том, что при надавливании на глазные яблоки происходит замедление пульса на 4-8 ударов в 1 мин и снижение артериального давления (рис. 9.27).

Импульсы от проприоцепторов скелетных мышц могут оказывать влияние на регуляцию сердечного ритма. Возникающий при интенсивной мышечной деятельности поток разрядов тормозит центры продолговатого мозга, что сопровождается учащением сердечного ритма и изменением сосудистого тонуса.

9.4.10. Эндокринная функция сердца

Известно, что мышечные клетки предсердий секретируют специфический гормон - атриальный натрийуретический пептид. Его выделение стимулируется растяжением предсердий, возникающим в результате притока крови, изменением в ней уровня натрия, а также симпатическими и парасимпатическими влияниями и содержанием в крови вазопрессина. Натрийуретический гормон характеризуется широким спектром биологической активности. Он обладает способностью отчетливого повышения почками экскреции ионов Na+ и Cl-, подавляя реабсорбцию этих ионов в канальцах нефронов. Влияние гормона на диурез происходит также за счет увеличения клубочковой фильтрации и подавления реабсорбции воды в канальцах. Гормон расслабляет гладкие мышцы стенки пищеварительного тракта и мелких сосудов. Последнее способствует снижению артериального давления. Гормон подавляет секрецию ренина, тормозит действие альдостерона и ангиотензина II.

9.5. СОСУДИСТАЯ СИСТЕМА

Присущие крови функции могут выполняться только при условии ее постоянного движения по кровеносным сосудам. У позвоночных животных кровь находится в системе эластичных сосудов - артерий, вен, капилляров, - не выходя из этой системы. Основные структуры сосудистой системы млекопитающих представлены на рис. 9.28. В связи с тем, что кровь всегда остается внутри замкнутого объема, систему кровообращения позвоночных, головоногих моллюсков (осьминога), иглокожих принято называть замкнутой. В отличие от позвоночных у насекомых, большинства ракообразных, многих моллюсков и оболочечников кровеносные сосуды обрываются, и кровь, прежде чем вновь вернуться к сердцу, свободно распределяется между тканями. Такая система кровообращения получила название незамкнутой.

Рис. 9.28 Основные структуры, сосудистой системы млекопитающих

Кровь поступает из крупных артерий в крупные вены через микроциркуляторные русла; в. д. - внутренний диаметр; А-В - артерио-венозный.

Замкнутая система характеризуется тем, что давление в ней относительно велико и постоянно. Для поддержания давления в промежутках между сердечными сокращениями в системе необходимо наличие эластических стенок. Помимо того, потребности в кровоснабжении разных органов не только различны но постоянно изменяются в зависимости от деятельности снабжаемых кровью органов. Отсюда становится необходимым существование ряда специальных контролирующих и регулирующих механизмов. Наконец, в замкнутой системе кровь быстро возвращается к сердцу.

В незамкнутой системе давление, как правило, небольшое и создание в ней высокого давления невозможно. Невозможно также поддержание и постоянного давления. Распределение крови между органами в этой системе является труднорегулируемым процессом. В отличие от замкнутой системы кровь в ней возвращается к сердцу медленно.

9.5.1. Эволюция сосудистой системы

У кишечнополостных и низших червей еще нет кровеносной системы в принятом понимании этого слова. Жидкость, посредством которой осуществляются транспортные функции, находится в системе специальных, густо разветвляющихся в теле животного каналов. Каждый из каналов одним концом соединяется с первичной полостью. Жидкость в каналах перемешивается благодаря общим движениям тела и деятельности мерцательного эпителия, выстилающего стенки канальцев. По существу, у этих животных имеет место не циркуляция крови, а лишь перемешивание тканевой жидкости.

Впервые примитивная система кровообращения, специально предназначенная для перемещения жидкости, появляется у кольчатых червей. Характерным для этой системы является возникновение перистальтических сокращений сосудистых трубок, перегоняющих жидкость. Однако у этой системы отсутствует капиллярная часть и артериальные сосуды открываются непосредственно в межтканевые пространства - лакуны. Здесь "кровь" смешивается с тканевой жидкостью и, пропитывая ткани, соприкасается непосредственно с каждой клеткой. Из этих же пространств берут начало вены. Следовательно, у червей сосуды являются не более как приносящими и коллекторными трубками.

Дальнейшее совершенствование организации сосудистой системы шло в трех направлениях. Во-первых, происходило обособление сократительных элементов стенки сосудов в специальной насосный орган - сердце. Во-вторых, развивалась капиллярная сеть и происходило превращение лакунарной системы в замкнутую кровеносную систему. В-третьих, происходило разделение циркулярной системы на две специализированные части, одна из которых снабжала кровью органы и ткани - большой круг, другая предназначалась для обогащения крови кислородом - малый круг.

У моллюсков, хотя сосудистая система остается лакунарной, уже появляется полый орган - сердце, состоящий из двух камер, имеющих собственный ритм сокращения и отличающийся от пульсирующей трубки червей. Следующим этапом эволюции явилось образование у рыб полностью дифференцированного двухкамерного сердца и замкнутой сосудистой системы. Однако у них нет разделения кровообращения на малый и большой круги, и сердце просто располагается в венозной части кровяного русла. Из желудочков кровь у рыб поступает непосредственно в жаберные сосуды. Последние распадаются на капилляры, где и происходит обмен газов. Капилляры жабр соединяются снова, образуя аорту, по которой кровь распределяется по органам и тканям.

Основным эволюционным приобретением двоякодышащих рыб явилось то, что в дополнение к жабрам дыхательными органами, связанными с системой кровообращения, становятся и легкие. Жабры у них получают частично кровь, которая уже прошла легкие, но жаберные дуги дегенерировали и по некоторым из них кровь проходит транзитом, не задерживаясь для газообмена. Претерпело изменение и строение сердца. Предсердие полностью разделено на две камеры. Частичному разделению подвергся желудочек, напоминая этим сердце млекопитающих и отличаясь от стоящих на более высокой ступени эволюционной иерархии амфибий. У двоякодышащих рыб обогащенная кислородом кровь переносится из легких в левое предсердие, венозная кровь поступает из большого круга кровообращения в правое предсердие. Частичное разделение желудочка не позволяет крови полностью смешиваться, и, таким образом, более оксигенированная кровь направляется в голову, менее насыщенная кислородом из правой половины сердца попадает в спинную аорту и частично в легкие.

Следовательно, на этом этапе эволюции был сделан первый шаг к разделению кровообращения на легочный круг и круг кровообращения через остальные органы.

. У современных земноводных (лягушек, саламандр) сердце состоит из разделенных предсердий и одного неразделенного желудочка. Правое предсердие получает венозную кровь и проталкивает ее в желудочек. Из желудочка кровь поступает в аорту, вблизи основания которой расположено пульсирующее утолщение с внутренней спиральной перегородкой. Благодаря этому приспособлению кровяной поток распределяется по двум направлениям. Одна часть идет в легочную артерию, другая - непосредственно к органам, т. е. в большой круг кровообращения. Пройдя через систему легочных капилляров, кровь возращается в левое предсердие и отсюда снова попадает в левый желудочек и аорту. Легочные артерии посылают ветви также в кожу, что имеет большое значение, так как кожа земноводных играет значительную роль в поглощении кислорода.

Следовательно, у земноводных малый круг кровообращения является лишь ответвлением от общей системы циркуляции.

В результате особенностей устройства кровеносного русла у земноводных в желудочек из левого предсердия поступает оксигенированная кровь и одновременно из правого предсердия - восстановленная. И хотя в желудочке перегородка отсутствует, полного смешивания артериальной и венозной крови в нем не происходит. В связи с расположением на эндотелиальной поверхности желудочков особых выростов поток крови из правого предсердия по правой половине сердца направляется в легочную артерию, из левого предсердия - непосредственно к органам тела.

У рептилий (ящериц, змей) практически заканчивается процесс дифференциации сердца на правую и левую половины. Предсердия у рептилий (за исключением крокодилов) разделены полностью, а в перегородке между желудочками существует отверстие. Даже при этих условиях потоки насыщенной и бедной кислородом крови хорошо отделяются друг от друга и перемешивания крови в обычных условиях существования почти не бывает. В соответствии с этим возникает практически полное разделение кровообращения на большой и малый круги.

У млекопитающих большой круг кровообращения начинается от левого желудочка сердца аортой, которая ветвится на многочисленные артерии, дающие начало регионарным сосудистым сетям. По мере ветвления число артерий возрастает, диаметр их уменьшается. Эти артерии снабжают кровью каждый отдельный орган (кожу, мышцы, печень, сердце, легкие, мозг и т. д.). В толще органов мельчайшие артерии (артериолы) формируют густое сплетение мелких сосудов с тонкими стенками - капиллярную сеть. Именно здесь происходит обмен веществами вены между клетками и кровью. Общая площадь поверхности всех капилляров организма достигает у человека 1000 м2. Сливаясь между собой, капилляры образуют венулы. Процесс слияния заканчивается двумя большими венами - краниальной и каудальной полыми венами, впадающими в правое предсердие. Таково общее правило. Исключением являются кишка и селезенка; сосуды, несущие от них венозную кровь, разветвляются в печени еще на одну систему капилляров (портальное кровообращение), после чего кровь по печеночным венам попадает в каудальную полую вену (рис. 9.29).

Рис. 9.29 Кровообращение млекопитающего .

В процентах указано относительное содержание крови в различных участках сердечнососудистой системы.

Малый круг кровообращения начинается от правого желудочка легочной артерией, которая, разветвляясь, переходит в сосудистые сети легких и заканчивается легочными венами, впадающими в левое предсердие. В итоге оба круга кровообращения замыкаются. Легочная артерия - единственная в организме артерия, по которой из правого желудочка в

легкие течет венозная кровь, а легочная вена - единственная вена, по которой из легких в левое предсердие течет обогащенная кислородом артериальная кровь.

Помимо большого и малого круга кровообращения в организме существует система лимфатических сосудов (см. разд. 9.10). Эта система осуществляет резорбцию межклеточной жидкости и белка из тканей, образование лимфы и отведение ее в венозную систему. В органах наряду с кровеносными капиллярами существуют сети лимфатических капилляров, из которых начинаются лимфатические сосуды. Из сплетений мелких лимфатических сосудов формируются более крупные. Они отводят лимфу из органов к регионарным лимфатическим узлам. Пройдя через узлы, лимфа поступает в лимфатические стволы, а затем в грудной проток и правый лимфатический проток, впадающие в вены.

В процессе эволюции выделение лимфатической системы в самостоятельную происходит у рыб. У них она представлена лимфатическими мешками и сложноразветвленными трубками, периферические концы которых замкнуты, центральные - впадают в вены.

На всех более высоких ступенях эволюции - у птиц и млекопитающих - существует четырехкамерное сердце с полным отделением правой половины от левой и полным обособлением большого и малого кругов кровообращения (см. разд. 9.1). Различия между кровообращением птиц и млекопитающих касаются главным образом анатомии. У птиц, например, сохранилась правая дуга аорты, у млекопитающих - левая. Функциональным различием является то, что птицы, как и другие позвоночные, сохранили воротную систему почек (т. е. почки получают венозную кровь от задней половины тела). У млекопитающих почечная воротная система отсутствует.

9.5.2. Функциональные типы сосудов.

Сосуды, составляющие большой и малый круг кровообращения (табл. 9.1), подразделяют на несколько типов: амортизирующие, резистивные, сосуды-сфинктеры, обменные, емкостные, шунтирующие.

К амортизирующим сосудам относят аорту, легочную артерию и прилежащие к ним участки крупных сосудов. В их средней оболочке преобладают эластические элементы. Благодаря такому приспособлению сглаживаются возникающие во время регулярных систол подъемы артериального давления.

Резистивные сосуды - концевые артерии и артериолы - характеризуются толстыми гладкомышечными стенками, способными при сокращении изменять величину просвета, что является основным механизмом регуляции кровоснабжения различных органов.

Сосуды-сфинктеры являются последними участками прекапиллярных артериол. Они, как и резистивные сосуды, также способны изменять свой внутренний диаметр, определяя тем самым число функционирующих капилляров и, соответственно, величину обменной поверхности.

К обменным сосудам относят капилляры, в которых происходит обмен различных веществ и газов между кровью и тканевой жидкостью. Стенки капилляров состоят из одного слоя эпителия и звездчатых клеток. Способность к сокращению у капилляров отсутствует: величина их просвета зависит

от давления в резистивных сосудах.

Емкостное звено сердечно-сосудистой системы составляют посткапиллярные венулы, вены и крупные вены. Вены по строению сходны с артериями, но их средняя оболочка значительно тоньше. Они имеют также клапаны, препятствующие обратному току венозной крови. Вены могут вмещать и выбрасывать большие количества крови, способствуя тем самым ее перераспределению в организме. Наиболее емкими являются вены печени, брюшной полости, подсосочкового сплетения кожи.

Таблица 9.1

Сравнение структуры и функций артерий, капилляров и вен

Артерии

Капилляры

Вены

Несут кровь от сердца

Соединяют артерии с венами. Служат местом обмена веществами между кровью и тканями

Несут кровь к сердцу

Средний слой стенки толстый, состоит из эластических и мышечных волокон

Средний слой отсутствует. Стенки состоят только из эндотелия и не содержат

Средний слой относительно тонкий и содержит мало мышечных элементов. Эластические волокна немногочисленны

Полулунные клапаны отсутствуют

Полулунные клапаны отсутствуют

По всей длине имеются полулунные клапаны, препятствующие обратному току крови

Давление крови высокое и пульсирующее

Давление крови понижающееся, непульсирующее

Давление крови низкое, непульсирующее

Кровь течет быстро

Течение крови замедляется

Кровь течет медленно

Кровь оксигенированная, за исключением легочных артерий

Смешанная оксигенированная и дезоксигенированная кровь

Кровь дезоксигенированная, за исключением легочных вен

Шунтирующие сосуды находятся лишь в некоторых областях тела (койка уха, носа, стопы и других органов) и представляют анастомозы, связывающие между собой артериальное русло с венозным (артериолы и венулы), минуя капилляры. При открытом состоянии этих сосудов кровь устремляется в венозное русло, резко уменьшая или полностью прекращая кровоток в капиллярах. Шунтирующие сосуды выполняют функцию регуляции регионарного периферического кровотока. Они участвуют в терморегуляции, регуляции давления крови, ее распределении.

Сосуды разных областей тела млекопитающих отличаются друг от друга по уровню спонтанной ритмической активности их гладкой мускулатуры. Например, у крыс сосуды составляют следующий ряд по убыванию спонтанной ритмической активности: воротная вена > пупочная артерия > аорта >мозговые сосуды.

9.5.3. Основные законы гемодинамики

Гемодинамика - раздел физиологии кровообращения, использующий законы гидродинамики (физические явления движения жидкости в замкнутых сосудах) для исследования причин, условий и механизмов движения крови в сердечно-сосудистой системе. Гемодинамика определяется двумя силами: давлением, которое оказывает влияние на жидкость, и сопротивлением, которое она испытывает при трении о стенки сосудов и вихревых движениях.

Силой, создающей давление в сосудистой системе, является сердце. У человека среднего возраста при каждом сокращении сердца в сосудистую систему выталкивается 60-70 мл крови (систолический объем) или 4-5 л/мин (минутный объем). Движущей силой крови служат разность давлений, возникающая в начале и конце трубки.

Почти во всех отделах сосудистой системы кровоток носит ламинарный характер - кровь движется отдельными слоями параллельно оси сосуда. При этом слой, прилежащий к стенке сосуда, остается практически неподвижным, по этому слою скользит второй, а по нему, в свою очередь, третий и т. д. Форменные элементы крови составляют центральный, осевой поток, плазма движется ближе к стенке сосуда. Следовательно, чем меньше диаметр сосуда, тем ближе располагаются центральные слои к стенке и больше тормозится скорость их движения из-за вязкого взаимодействия со стенкой. В целом это означает, что в мелких сосудах скорость кровотока ниже, чем в крупных. В правильности этого положения легко убедиться, сопоставив скорости кровотока в разных участках сосудистого русла. В аорте она составляет 50-70 см/с, в артериях - от 40 до 10, артериолах - 10-0,1, капиллярах - меньше 0.1, венулах - меньше 0,3, венах - 0,3-5,0, полой вене - 5-20 см/с.

Наряду с ламинарным в сосудистой системе существует турбулентное движение с характерным завихрением крови. Частицы крови перемещаются не только , параллельно оси сосуда, как при ламинарном кровотоке, но и перпендикулярно ей. Результатом такого сложного перемещения является значительное увеличение внутреннего трения жидкости. В этом случае объемная скорость тока крови будет уже не пропорциональной градиенту давления, а примерно равной квадратному корню из него. Турбулентное движение обычно возникает в местах разветвлений и сужений артерий, в участках крутых изгибов сосудов.

Кровь представляет собой взвесь форменных элементов в коллоидно-солевом растворе, она обладает определенной вязкостью, не являющейся величиной постоянной. При протекании крови через капилляр, диаметр которого меньше 1 мм, вязкость уменьшается. Последующее уменьшение диаметра капилляра еще более уменьшает вязкость протекающей крови. Этот гемодинамический парадокс объясняется тем, что во время движения крови эритроциты сосредоточиваются в центре потока. Пристеночный же слой состоит из чистой плазмы с гораздо меньшей вязкостью, по которому легко скользят форменные элементы. В итоге улучшаются условия тока крови и происходит снижение перепадов давления, что, в общем, компенсирует увеличение вязкости крови и снижение скорости ее тока в мелких артериях. Переход от ламинарного движения крови к турбулентному сопровождается значительным ростом сопротивления течению крови.

Соотношение между характером течения жидкости в жестких трубках и давлением обычно определяют по формуле Пуазейля. Используя эту формулу, можно вычислить сопротивление R току крови в зависимости от ее вязкости ?, длины l и радиуса r сосуда:

R=8l?/?r2

Сосудистую систему в целом можно представить в виде последовательно и параллельно соединенных трубок разной длины и диаметра. В случае последовательного соединения общее сопротивление составляет сумму сопротивлений отдельных сосудов: R = R1+ R2 + ... + Rn.При параллельном соединении величину сопротивления вычисляют по другой формуле: 1/R = 1/R1 + 1/R2 + ... + + 1/Rn. Учитывая сложность геометрии сосудов целого организма, ее непостоянство, зависящее от открытия и закрытия шунтов, коллатералей, степени сокращения гладких мышц, эластичности стенок, изменения вязкости крови и других причин, в реальных условиях рассчитать величину сосудистого сопротивления трудно. Поэтому его принято определять как частное от деления кровяного давления Р на минутный объем крови Q:

R = P/Q.

Для всей сосудистой системы организма в целом эта формула применима лишь при том условии, если в конце системы, т. е. в полых венах вблизи места их впадения в сердце, давление будет близким к нулю. Соответственно при необходимости вычисления сопротивления отдельного участка сосудистой системы формула приобретает вид

R=Р1-Р2/Q

Значения P1 и P2 отражают давление в начале и конце определяемого участка.

Основная кинетическая энергия, необходимая для движения крови, сообщается ей сердцем во время систолы. Одна часть этой энергии расходуется на проталкивание крови, другая - превращается в потенциальную энергию растягиваемой во время систолы эластичной стенки аорты, крупных и средних артерий. Их свойства зависят от наличия эластических и коллагеновых волокон, растяжимость которых примерно в шесть раз выше, чем, например, резиновых нитей той же толщины. Во время диастолы энергия стенки аорты и сосудов переходит в кинетическую энергию движения крови.

Кроме эластичности и растяжимости, т. е. пассивных свойств, сосуды обладают еще способностью активно реагировать на изменение в них кровяного давления. При повышении давления гладкие мышцы стенок сокращаются и диаметр сосуда уменьшается. Таким образом, пульсирующий ток крови, создаваемый функцией сердца, благодаря особенностям аорты и крупных сосудов выравнивается и становится относительно непрерывным.

Основными показателями гемодинамики являются объемная скорость, скорость кругооборота крови, давление в разных областях сосудистой системы.

Объемная скорость движения крови характеризует ее количество (в миллилитрах), протекающее через поперечное сечение сосуда за единицу времени (1 мин). Объемная скорость кровотока прямо пропорциональна перепаду давления в начале и конце сосуда и обратно пропорциональна его сопротивлению току крови. В организме отток крови от сердца соответствует ее притоку к нему. Это означает, что объем крови, протекающей за единицу времени через всю артериальную и всю венозную систему большого и малого круга кровообращения, одинаков.

Линейная скорость движения крови (v) характеризует скорость перемещения ее частиц вдоль сосуда при ламинарном потоке. Она выражается в сантиметрах в секунду и определяется как отношение объемной скорости кровотока Q к площади поперечного сечения сосуда ?r2:

v=Q/?r2

Полученная таким образом величина является сугубо средним показателем, так как, согласно законам ламинарного движения, скорость перемещения крови в центре сосуда является максимальной и падает в слоях, прилежащих к сосудистой стенке.

Линейная скорость кровотока различна и в отдельных участках сосудистого русла по ходу сосудистого дерева. Она зависит от общей суммы площади просветов сосудов этого калибра в рассматриваемом участке. Наименьшим поперечным сечением характеризуется аорта, в связи с чем и скорость движения крови в ней самая большая - 50-70 см/с. Наибольшей суммарной площадью поперечного сечения обладают капилляры, у млекопитающих она приблизительно в 600-800 раз больше площади поперечного сечения аорты. Соответственно и скорость крови здесь около 0,05 см/с. В артериях она составляет 20-40 см/с, в артериолах - 0,5 см/с. В силу того, что при слиянии вен их суммарный просвет уменьшается, линейная скорость кровотока снова возрастает, достигая в полой вене 20 см/с (рис. 9.30).

Кровь выталкивается отдельными порциями, поэтому кровоток в аорте и артериях пульсирует. При этом его линейная скорость возрастает в фазе систолы и снижается во время диастолы. В капиллярной сети в силу особенностей строения предшествующих ей артерий пульсовые толчки исчезают и линейная скорость кровотока приобретает постоянный характер.

Рис. 9.30 Соотношение объемной и линейной скоростей кровотока в разных отделах сосудистого русла

А - линейная скорость кровотока по ходу сосудистого русла; Б - различные по высоте, но равные по объему цилиндры, изображающие суммарную объемную скорость кровотока; В - суммарный просвет сосудов: 1 - артерии, 2 - капилляры, 3 - вены (капиллярный просвет должен превышать просвет аорты в 600-800 раз); hi, h2, h3 - высота цилиндра (длина отрезка сосуда); SI, S2, S3 - суммарный просвет сосудов в разных отделах русла.

Скорость кругооборота крови отражает время, за которое частица крови проходит большой и малый круг кровообращения. Для определения скорости кругооборота обычно используют введение радиоактивной метки с последующим контролем ее появления в соответствующей области. У различных насекомых время кругооборота равно 20-30 мин, у крабов - 37-65 с, у кролика - 7 с, у собаки - 16 с. У человека минимальное время полного кругооборота составляет 20-23 с. При этом на прохождение малого круга кровообращения приходится около 1/5 времени, а на прохождение большого - нередко 4/5.

9.5.4. Давление в артериальном русле

Основной функцией артерий является создание постоянного напора, под которым кровь движется по капиллярам. Обычно объем крови, заполняющий всю артериальную систему, составляет примерно 10-15% от общего объема циркулирующей в организме крови.

Уровень кровяного давления (обычно выражаемый в миллиметрах ртутного столба) определяется совокупностью ряда таких факторов, как нагнетающая сила сердца, периферическое сопротивление сосудов, объем крови. Однако главным из них является работа сердца.

Нагнетающая сила сердца. При каждой систоле и диастоле кровяное давление в артериях колеблется. Его подъем вследствие систолы желудочков характеризует систолическое (максимальное), давление. Систолическое давление, в свою очередь, подразделяется на боковое и конечное. Боковое давление представляет собой давление крови, передаваемое на стенки сосудов. Конечное давление является суммой потенциальной и кинетической энергии, которой обладает масса крови, движущейся на определенном участке сосудистого русла. Оно на 10-20 мм рт. ст. выше бокового.

Разность между боковым и конечным систолическим давлениями называется ударным давлением. Его величина отражает деятельность сердца и состояние стенок сосудов. У человека в возрасте 16-45 лет систолическое давление в аорте составляет 110-125 мм рт. ст. В концевых разветвлениях артерий и артериолах оно уменьшается до 20-30 мм рт. ст., что связано с высоким гидродинамическим сопротивлением этих сосудов.

Спад давления во время диастолы соответствует диастолическому (минимальному) давлению. Его величина зависит главным образом от периферического сопротивления кровотоку и частоты сердечных сокращений.

Разность между систолическим и диастолическим давлением, т. е. амплитуду колебаний, называют пульсовым давлением. Пульсовое давление пропорционально объему крови, выбрасываемой сердцем при каждой систоле. В мелких артериях пульсовое давление снижается, а в артериолах и капиллярах оно постоянно.

Эти три величины - систолическое, диастолическое и пульсовое давление крови - служат важными показателями функционального состояния всей сердечно-сосудистой системы и деятельности сердца в определенный период. Они являются видовыми и у здоровых особей одного вида поддерживаются на постоянном уровне.

Как известно, в любой замкнутой системе трубок с нагнетающим устройством типа насоса наибольшее давление возникает в прилежащей к насосу области. По мере продвижения по трубкам давление расходуется на преодоление сопротивления. Если рассматривать кровяное русло высших позвоночных как систему замкнутых трубок, то из этого следует, что давление крови,

Таблица 9.2

Средние показатели систолического и диастолического давления у отдельных видов животных

Давление, мм рт. ст.

Личинка стрекозы

Брюшной гемоцель

33

Сом

Брюшная аорта

40/30*

Лягушка

Тоже

22/11

Курица

Сонная артерия

150/40

Морская свинка

Тоже

77/47

Мышь

Тоже

113/81

Крыса

Тоже

130/90

Кролик

Тоже

110/80

Собака

Бедренная артерия

150/90

Лошадь

Запястная артерия

172/123

Свинья

Тоже

139/99

Овца

Бедренная артерия

151/114

Макака-резус

Лучевая артерия

160/130

Числитель означает систолическое давление, знаменатель - диастолическое.

обусловленное работой сердца, по мере удаления от сердца будет падать. Следовательно, чем больше будут разветвляться сосуды, тем сильнее будет падение давления. Наиболее значительно падение давления в артериолах и капиллярах.

В результате этого кровь в венах течет под низким давлением, которое, в свою очередь, постепенно понижается по направлению к правому предсердию.

К плечевой артерии здорового человека в возрасте 20-40 лет систолическое давление составляет 110-120 мм рт. ст., диастолическое - 70-80 мм рт. ст., пульсовое - 40 мм рт. ст. В мелких сосудах большого круга кровообращения разность между этими уровнями, т. е. пульсовое давление, значительно меньше. Давление в легочной артерии малого круга кровообращения равно соответственно 25 и 10 мм рт. ст. Показатели артериального давления у некоторых видов животных приведены в табл. 9.2.

У самцов млекопитающих и птиц артериальное давление выше, чем у самок; в условиях покоя у крупных животных оно выше, чем у мелких. Артериальное давление претерпевает суточные колебания. У человека они не превышают ±10 мм рт. ст.

У гомойотермных животных, а также у лягушки, аллигатора, черепахи повышение температуры тела приводит к повышению кровяного давления. В организме пойкилотермных животных кровь циркулирует медленнее, чем у гомойотермных, и артериальное давление у них ниже. У рыб давление тесно коррелирует с частотой сердечных сокращений.

Повышение артериального давления по сравнению с определенными для данного организма величинами называют артериальной гипертензией, снижение - артериальной гипотензией.

Помимо систолического, диастолического и пульсового артериального давления существует так называемое среднее артериальное давление. Оно представляет собой как бы равнодействующую колебаний артериального давления в разные фазы сердечного цикла, т. е. среднюю величину давления, но без пульсовых колебаний, хотя и с таким же гемодинамическим эффектом.

Периферическое сопротивление сосудистого русла большого круга кровообращения. Периферическое сопротивление - это второй фактор, определяющий артериальное давление. Сопротивление зависит в основном от диаметра прекапиллярных сосудов - мелких артерий и артериол, вследствие чего их называют сосудами сопротивления, или резистивными сосудами. Артериолы имеют толстые гладкомышечные стенки и способны легко изменять свой просвет. Уменьшение просвета приводит к задержке крови в артериях и, соответственно, к повышению систолического и диастолического давления, ухудшению местного кровообращения питаемой сосудом области. При расширении просвета артериол направленность реакции противоположна.

Количество циркулирующей в сосудах крови и ее вязкость. Это третий и четвертый факторы, от которых зависит уровень артериального давления. Обильные кровопотери приводят к снижению кровяного давления, напротив, переливание больших количеств крови повышает артериальное давление.

Артериальное давление зависит и от притока венозной крови к сердцу, например при мышечной работе. Это происходит потому, что, согласно закону Франка-Старлинга (см. разд. 9.2.3), приток крови в сердце усиливает систолическое сокращение и, следовательно, увеличивает ее отток в сосуды.

Определение величины кровяного давления. Кровяное давление определяют двумя способами: прямым (кровавым) путем, применяемым в эксперименте на животных, и косвенным (бескровным), используемым для измерения давления у человека.

Впервые измерение артериального давления прямым путем было произведено в 1733 г. Стефаном Хейлсом у лошади. Для этого на одну из крупных артерий был наложен зажим и в сосуд по направлению к сердцу введена трубка. Эта трубка соединялась с другой трубкой, поставленной вертикально (прообраз манометра). Когда зажим снимали, кровь устремлялась в вертикальную трубку и поднималась до уровня, соответствующего артериальному давлению. Примененный Хейлсом принцип соединения сосуда с манометром остался неизменным до сих пор, усовершенствованию подвергались лишь регистрирующие приборы.

Косвенным путем кровяное давление определяют при помощи аппарата (сфигмоманометра) Рива-Роччи. Для этого вокруг руки человека или конечности животного укрепляют полую резиновую манжету, соединенную трубкой с ртутным или пружинным манометром и резиновым баллоном для нагнетания воздуха. Накачивание в манжету воздуха создает в ней давление, которое сжимает артерию. Момент, когда сосуд перестает пропускать кровь, устанавливают по прекращению пульса в периферическом от манжеты конце артерии. Затем медленно выпускают воздух из манжеты до появления пульса. Величину давления в манжете в этот момент регистрируют с помощью манометра.

В 1905 г. Н. С. Коротков предложил определять давление путем прослушивания звуков в артерии ниже манжеты. В обычных условиях, когда кровь течет по артерии непрерывно, колебания, создаваемые пульсирующим током крови, не слышны. В момент зажатия артерии манжетой в сосуде возникают турбулентность и завихрения, создающие характерный звук, прослушиваемый через фонендоскоп. Появление тона Короткова характеризует прохождение кровью

Рис. 9.31 Артериальное давление

А - регистрация в остром опыте; В - кривая кровяного давления (схема);

В - кривые кровяного давления: / - волны первого порядка (пульсовые), II - волны второго порядка (дыхательные), III - волны третьего порядка;

1 - датчик, 2 - электронный измеритель давления, 3 - регистрирующее устройство, 4 - канюля, б - сосуд.

сдавленного участка сосуда и соответствует систолическому давлению. Исчезновение звука совпадает с диастолическим давлением.

На кривой кровяного давления отчетливо видны три вида волн (рис. 9.31). Волны первого порядка протекают параллельно с ритмом сердцебиений. При каждой систоле кровяное давление увеличивается, что записывается на кривой в виде зубца. При каждой диастоле давление уменьшается. Число зубцов соответствует числу систол. Если записывать одновременно артериальное давление и дыхание, то можно заметить, что волны первого порядка дополнительно изменяют свой уровень. В большом круге кровообращения артериальное давление снижается при вдохе и повышается при выдохе. Эти колебания, связанные с дыхательными движениями, называются волнами второго порядка. Их появление связано с присасывающим действием грудной клетки и изменением внутригрудного давления. В малом круге кровообращения также происходят гемодинамические изменения. Во время вдоха приток крови в нем возрастает, во время выдоха - снижается.

Помимо этих двух видов волн на кривой наблюдаются выраженные с различной интенсивностью редкие повышения и западения давления, не связанные ни с сердечной, ни с дыхательной деятельностью. Эти колебания, обозначаемые как волны третьего порядка (волны Траубе-Геринга), совершаются в редком (6-9 в 1 мин) ритме. Чаще всего они возникают при недостаточном снабжении мозга кислородом, кровопотерях, отравлениях ядами. Своим происхождением они обязаны медленным процессам изменения тонуса сосудодвигательного центра. Этот тонус ритмически ослабевает и усиливается, вызывая соответственно понижение и повышение сопротивления артериального русла, что, в свою очередь, обусловливает понижение и повышение кровяного давления. В том случае, когда все три вида волн отчетливо выражены, кривая кровяного давления принимает вид, показанный на рис. 9.31.

9.5.5. Артериальный пульс

Под пульсом понимают периодические колебания объема сосудов, связанные с динамикой их кровенаполнения и давления в них в течение одного сердечного цикла.

Систолический объем крови, выбрасываемый в аорту, вызывает ее растяжение и повышение в ней давления. В результате того, что стенки аорты и артерий обладают эластичностью, систолический прирост давления не продвигает весь столб крови (как происходило бы, если бы артериальная система состояла из жестких, неэластичных трубок), а вызывает растяжение стенок артерий. Благодаря такому растяжению аорта и артериальные стволы вмещают в себя выбрасываемый сердцем систолический объем крови.

Стенки сосудов, получившие во время систолы добавочное напряжение, стремятся в силу упругости уменьшить свою емкость и во время диастолы продвигают вперед систолический объем крови. Расширение стенки и повышение давления происходит теперь на прилежащем участке. Колебания давления, волнообразно повторяясь и постепенно ослабевая, захватывают все новые и новые участки (рис. 9.32) артерий, пока не достигают артериол и капилляров, где пульсовая волна гаснет.

Соответственно пульсирующим изменениям давления пульсирующий характер приобретает и продвижение крови по артериям: ускорение кровотока во время систолы и замедление во время диастолы.

Амплитуда колебания пульсовой волны, или волны повышения давления, затухает по мере продвижения от центра к периферии. Линейная скорость кровотока также снижается в результате увеличения сечения русла. Скорость распространения пульсовой волны в аорте человека составляет 5,5-8 м/с, в крупных артериях - 6-9,5 м/с. Она не зависит от линейной скорости продвижения крови, которая в крупных артериях не превышает 0,5 м/с. На скорость распространения пульсовой волны почти не оказывает влияния сопротивление кровотоку, возникающее, например, в результате сокращения мышечной стенки сосудов.

Пульс можно исследовать или непосредственным прощупыванием через кожу пульсирующей артерии, или путем регистрации кривой пульсового давления с помощью предложенного Ж. Мареем (1832) прибора - сфигмографа. На сфигмограмме аорты и крупных артерий различают начальный резкий подъем кривой - анакроту (рис. 9.33). Он связан с открытием полулунных клапанов, когда кровь с силой выталкивается в аорту и растягивает ее стенки. Далее следует более отлогий спад пульсовой кривой - катакрота. Он возникает

Рис. 9.32 Механизм возникновения артериального пульса

А- функция "компенсаторной камеры" и механизм распространения пульсовой волны: 1 - растяжение ближайшего к сердцу участка аорты, 2 - растяжение следующего участка и заполнение его кровью, 3 - повторение этого процесса и распространение крови вдоль эластических артерий; Б - изображение того, каким образом артерии, расположенные вблизи сердца, способствуют непрерывному току крови, несмотря на перерывы в поступлении крови из желудочков сердца: 4 - желудочек сокращается, клапан открыт, 5 - желудочек расслабляется, клапан закрыт, происходит упругое сжатие растянутого сосуда.

Рис. 9.33

А - регистрация пульса на сонной артерии: 1 - онкометрический (для определения кровенаполнения) датчик, 2 - сфигмограф, 3 - регистрирующее устройство; В - артериальный пульс (сфигмограмма) сонной артерии: а-б-в (анакрота) - повышение давления во время систолы , в-г - снижение давления в конце систолы, д - захлопывание полулунных клапанов, е-ж-з (катакрота) - снижение давления во время диастолы; В - сфигмограммы сонной (7), лучевой (2), пальцевой (3) артерий, записанные синхронно; Г - венный пульс (флебограмма): отражение систолы предсердий (а), систолы желудочков (с), конца диастолы предсердий (и).

в конце систолы желудочка, когда давление в нем начинает падать. Нисходящее колено кривой имеет выемку и добавочную волну - вторичный, или дикротический, подъем. По времени их появление совпадает с моментом закрытия полулунных клапанов и возникновения обратной волны тока крови. В периферических артериях анакротическое колено кривой более плавное, дикротический подъем выражен меньше.

Количество крови, протекающей через определенный участок артерии в течение каждого пульсового периода, называют пульсовым объемом. Его величина зависит от сечения артерии, степени раскрытия ее просвета, систолического объема, скорости кровотока.

Пульсирующий характер кровотока имеет существенное значение для регуляции кровообращения в целом. Частота и амплитуда колебаний давления оказывают влияние на тонус сосудов. Это влияние осуществляется либо путем прямого механического воздействия на гладкую мышцу сосудистой стенки либо путем активации барорецепторов сосудистых рефлексогенных зон.

9.5.6. Капиллярный кровоток

Кровеносные капилляры являются самыми тонкими и многочисленными сосудами. Они располагаются в межклеточных пространствах. Просвет капилляров варьирует от 4,5 до 30 мкм и более, что обусловлено органными особенностями строения сосудистой системы. Общее число капилляров в различных тканях не одинаково. В органах с высоким уровнем метаболизма число капилляров на 1 мм поперечного сечения больше, чем в органах с менее интенсивным обменом. Например, сердечная мышца содержит вдвое больше капилляров, чем скелетная, в сером веществе головного мозга капиллярная сеть значительно гуще, чем в белом. Длина отдельного капилляра колеблется от 0,5 до 1,1 мм.

Количество всех капилляров организма чрезвычайно велико. Например, у человека оно составляет около 40 млрд., общая длина капилляров достигает 100 000 км. Этой величины достаточно, чтобы два с половиной раза опоясать земной шар по экватору. Также велика и общая площадь их поверхности; она составляет примерно 1500 м2.

В местах отхождения капилляров от артериол гладкомышечные клетки образуют прекапиллярные сфинктеры. От степени их сокращения зависит какая

Рис. 9.34 Показатели гемодинамики в различных отделах сосудистого русла

А - распределение крови, Б - уровень кровяного давления, суммарный просвет сосудов и линейная скорость кровотока. а - сердце, б, в - резистивные сосуды (б - артерии, в - артериолы), г - капилляры, д, е - емкостные сосуды (д - венулы, е - вены).

часть крови будете проходить через капилляры. В остальных участках капилляров сократительные элементы полностью отсутствуют. Стенка капилляров представляет собой полупроницаемую мембрану, тесно связанную функционально и морфологически с окружающей соединительной тканью. Она состоит из двух оболочек: внутренней - эндотелиальной, наружной - базальной. Различают три типа капилляров: соматический, висцеральный и синусоидный.

Стенка капилляров соматического типа характеризуется непрерывностью эндотелиальной и базальной оболочек. Она малопроницаема для крупных молекул белка, но легко пропускает воду и растворенные в ней минеральные вещества. Капилляры такого рода располагаются преимущественно в коже, скелетной и гладкой мускулатуре, в головном мозгу, что соответствует характеру метаболических процессов этих органов и тканей.

В стенках капилляров висцерального типа имеются окна (фенестры). Такие капилляры характерны для органов, которые секретируют и всасывают большие количества воды и растворенных в ней веществ или участвуют в быстром транспорте макромолекул (почки, пищеварительный канал, эндокринные железы).

У капилляров синусоидного типа, характеризующихся большим просветом, эндотелиальная оболочка прерывиста, базальная мембрана частично отсутствует. Местом локализации таких капилляров являются костный мозг, печень, селезенка. Через их стенки легко проникают макромолекулы и форменные элементы крови.

Функция капилляров заключается в снабжении клеток питательными и пластическими веществами и удалении продуктов метаболизма, т. е. в обеспечении транскапиллярного обмена. Для осуществления этих процессов необходим ряд условий, важнейшими из которых являются скорость кровотока в капилляре, величина гидростатического и онкотического давления, проницаемость стенки капилляра, число перфузируемых капилляров на единицу массы ткани.

Кровяное давление в капиллярах зависит от сопротивления в разветвляющемся артериальном русле (рис. 9.34). Оно продолжает падать и на протяжении самих капилляров. Например, в артериальной части капилляра кожи кровяное давление составляет в среднем 30 мм рт. ст., а в венулярном - 10. Средняя линейная скорость капиллярного кровотока у млекопитающих достигает 0,5-1 мм/с. Следовательно, время контакта каждого эритроцита со стенкой капилляра длиной 100 мкм не превышает 0,15 с. Интенсивность эритроцитарного потока

Рис. 9.35 Обмен веществ в пределах микроциркуляторного русла

1 - ткани, 2 - артерио-венозный анастомоз, 3 - венула, 4 - артериола, 5 - капилляры; цифрами показано изменение соотношений гидростатического (числитель) и онкотического (знаменатель) давлений (мм рт. ст.).

Рис. 9.36 Тургорный механизм расширения капилляров

А- эндотелий капилляра в расслабленной мышце; Б- эндотелий капилляра в сокращенной мышце .1- продукты метаболизма, 2 - эндотелий капилляров, 3-просвет капилляров, 4 - межклеточное мышечные волокна.

в капиллярах колеблется от 12 до 25 и более клеток в 1 с. Таким образом, каждая клетка крови находится в капилляре около 1 с. Скорость капиллярного кровотока зависит от просвета сосуда, области тела и реологических свойств крови.

Движение жидкости через капиллярную стенку происходит в результате разности гидростатического давления крови и гидростатического давления окружающей ткани (рис. 9.35, 9.36), а также под действием разности онкотического давления крови и межклеточной жидкости. Процесс фильтрации из капилляров в межклеточную жидкость осуществляется под давлением 7 мм рт. ст., а обратный ток в просвет капилляра - 8 мм рт. ст.

В нормальных условиях скорость фильтрации жидкости практически равна скорости ее реабсорбции. Только небольшая часть межклеточной жидкости поступает, минуя кровеносные капилляры, в лимфатические капилляры и оттуда в виде лимфы снова возвращается в кровяное русло. Средняя скорость фильтрации во всех капиллярах организма человека составляет примерно 14 мл/мин, т. е. 20 л/сут. Обратный процесс, или реабсорбция, составляет около 12,5 мл/мин, или 18 л/сут; по лимфатическим сосудам оттекает 2 л/сут.

Изменение любого параметра равновесия приводит к изменению остальных параметров. Например, увеличение капиллярного гидростатического давления сопровождается усилением фильтрации воды из капилляра, в результате в тканевых пространствах повышается гидростатическое и снижается онкотическое давление. Одновременно с этим возрастает онкотическое давление белков плазмы крови, вызывающее, в свою очередь, усиление абсорбции в венозном конце капилляра. Следовательно, усиление фильтрации сопровождается соответствующим повышением абсорбции жидкости в капилляре.

Процессу фильтрации через стенку капилляра способствует и поршневой механизм прохождения через капилляр эритроцита. Вследствие закупорки артериального конца капилляра возникает небольшое снижение давления в его

Рис. 9.37 Возможные пути перехода крови из артериолы в венулу

венозной части. После прохождения эритроцита давление в этом отрезке восстанавливается. Эритроцит при этом играет роль поршня. Процессу фильтрации также способствует конвекция межклеточной жидкости.

По ходу капилляров и окружающей их соединительной ткани находятся чувствительные нервные окончания. Значительное место среди них занимают хеморецепторы, сигнализирующие о состоянии метаболических процессов. Эффекторные нервные окончания непосредственно у стенок капилляров в большинстве органов не обнаруживаются.

Регуляция капиллярного кровотока осуществляется нервными и гуморальными механизмами, которые обеспечивают оптимальный кровоток в этих сосудах для транскапиллярного обмена между кровью и тканями. Различают три уровня регуляции капиллярного кровотока: общесистемную регуляцию, местную (в пределах органа) и саморегуляцию (в пределах капиллярной единицы).

Основным механизмом нервной регуляции капилляров является их эфферентная иннервация бессинаптического типа. Она осуществляется благодаря свободной диффузии медиаторов по направлению к стенкам капилляров. Ведущая роль в местной регуляции капиллярного кровотока принадлежит физиологически активным веществам. В частности, гистамин и кинины - одни из самых активных вазодилататоров; серотонин, ангиотензин II - констрикторы некоторых сосудов. Вазоактивным действием обладают гормон задней доли гипофиза (нейрогипофиза) - вазопрессин, а также простагландины.

Капилляры могут образовать либо прямой кратчайший путь между артериолами и венулами, либо формировать капиллярные сети (рис. 9.37). В таком случае капилляры отходят от артериального конца магистрального сосуда и впадают в него в его венозной части. Такая анатомическая архитектура имеет важное значение в распределении крови в капиллярных сетях.

Для терминального артериального русла характерно также наличие сосудов, несущих артериальную и венозную кровь в обход капиллярного русла - артериоло-венулярные (артерио-венозные) анастомозы (рис. 9.37, 9.38). Они существуют почти во всех органах и влияют на скорость и объем кровотока в капиллярах. Артериоло-венулярные анастомозы участвуют в терморегуляции, регуляции тока крови через орган, стимуляции венозного кровотока.

Рис. 9.38 Капилляры мышцы: строение микроциркуляторного русла АВА - артерио-венозный анастомоз.

Рис. 9.39 Скорость кровотока и величина давления в разных областях кровяного русла

А - линейная скорость кровотока в сосудах каждого отдела кровяного русла обратно пропорциональна площади поверхности поперечного сечения этого отдела. наиболее высока эта скорость в магистральных артериях и венах и наиболее низка - в капиллярах; напротив, суммарная площадь поверхностей поперечного сечения наибольшая для капилляров и наименьшая - Для крупных артерий и вен. Б - среднее давление в различных отделах кровеносной системы. Наибольшее падение давления происходит в области артериол.

9.5.7. Кровообращение в венах

Венозная система начинается посткапиллярными венулами в сосудах микроциркуляторного русла и представляет собой отводящее кровь звено (рис. 9.39). Вены являются емкостными сосудами обладающими самой большой растяжимостью и относительно низкой эластичностью. Внутренняя поверхность большинства вен, за исключением мелких венул, вен воротной системы и полых вен, снабжена клапанами, представляющими собой тонкие складки внутренней оболочки. Их основу составляет волокнистая соединительная ткань. Клапаны способствуют току крови к сердцу и препятствуют ее обратному движению. Одновременно они предохраняют сердце от излишней затраты энергии на преодоление колебательных движений крови, постоянно возникающих в венах под влиянием различных внешних воздействий, таких как атмосферное давление, мышечное сжатие и др.

Вены вмещают 70-80% крови организма. Они в большой степени определяют емкость всей системы кровообращения, величину возврата крови к сердцу, минутный объем кровообращения (табл. 9.3). В основе венозного возврата лежит ряд механизмов.

Кровь перекачивается из области высокого давления в область более низкого давления, в начале венозного русла в венулах большого круга кровообращения оно составляет примерно 15 мм рт. ст., в крупных венах за пределами грудной полости - 5-6 мм рт. ст., в венах грудной полости и при впадении их в правое предсердие почти равно атмосферному и зависит от фаз дыхания. Во время вдоха, когда грудная клетка расширяется, давление в венах понижается и становится ниже атмосферного, при выдохе повышается обычно на 2-5 мм рт. ст.

Давление в начале венозной системы обусловлено остатком движущей силы, которая сообщается крови сокращениями сердца и сохранилась после преодоления сопротивления в артериолах и капиллярах (остаточная сила сердца).

Большую роль в венозном возврате играет присасывающее действие грудной клетки. При вдохе расширяются легкие, возникает отрицательное внутрилегочное давление и одновременно расширяются крупные полые вены. В результате этого возрастает разность давления между началом венозной системы и местом впадения полых вен в сердце. Тем самым облегчается приток венозной крови к сердцу. Воздействие дыхательных движений на венозное кровообращение называют дыхательным насосом. Движение крови к сердцу обеспечивается также его присасывающим действием в фазу диастолы.

Определенное влияние на кровоток в венах оказывают сокращения скелетных мышц, сдавливающие проходящие в них сосуды (рис. 9.40). При сжатии вен давление в них повышается и благодаря наличию в венах клапанов (рис. 9.41), препятствующих оттоку крови к капиллярам, кровоток становится однонаправленным в сторону сердца. Это явление получило название мышечного насоса.

Еще одним фактором, облегчающим приток крови к сердцу, является присасывающе-сдавливающий насосный эффект, оказываемый диафрагмой на органы брюшной полости. Во время вдоха диафрагма сокращается, внутрибрюшное давление увеличивается. Оттесненные диафрагмой органы давят на стенки вен, выжимая кровь в сторону воротной вены и далее в полую вену. Повышение градиента давления между брюшными и грудными венами сопровождается увеличением венозного притока к сердцу. Во время выдоха наблюдается обратная картина. В движении крови играют роль и перистальтические сокращения стенок некоторых вен. В венах печени они сокращаются с частотой 2-3 в 1 мин.

На движение крови в венах действует и гидростатический фактор - тяжесть столба крови, которая давит на стенки всех сосудов, расположенных при вертикальном положении тела ниже

Таблица 9.3

Объемная скорость кровотока в органах (мл/мин на 100 г массы)

Орган

Кровоток

Щитовидная железа

560

Почки

420

Печень

150

Сердце (коронарные сосуды)

85

Кишка

50

Мозг

65

Селезенка

70

Желудок

35

Мышцы рук и ног (в покое)

2-3

Рис. 9.40 Сокращение окружающих вену мышц, способствующее однонаправленному движению крови к сердцу

А - мышцы расслаблены, клапаны закрыты, Б - мышцы сокращаются, верхний клапан открывается и кровь выталкивается вверх; нижний клапан остается закрытым, В - мышцы расслабляются, верхний клапан закрывается, а нижний открывается вследствие сокращения мышц в нижнежелудочковых участках, и кровь проходит через него. 1 - верхний клапан, 2 - нижний клапан, 3 - мышца, 4 - движение крови к сердцу, 5 - вена.

Рис. 9.41 Действие клапана в вене А - давление крови, направленное вверх, заставляет венозный клапан открыться, и кровь течет по направлению к сердцу; Б - обратное движение крови приводит к закрытию клапанов, поэтому кровь не может течь по направлению от сердца.

Рис. 9.42 Влияние гидростатического фактора на венозное и артериальное давление

Горизонтальная плоскость соответствует уровню постоянного гидростатического давления.

Рис. 9.43 Венный пульс

а - волна, обусловленная систолой правого предсердия; с - волна, возникающая вследствие того, что в период напряжения правого желудочка повышение давления в его полости передается через закрытые створки предсердно-желудочкового клапана на кровь, заполняющую правое предсердие и близкие к нему вены; о - волна, наблюдаемая во второй половине систолы желудочков: она зависит от притока крови из вен в предсердие; крутое падение от с до х соответствует падению давления в предсердиях в начале фазы изгнания крови из желудочков, а от v к y - после раскрытия трехстворчатого клапана.

сердца (рис. 9.42). Это ведет к скоплению крови в сосудах и их растяжению. Большому скоплению крови в венах противодействуют, помимо других факторов, перистальтические сокращения мышц стенок некоторых вен, например в печени. Если вследствие патологического состояния этого сокращения не происходит или если оно недостаточно то кровь при вертикальном положении тела в значительном количестве скапливается в венах конечностей и брюшной полости (отеки).

В венулах и терминальных венах кровоток, как правило, имеет постоянный характер. В более крупных сосудах возникают небольшие колебания давления и скорости кровотока. В венах среднего калибра скорость кровотока составляет 7-14 см/с, в полых венах она несколько выше - до 20 см/с и более. Колебания скорости кровотока зависят от фаз дыхания и сердечных сокращений. На величину венозного и артериального давления определенное влияние оказывает гидростатический фактор (рис. 9.42).

Венный пульс. Венным пульсом называют колебания давления и объема в венах за время одного сердечного цикла, связанные с динамикой оттока крови в правое предсердие в разные фазы систолы и диастолы. Эти колебания передаются ретроградно, и их можно обнаружить в крупных, близко расположенных к сердцу венах - обычно в полых и яремных. Скорость распространения пульсовой волны составляет 1-3 м/с. Пульсацию периферических вен определить практически невозможно.

Происхождение пульсовой волны венного пульса иное, чем артериального. В то время как причиной артериального пульса является систолическое ускорение, сообщаемое столбу крови энергией сердечного сокращения, причиной венного пульса является прекращение оттока крови из вен к сердцу во время систолы предсердий и желудочков. В этот момент ток крови в больших венах задерживается и давление в них возрастает.

На кривой венного пульса, или флебограмме, различают три волны (рис. 9.43). Они расшифровываются следующим образом. Первая волна (а) возникает во время систолы правого предсердия. В этот момент отток крови из вен к сердцу прекращается и давление в них возрастает. Когда предсердие расслабляется и кровь снова начинает поступать в его полость, давление в вене падает и кривая возвращается к исходному уровню. Однако падение давления прерывается новой волной (с). По времени она совпадает с пульсом соседней сонной артерии и отражает колебание ее стенки. Толчок сонной артерии сообщается вене и вызывает в ней возникновение быстро протекающей волны повышенного давления. После такого кратковременного подъема давление продолжает равномерно падать. Это происходит потому, что кровь непрерывно оттекает в предсердие, находящееся в это время в диастоле. После заполнения предсердий давление в вене вновь начинает повышаться, происходит застой крови и растяжение венозной стенки. Все это вызывает возникновение третьей пологой волны (v). После этого начинается новый сердечный цикл, и в момент систолы предсердий возникает новая первая волна венного пульса.

9.6. РЕГУЛЯЦИЯ КРОВООБРАЩЕНИЯ

О регуляции давления и тока циркулирующих жидкостей у беспозвоночных известно мало. Большинство из них имеет незамкнутую циркуляторную систему, в которой давление и скорость тока низки и изменчивы, а объем гемолимфы велик. В таких системах ток жидкости зачастую больше зависит от сокращения соматических мышц, чем от деятельности сердца и состояния сосудов. Это автоматически обеспечивает усиление циркуляции во время активности животных. Для многих групп беспозвоночных характерно использование давления внутренней жидкости для поддержания тела и передвижения. Ясно, что перепады давления, обеспечивающие ток жидкости, при этом имеют лишь второстепенное значение.

Наибольшего развития среди беспозвоночных регуляция давления и тока циркулирующих жидкостей достигла у головоногих моллюсков, обладающих уже замкнутой циркуляторной системой и мощным сердцем. Несмотря на невероятное разнообразие насекомых, о регуляции их сосудистой системы практически ничего не известно.

Вазомоторная регуляция у рыб изучена мало. Большинство периферических кровеносных сосудов у них снабжено симпатическими нервами, хотя некоторые из этих нервов на самом деле выделяют ацетилхолин. У млекопитающих ацетилхолин обладает сосудорасширяющим действием (см. разд. 5.2.1), у рыб же, напротив, он обнаруживает тенденцию повышения давления, увеличивая периферическое сопротивление.

Основа для рефлекторной регуляции гемодинамики в филогенезе появляется у амфибий. Она обеспечивается, в сущности, так же, как у рептилий, птиц и млекопитающих.

Каждый орган тела способен эффективно работать лишь при условии адекватного кровообращения. Изменение деятельности органа должно сопровождаться и соответствующим изменением кровотока. Регуляция кровообращения осуществляется за счет детерминированных изменений минутного объема крови и сопротивления регионарных отделов сосудистого русла. Механизмы регуляции кровообращения для удобства изучения условно подразделяют на местные (периферические, или регионарные) и центральные нейрогуморальные. Первые регулируют кровоток в органах и тканях в соответствии с их функцией и интенсивностью метаболизма, вторые - системную гемодинамику при общих адаптивных реакциях организма.

9.6.1. Местные механизмы регуляции кровообращения

Различному уровню деятельности органов и тканей соответствуют различный уровень процессов расщепления органических соединений и связанная с ним потребность в кислороде. Кислород приносится к тканям только с кровью и только с кровью удаляются из тканей образующиеся в них продукты окисления. Отсюда следует, что увеличенный приток крови, соответствующий усиленному метаболизму, является обязательным условием длительной работы любого органа. Так, в отдельно работающей мышце или железе кровоток усиливается и в этом процессе участвуют сосуды микроциркуляторного русла. На основании взаимосвязи между тканевой микроциркуляцией и состоянием клеток реализуются механизмы саморегуляции, которые и обеспечивают соответствие между уровнем функции органа и его кровоснабжением.

В основе этих местных механизмов лежит то, что образующиеся в процессе метаболизма продукты способны расширять прекапиллярные артериолы и увеличивать в соответствии с деятельностью органа количество открытых функционирующих капилляров. Например, при усилении деятельности скелетной мышцы образование АТФ вначале отстает от ее потребности, но возрастает количество продуктов его распада - АДФ и АМФ. Их избыток активирует ресинтез АТФ в митохондриях и увеличивает потребление кислорода в клетке. Возникающий при этом избыток аденозина тормозит транспорт Са2+ в клетки гладкой мышцы артериол. В результате их стенки расслабляются, увеличивается тканевый кровоток, что влечет за собой увеличение кислородного снабжения мышцы и увеличение синтеза АТФ.

Понижение тонуса гладких мышц сосудов микроциркуляторного русла и возникающее в результате расширение сосудов происходят и под влиянием ряда других продуктов метаболизма, например ионов H+. Важную роль в местной регуляции кровообращения играют также биологически активные вещества типа кининов, простагландинов, гистамина и т. д. Они оказывают прямое влияние на тонус гладкомышечных клеток сосудов, приспосабливая местный кровоток к потребностям органа.

Гладкие мышцы стенок сосудов никогда не бывают полностью расслаблены. В них постоянно сохраняется некоторое напряжение - мышечный тонус. Тоническое состояние сопровождается изменением электрических характеристик и незначительным сокращением мышцы. Тонус гладких мышц обеспечивается двумя механизмами: миогенным и нейрогуморальным. Миогенная регуляция играет ведущую роль в поддержании сосудистого тонуса. В этом легко убедиться, так как даже при полном отсутствии внешних нервных и гуморальных влияний продолжает сохраняться остаточный тонус сосудов, получивший название базального, или периферического.

В основе базального тонуса лежит способность некоторых гладкомышечных клеток сосудов к спонтанной активности и распространению возбуждения от клетки к клетке, что создает ритмичные колебания тонуса - эндогенную вазомоторику. Она отчетливо выражена в артериолах, метартериолах, прекапиллярных сфинктерах. Воздействия, уменьшающие уровень мембранного потенциала (такие как механическое растяжение), увеличивают частоту спонтанных разрядов и амплитуду сокращения гладких мышц. Напротив, гиперполяризация клеточных мембран приводит к исчезновению спонтанного возбуждения и мышечных сокращений. Вырабатываемые тканями метаболиты оказывают активное воздействие на гладкомышечные клетки по принципу отрицательной обратной связи. Так, при повышении тонуса прекапиллярных сфинктеров капиллярный кровоток уменьшается, соответственно увеличивается концентрация метаболитов, что оказывает сосудорасширяющее действие. Подобными эффектами обладают низкое напряжение 02 и высокое СO2, повышение концентрации H+.

Базальный тонус не одинаков для разных областей сосудистого русла. Он наиболее выражен в сосудах органов с высоким уровнем метаболизма. Благодаря наличию базального тонуса и способности его к местной саморегуляции сосуды некоторых областей могут поддерживать объемную скорость кровотока на постоянном уровне независимо от колебаний системного артериального давления. Эта особенность наиболее отчетливо выражена в сосудах почки, сердца, мозга.

Местные механизмы - необходимое звено регуляции кровообращения, хотя и недостаточное для того, чтобы обеспечить быстрые и значительные изменения кровообращения, возникающие в процессе приспособления организма к изменениям среды. Последнее достигается благодаря координации местных саморегуляторных механизмов и центральной нейрогуморальной регуляции.

9.6.2. Нейрогуморальная регуляция системного кровообращения

Координационные акты, которые приспосабливают сердечно-сосудистую систему к оптимальному обеспечению кровоснабжением органов и тканей в соответствии с их функциональным состоянием, осуществляются за счет деятельности нервной системы и гуморальных факторов. Эта регуляция обеспечивается сложным механизмом, включающим чувствительное, центральное и эфферентное звенья. Эфферентное звено представлено нервным и эндокринным компонентами.

Чувствительное звено. Чувствительная иннервация сосудов представлена главным образом свободными древовидно разветвляющимися нервными окончаниями, которые располагаются между коллагеновыми волокнами адвентиции. Рецепторы сосудов - ангиоцепторы - по своей функции подразделяются на барорецепторы (прессорецепторы), реагирующие на изменение артериального давления, и хеморецепторы, чувствительные к изменению химического состава крови. Раздражителем барорецепторов является не давление как таковое, а скорость и степень растяжения стенки сосуда пульсовыми или нарастающими колебаниями кровяного давления.

Ангиоцепторы расположены по всей сосудистой системе и составляют единое рецептивное поле (В. Н. Черниговский). Их наибольшие скопления находятся в главных рефлексогенных зонах: аортальной, синокаротидной, в сосудах легочного круга кровообращения. В ответ на каждое систолическое повышение артериального давления барорецепторы зон генерируют залп импульсов, которые затухают при диастолическом снижении давления. Минимальный порог возбуждения барорецепторов - 40 мм рт. ст., максимальный - 200 мм рт. ст. Повышение давления выше этого уровня не ведет к дополнительному учащению импульсации.

Аортальная рефлексогенная зона. Существование этой зоны было открыто И. Ф. Ционом и К. Людвигом в 1866 г. При повышении артериального давления происходит растяжение стенки аорты, что влечет за собой раздражение барорецепторов. По волокнам депрессорного нерва возбуждение достигает сосудодвигательного центра в продолговатом мозгу, вызывая уменьшение частоты разрядов, следующих по эфферентным волокнам к гладким мышцам стенок сосудов. Одновременно с этим снижается частота сердечных сокращений. Итогом снижения тонуса сосудов и появления брадикардии является понижение общего артериального давления.

Рис. 9.44 Влияние повышения давления в изолированном каротидном синусе на артериальное давление собаки

1 - давление в каротидном синусе; 2 - артериальное давление; 3 - отметка времени 3 с. Цифрами справа обозначены величины артериального давления, вверху - величины давления в каротидном синусе.

Аортальная рефлексогенная зона является не только депрессорной, как это вначале считали. При падении артериального давления частота импульсов в депрессорном нерве уменьшается, что приводит к торможению центра блуждающего нерва и активации симпатического. Разряды в последнем учащаются, что вызывает сужение сосудов, стимуляцию деятельности сердца и в итоге - повышение общего артериального давления. Эти два примера свидетельствуют о том, что поддержание постоянства давления в аорте осуществляется авторегуляторными механизмами, основанными на принципе отрицательной обратной связи.

Область сонного (каротидного) синуса. Эта область - место разветвления общей сонной артерии на внутреннюю и наружную (см. рис. 5.3) - вторая главная рефлексогенная зона. Она была описана в 1923 г. Г. Герингом. Возбуждение барорецепторов зоны каротидного синуса, возникающее в результате повышения давления в сонной артерии, вызывает так называемый вазокардиальный рефлекс (рефлекс Бейнбриджа), заключающийся в расширении сосудов и замедлении частоты сердечных сокращений. Это, в свою очередь, приводит к общему снижению артериального давления (рис. 9.44, 9.45).

Следовательно, чем выше давление в дуге аорты и каротидном синусе, тем сильнее нервные влияния, ведущие к снижению кровяного давления. Синокаротидная зона, подобно артериальной, может быть и депрессорной, и прессорной. В случае падения давления в сонной артерии интенсивность

Рис. 9.45 Взаимоотношения между сонным (каротидным) клубком, каротидным синусом, сосудодвигательным центром и общей системой кровообращения

импульсации от барорецепторов уменьшается, что сопровождается рефлекторным повышением тонуса мышц сосудистой стенки. Соответственно повышается периферическое сопротивление сосудов и вследствие этого нормализуется артериальное давление.

Сосуды легочного круга кровообращения. Как и в большом круге кровообращения, повышение давления в легочной артерии при раздражении ее барорецепторов закономерно приводит к брадикардии, гипотонии и расширению сосудов селезенки (рефлекс Парина), что сопровождается снижением давления и, следовательно, устранением застоя крови в легких.

В аортальной и каротидной рефлексогенных зонах наряду с барорецепторами имеются еще и хеморецепторы, чувствительные к изменению химического состава крови. Они открыты бельгийскими учеными Корнеем и Жаном Хеймансами в 1926 г. Скопления сенсорных окончаний названы соответственно аортальным и каротидным клубочками (гломусами). Хеморецепторы дуги аорты представляют собой простое расположение клеток. В отличие от них каротидный гломус имеет сложную капиллярную структуру с большим количеством артериоло-венулярных анастомозов. Между капиллярами располагаются клетки двух типов. Клетки I типа заполнены электронно-плотными везикулами, содержащими биогенные амины. Клетки II типа не содержат аминов; своими отростками они окружают клетки I типа. Собственно хеморецепторами считают клетки I типа и свободные нервные окончания.

Хеморецепторы реагируют на изменение концентрации в крови O2, C02, H+. Их возбуждение может возникать также под влиянием некоторых неорганических и органических веществ. Гипоксия, гиперкапния, которые сопровождаются изменением химического состава крови, приводят к возникновению сердечно-сосудистых и дыхательных рефлексов, которые направлены на нормализацию состава крови и поддержание гомеостаза. Каротидные хеморецепторы в большей степени участвуют в регуляции легочной вентиляции, аортальные - преимущественно в регуляции деятельности сердечно-сосудистой системы. Как установлено В. Н. Черниговским, хеморецепторы находятся также в сосудах сердца, селезенки, почек, костного мозга, органов пищеварения и др. Их физиологическая роль состоит в восприятии концентрации питательных веществ, гормонов, осмотического давления крови и передаче сигнала об их изменении в ЦНС.

Механо- и хеморецепторы расположены также в стенках венозного русла. Так, повышение давления в венах брюшной полости неизменно сопровождается рефлекторным учащением и углублением дыхания, усилением сердечного кровотока и присасывающего действия грудной клетки.

Рефлексы, возникающие с рецептивных зон сердечно-сосудистой системы и определяющие регуляцию взаимоотношений в пределах именно этой системы, носят название собственных (системных) рефлексов кровообращения (В. Н. Черниговский). При небольших силах раздражения рецепторов они возникают без сопровождения другими рефлексами (см. разд. 5.3.1). Так, незначительные изменения давления в каротидных синусах влекут за собой прежде всего изменение в системе кровообращения. Это будет собственный рефлекс кровообращения. При увеличении силы раздражения в ответную реакцию помимо сердечно-сосудистой системы вовлекается дыхание. Это будет уже сопряженный рефлекс. Пороги раздражения для собственных рефлексов всегда ниже, чем для сопряженных. Переход от собственных рефлексов к сопряженным совершается постепенно. Сопряженные рефлексы рассматривают как определенную фазу в развитии цепи последовательных рефлексов, вызываемых раздражением сосудистых рефлексогенных зон. Существование сопряженных рефлексов дает возможность системе кровообращения быстро и адекватно приспосабливаться к меняющимся условиям внутренней среды организма.

Центральное звено. Центральные механизмы, регулирующие поддержание артериального давления на необходимом организму уровне, т. е. взаимодействие между величиной сердечного выброса и тонуса сосудов, осуществляются за счет совокупности нервных структур, которые принято называть сосудодвигательным (вазомоторным) центром. Это понятие имеет собирательное функциональное значение, включающее различные уровни центральной регуляции кровообращения с иерархической соподчиненностью разных ее этажей. Структуры, относящиеся к вазомоторному центру, локализуются в спинном, продолговатом мозгу, гипоталамусе, коре больших полушарий (рис. 9.46).

Спинальный уровень регуляции. Нервные клетки, аксоны которых образуют сосудосуживающие волокна, располагаются в боковых рогах грудных и первых поясничных сегментов спинного мозга. Эти клетки И. П. Павлов назвал спинальным сосудосуживающим центром. Установлено, что при раздражении чувствительных окончаний соматических нервов в спинном мозгу происходит передача возбуждения на преганглионарные симпатические нейроны и таким образом осуществляется замыкание рефлексов, регулирующих сосудистый тонус. Отделение спинного мозга от продолговатого сопровождается падением величины кровяного давления, которое вскоре восстанавливается до исходных показателей. Спинальные сосудосуживающие нейроны поддерживают свой уровень возбудимости в основном импульсами от вышерасположенных СТРУКТУР нервной системы.

Бульварный уровень регуляции. Сосудодвигательный центр продолговатого мозга является основным центром поддержания тонуса сосудов и рефлекторной регуляции кровяного давления. Его локализация была установлена Ф. В. Овсянниковым (1871) с помощью метода перерезок ствола мозга. У млекопитающих этот центр расположен на дне IV желудочка головного мозга в его верхней части по обе стороны от средней линии.

Сосудодвигательный центр подразделяется на депрессорную, прессорную и кардиоингибирующую зоны. Депрессорная зона способствует снижению артериального давления путем уменьшения активности симпатических сосудосуживающих волокон, вызывая тем самым расширение сосудов и падение периферического сопротивления, а также путем ослабления симпатической стимуляции сердца, т. е. уменьшения сердечного выброса. Депрессорная зона является местом переключения импульсов, поступающих сюда с барорецепторов рефлексогенных зон, которые вызывают центральное торможение тонических разрядов вазоконстрикторов. Кроме того, Депрессорная область оказывает рефлекторное угнетение прессорной зоны и активирует парасимпатические механизмы.

Прессорная зона оказывает прямо противоположное действие, повышая артериальное давление через увеличение периферического сопротивления сосудов и сердечного выброса. Взаимодействие депрессорных и прессорных структур сосудодвигательного центра носит сложный синерго-антагонистический характер.

Кардиоингибирующее действие третьей зоны опосредуется волокнами блуждающего нерва, идущими к сердцу. Его активность приводит к уменьшению сердечного выброса и тем самым объединяется с активностью депрессорной зоны в снижении артериального давления.

Деление сосудодвигательного центра на зоны довольно условно, так как из-за взаимного перекрытия зон определить границы невозможно. В одной и той же

Рис. 9.46 Важнейшие "входы"

и "выходы" сосудодвигательных центров продолговатого мозга

Эфферентные волокна, усиливающие кровообращение, исходят преимущественно из ипсилатеральных прессорных отделов, тогда как тормозные волокна от депрессорных отделов пересекают продолговатый мозг и идут в вентралатеральных участках спинного мозга на противоположной (контрлатеральной) стороне.

зоне могут быть зарегистрированы и сосудорасширяющие, и сосудосуживающие нейроны. Функциональное различие нейронов согласуется с представлением о наличии депрессорной и прессорной зон.

Состояние тонического возбуждения сосудодвигательного центра и, соответственно, уровень общего артериального давления регулируются импульсами, идущими от сосудистых рефлексогенных зон (рис. 9.47). Кроме того, этот центр входит в состав ретикулярной формации продолговатого мозга, откуда также получает многочисленные коллатеральные возбуждения от всех специфически проводящих путей.

Будучи автоматическим саморегулирующимся центром, обеспечивающим основные элементарные функции кровообращения (и в первую очередь оптимальный уровень давления в магистральных сосудах), сосудодвигательный центр продолговатого мозга в реакциях целого организма выступает в тесном взаимодействии с гипоталамусом, мозжечком, базальными ядрами, корой головного мозга. Он осуществляет срочные ответы кровеносной системы, связанные с усиленной мышечной работой, гипоксией, гиперкапнией, ацидозом (Г. П. Конради). Высшая же форма регуляции кровообращения, касающаяся энергетического обеспечения и интеграции разнообразных сложных приспособительных актов и поведенческих реакций, обеспечивается более высоким уровнем нервной системы.

Рис. 9.47 Нисходящие пути ствола мозга и гипоталамуса, конвергирующие на преганглионарных нейронах промежуточной зоны пояснично-грудного отдела спинного мозга (слева). Нервная регуляция артериального давления (справа). "+", "-" - соответственно возбуждающие и тормозные эффекты раздражения артериальных барорецепторов (Б)

ЯОП - ядро одиночного пути; ДЯ - дорсальное ядро блуждающего нерва; ДВЯ - двойное ядро; ПВЯ - паравентрикулярное ядро гипоталамуса; РВЛ - рострально-вентралатеральная область продолговатого мозга; IX - языкоглоточный нерв; Х - блуждающий нерв.

Влияния самого сосудодвигательного центра осуществляются через спинной мозг, ядра черепных нервов (VII, IX и Х пар), периферические образования автономной нервной системы (рис. 9.48).

Гипоталамический уровень регуляции. Промежуточный мозг и особенно различные ядра гипоталамической области рассматривают как сосредоточение высших подкорковых центров, регулирующих функции разных отделов автономной нервной системы. С их состоянием тесно связаны вазомоторные реакции гипоталамического происхождения, играющие роль главным образом в осуществлении адаптивных реакций кровообращения.

Интегративные центры гипоталамуса оказывают нисходящее влияние на сердечно-сосудистый центр продолговатого мозга, обеспечивая дифференцированный фазный и тонический контроль. Раздражение этого отдела ведет к значительным изменениям кровяного давления. Лабораторные животные v которых удалена вся кора мозга, но сохранен промежуточный мозг, обнаруживают сложнокоординированные сосудистые рефлексы в виде повышения кровяного давления и изменения частоты сердечных сокращений.

В гипоталамусе, так же как в бульбарном сосудодвигательном центре, различают депрессорные и прессорные зоны (рис. 9.48). В целом это дает основание рассматривать гипоталамический уровень как надстройку, выступающую в роли своеобразного дублера основного бульбарного центра.

Корковый уровень регуляции. Влияние раздражения коры головного мозга на функции кровообращения было обнаружено В. Я. Данилевским, Н. А. Миславским, В. М. Бехтеревым, которые установили, что раздражение лобной и теменной областей вследствие изменения сосудистого тонуса закономерно ведет к изменению кровяного давления. Наиболее подробно эти реакции изучены с помощью методов условных рефлексов. Так, сравнительно легко удается выработать сосудистую реакцию на ранее индифферентный раздражитель, вызывая при этом ощущение жары, холода, боли и т. д.

Определенные зоны коры головного мозга, как и гипоталамус, оказывают нисходящее влияние на основной центр продолговатого мозга. Эти влияния формируются в результате сопоставления информации, которая поступила в высшие отделы нервной системы от различных рецептивных зон, с предшествующим опытом организма. Они обеспечивают реализацию сердечно-сосудистого компонента эмоций, мотиваций, поведенческих реакций.

Эфферентное звено. Эфферентная регуляция кровообращения реализуется через один и тот же .аппарат, в основе которого лежат нервный и эндокринный механизмы.

Нервный механизм осуществляется, во-первых, при участии преганглионарных симпатических нейронов, тела которых расположены в передних рогах грудного и поясничного отделов спинного мозга, а также постганглионарных нейронов, лежащих в пара- и превертебральных симпатических ганглиях. Вторым компонентом являются преганглионарные парасимпатические нейроны ядра блуждающего нерва, находящегося в продолговатом мозгу, и ядра тазового нерва, расположенного в крестцовом отделе спинного мозга, и их постганлионарные нейроны. Третью часть для полых висцеральных органов составляют эфферентные нейроны метасимпатической нервной системы, локализующиеся в интрамуральных ганглиях их стенок. Названные нейроны представляют собой общий конечный путь всех эфферентных и центральных влияний, которые через адренергическое, холинергическое и другие звенья регуляции действуют на сердце и сосуды.

Эндокринный отдел включает в себя мозговой и корковый слои надпочечников, заднюю долю гипофиза, юкстагломерулярный аппарат почек.

Впервые сосудосуживающее влияние симпатических нервных волокон было показано отечественным физиологом А. П. Вальтером (1842) на плавательной перепонке лягушки. Позже К. Бернар (1851) поставил специальные опыты на ухе кролика. После перерезки симпатического нерва на шее кролика через 1-2 мин он наблюдал значительное расширение сосудов ушной раковины (рис. 9.49), что проявлялось в покраснении кожи уха и повышении ее температуры. При раздражении периферического конца этого перерезанного нерва кожа, покрасневшая после перерезки симпатических волокон, становилась бледной и холодной на ощупь. Это происходит в результате сужения просвета сосудов уха.

Тот же эффект характерен для сосудов органов брюшной полости, почек, мозговых оболочек, кожи, однако в различных областях сосудистого русла симпатический тонус проявляется не одинаково. Так, диаметр сосудов кожи полностью зависит от симпатической иннервации, в то время как в других органах эта зависимость проявляется в меньшей степени. Из этих опытов следует, что симпатические волокна являются главными вазоконстрикторами, поддерживающими тонус сосудов. Они постоянно находятся в состоянии тонического возбуждения, поддерживая некоторую степень напряжения кольцевой сосудистой мышцы.

Особенно четко регуляторное значение симпатической иннервации было установлено в экспериментах на симпатэктомированных кошках. В случае незначительных кровопотерь у этих животных возникало резкое и стабильное падение кровяного давления.

Симпатическая регуляция диаметра сосудов имеет большое биологическое значение, так как, во-первых, она позволяет поддерживать постоянным уровень кровяного давления, во-вторых, в зависимости от уровня метаболизма регулировать кровоснабжение отдельных органов.

Рис. 9.48 Компоненты сосудодвигательного центра

А - корковое представительство сосудодвигательного центра; Б - центры гипоталамуса: передний гипоталамус (депрессорные зоны), задний гипоталамус (прессорные зоны); В - бульбарные центры (сосудорасширяющий, сосудосуживающий); Г - центры спинного мозга (боковые рога). 1 - кора больших полушарий, 2 - ретикулярная формация, 3 - сосудодвигательный центр, 4 - спинной мозг, 5 - симпатический ганглий, 6 - кровеносные сосуды, 7 - продолговатый мозг, 8 - гипофиз, 9 - гипоталамус.

Рис. 9.49 Механизмы сосудодвигательных реакций

А - влияние симпатического нерва (опыт К. Бернара):

I - результат десимпатизации, II - результат раздражения периферического конца перерезанного симпатического нерва; Б - нервная регуляция просвета сосуда:

а - сосудосуживающие симпатические нервы (адренергические), б - сосудорасширяющие нервы;

В - гуморальная регуляция просвета мелких сосудов;

1 - стимулятор, 2 - симпатический ганглий, 3 - норадреналин, ангиотензин, вазопрессин и др., 4 - СО2, молочная кислота, гистамин, брадикинин и др.

Степень сокращения сосудистых гладких мышц зависит от частоты разрядов в сосудодвигательных волокнах. Следовательно, возрастание числа импульсов приводит к вазоконстрикции. Однако, если уменьшение числа импульсов идет от некоторого уровня, наступает дилатация. Дилатация не является беспредельной, она ограничена базальным тонусом сосудов. После симпатэктомии в денервированном участке также наблюдается вазодилатация, и в этом случае диаметр сосудов целиком определяется базальным тонусом.

Помимо вазоконстрикторных волокон существуют специальные волокна возбуждение которых сопровождается вазодилатацией. Эти волокна были идентифицированы М. Шиффом и позже К. Бернаром при раздражении барабанной струны - веточки язычного нерва, идущей к поднижнечелюстной слюнной железе. Раздражение веточки вызывает сильное расширение сосудов железы.

Аналогичный эффект возникает при стимуляции других нервов - языкоглоточного, верхнегортанного, тазового. Все они являются парасимпатическими. Однако это вовсе не означает, что все вазодилататоры относятся к парасимпатической нервной системе и что все парасимпатические волокна расширяют сосуды. Например, волокна парасимпатического блуждающего нерва сужают сосуды сердца. К закономерному расширению сосудов сердца и скелетных мышц может привести возбуждение симпатических волокон. Это свидетельствует о том, что указанные волокна относятся к холинергическим волокнам симпатического происхождения. Имеются сосудорасширяющие волокна и в соматических нервах, таких как седалищный, однако из-за присутствия в этом стволе вазоконстрикторов их трудно обнаружить. Нельзя не учитывать, что сосуды способны к расширению и без участия дилататоров, а, как было показано выше, просто в результате снижения вазоконстрикторной активности.

Иннервация вен соответствует иннервации артерий, хотя в целом плотность иннервации вен значительно меньше. Нервные окончания эфферентных волокон точно прослежены до прекапиллярных сфинктеров, где они оканчиваются на гладкомышечных клетках. Сфинктеры способны активно отвечать на проходящие импульсы.

Основным механизмом нервной регуляции капилляров является эфферентная иннервация бессинаптического типа посредством свободной диффузии медиаторов в направлении стенки сосуда. В зависимости от расстояния, которое проходит медиатор, нервные влияния на капилляры могут быть быстрыми и непосредственными или замедленными и опосредованными. Распространяясь во все стороны от терминали, медиатор влияет на все части функционального элемента в пределах целого микроучастка.

Эндокринная регуляция. Главную роль в эндокринной регуляции сосудистого русла играют гормоны- мозгового и коркового слоев надпочечников, задней доли гипофиза и юкстагломерулярного аппарата почек.

Адреналин обладает резким сосудистым действием. На артерии и артериолы кожи, органов пищеварения, почек и легких он оказывает сосудосуживающее влияние, на сосуды скелетных мышц, гладкой мускулатуры бронхов - расширяющее, содействуя тем самым перераспределению крови в организме. При физическом напряжении, эмоциональном возбуждении он способствует увеличению кровотока через скелетные мышцы, мозг, сердце.

Адреналин, как и норадреналин, выделяющийся в постганглионарных симпатических окончаниях, иннервирующих кровеносные сосуды, активирует аденилатциклазу, которая находится на внешней мембране мышечных клеток. Через образовавшийся 3,5-АМФ он вызывает сужение сосудов.

Влияние адреналина и норадреналина на сосудистую стенку определяется существованием разных типов адренорецепторов - ? и ?, представляющих собой участки гладкомышечных клеток с особой химической чувствительностью. В сосудах обычно имеются оба типа рецепторов. Взаимодействие медиатора с ?-адренорецептором ведет к сокращению стенки сосуда, с (?-рецептором - к расслаблению. Норадреналин взаимодействует в основном с альфа-адренорецепторами, адреналин - с ?- и (?-рецепторами. По мнению У. Кеннона, адреналин - это "аварийный гормон", осуществляющий в трудных, иногда экстремальных условиях мобилизацию функций и сил организма.

Альдостерон - другое необходимое звено регуляции кровообращения железами надпочечников. Он вырабатывается в их корковом слое. Альдостерон обладает необычайно высокой способностью усиливать обратное всасывание натрия в почках, слюнных железах, пищеварительной системе, изменяя таким образом чувствительность стенок сосудов к влиянию адреналина и норадреналина.

Вазопрессин - гормон задней доли гипофиза. Он вызывает сужение артерий и артериол органов брюшной полости и легких. Однако, как и под влиянием адреналина, сосуды мозга и сердца реагируют на этот гормон расширением, что способствует улучшению питания и мозговой ткани, и сердечной мышцы.

Клетки юкстагломерулярного аппарата почек продуцируют фермент ренин. Он обнаружен у некоторых видов костистых рыб, амфибий, рептилий. У млекопитающих в цепи ферментативных реакций с участием глобулинов крови он превращается в ангиотензин II. Ангиотензин II обладает мощным вазоконстрикторным действием, значительно превосходящим по силе норадреналин, но в отличие от последнего не вызывает выброса крови из депо. Это объясняется наличием чувствительных к ангиотензину рецепторов только в прекапиллярных артериолах, которые расположены в организме неравномерно. Поэтому его действие на сосуды различных областей не одинаково. Системный прессорный эффект сопровождается уменьшением кровотока в почках, кишке, коже и увеличением его в мозгу, сердце и надпочечниках. Изменения кровотока в мышце незначительны. Большие дозы ангиотензина могут вызвать сужение сосудов сердца и мозга. Ренин и ангиотензин представляют собой ренин-ангиотензиновую систему.

Помимо прямого действия на сосудистую систему ангиотензин оказывает влияние и опосредованно через автономную нервную систему и эндокринные железы. Он увеличивает секрецию альдостерона, адреналина и норадреналина, усиливает вазоконстрикторные симпатические эффекты.

Способностью расширять сосуды обладают биологически активные вещества и местные гормоны, такие как гистамин, серотонин, брадикинин, простагландины.

Гистамин содержится главным образом в тучных клетках и базофильных гранулоцитах. Он расширяет сосуды сердца, печени, кишки, увеличивает наполнение капилляров, повышает проницаемость их эндотелия, а также уменьшает объем циркулирующей крови. Действием гистамина объясняется реакция покраснения кожи. При введении его в организм возникает резкое снижение артериального давления, сходное с состоянием организма при обильном кровотечении или возникновении гистаминового шока.

Серотонин найден у некоторых беспозвоночных и почти у всех позвоночных животных. Главным местом его образования являются энтерохромаффинные клетки кишки. В зависимости от вида животного и условий эксперимента изменения артериального давления могут иметь фазный характер: гипотензия сменяется гипертензией, после которой вновь развивается гипотензия. Это объясняется тем, что на тонус сосудов серотонин оказывает прямое и рефлекторное действие. Прямое действие на гладкую мускулатуру приводит к спазму сосудов и повышению артериального давления, воздействие на рефлексогенные зоны вызывает гипотензию.

Брадикинин образуется в плазме крови, но особенно много его в поднижнечелюстной слюнной и поджелудочной железах. Являясь регуляторным пептидом он расширяет сосуды кожи, скелетных мышц, мозговые и коронарные сосуды.

Простагландины представляют большую группу биологически активных веществ. Они являются производными ненасыщенных жирных кислот. Простагландины образуются практически во всех органах и тканях, однако термин для их обозначения связан с предстательной железой, из которой они были впервые выделены. Биологическое действие простагландинов чрезвычайно многообразно. Один из их эффектов проявляется в выраженном действии на тонус гладкой мускулатуры сосудов, причем влияние разных типов простагландинов часто диаметрально противоположно. Одни Простагландины сокращают стенки кровеносных сосудов и повышают артериальное давление, другие - оказывают сосудорасширяющее действие, сопровождающееся гипотензивным эффектом.

В нервной и эндокринной регуляции различают гемодинамические механизмы кратковременного действия, промежуточные и длительного действия.

К механизмам кратковременного действия относят циркуляторные реакции нервного происхождения - барорецепторные, хеморецепторные, рефлекс на ишемию ЦНС. Их развитие происходит, в течение нескольких секунд. Промежуточные (по времени) механизмы охватывают изменения транскапиллярного обмена, расслабление напряженной стенки сосуда, реакцию ренин-ангиотензиновой системы. Для включения этих механизмов требуются минуты, а для максимального развития - часы. Регуляторные механизмы длительного действия влияют на соотношение между внутрисосудистым объемом крови и емкостью сосудов. Это осуществляется посредством транскапиллярного обмена жидкости. В этом процессе участвуют почечная регуляция объема жидкости вазопрессин и альдостерон.

9.7. КРОВЯНОЕ ДЕПО

Не весь объем крови в организме циркулирует равномерно. Ее значительная часть (до 45-50%) находится в так называемых кровяных депо - селезенке, печени, легких, подкожных сосудистых сплетениях. Роль депо выполняет и вся венозная система. Значение кровяных депо состоит в возможности быстрого увеличения массы циркулирующей крови, необходимой в данный момент для обеспечения потребностей организма. Выброс крови из депо вызывают эмоциональные состояния, интенсивное физическое напряжение, состояние кислородного голодания организма, кровопотери и др. Для каждого из основных органов депо механизмы задержания крови и ее мобилизации специфичны.

Селезенка. У млекопитающих в селезенке может застаиваться до 20% общего количества крови, т. е. выключаться из общего кровообращения. Задержка крови происходит в силу особенности строения сосудов органа: из капилляров кровь поступает вначале в тонкостенные и легко растяжимые синусы, а затем в венулы.

В местах выхода сосудов из синусов имеются специальные сфинктеры, благодаря состоянию которых регулируется отток крови (рис. 9.50). При сокращении сфинктеров отток затрудняется, происходит заполнение синусов, растяжение их

Рис. 9.50 Заполнение кровью и опорожнение синуса селезенки

А - синус "включен" в циркуляцию крови (эфферентный и афферентный сфинктеры открыты); Б, В - постепенное заполнение синуса, Г - синус заполнен кровью и отключен от циркуляции, Д - начало опорожнения (эфферентный сфинктер открыт). 1 - вена, 2 - эфферентный сфинктер, 3 - синус селезенки, 4 - афферентный сфинктер; стрелками показано направление тока крови.

стенок и увеличение объема селезенки. Сфинктеры закрыты не полностью, так что через них просачивается плазма крови и задерживаются форменные элементы.

Таким образом, в синусах скапливается более густая кровь, содержащая до 20% эритроцитов всей крови организма, что имеет определенное биологическое значение.

При возрастании потребности организма в кислороде возникает возбуждение симпатической нервной системы, сфинктеры синусов расслабляются и происходит выбрасывание крови в венозное русло. Этому процессу способствует сокращение гладких мышц селезенки и ее соединительнотканных перемычек (трабекул). В результате возрастает гематокрит, увеличивается количество гемоглобина, что способствует улучшению транспорта O2 и CO2. Депонирующая функция селезенки может регулироваться условнорефлекторно.

Печень. Печень также способна депонировать и концентрировать значительные количества крови, не выключая ее, в отличие от селезенки, из общего кровотока. Механизм депонирования основан на сокращении диффузного сфинктера печеночных вен и синусов при меняющемся притоке крови или за счет увеличенного притока крови при неменяющемся оттоке. Опорожнение депо осуществляется рефлекторно. На быстрый выход крови влияет адреналин. Он вызывает сужение брыжеечных артерий и, соответственно, снижение притока крови в печень. Одновременно он расслабляет мускулатуру сфинктеров и сокращает стенку синусов. Выброс крови из печени зависит от колебания давления в системе полой вены и брюшной полости. Этому способствуют также интенсивность дыхательных движений и сокращение мышц брюшного пресса.

Легкие. Депонирование крови в легких осуществляется за счет изменения емкости артерий и вен. Артерии легких имеют более тонкие и растяжимые стенки, и кровь находится в них под давлением в 5-6 раз ниже, чем в большом круге кровообращения. Однако главным резервуаром органа являются легочные вены. Они также тонкостенные и легко растяжимые. Скопление крови в легких увеличивается при сужении сосудов большого круга кровообращения под влиянием ряда факторов. Таким образом, между сосудами обоих кругов кровообращения проявляются реципрокные отношения.

Кожа. Капилляры подсосочкового слоя кожи, расширяясь, могут вмещать значительные количества крови. У человека ее объем достигает 1 л. Эта кровь мало подвижна и застаивается. Находящиеся здесь артериоло-венулярные анастомозы способствуют тому, что кровь протекает через кожу, минуя сплетения капилляров. Депонирование крови в коже в первую очередь связано с процессом терморегуляции.

9.8. ОСОБЕННОСТИ КРОВООБРАЩЕНИЯ В НЕКОТОРЫХ ОТДЕЛЬНЫХ ОРГАНАХ

В связи с неоднородностью строения разных органов, различиями протекающих в них обменных процессов, а также разными функциями принято различать регионарное (локальное) кровообращение в отдельных органах и тканях: коронарное, мозговое, легочное и т. д.

9.8.1. Кровообращение в сердце

У млекопитающих миокард получает кровь по двум венечным (коронарным) артериям - правой и левой, устья которых располагаются в корне аорты. Ветви левой снабжают кровью левый желудочек и межжелудочковую перегородку, левое предсердие и правый желудочек. Ветви правой венечной артерии проникают в стенки правой половины сердца. Капиллярная сеть миокарда очень густая: число капилляров приближается к числу мышечных волокон. Миокард пронизан сетью так называемых несосудистых каналов. По диаметру они соответствуют венулам и артериолам, а по строению стенки напоминают капилляры. Они соединяют соответствующие сосуды с полостями сердца. К дренажной системе сердца относятся еще и синусы, располагающиеся в глубоких слоях миокарда. В них открываются капилляры.

Условия циркуляции крови в венечных сосудах значительно отличаются от условий циркуляции в сосудах других органов тела. Ритмические колебания давления в полостях сердца и изменение его формы и размеров в течение сердечного цикла оказывают существенное влияние на кровоток через венечные сосуды. Так, в момент систолического напряжения желудочков сердечная мышца сдавливает находящиеся в ней сосуды, поэтому кровоток ослабевает, доставка кислорода к тканям снижается. Сразу же после конца систолы кровоснабжение сердца увеличивается. Ток коронарного кровообращения может изменяться и в зависимости от давления в аорте. Однако кровоток через сердце может возрастать при неизменности артериального давления благодаря механизмам регуляции коронарного кровообращения.

Нервная регуляция коронарного кровообращения остается во многом до конца не исследованной. Основная регулирующая роль взаимодействия естественных симпатических и парасимпатических влияний состоит в быстром и адекватном приспособлении коронарного кровообращения к текущим потребностям организма. Возбуждение блуждающих нервов расширяет коронарные сосуды. При раздражении сердечных симпатических ветвей также наблюдается расширение коронарных сосудов и увеличение кровотока. При этом увеличиваются сила и частота сердечных сокращений, растет скорость сокращения сердечной мышцы и интрамуральное давление. Эти факторы, изменяющие метаболизм миокарда, сами по себе вызывают расширение коронарных сосудов.

9.8.2. Мозговое кровообращение

Кровообращение головного мозга более интенсивно, чем других органов. Около 15% крови каждого сердечного выброса в большой круг кровообращения поступает в сосуды мозга. Мозговые артерии являются сосудами мышечного типа с обильной адренергической иннервацией, что позволяет им менять просвет в широких пределах.

Головной мозг приматов снабжается кровью одновременно четырьмя магистральными артериями - парными внутренними сонными и позвоночными, которые объединены между собой широкими анастомозами в области артериального (виллизиевого) круга большого мозга. В обычных условиях кровь здесь не смешивается, поступая ипсилатерально из каждой внутренней сонной артерии в полушария мозга, а из позвоночных - преимущественно в отделы мозга, расположенные в области задней черепной ямки.

Мозг получает кровь от артерий, радиально отходящих от сосудов мягкой оболочки головного мозга. В последние кровь поступает из артериального круга. Между артериолами и венулами анастомозов нет, капилляры находятся в открытом состоянии. Количество капилляров тем больше, чем интенсивнее метаболизм ткани. В сером веществе капилляры расположены значительно гуще, чем в белом.

Оттекающая от мозга кровь поступает в вены, образующие синусы в твердой оболочке головного мозга. В отличие от других частей тела венозная система мозга не выполняет емкостной функции.

Эффекторами регулирования мозгового кровотока являются магистральные внутримозговые артерии и артерии мягкой мозговой оболочки, которые характеризуются специфическими функциональными особенностями. При изменении общего артериального давления в определенных пределах интенсивность мозгового кровообращения остается постоянной. Осуществляется это благодаря изменению сопротивления в артериях мозга, которые сужаются при повышении общего артериального давления и расширяются при его понижении. Кроме такой ауторегуляции кровотока, предохранение головного мозга от высокого кровяного давления и избыточности пульсации происходит главным образом благодаря особенностям строения сосудистой системы этой области. Особенности эти заключаются в том, что по ходу сосудистого русла имеются многочисленные изгибы ("сифоны"). Изгибы сглаживают перепады давления и пульсирующий характер кровотока. При повышенной активности всего организма, например, в условиях эмоционального возбуждения или чрезмерного физического напряжения, мозговой кровоток увеличивается на 20-25%. Однако такие сдвиги не вызывают возникновения дисфункций. Происходит это потому, что мозг является единственным органом, основной сосудистый бассейн которого находится на поверхности этого органа и представлен системой сосудов мягкой мозговой оболочки. В этом случае своеобразным резервом для некоторого кровенаполнения является определенное пространство до твердой оболочки головного мозга.

Клетки высших отделов ЦНС при недостаточном снабжении кислородом перестают функционировать раньше, чем клетки других органов. Прекращение притока крови к мозгу кошки на 20 с вызывает уже полное исчезновение электрических процессов в коре больших полушарий, а прекращение кровотока на 5 мин приводит к необратимому повреждению мозговых клеток.

9.8.3. Легочное кровообращение

Кровоснабжение легких осуществляется легочными и бронхиальными сосудами. Легочные сосуды составляют малый круг кровообращения и выполняют главным образом функцию газообмена между кровью и воздухом. Бронхиальные сосуды обеспечивают питание легкого и принадлежат к большому кругу кровообращения. Между этими двумя системами существуют выраженные анастомозы.

Особенностью малого круга кровообращения являются относительно небольшая длина его сосудов, меньшее (примерно в 10 раз по сравнению с большим кругом) сопротивление, оказываемое току крови, тонкость стенок артериальных сосудов и почти непосредственное соприкосновение капилляров с воздухом легочных альвеол. Из-за меньшего сопротивления кровяное давление в артериях малого круга в 5-6 раз меньше давления в аорте. Эритроциты проходят через легкие примерно за 6 с, находясь в обменных капиллярах 0,7 с.

Бронхиальные артерии большого круга разветвляются в легких только до дыхательных бронхиол, и питание стенки альвеол происходит через капиллярную сеть легочных сосудов.

9.8.4. Кровообращение в печени

Печень получает одновременно артериальную и венозную кровь. Артериальная кровь поступает по печеночной артерии, венозная - из воротной вены от пищеварительного тракта, поджелудочной железы и селезенки. Общий отток крови в полую вену осуществляется по печеночным венам. Через собственно печеночную артерию проходит 20-30% всей крови, остальное - через воротную вену. Следовательно, венозная кровь от пищеварительного тракта, поджелудочной железы и селезенки возвращается к сердцу только пройдя еще дополнительно через печень. Такая особенность кровоснабжения печени, получившая название портального кровообращения, связана с пищеварением и выполнением барьерной функции. Кровь в портальной системе проходит через две сети капилляров. Первая сеть расположена в стенках органов пищеварения, поджелудочной железы, селезенки, она обеспечивает всасывательную, выделительную и двигательную функции этих органов. Вторая сеть капилляров находится непосредственно в паренхиме печени. Она обеспечивает ее обменную и экскреторную функции, предотвращение интоксикации организма продуктами, образующимися в пищеварительном тракте.

Исследования русского хирурга и физиолога Н. В. Экка показали, что если кровь из воротной вены направить непосредственно в полую вену, т. е. минуя печень, произойдет отравление организма со смертельным исходом.

Особенностью микроциркуляции в печени является тесная связь между разветвлениями воротной вены и собственно печеночной артерии с образованием в дольках печени синусоидных капилляров, к мембранам которых непосредственно прилежат гепатоциты. Большая поверхность соприкосновения крови с гепатоцитами и медленный кровоток в синусоидных капиллярах создают оптимальные условия для обменных и синтетических процессов.

В системе портального кровообращения артериальная кровь под давлением 110-120 мм рт. ст. поступает в первую сеть капилляров (например, стенки кишки), где оно понижается до 10-15 мм рт. ст. После прохождения второй сети капилляров уже в печеночных венах оно составляет 0-5 мм рт. ст. Эта разность давлений обеспечивает поступательное движение крови.

Регуляция портальной гемодинамики осуществляется посредством системы периодически сокращающихся входных и выходных сфинктеров синусоидных капилляров. Такая система приспосабливает кровоток к деятельности органов брюшной полости, а также обеспечивает депонирование крови.

9.8.5. Почечное кровообращение

Через каждую почку человека в течение 1 мин проходит около 750 мл крови, что в 2,5 раза превышает массу органа и в 20 раз превосходит кровоснабжение многих других органов. За сутки через почки суммарно проходит около 1000 л крови. Следовательно, при таком объеме кровоснабжения все количество имеющейся в теле человека крови в течение 5-10 мин проходит через почки.

Кровь поступает к почкам по почечным артериям. Войдя в орган на границе между корковым и мозговым веществом, они разветвляются на дуговые артерии.

От последних в корковое вещество отходят междольковые артерии, в мозговое вещество - прямые артериолы. В свою очередь от междольковых артерий в стороны расходятся приносящие клубочковые артериолы, из которых верхние направляются к корковым нефронам, нижние - к юкстамедуллярным нефронам. Такая сосудистая топография явилась основанием к условному различению в почке кортикального кровообращения, снабжающего кровью корковые нефроны, и юкстамедуллярного, связанного с околомозговыми нефронами.

Приносящие артериолы кортикальной системы кровообращения разветвляются на капилляры, которые образуют сосудистые клубочки почечных телец корковых нефронов. Капилляры клубочков собираются в выносящие клубочковые артериолы. В результате такого соотношения в капиллярах клубочков корковых нефронов возникает необычайно высокое кровяное давление - до 70-90 мм рт. ст., что служит основой возникновения первой фазы мочеобразования, носящей характер фильтрации вещества из плазмы крови в канальцевую систему почек.

Выносящие артериолы, пройдя короткий путь, вновь распадаются на капилляры. Капилляры оплетают канальцы нефрона, образуя перитубуллярную капиллярную сеть. Это "вторичные" капилляры. В отличие от "первичных" давление крови в них относительно низкое - 10-12 мм рт. ст. Такое низкое давление способствует возникновению второй фазы мочеобразования, которая носит характер процесса обратного всасывания жидкости и растворенных в ней веществ канальцев в кровь. Обе артериолы - приносящий и выносящий сосуды - могут изменять свой просвет в результате сокращения или расслабления имеющихся в их стенках гладких мышечных волокон. То обстоятельство, что капилляры клубочка представляют собой сеть, разветвляющуюся между двумя сосудами артериального типа, оправдывает ее старинное название - rete mirabile, что означает "чудесная сеть".

Из "вторичных" капилляров кровь поступает сначала в звездчатые, а затем междольковые вены. Последние впадают в дуговые вены, которые в свою очередь переходят в междолевые и, наконец, в почечные.

В юкстамедуллярной системе кровообращения приносящие и выносящие артериолы сосудистых клубочков околомозговых нефронов почти одинакового размера, выносящие могут быть несколько больше. Разница в просвете сосудов служит причиной того, что кровяное давление в капиллярах этих клубочков значительно ниже (не превышает 40 мм рт. ст.), чем в клубочках корковых нефронов. В отличие от корковых нефронов выносящие артериолы не распадаются здесь на густую перитубуллярную сеть капилляров. По типу артериоло-венулярных анастомозов они переходят в прямые венулы, впадающие в дуговые венозные сосуды. Юкстагломерулярное кровообращение играет роль своеобразного шунта, представляющего собой легкий и короткий путь, по которому в условиях сильного наполнения почек кровью сбрасывается ее часть.

9.8.6. Кровообращение в селезенке

Селезенка - важный кроветворный и защитный орган, сильно варьирующий в объеме и массе в зависимости от количества депонированной в ней крови и активности процессов кроветворения. Селезенка принимает участие в элиминации отживающих или поврежденных эритроцитов и нейтрализации экзо- и эндогенных антигенов, которые не были задержаны лимфатическими узлами и проникли в кровоток.

Сосудистая система селезенки благодаря своеобразной структуре играет существенную роль в функции данного органа. Известно, что от селезеночных ветвей одноименной артерии отходят артерии трабекул, идущие затем через

Рис. 9.51 Кровообращение плода млекопитающих

1 - дуга аорты, 2 - артериальный (боталлов) проток, d - левая легочная артерия, 4 - легочный ствол, 5 - ветви от подвздошных артерий, переходящие в пупочные, 6- плацентарная вена, несущая артериальную кровь, 7 - пупочные артерии от подвздошной артерии плода, 8- плацента, 9 - каудальная полая вена, 10 - венозный (аранциев) проток, 11 - печень, 12 - правое предсердие, 13 - овальное отверстие в предсердиях, 14 - краниальная полая вена.

лимфатические фолликулы и дающие начало капиллярам. Покидая лимфатические фолликулы, эти капилляры разделяются на тонкие ветви, частично исчезающие в пульпе (мякоти) селезенки. Особенность кровообращения в селезенке обусловлена нетипичным строением ее капилляров. Концевые ветви капилляров имеют кисточки, заканчивающиеся слепыми расширениями с отверстиями. Через эти отверстия кровь переходит в пульпу, а оттуда в синусы имеющие отверстия в стенках. Вследствие этой особенности строения селезенка, как губка, может впитывать большое количество крови. Ее кровь содержит больше эритроцитов и на 15% больше гемоглобина, нежели кровь, циркулирующая в сосудах, поэтому поступление крови из селезенки способствует повышению транспорта кислорода.

9.9. КРОВООБРАЩЕНИЕ ПЛОДА

Кровообращение плода млекопитающих значительно отличается от такового у взрослых организмов. Как и после рождения, систола предсердий сердца плода направляет кровь в желудочки, оттуда из левого желудочка она поступает в аорту, из правого - в легочную артерию. Предсердия плода не обособлены, а соединяются с помощью овального отверстия, поэтому левый желудочек направляет в аорту кровь частично и из правого сердца. По легочной артерии кровь проходит в легкие в весьма незначительном количестве, так как легкие у плода еще не функционируют. Большая же часть крови из легочной артерии, минуя легкие, направляется по временно образующемуся сосуду - артериальному (боталлову) протоку - в аорту.

Важнейшую роль в кровоснабжении плода выполняют пупочные артерии, отходящие от подвздошной артерии. Через пупочное отверстие они выходят из плода, затем разветвляются в алантохорионе и образуют густую сеть артерий и капилляров. Последние входят в ворсинки хориона (рис. 9.51), где кровь обогащается кислородом и питательными веществами, перешедшими из крови матери. От плаценты кровь оттекает по пупочной вене в том же канатике и в дальнейшем впадает в воротную вену печени.

Система кровообращения плода замкнута, кровь матери никогда не попадает в кровеносные сосуды плода, и наоборот. Все органы и ткани плода снабжаются смешанной кровью с небольшим содержанием О2 и повышенной концентрацией С02. Поступление О2 из крови матери в кровь плода осуществляется путем диффузии, так как напряжение кислорода в плаценте всегда выше напряжения кислорода в крови пупочной вены.

После рождения пупочные вены и артерии запустевают и превращаются в соединительнотканные тяжи (связки). С первым вдохом новорожденного начинают функционировать легкие и устанавливается легочное кровообращение. Кровь из правого желудочка поступает в легочную артерию и дальше в легкие. Артериальный проток запустевает, отверстие между предсердиями зарастает. Левое предсердие заполняется кровью из легочных вен, давление крови в обоих предсердиях выравнивается. Появляется новая система кровообращения, аналогичная кровообращению взрослого.

9.10. ЛИМФАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Наряду с кровеносными сосудами в организме существует система лимфатических сосудов, представляющая собой дополнительную дренажную систему. По ней в кровяное русло из тканей возвращаются вода, коллоидные растворы белков, эмульсии липидов, растворенные в воде кристаллы, продукты распада клеток и др.

9.10.1. Основные функции лимфатической системы и элементы ее строения

К основным функциям лимфатической системы относятся: 1) поддержание постоянства объема и состава тканевой жидкости; 2) обеспечение гуморальной связи между тканевой жидкостью всех органов, тканей и кровью; 3) всасывание и перенос питательных веществ из пищеварительного канала в венозную систему; 4) участие в иммунологических реакциях организма посредством доставки из лимфоидных органов лимфоцитов, клеток плазматического ряда, антител; 5) участие в ответах организма на чрезвычайные воздействия посредством переноса в костный мозг и к месту повреждения мигрирующих из лимфоидных органов лимфоцитов, плазмоцитов и т. д.

Лимфатическая система высших позвоночных состоит из лимфатических сосудов, лимфатических узлов и лимфатических протоков. Все ткани, кроме костной, нервной и поверхностных слоев кожи, пронизаны сетью лимфокапилярных сосудов. Они начинаются петлями или слепыми выростами и характеризуются наличием лакун в местах слияний. Диаметр капилляров колеблется от 10 до 100 мкм. Стенки их легко растягиваются, поэтому просвет капилляров при усиленном поступлении лимфы может увеличиваться в 2-3 раза. При этом возрастает и их всасывающая поверхность. В обычных условиях многие капилляры находятся в спавшемся состоянии.

При слиянии нескольких капилляров образуется лимфатический сосуд (лимфангион). Здесь же находится и первый клапан. В стенках сосуда между эндотелием и соединительнотканной оболочкой появляется мышечный слой, который по мере укрупнения сосуда утолщается. В дальнейшем по ходу сосудов в местах их сужения также находятся клапаны. Расстояние между ними составляет 2-8 мм, а в крупных сосудах - до 15 мм. Клапаны представляют собой парные, лежащие друг против друга складки полулунной формы. Они препятствуют обратному току лимфы, которая отжимает их створки от стенок сосудов. Из каждого органа или части тела выходят отводящие лимфатические сосуды, которые направляются к регионарным лимфатическим узлам. Сосуды, по которым лимфа поступает в узел, называют приносящими; сосуды, которые выходят из ворот узла, называют выносящими лимфатическими сосудами.

Рис. 9.52 Лимфатический узел млекопитающих

1 - капсула, 2 - трабекула, 3 - перекладина, 4 - корковое вещество, 5 - фолликулы, в - приносящие лимфатические сосуды, 7 - мозговое вещество, 8 - выносящие лимфатические сосуды, 9 - ворота лимфатического узла.

Рис. 9.53 Лимфатическая система и кровообращение млекопитающих

1 - легкие, 2- лимфатическая система, 3 - венозная система, 4-артериальная система, 5 - ткани.

Функциональное значение лимфатических сосудов многообразно: они участвуют в процессах лимфообразования, которое происходит в лимфатических капиллярах, выполняют дренажную функцию и лимфоотток.

Лимфатические узлы располагаются по ходу лимфатических сосудов и составляют вместе с ними единую систему. У млекопитающих они имеют округлую или овальную форму (рис. 9.52), располагаются группами. Число их у собаки около 60, свиньи - 190, быка- 300, человека - около 460. Лимфатические узлы с одной стороны обычно вдавлены. В этом месте, называемом воротами, в узел входят артерии и симпатические нервные волокна, а выходят вены и выносящие лимфатические сосуды. Сосуды, приносящие лимфу, входят с противоположной, выпуклой стороны узла. В связи с таким расположением по ходу сосудов лимфатический узел представляется не только кроветворным органом, но и своеобразным ,фильтром для оттекающей от тканей лимфы на ее пути в венозное русло.

Лимфатические узлы являются органами лимфоцитопоэза. В их корковом и мозговом веществе образуются В- и Т-лимфоциты (см. разд. 8) и вырабатывается лейкоцитарный фактор, который стимулирует размножение клеток. Зрелые лимфоциты попадают в синусы узлов и из них выносятся с лимфой в отводящие сосуды. Узлы осуществляют также барьерно-фильтрационную функцию. В просветах их синусов задерживаются и захватываются макрофагами поступающие с током лимфы микробные тела и инородные частицы. Лимфатические узлы посредством дифференцировки лимфоцитов, выработки иммуноглобулинов, образования плазматических клеток участвуют в иммунных процессах. Они также выполняют функцию депо лимфы, участвуют в перераспределении жидкости и форменных элементов между кровью и лимфой.

На поперечных срезах узла различают периферическое, более плотное корковое вещество, которое состоит из кортикальной и паракортикальной зон, и центральное мозговое вещество. Большую часть первого составляет область заселения В-лимфоцитов, а паракортикальную, тимус-зависимую - Т-лимфоцитов. Лимфатические узлы имеют чувствительную и эфферентную адренергическую и холинергическую иннервацию. Рецепторный аппарат хорошо выражен в капсуле, трабекулах, сосудах, корковом и мозговом веществе. На пути от периферии к коллекторам лимфа проходит, как правило, несколько узлов.

Основным коллектором лимфатической системы, по которому лимфа оттекает в венозное русло от таза, тазовых конечностей, стенок и органов брюшной полости, левой половины груди и расположенных в ней органов, а также грудной конечности, является грудной проток. Начавшись в брюшной полости, проток проникает через аортальное отверстие диафрагмы в грудную полость и впадает в угол слияния подключичных вен. Вторым коллектором является шейный проток, собирающий лимфу от головы и прилегающих областей. Он также впадает в венозную систему в месте слияния подключичных вен (рис. 9.53).

Рис. 9.54 Расположение регионарных лимфатических узлов

1 - локтевая ямка, 2 - область шеи, 3 - подмышечная ямка, 4 - паховая область, 5 - подколенная ямка.

9.10.2. Эволюция лимфатической системы

Лимфатическая система, обособленная от кровеносной, присуща высшим позвоночным животным. У ланцетника и круглоротых имеется еще недифференцированная гемолимфатическая система.

Отделение лимфатической системы от кровеносной впервые происходит у костистых рыб, где она представлена поверхностными и глубокими продольными, а также кишечно-брыжеечными лимфатическими сосудами. Кроме того, между внутренними органами, перикардом и жаберными мешками расположены лимфатические синусы.

У амфибий и рептилий появляются так называемые лимфатические сердца. Они представляют собой сократительные органы, в стенках которых находятся мышечные волокна. Лимфатические сердца имеют вид одно- или многокамерных пузырьков, которые соединены с одной стороны с лимфатическими сосудами и синусами, с другой - с венами. У лягушки таких сердец 4, у тритона 15 боковых и несколько - в тазовой, лопаточной и других областях. У рептилий наряду с синусами появляются сплетения лимфатических сосудов и два задних лимфатических сердца. У неплавающих птиц лимфатические сердца обнаруживаются только на эмбриональной стадии.

Лимфатические узлы отсутствуют у рыб, амфибий, рептилий и появляются у водоплавающих птиц. Их лимфатические сосуды впадают в вены в нескольких местах. У млекопитающих строение лимфатической системы усложняется, в лимфатических сосудах появляются клапаны, возникает большое число лимфатических узлов (рис. 9.54).

9.10.3. Состав, свойства, количество лимфы

Лимфа образуется в результате всасывания тканевой жидкости в лимфатические капилляры. От лимфы необходимо отличать гидролимфу - жидкость кишечно-сосудистой системы медуз, гребневиков, которая непосредственно сообщается с жидкой средой обитания этих животных. Лимфу также следует отличать от гемолимфы - жидкости, находящейся в сосудах и межклеточных пространствах у животных, не имеющих замкнутой системы кровообращения (например, у моллюсков). У млекопитающих пространство между перепончатым лабиринтом и костной основой внутреннего уха заполнено особой жидкостью - перилимфой, а сам перепончатый лабиринт - эндолимфой (см. рис. 7.1).

Взятая из лимфатических протоков во время голодания или после приема нежирной пищи лимфа представляет почти прозрачную бесцветную жидкость (см. разд. 7.10) со средним содержанием белков 20 г/л, что уступает их концентрации в плазме крови. Наиболее низкое содержание белков зарегистрировано в лимфе, оттекающей от кожи, мышц, наибольшее - от печени. Этот показатель значительно варьирует в зависимости от функционального состояния органов. Так, лимфа кишечных лимфатических сосудов и грудного лимфатического протока после приема жирной пищи становится молочно-белого цвета. Это происходит потому, что в лимфе содержится взвесь капелек всосавшегося в кишке жира.

По составу лимфа отличается от капиллярного фильтрата и плазмы крови. В ней содержатся (мкг/100 мл) анионы: CL- - 438, НСОз- - 48,0, Н2Р04 - 1,5; катионы: Na+ - 524, K+ - 9,8, Са2+ - 4,5, а также различные ферменты. Лимфатическая ткань депонирует витамины. В лимфе имеются компоненты свертывающей системы, благодаря чему она способна к быстрому свертыванию. Концентрация остальных веществ совпадает с их содержанием в плазме крови.

Количество лимфы в организме человека составляет примерно 1500 мл, однако ее содержание в разных органах различно и соответствует их функции. Так, на 1 кг массы печени приходится 21-36 мл лимфы, сердца - 5-18, селезенки - 3-12, мышц конечностей - 2-3 мл. Наиболее высокое содержание лимфы в печени объясняется ее участием в транспорте питательных веществ из кишки.

9.10.4. Лимфообразование

Механизм образования лимфы основывается на процессах фильтрации, диффузии и осмоса, разности гидростатического давления крови в капиллярах и межтканевой жидкости. Среди этих факторов большое значение придают проницаемости лимфатических капилляров в связи с особенностями ультраструктурного строения их стенки и взаимоотношений с окружающей соединительной тканью.

Существует два пути, по которым различные по размеру частицы проходят через стенку лимфатических капилляров в их просвет - межклеточный и через эндотелий. Первый основан на том, что межклеточные щели стенок капилляров могут расширяться и пропускать из окружающих тканей крупнодисперсные частицы. Межклеточные соединения могут быть открытыми и закрытыми. Через открытые соединения, величина которых колеблется от 10 нм до 10 мкм, могут свободно проходить в зависимости от локализации и условий функционирования органа крупные и мелкие частицы. Второй путь транспорта веществ в лимфатический капилляр основан на их непосредственном прохождении через цитоплазму эндотелиальных клеток с помощью микропиноцитозных пузырьков и везикул. Прохождение жидкости и различных частиц по обоим путям осуществляется одновременно.

Согласно классической теории Старлинга (1894), помимо разницы гидростатического давления в кровеносных капиллярах и тканях значительная роль в лимфообразовании принадлежит онкотическому давлению. Повышение гидростатического давления крови способствует образованию лимфы, напротив, увеличение онкотического давления препятствует этому.

Процесс фильтрации жидкости из крови происходит в артериальном конце капилляра, возвращается же жидкость в кровяное русло в венозном. Это связано, во-первых, с разницей кровяного давления в артериальном и венозном концах капилляра, во-вторых, с повышением онкотического давления в венозном конце капилляра.

В организме человека средняя скорость фильтрации во всех кровеносных капиллярах составляет примерно 14 мл/мин, т. е. 20 л/сут; скорость обратного всасывания - около 12,5 мл/мин, или 18 л/сут. Следовательно, в лимфатические капилляры попадает 2 л жидкости в сутки.

Снижение онкотического давления плазмы крови влечет за собой усиленный переход жидкости из крови в ткани, повышение осмотического давления межтканевой жидкости и лимфы, сопровождается усиленным образованием лимфы. Этот механизм особенно отчетливо выступает при накоплении в тканевой жидкости низкомолекулярных продуктов метаболизма, например, при мышечной работе.

Эти особенности организации стенки лимфатических капилляров, а также соотношение гидростатического и онкотического давлений определяют всасывание коллоидных растворов, взвесей, бактерий, инородных и других частиц. Проницаемость капилляров может изменяться в ту или иную сторону при различных функциональных состояниях органа и под влиянием некоторых веществ - гистамина, пептидов и др. Она зависит также от механических, химических, нервных и гуморальных факторов, поэтому постоянно меняется. Например, при уменьшении количества белка в плазме крови возрастает объем лимфы, протекающей по грудному протоку. Это связано с понижением всасывания жидкости в венозных частях капилляров в результате падения осмотического давления крови и повышением поступления ее в лимфатические капилляры.

9.10.5. Лимфоотток

У низших позвоночных лимфа продвигается посредством автоматических сокращений расширенных участков лимфатических сосудов, имеющих утолщенную мышечную стенку, - лимфатических сердец. У высших позвоночных и человека образовавшаяся в капиллярах лимфа постоянно оттекает в грудной проток, правый лимфатический, яремный, подключичный протоки (рис. 9.55). Собирая лимфу из разных частей тела, протоки обеспечивают ее продвижение в вену.

В оттоке лимфы ведущее значение принадлежит силе напорного и проталкивающего действия жидкости, проникающей из межтканевого пространства в лимфатические капилляры. Этот обмен происходит на основе гидростатического давления, под действием которого кровь движется по микроциркуляторному руслу, а также на основе физико-химических закономерностей диффузии и осмоса (рис. 9.56). Следовательно, обмен зависит от разности между коллоидно-осмотическим давлением белков плазмы крови и тканевой жидкости. Вновь образующаяся лимфа механически вытесняет ту, которая ранее заполняла лимфатические капилляры. В мелких лимфатических сосудах давление лимфы составляет 8-10 мм вод. ст., а у места впадения грудного протока в венозную

Рис. 9.55 Схема лимфооттока

I - плечеголовной ствол, 2 - аорта, 3 - внутренняя яремная вена, 4 - грудной проток, 5 - левая подключичная вена, б - левая плечеголовная вена, 7 - добавочная полунепарная вена, 8 - межреберные вены, 9 - полунепарная вена, 10 - грудной проток,

II - лимфатические сосуды, 12 - лимфатические узлы, 13 - цистерна грудного протока, 14 - межреберные лимфатические узлы, 15 - непарная вена, 16 - верхняя полая вена, 17- правая плечеголовная вена, 18- правый лимфатический проток, 19 - правые подключичные артерия и вена.

Рис. 9.56

Соотношение давлений, обеспечивающих движение жидкости в кровеносных капиллярах, межклеточном. пространстве и лимфатических сосудах

а - отрицательное давление в межклеточном пространстве, возникающее благодаря отсасыванию жидкости лимфатическими сосудами; б - результирующее давление, обеспечивающее движение жидкости из капилляра в ткани; в - результирующее давление, определяющее движение жидкости из тканей в капилляр; ГД - гидростатическое давление ОД - онкотическое давление (в мм рт. ст.).

Рис. 9.57 Движение лимфы по лимфатическим сосудам

Лимфангион в фазах: сокращения (А), заполнения (Б), покоя (В); а - мышечная манжета лимфангиона; о - клапан; 1 - мембранный потенциал и потенциал действия миоцитов лимфангиона, 2 - давление в полости, 3 - напряжение мышечной стенки. Стрелкой показано направление движения лимфы.

систему оно, как и в крупных венах, ниже атмосферного. Такая разница давления также способствует оттоку лимфы.

В движении лимфы значительную роль играют ритмические сокращения стенок самих лимфатических сосудов. Некоторые из них могут спонтанно сокращаться с частотой 8-10 в 1 мин. Волна сокращений продольной и циркулярной мускулатуры распространяется в центральном направлении и продвигает лимфу через поочередно открывающиеся и закрывающиеся клапаны (рис. 9.57).

На продвижение лимфы по сосудам существенное влияние оказывает сокращение скелетной мускулатуры, окружающей лимфатические пути. Эти сокращения Создают своеобразный лимфатический насос, попеременно сдавливающий и расслабляющий сосуды. Лимфооттоку способствуют изменение внутрибрюшного давления и движение органов пищеварения, что создает непрерывный отток лимфы в брюшных лимфатических сосудах, а также пульсация аорты и дыхательные движения, вызывающие расширение грудного протока при вдохе и сдавливающие его при выдохе. Существование клапанов в месте впадения протоков в вену предотвращает заброс в них крови.

Скорость движения лимфы не одинакова в разных областях тела, однако она значительно меньше, чем скорость движения крови в венах. Например в шейном лимфатическом сосуде лошади она составляет 27-30 см/мин. В работающих органах отток лимфы многократно увеличивается. Лимфоотток зависит от рефлекторных влияний. Он изменяется при повышении давления в каротидном синусе и воздействиях на другие рефлексогенные зоны. При стимуляции идущих к лимфатическим сосудам симпатических волокон можно наблюдать полное прекращение движения лимфы в результате спазма лимфатических сосудов.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Одной из самых значительных дат в истории биологической науки, в том числе и физиологии, является 1628 г. Именно в этом году Уильям Гарвей (1576-1657) - великий английский врач, физиолог и эмбриолог - подвел итоги многолетних исследований и доказал, что у высших животных кровь находится в непрерывном движении по замкнутому кругу. Заслуга У. Гарвея состоит в том, что впервые в истории науки он дал правильное во всех деталях описание одной из важнейших функций человека и животных - кровообращения. Гарвей опроверг гипотетические построения, созданные его предшественниками, был первым физиологом, решившим большую проблему не на основе догадок и размышлений, а посредством эксперимента. В своем классическом труде "Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных" он писал: "Когда я впервые обратился к вивисекции, как средству для того, чтобы изучить движения и свойства сердца, я думал, что изучу их непосредственно наблюдая, а не из описания других; однако я нашел, что предмет этот поистине столь тяжек, столь полон трудности, что я почти что начал думать так же, как и Фракасториус (Джироламо Фракасторо (1478-1553) - итальянский ученый), что движение сердца может быть понятно только Богу. Но, наконец, исполненный огромного и ежедневного прилежания, как можно чаще прибегая к вивисекциям и употребив для этого большое количество животных и сделав очень много наблюдений, я думаю, что постиг истину".

У. Гарвей допускал возврат одной и той же крови к сердцу через посредство замкнутого цикла. Замкнутость круга кровообращения он объяснял прямым соединением артерий и вен через посредство мельчайших трубочек. Эти трубочки-капилляры были открыты М. Мальпиги спустя четыре года после смерти У. Гарвея. Таким образом было найдено последнее звено в учении о кругообороте крови.

Эволюция циркуляторных механизмов шла несколькими параллельными путями, однако в основе всех их была выработка способа заставить объем жидкости как можно эффективнее выполнять транспортную функцию, обеспечивать доставку крови туда, где она необходима в данный момент, и в соответствующем количестве.

Для низших организмов, у которых дыхательные и питательные потребности ограничены, достаточными оказываются незамкнутые системы, без специального насосного устройства - сердца. Однако повышение в процессе филогенеза массы тела и двигательной активности животных привело у моллюсков и ракообразных к появлению сердца. В такой системе сердце еще не может создавать высокого давления и движение жидкости в определенной мере поддерживается сокращениями соматической мускулатуры.

Рыбы обладают вполне замкнутой сосудистой системой и вполне дифференцированным двухкамерным сердцем. Процесс дифференциации сердца на правую и левую половину и, соответственно, этому возникновение полного разделения кровообращения на большой и малый круги заканчивается в основном у рептилий. У всех более высоко расположенных в эволюционном ряду животных, как и у человека, существует четырехкамерное сердце с полным отделением правой половины от левой и со своими общими и характерными особенностями функциональной организации.

Сердечная мышца состоит из отдельных мышечных клеток (волокон) содержащих миофибриллы, которые имеют поперечную исчерченность. Благодаря этому сердечная мышца по строению похожа на скелетные мышцы. Однако функциональные свойства их несколько различны. Сердечная мышца обладает возбудимостью, проводимостью, сократимостью и автоматией.

Возбудимость сердечной мышцьг проявляется при возникновении в ней возбуждения под действием раздражителей. Сразу после действия раздражителей сердце невосприимчиво к повторным раздражениям. Этот период невозбудимости получил название рефракторного. Сократимость сердечной мышцы т. е. способность развивать напряжение и укорачиваться при возбуждении' зависит не только от силы раздражителя, но и от степени предварительного растяжения, которое связано с объемом поступающей в сердце крови.

Особым свойством сердечной мышцы в целом является автоматия т. е. способность возбуждаться без внешних воздействий. Однако не все мышечные волокна обладают таким качеством. Участки, в которых расположены волокна с наибольшей способностью к автоматии, получили название водителей ритма сердца. Главный из них - синусный узел - находится в области впадения полых вен в правое предсердие. В нормальных условиях сокращение всех отделов сердца обеспечивается импульсами, возникающими в главном водителе ритма. При нарушении его функции управление сердечной деятельностью переключается на нижерасположенный водитель ритма, лежащий в межпредсердной перегородке около правого предсердия и называемый предсердно-желудочковым узлом. От него отходят особые волокна - пучок Гиса. Последний делится на две ножки, образующие при разветвлении волокна Пуркинье. Именно эти волокна и передают возбуждение мускулатуре желудочков. Возбуждение сердечной мышцы характеризуется возникновением электрических токов, которые распространяются по всему телу. При анализе ЭКГ определяют высоту и направленность ее зубцов, а также длительность интервалов между ними.

Сердце работает как нагнетательный насос. Сокращаясь, оно проталкивает кровь в артерии. При расслаблении сердечной мускулатуры давление в полостях сердца снижается, что способствует притоку к нему крови. Сердечный цикл состоит из трех фаз: общей диастолы сердца, во время которой расслаблены и предсердия, и желудочки; систолы предсердий, когда желудочки расслаблены и наполняются кровью; систолы желудочков, когда кровь под большим давлением выбрасывается правым желудочком в легочную артерию, а левым - в аорту. Длительность сердечных циклов обусловлена частотой процессов возбуждения, возникающих в главном водителе ритма сердца - синусном узле.

Количество крови, поступающее в аорту при каждом сокращении сердца, называют систолическим объемом. У человека в нормальном состоянии оно равно 60-70 мл. Эта величина зависит от количества притекающей к сердцу крови и от силы сердечных сокращений. Количество крови, выбрасываемое сердцем в течение 1 мин, называют минутным объемом крови. Его величина зависит от частоты сердечных сокращений и систолического объема крови. Минутный и систолический объемы крови являются важнейшими показателями производительности сердца.

Большинство беспозвоночных животных имеет незамкнутую кровеносную систему, в которой давление и скорость тока низки и изменчивы. В таких системах ток жидкости больше зависит от сокращений соматических мышц, что автоматически обеспечивает усиление кровообращения во время движения. Дальнейшая эволюция кровеносной системы шла в трех направлениях: происходила дифференцировка сократительных элементов сосудов в специальный орган - "сердце", развивалась капиллярная сеть, превращая лакунарную систему в систему замкнутую, кровяной поток разделялся на круг, предназначенный для снабжения тканей (большой круг), и круг, предназначенный для обновления газового состава крови (малый круг).

Полное разделение кровообращения на большой и малый круг заканчивается в основном у рептилий. Строение сосудистой системы и регуляция в ней давления у всех более высоко расположенных в филогенетическом ряду животных такое же, как у млекопитающих.

Известно, что каждый орган тела способен эффективно работать лишь при условии адекватного кровоснабжения. Кроме того, повышение активности органа должно сопровождаться соответствующим увеличением кровотока. Кровоток зависит от разности гидростатического давления между артериями и венами по обе стороны органа и от гидростатического сопротивления току крови. Количество крови, проходящее за единицу времени через всю сосудистую систему, тем больше, чем больше эта разность и чем меньше сопротивление сосудов току крови. Наибольшее сопротивление создается в артериолах.

Принято различать объемную и линейную скорости движения крови. Под объемной скоростью кровотока понимают количество крови, которое протекает через всю кровеносную систему за 1 мин. Эта величина соответствует минутному объему крови. Количество крови, протекающее за 1 мин через какой-либо отдельный орган, называют местной объемной скоростью кровотока. Линейная скорость кровотока - скорость движения частиц крови вдоль сосуда при ламинарном потоке. Она прямо пропорциональна объемной скорости кровотока и обратно пропорциональна площади поперечного сечения сосуда. Наибольшая линейная скорость движения крови наблюдается в аорте, наименьшая - в капиллярах. Линейная скорость движения отдельных частиц крови не одинакова, она больше в центре сосуда и меньше у стенок.

Во время каждого сокращения сердца кровь выбрасывается в артериальное русло, сопротивление сосудов которого создает давление, называемое кровяным давлением. В разных участках сосудистой системы величина его не одинакова. Наибольшее давление наблюдается в аорте и крупных артериях. В мелких артериях, артериолах, капиллярах и венах оно постепенно снижается. Самый высокий уровень давления регистрируется в момент завершения систолы, он называется систолическим; самый низкий - диастолическим. Эти перепады давления при систоле и диастоле сердца вызывают толчкообразные колебания стенок кровеносных сосудов и прилегающих к ним тканей - пульс. Пульсовые колебания, создаваемые разницей между систолическим и диастолическим артериальным давлением, называют волнами I порядка; изменения давления, связанные с дыханием, - волнами II порядка; изменения, зависящие от активности сосудодвигательного центра, - волнами III порядка.

Изменения сердечного выброса и периферического сопротивления способны весьма существенно влиять на артериальное давление. Для его координации в организме существуют способы сенсорного контроля за уровнем артериального давления и возможность передавать эту информацию туда, где она может быть интегрирована с потребностями организма и преобразована в нужный исполнительный сигнал, направленный к сердцу и сосудам. Уровень артериального давления воспринимается чувствительными механорецепторами (барорецепторами), расположенными в основном в стенке аорты и каротидном синусе. ^Эти интероцепторы реагируют на растяжение стенки сосуда разной частотой разрядов в зависимости от артериального давления. Разряды передаются специальным сосудодвигательным центрам продолговатого мозга.

Сосудодвигательный центр вызывает по преимуществу изменение симпатической вазомоторной активности, а также регулирует симпатическую иннервацию сердца. Он состоит из депрессорной и прессорной частей (центров). Депрессорный центр способствует снижению артериального давления, что постигается двумя путями. Во-первых, ослаблением симпатической стимуляции сердца и, соответственно, уменьшением сердечного выброса. Во-вторых, снижением активности симпатических сосудосуживающих волокон, в результате чего возникает расширение сосудов и падение их сопротивления.

Прямо противоположное действие оказывает прессорный центр. Посредством увеличения сердечного выброса и периферического сопротивления он повышает артериальное давление. Существует и третий центр, кардиоингибирующее действие которого опосредуется идущими к сердцу волокнами блуждающего нерва. Повышение активности этих волокон приводит к уменьшению сердечного выброса и, соответственно, снижению артериального давления.

Сосудодвигательные центры расположены не только в продолговатом мозгу, но и в вышележащих отделах, таких как гипоталамус. Стимуляция некоторых его ядер вызывает сужение сосудов и, как следствие, повышение кровяного давления. В управлении состоянием сосудов значительную роль играет кора больших полушарий. Раздражение отдельных ее участков сопровождается изменением просвета сосудов.

У беспозвоночных о регуляции давления и тока циркулирующих жидкостей известно мало. Наибольшего развития эта регуляция достигла у головоногих моллюсков, имеющих замкнутую кровеносную систему с мощным сердцем, хорошо иннервированным тормозными и возбуждающими волокнами. Работа сердца у них и, соответственно, уровень кровяного давления зависят в основном от давления жидкости в сердце. При сильном растяжении оно сокращается быстро, при слабом - останавливается. У рыб кровяное давление снижается в основном в результате уменьшения сердечного выброса, который возникает с повышением активности волокон блуждающего нерва. Повышение давления появляется в результате симпатического сужения периферических сосудов. В этом отношении они отличаются от млекопитающих, у которых сердечный выброс, равно как и периферическое сопротивление, под влиянием автономной нервной системы могут изменяться в любом направлении.

Функциональное состояние сосудистой системы зависит наряду с нервной регуляцией и от гуморальных влияний. Наиболее сильное воздействие оказывают адреналин, вазопрессин, ангиотензин II, некоторые ионы и продукты тканевого метаболизма. Адреналин и вазопрессин суживают мелкие артерии и снижают капиллярный кровоток некоторых органов. Ионы калия, молочная, угольная кислоты, АТФ расширяют их. Аналогичный эффект оказывают также ацетилхолин и гистамин.

Механизмы, регулирующие уровень кровяного давления, крайне сложны и все еще до конца не поняты.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Ананин В. Ф. Биорегуляция человека. В 10 т. Т. 1: Биорегуляция сердца. М., 1994.

Аничков С. В., Сапронов Н. С. Фармакология сердца и сосудов. М., 1984.

Аринчин Н. И., Борисович Г. Ф. Микронасосная деятельность скелетных мышц при их растяжении. Минск,1986. Бобрик И. И., Шевченко Е. А., Черкасов В. Г. Развитие кровеносных и лимфатических сосудов. Киев, 1991.

Булекбаева Л. Э. Сравнительная физиология лимфатической системы. Алма-Ата, 1985.

Гайтон А. Физиология кровообращения. Минутный объем сердца и его регуляция. М., 1969.

Гарвей В. Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных. Л., 1948.

Гоффман Б.. Крейнфилд П. Электрофизиология сердца. М., 1962.

Гуревич М. И., Бернштейн С. А. Основы гемодинамики. Киев, 1979.

Дворецкий Дж. П.. Ткаченко Б. И. Гемодинамика в легких. М., 1987.

Джонсон П. Периферическое кровообращение. М., 1982.

Изаков В. Я., Иткин Г. П., Мархасин В. С. и др. Биомеханика сердечной мышцы. М., 1981.

Каро К., Педли Т., Шротер Р., Сид У. Механика кровообращения. М., 1981.

Конради Г. П. Регуляция сосудистого тонуса. Л.,1973.

Кульчицкий К. И., Соколов В. В., Марушенко Г. Н. Клапаны сердца. Киев, 1990.

Куприянов В. В., Миронов В. А., Миронов А. А., Гурина О. Ю. Ангиогенез: Образование, рост и развитие кровеносных сосудов. М., 1993.

Методы исследования функционального состояния сердечно-сосудистой системы у человека / Сост.

О. С. Глазачев и др. М., 1991.

Мчедлишвили Г. И. Микроциркуляция крови: Общие закономерности регулирования и нарушений. Л., 1989.

Ноздрачев А. Д. Физиология вегетативной нервной системы. Л., 1983.

Ноздрачев А. Д., Поляков Е. Л. Анатомия лягушки. М., 1994.

Ноздрачев А. Д., Поляков Е. Л. Анатомия кошки. СПб., 1998.

Ноздрачев А. Д.. Поляков Е. Л., Лапицкий В. П., Осипов Б. С., Фомичев Н. И. Анатомия беспозвоночных: пиявка, прудовик, дрозофила, таракан, рак. СПб., 1999. .

Ноздрачев А. Д., Чернышева М. П. Висцеральные рефлексы. Л., 1989.

Ноздрачев А. Д., Чумасов Е. И. Периферическая нервная система. СПб., 1999.

Ноздрачев А. Д., Янцев А. В. Автономная передача. СПб. - 1995.

Орлов В. Н. Руководство по электрокардиографии. М., 1999.

Орлов Р. С.. Борисов А. В., Борисова Р. П. Лимфатические сосуды: структура и механизмы сократительной активности. Л., 1983.

Осадчий Л. И. Положение тела и регуляция кровообращения. Л., 1982.

Педли Т. Гемодинамика крупных кровеносных сосудов. М. 1983.

Рашмер Р. Динамика сердечно-сосудистой системы. М.1981

Рощевский М. П. Эволюционная электрокардиология. Л., 1972.

Руководство по внутренним болезням. Болезни органов кровообращения / Под ред. Е. И. Чазова. М.,1997.

Руководство по кардиологии. В 4 т. / Под ред. Е. И. Чазова. М., 1982. Теплое С. И. Кровоснабжение и функция органов. Л., 1987.

Титомир Л. И., Кнеппо П. Математические моделирования биоэлектрического генератора сердца.М., 1999.

Удельное М. Г. Физиология сердца. М., 1975.

Физиология кровообращения. Физиология сердца / Отв. ред. Е. Б. Бабский. Л., 1980. Физиология кровообращения. Физиология сосудистой системы / Отв. ред. Б. И. Ткаченко. Л., 1984.

Физиология человека. В 3 т. / Под ред. Р. Шмидта, Г. Тевса. М., 1996.

Физиология человека. В 2 т. / Под ред. В. М. Покровского, Г. Ф. Коротько. М., 1997.

Фолков В., Нил Э. Кровообращение. М., 1976.

Швалев В. Н., Сосунов А. А., Гуски Г. Морфологические основы иннервации сердца. М., 1992.

Шмаков Д. Н., Рощевский М. П. Активация миокарда. Сыктывкар, 1997.

Шмидт-Ниельсен К. Физиология животных. Приспособление и среда. В 2 кн. М., 1982.

Шуба М. Ф., Кочемасова Н. Г. Физиология сосудистых гладких мышц. Киев, 1988.

Эккерт Р., Рэнделл Д.. Огастин Дж. Физиология животных. Механизмы и адаптация. В 2 т. М., 1991.

Эман А.А. Биофизические основы измерения артериального давления. Л., 1983.

10 ФИЗИОЛОГИЯ ДЫХАНИЯ

ВЕХИ ИСТОРИИ

1661 - М. Мальпиги (М. Malpighi, Италия) ввел понятия "альвеолы" и "кровеносные капилляры".

1771 - А. Лавуазье (A. Lavoisier, Франция) назвал газ, исчезающий при дыхании животных и человека, кислородом и показал, что углекислый газ выделяется живыми организмами в количестве, эквивалентном потреблению кислорода.

1812 - С. Легаллуа (С. Legallois, Франция) путем перерезок доказал местонахождение дыхательного центра в продолговатом мозгу.

1842 - ф. Дондерс (F. Donders, Голландия) предложил механическую модель для изучения вентиляции легких.

1859 - И. М. Сеченов (Россия) заложил основы теории газообмена в легких и транспорт газов. Сконструировал прибор для извлечения газов из крови.

1868 - И. Брейер (J. Breuer, Австрия), К. Геринг (К. Hering, Германия) доказали, что растяжение легких является стимулом для нервных окончаний в легких, сигнал проводится по блуждающим нервам к дыхательному центру. Названо это явление "саморегуляцией дыхания", основанное на взаимосопряженных рефлексах (Геринга-Брейера).

1868 - Э. Пфлюгер (Е. Pfluger, Германия) доказал, что избыток углекислого газа и недостаток кислорода возбуждают дыхательный центр.

1882 - И. М. Сеченов (Россия) впервые обнаружил ритмическую автоматию нейронов дыхательного центра.

1882 - Н. Цунц (N. Zunz, Германия) ввел понятие "мертвое пространство".

1885 - Н. А. Миславский (Россия) доказал, что структура дыхательного центра продолговатого мозга состоит из инспираторного и экспираторного отделов.

1887 - П. Бер (Р. Bert, Франция) показал, что физиологическое действие газов, присутствующих в воздухе, зависит от их парциальных давлений.

1891 - Л. Фредерик (L. Fredericq, Бельгия) установил зависимость работы дыхательного центра от газового состава артериальной крови, установил существование истинного "химического апноэ" при избытке углекислого газа во вдыхаемом воздухе.

1898 - Б. Ф. Вериго (Россия) открыл изменения степени диссоциации оксигемоглобина в зависимости от напряжения CO2 в крови.

1904 - К. Бор (Ch. Bohr, Дания) впервые выявил своеобразную форму кривых диссоциации растворов гемоглобина - их двойной изгиб.

1915 - Г. Винтерштейн (G. Winterstein, Германия) установил, что изменение концентрации ионов водорода влияет на дыхание.

1915 - Дж. Холдейн (J. Haldane, Великобритания) определил состав альвеолярной смеси газов и вывел закономерности ее постоянства.

1920-1930-е - А. Крог (A. Krogh, Дания) доказал, что газообмен в легких осуществляется путем диффузии.

1926 - Э. Эдриан (Е. D. Adrian, Великобритания) впервые зарегистрировал активность нейронов дыхательного центра.

1928 - Дж. Баркрофт (J. Barcroft, Великобритания) предложил теорию транспорта гемоглобином кислорода и углекислого газа.

1929 - К. Нейергард (К. Neergard, Германия) установил зависимость эластической тяги легких от поверхностного натяжения жидкости в альвеолах.

1929 - П. Дринкер и Макконн (Р. Drinker, McKhann, США) впервые сконструировали аппарат для искусственной вентиляции легких,- "железные легкие".

1931 - О. Варбург (О. Warburg, Германия) - Нобелевская премия за открытие цитохромоксидазы.

1939 - К. Хейманс (С. Heymans, Бельгия) - Нобелевская премия за открытие роли синусного и аортального механизмов в регуляции дыхания.

1956 - Р. Баумгартен (R. Baumgarten, Германия) обнаружил два типа нейронов дыхательного центра в ретикулярной формации продолговатого мозга.

1960-е - Т. Лумсден (Т. Lumsden, Великобритания) доказал местонахождение пневмотаксического центра в среднем мозгу и его значение в регуляции дыхания.

Дыхание - совокупность процессов, обеспечивающих поступление в организм кислорода, использование его в биологическом окислении и удаление из него углекислого газа.

Жизнедеятельность любого организма сопряжена с энерготратами, в ходе которых происходит ферментативное расщепление богатых энергией веществ (макроэргов) и прежде всего аденозинтрифосфата (АТФ). Израсходованные источники энергии восстанавливаются сложными путями утилизации питательных веществ, завершающим звеном которых служит биологическое окисление; энергия высвобождается за счет отнятия у субстрата водорода и соединения последнего с атомарным кислородом( Точнее, происходит передача электронов и протонов по дыхательной цепи (сопряженные с биологическим окислением биохимические реакции в этой главе рассматриваться не будут; они излагаются в курсе биохимии) :

2Н + О > Н20 + энергия.

В результате этих процессов от субстрата (как правило, это углевод) остаются углекислый газ и вода, например:

C6H12O6 + 602 > 6С02 + 6Н20 + энергия.

Поглощение живым организмом O2 и выделение СО2 и составляют сущность дыхания. Биологическое окисление происходит с помощью ферментов, локализованных на внутренних мембранах и кристах митохондрий - энергетических центрах клетки. Поэтому в понятие дыхания включают все процессы, связанные с доставкой О2 из окружающей среды внутрь клетки и с выделением СО2 из клетки в окружающую среду. Если у одноклеточных дыхательный газообмен совершается относительно просто, то по мере прогрессивной эволюции появляются специальные респираторные приспособления, дающие начало развитию разнообразных по строению и функции органов дыхания.

Различают дыхание клеточное (тканевое) и внешнее (например, трахейное, жаберное, легочное).

Рис. 10.1. Звенья газотранспортной системы организма

1 - вентиляция, 2 - аэрогематический барьер, 3 - транспорт газов кровью, 4 - гематопаренхиматозный барьер, 5 - ткани,клетки; сплошными линиями обозначен конвективный перенос газов, пунктирными - диффузионный.

Перенос газов между клеткой и внешней средой складывается из двух процессов: диффузии и конвекции.

Диффузией называют движение частиц вещества, приводящее к выравниванию его концетрации в среде. Молекулы газа в силу диффузии перемещаются из области большего его парциального давления в область, где его парциальное давление ниже.

Диффузионный обмен газов - проникновение O2 извне и CO2 наружу _ полностью обеспечивает протекание биологического окисления у микроскопических организмов. Это так называемое прямое дыхание.

Однако диффузия - процесс довольно медленный. Как показал в начале XX в. А. Крог, если расстояние, на которое должен транспортироваться кислород, превышает 0,5 мм, диффузия не успевает покрывать расход газа. В этом случае она дополняется несравненно более быстрым процессом - конвекцией - переносом О2 и СО2 с потоком газовой смеси и/или жидкости. Только конвективный перенос респираторных газов может обеспечить дыхание крупных организмов, величина которых измеряется подчас метрами.

Место диффузии и конвекции в развитой газотранспортной системе организма в общем виде проиллюстрировано на рис. 10.1. Развитие того или иного звена этой системы, его структурно-функциональные особенности зависят от положения данного организма на эволюционной лестнице, среды обитания образа жизни.

10.1. ЭВОЛЮЦИЯ ТИПОВ ДЫХАНИЯ

Дыхание принято считать неотъемлемым атрибутом всего живого. Однако неверно отождествлять появление дыхательной функции организмов с зарождением жизни на Земле.

В раннем протерозое 2,6 млрд. лет назад атмосфера носила не окислительный, а восстановительный характер (она содержала метан, водород), поэтому первые живые существа могли использовать только анаэробные (бескислородные) источники энергии. Лишь к концу докембрия, примерно 600 млн. лет назад, в атмосфере, главным образом в результате жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов, появился свободный кислород, парциальное давление которого в ту пору еще не превышало 1 мм рт. ст. Тогда и стало развиваться собственно дыхание.

Биологическое окисление оказалось более экономичным источником энергии, нежели бескислородные экзотермические реакции. Так, 1 моль глюкозы при полном ее окислении дает около 2880 кДж, тогда как при анаэробном расщеплении того же количества субстрата высвобождается всего 210 кДж. Следует, правда, помнить, что биологическое окисление стало не заменой а важнейшей надстройкой над анаэробными процессами, резко повысившей их энергетическую эффективность. Появление дыхания явилось мощным толчком для прогрессивной эволюции животного мира.

10.1.1. Дыхание беспозвоночных животных

Водные беспозвоночные. Обитатели водной среды - колыбели жизни на нашей планете - получают растворенный кислород непосредственно из воды, в воду же отдают углекислый газ, образующийся в ходе биологического окисления. Прямое дыхание свойственно одноклеточным - простейшим (как, впрочем, и некоторым многоклеточным организмам, например личинкам насекомых). Диффузия респираторных газов через всю поверхность тела присуща губкам, плоским червям.

Конвективный перенос газов появляется у иглокожих; у них наблюдается побуждаемый движением ресничек ток жидкости (где и растворяются газы) через полемическую полость. Здесь функция дыхания еще не отделена от питания и выделения.

В процессе дальнейшего развития "внешний" конвективный транспорт газов дополняется "внутренним": возникает кровеносная система. Впервые замкнутый контур циркуляции появляется у немертин: их кровь уже содержит химический переносчик кислорода - гемоглобин. Вообще же в кислородном транспорте участвуют различные пигменты (хлоркруорины, гемеретрины, гемоцианины и гемоглобины), встречающиеся у некоторых представителей ряда типов животных: круглых, плоских и кольчатых червей, моллюсков, иглокожих, членистоногих.

Наземные беспозвоночные. Первые воздуходышащие многоклеточные появились в силурийский период. Выходу животных на сушу способствовало в числе прочих факторов обеднение водоемов кислородом при одновременном увеличении в атмосфере его парциального давления, которое в то время (около 450 млн. лет назад) было существенно ниже нынешнего. Молекулярный кислород в воздушной среде значительно доступнее, нежели в водной: скорость диффузии O2 в воздухе примерно в 300 тыс. раз выше, чем в воде. Правда, поглощение этого газа организмом обязательно проходит стадию растворения в жидкости, покрывающей газообменные поверхности. Этот принцип сохраняется на всех этапах эволюции.

Первый из "сухопутных" типов дыхания встречается у кольчатых червей. Он осуществляется без посредства каких-либо респираторных органов. Газообмен происходит через увлажненный кожный покров, состоящий из однослойного эпителия и обильно снабженный кровеносными сосудами. Мышечные сокращения активно проталкивают кровь, содержащую гемоглобин, в глубокие ткани.

Другой тип обмена газов со средой отмечается у брюхоногих моллюсков. Здесь появляются уже специализированные органы дыхания - примитивные жабры в виде постоянно увлажненных лепестков либо мантийная полость, открывающаяся наружу отверстиями - пневмостомами. Незамкнутая кровеносная система обеспечивает с участием гемоглобина перенос кислорода к тканям.

Разнообразные формы дыхания встречаются у членистоногих. Предки этих животных обитали в воде, а многие (большая часть ракообразных) так и остались воднодышащими. С переходом на сушу листовидные жабры, связанные с конечностями, были преобразованы в мешковидные структуры, так называемые диффузионные легкие. Кислород из этих легких доставляется тканям через незамкнутую кровеносную систему с током гемолимфы, проталкиваемой трубчатым сердцем. Но у большинства членистоногих сформировались совсем новые органы дыхания - трахеи, проникающие глубоко в тело животного. Именно трахейный способ обмена газов характерен для насекомых.

Рис. 10.2 Трахейная система насекомого

1 - трахеи, ведущие к крыльям, 2 - дыхальца, 3 - трахеальные стволы.

Рис. 10.3 Парциальные давления О2, СО2 и N2, а также суммарное давление (Р) в пузырьке, захваченном водным насекомым при нырянии

А- состояние в начале погружения, Б - после быстрого погружения на глубину 1 м, В - состояние на той же глубине спустя некоторое время. Стрелками показано движение молекул газа.

Развитие системы трахей у насекомых было обусловлено, с одной стороны, наличием хитинового покрова, а с другой - очень высокими в расчете на единицу массы тела энерготратами и, следовательно, интенсивным потреблением кислорода (в полете оно увеличивается в десятки, а то и в сотни раз). Дыхательная система насекомого (рис. 10.2) сообщается с наружным воздухом посредством дыхалец (стигм). Каждое дыхальце ведет в полость и далее в широко ветвящиеся трубочки, трахеи, делящиеся в основном в соответствии с сегментами тела. Это ветвление завершают узкие короткие трахеолы, которые достигают клеточных мембран или даже проникают внутрь клеток до митохондрий.

Основным механизмом трахейного дыхания служит диффузия газов, поддерживаемая разностью парциальных давлений между клетками и атмосферой. Кроме того, транспорт респираторных газов обеспечивается конвективными потоками, хотя и весьма непостоянными. Движение воздуха в трахеях вызывается ритмическими сокращениями туловища, которые управляются центрами, расположенными в ряде ганглиев нервной системы насекомого. Ритмические изменения объема груди в полете тоже содействуют вентиляции трахейной системы. Помимо того, дыхание регулируется в зависимости от потребностей тканей в кислороде открытием и закрытием дыхалец, а также активным перемещением кончиков трахеол и содержащейся в них жидкости - плазмы гемолимфы (сама гемолимфа существенной роли в газообмене не играет).

Трахейное дыхание позволяет насекомому приспосабливаться к самым различным условиям жизни. Вместе с тем лежащий в основе данного типа газообмена механизм диффузионного транспорта ограничивает расстояние, на которое переносится кислород. Это одна из причин, препятствующих представителям самого многочисленного класса животных достичь сколько-нибудь значительных размеров.

Некоторые водные насекомые (например, личинки москитов) дышат через водоотталкивающий сифон, выходящий из воды. Многие же при погружении захватывают с собой пузырьки воздуха. Так, жук - окаймленный плавунец (Dytiscus marginalise ныряет с пузырьками воздуха под крыльями или у заднего конца брюшка (рис. 10.3). При погружении насекомого происходит обмен газами между пузырьком и тканями через трахейную систему. Помимо того, может происходить обмен газами между пузырьком и водой, причем скорость этого процесса зависит от градиентов парциальных давлений (напряжений) газов и площади поверхности раздела "вода-воздух".

10.1.2. Дыхание позвоночных животных

Все позвоночные обладают специализированными органами дыхания (за исключением некоторых амфибий, вторично утративших их). Эти органы, как правило, развиваются из выростов кишечной трубки (выше было указано на филогенетическую связь функций дыхания и питания).

Общий принцип функционирования респираторных систем заключается в создании динамического контакта крови с газовой средой, в сочетании кровотока в сосудах органов дыхания (их перфузии) с прокачиванием через эти органы воды или воздуха (их вентиляции). Исключение составляет кожное дыхание амфибий, не требующее особого вентилирующего аппарата.

Водное дыхание. Водное дыхание с помощью жабр присуще большинству рыб. Эти животные набирают воду в ротовую полость, после чего вода выталкивается через жаберные щели. Для извлечения кислорода используется принцип противотока (рис. 10.4). Кровь в жаберных капиллярах течет навстречу воде, омывающей жаберные листки, чему способствует перемещение рыбы в пространстве. Высокая эффективность жаберного дыхания призвана компенсировать большие энерготраты на работу мускулатуры, которая осуществляет вентиляцию жабр водой. Этой мускулатурой управляет обособленный дыхательный центр

Рис. 10.4. Жаберные дуги (четыре) у рыбы. (А), фрагмент двух жаберных дуг (Б), участок жаберной нити с тремя жаберными лепестками на каждой стороне (В), а также участок жабр костистой рыбы., в которых кровь и вода текут в противоположных направлениях (Г)

1 - жаберная крышка, 2 - констрикторная мышца, 3 - жаберные нити, 4 - жаберная полость, 5 - кровеносные сосуды, 6 - ротовая полость, 7 - жаберный скелет, 8 - пластины, 9 - поперечный срез через жаберную нить, 10 - перегородка, 11 - перегородочный канал, 12 - край пластины.

в продолговатом мозгу, приближающийся по своей организации к дыхательному центру млекопитающих. Открытие ритмической активности структур изолированного ствола мозга золотой рыбки (Carassius auratus auratus) явилось важной вехой в познании автоматизма дыхательного центра.

В связи с большой растворимостью СО2 в воде отдача его происходит легко, поэтому работа респираторного аппарата рыбы служит в основном обеспечению организма кислородом. Сигналы о содержании О2 в крови, поступающие от хеморецепторов жаберных сосудов, не только регулируют активность дыхательного центра рыбы, но и побуждают ее выбирать зоны водоема с физиологически оптимальной оксигенацией. Подобную поведенческую реакцию активного выбора предпочитаемой дыхательной среды называют газопреферендумом. Некоторые рыбы (угри) поглощают растворенный в воде кислород преимущественно не через жабры, а используя его диффузию через кожу.

Переход от водного дыхания к воздушному. Многие рыбы, спорадически поднимаясь на поверхность водоемов или даже выходя на сушу и заглатывая воздух, дополняют водное дыхание воздушным, для чего используют богато васкуляризированные стенки ротовой полости, глотки, желудка, кишки либо особый дериват кишечной трубки - плавательный пузырь.

Двоякодышащие рыбы. дышат воздухом уже с помощью нового специализированного органа - легкого, которое представляет собой складчатый мешочек (одиночный или парный), происходящий из вентрального выпячивания глотки. Немногочисленные виды двулегочникообразных рыб (Lepidosireniformes) обитают в тропических водах, плохо аэрируемых и к тому же подкисленных. Они не могут обходиться без воздушного дыхания.

Рис. 10.5 Принцип функционирования респираторных систем позвоночных

1 - кровь, 2 - барьер, 3 - среда, 4 - органы дыхания, 5 - диффузия; Pi, Ре - парциальные давления О2 во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе (воде); Pa, Pv - то же в артериальной и венозной крови.

Подобное изменение условий, очевидно, и способствовало массовому переходу водных позвоночных (это были кистеперые рыбы - предки амфибий) к воздушному дыханию в девонский период (около 400 млн. лет тому назад). Следует учесть, что в ту эпоху парциальное давление 02 в атмосфере было близко к современному. И если в 1 л воды, насыщенной воздухом при температуре О °С, содержится всего 0,014 г 02 (при 30 °С это количество уменьшается вдвое), то в 1 л воздуха его содержание составляет 0,28 г, т. е. в 20 раз больше. Кроме того, плотность воздуха более чем в 700 раз ниже, чем воды, поэтому его вентиляция через органы дыхания требует соответственно меньших энерготрат. На дыхание воздухом перешло большинство амфибий (во всяком случае их взрослые формы), хотя легкие земноводных развиты еще слабо: газообменная поверхность невелика, потоки венозной и артериальной крови в системе циркуляции разведены не полностью. Некоторая доля поглощаемого О2 и большая часть выделяемого СО2 диффундирует не через легкие, а через увлажненную кожу, васкуляризация которой меняется в соответствии с интенсивностью кожного газообмена (рис. 10.5).

Дыхательные движения амфибий (как и рептилий) характерны - этим они отличаются и от рыб, и от млекопитающих - длительными остановками, апноэ, во время которых вентилируется только щечно-глоточная полость при закрытой голосовой щели, отделяющей легкие от атмосферы. Лишь время от времени возникают координированные сокращения мышц рта и гортани, нагнетающие воздух в легкие и отсасывающие его обратно. Эти движения управляются нервными центрами ствола мозга в соответствии с импульсацией рецепторов растяжения легких, а также артериальных хеморецепторов, возбуждаемых недостатком кислорода в крови. Кроме того, у многих амфибий наблюдается поведенческая регуляция дыхания, газопреферендум: в зависимости от условий они избирают либо водную, либо воздушную среду.

У наземных рептилий в связи с развитием ороговевающего покрова водное и кожное дыхание становится невозможным (за исключением ящериц). Данный этап эволюции дыхания знаменует окончательный переход от газообмена во влажной среде к "сухой" вентиляции, механизм которой уже почти такой же, как у млекопитающих. Газообменная поверхность легких значительно увеличивается за счет образования мелких ячеек, через густую сеть их сосудов протекает кровь уже обособившегося малого круга. Вместе с тем рептилии еще сохраняют прерывистый характер вентиляции легких, которые заполняются воздухом, однако путем не нагнетания его, а засасывания.

Метаболизм эктотермных (пойкилотермных) позвоночных еще относительно низок, с чем связана сравнительно малая "пропускная способность" их дыхательного аппарата. Как полагают некоторые исследователи, это и явилось причиной неспособности ныне вымерших крупных рептилий адаптироваться к происшедшим в конце мезозоя резким изменениям в среде обитания.

Значительно интенсивнее и устойчивее обменные процессы у эндотермов (гомойотермных животных) - млекопитающих и птиц. Происходит дальнейшее увеличение газообменной поверхности и кровоснабжения легких. В отличие от амфибий и рептилий вновь формируется ритмичный, без пауз, тип вентиляции легких. Существенно изменяется механизм регуляции дыхания из-за того, что весь CO2 у этих животных удаляется практически только легкими, а продукция его становится в связи с усилением окислительных процессов весьма интенсивной. Возникает затруднение в борьбе с накоплением угольной кислоты в тканях и крови. Поэтому у животных, дышащих исключительно легкими, хотя и увеличивается Роз артериальной крови, одновременно значительно возрастает Рсо2 (рис. 10.6), усиливается и мощность буферных систем.

Рис. 10.6 Напряжение дыхательных газов в артериальной крови (РаО2 Pа CO2) у различных классов позвоночных

Жаберное дыхание рыб обеспечивает их кислородом; Р CO2 крови у них низкое, поскольку CO2легко диффундирует через покровы тела в окружающую воду. Дыхательное поведение и жаберное дыхание рыб регулируются по кислороду. У тех рыб, которые в определенных условиях используют воздушное дыхание (а также у рептилий и млекопитающих), не только поступление О2, но и отдача CO2 в воздушную среду происходят только через легкие. Поэтому Р CO2 крови у воздушнодышащих животных гораздо выше, чем у воднодышащих, и этот параметр становится главным регулятором дыхания. Вместе с тем РO2 крови у водно- и воздушнодышащих различаются незначительно.

В силу данных обстоятельств роль главного регулятора дыхания переходит от О2 к СО2 и сопряженным с его транспортом ионам Н+, а ведущее значение в стимуляции ритмической активности дыхательного центра приобретают вместо артериальных хеморецепторов центральные (медуллярные) хемочувствительные зоны. Все эти особенности будут освещены в соответствующих разделах главы. Вместе с тем дыхание птиц настолько отличается от дыхания млекопитающих, что на нем следует остановиться особо.

Дыхание птиц. Легкие птиц, имеющие губчатое строение, отличаются, во-первых, тем, что газообмен между воздухом и кровью происходит в так называемых воздушных капиллярах, "цилиндрических альвеолах" (по аналогии с мешковидными альвеолами млекопитающих) - и, во-вторых, проточной системой бронхов. Эта система устроена таким образом, что легкие с помощью нескольких воздушных мешков вентилируются свежим воздухом и при вдохе, и при выдохе (см. рис. 10.7). Такой тип дыхания придает легочному газообмену птицы высокую эффективность, необходимую для покрытия интенсивного расходования энергии, особенно в полете. Дыхательные движения грудной стенки создаются в основном сокращениями грудных и брюшных мышц. В полете вентиляции легких (которая помимо газообмена участвует в отдаче избыточного тепла) содействуют движения крыльев.

Дыхательный центр птицы расположен в продолговатом мозгу. Его активность, как и у млекопитающих, контролируется импульсацией от медуллярных хеморецепторов, чувствительных к СО2 и ионам Н+, а также артериальных хеморецепторов, реагирующих, кроме того, и на недостаток О2, что имеет значение для регуляции дыхания во время полета на больших высотах. В воздухоносных путях птицы находятся механорецепторы, стимуляция которых участвует в регуляции частоты и глубины дыхания. Там же имеются особые хеморецепторы, импульсация из которых усиливается при снижении внутрилегочной концентрации CO2. Стимуляция этих рецепторов угнетает активность дыхательного центра и снижает тем самым вентиляцию легких, предотвращая чрезмерное вымывание СО2 из организма, которое могло бы происходить в условиях полета.

Рис. 10.7 Расположение воздушных мешков и легких у птиц (А), а также схема строения легкого птицы, (Б), бронхиального дерева и соединенных с ним воздушных мешков (В)

10.2. ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АКТ И ВЕНТИЛЯЦИЯ ЛЕГКИХ

Дыхание человека и животных (рис. 10.8) можно разделить на ряд процессов: 1 - обмен газами между окружающей средой и альвеолами легких (внешнее дыхание), 2 - обмен газами между альвеолярным воздухом и кровью, 3 - транспорт газов кровью, 4 - обмен газами между кровью и тканями, 5 - потребление кислорода клетками и выделение углекислоты (клеточное, или тканевое, дыхание). Непременным условием протекания этих процессов является их регуляция, приспособление к потребностям организма. Физиология дыхания изучает первые четыре процесса, клеточное дыхание относится к компетенции биохимии.

Респираторная система млекопитающих и человека обладает важнейшими структурно-физиологическими особенностями, отличающими ее от систем дыхания других классов позвоночных.

1. Легочный газообмен осуществляется путем возвратно-поступательной вентиляции альвеол, заполненных газовой смесью относительно постоянного состава, что способствует поддержанию ряда гомеостатических констант организма (см. рис. 10.5).

2. Главную роль в вентиляции легких играет строго специализированная инспираторная мышца - диафрагма, что обеспечивает известную автономию функции дыхания.

3. Центральный дыхательный механизм представлен рядом специализированных популяций нейронов ствола мозга и вместе с тем подвержен модулирующим влияниям вышележащих нервных структур, что придает его функции значительную устойчивость в сочетании с лабильностью.

Обмен газов в легких (рис. 10.9) млекопитающих поддерживается их вентиляцией за счет возвратно-поступательного перемещения воздуха в просвете дыхательных путей, которое происходит в процессе вдоха и выдоха. Легкие млекопитающих резко отличаются от жабр рыб по строению и особенностям вентилляции. Эти различия обусловлены прежде всего тем, что вязкость и плотность

Рис. 10.8 Блок-схема системы дыхания человека

1 - внешнее дыхание, 2 - аэрогематический барьер, 3 - транспорт газов кровью и тканевыми жидкостями, 4 - гематопаренхиматозный барьер, 5 - тканевое дыхание, 6 - нейрогуморальная регуляция дыхания, 7 - потоки энергии.

Рис. 10.9 Трахея и легкие человека

1 - гортань, 2 - хрящ, 3 - трахея, 4 - легкое, 5 - легочная артерия, 6 - бронхиола, 7 - легочная вена, 8 - висцеральная плевра, Я - плевральная полость, 10 - париетальная плевра, 11 - альвеолярный мешочек, в котором находятся альвеолы, 12 - ветвь легочной вены, 13 - ветвь легочной артерии, 14 - терминальная бронхиола, 15 - дыхательная бронхиола, 16 - альвеолярный ход, 17 - альвеолы, 18 - капиллярная сеть в стенках альвеол.

Рис. 10.10 Изменение парциальных давлений (напряжения) кислорода и углекислого газа в процессе газообмена между воздухом (А) или водой (Б) и тканями у наземных и водных животных

воды приблизительно в 1000 раз больше, чем воздуха, а содержание молекулярного кислорода в воде в 3 раза меньше. Помимо того, в воздухе молекулы газа диффундируют в 10 000 раз быстрее, нежели в воде. Именно из-за этих особенностей, как правило, при дыхании воздухом газовая смесь попеременно поступает в легкие и удаляется из них, а при дыхании в воде жидкая среда постоянно обтекает жабры в одном направлении (рис. 10.10).

10.2.1. Дыхательные мышцы

У позвоночных легкие развились из слепых выростов кишки и представляют собой сложное сплетение из трубочек и мешочков, между тем конкретные особенности их строения у разных видов существенно различаются. Уже у земноводных структура легких бывает различная: от гладкомышечного мешотчатого органа у некоторых хвостатых амфибий до более сложного

Рис. 10.11. Зависимость площади дыхательной поверхности от массы тела для некоторых позвоночных животных (А), а также связь между площадью поверхности альвеол и потреблением кислорода у млекопитающих (в покое) (Б)

образования, разделенного перегородками и складками на многочисленные камеры у лягушек и жаб. Количество отсеков у млекопитающих еще больше. Именно благодаря этому площадь дыхательной поверхности на единицу объема легких возрастает. У млекопитающих эта площадь значительно варьирует, принципиально она пропорциональна весу тела и потреблению кислорода (рис. 10.11).

Мышцы, осуществляющие дыхательный акт, подразделяют на инспираторные и экспираторные, способствующие соответственно увеличению и уменьшению объема грудной полости, а также вспомогательные, которые включаются при форсированном дыхании.

Основной инспираторной мышцей служит диафрагма. Установлено, что при спокойном дыхании именно диафрагма практически обеспечивает весь объем легочной вентиляции. Во время вдоха сокращение мышечных волокон диафрагмы ведет к уплощению обеих ее полусфер (куполов). Содержимое брюшной полости оттесняется, и грудная полость увеличивается в продольном направлении, а ее основание расширяется за счет поднятия каудальных ребер.

Диафрагма работает синергично с другим инспиратором - наружными межреберными мышцами (рис. 10.12). Поэтому диафрагму рассматривают как систему двух мышц: реберной и поясничной частей, соединенных сухожильным центром. Первая часть функционально связана с межреберными мышцами параллельно, вторая - последовательно. Имея строение мышечных волокон, некоторыми чертами напоминающее миокард, и моносинаптическую связь с инспираторными нейронами дорсальной дыхательной группы продолговатого мозга, диафрагма как дыхательная мышца отличается особой автономностью и не участвует в других функциях (за исключением экспульсивных актов).

Роль межреберных мышц неоднозначна. Сокращения наружных межреберных и межхрящевых внутренних межреберных мышц (краниальных межреберий), имея тенденцию к подниманию ребер и увеличению диаметра грудной клетки, помогают тем самым диафрагме выполнять ее инспираторную

Рис. 10.12 Принципы, работы мышц-инспираторов А - диафрагма (I) и ее модель (II): 1 - ножка диафрагмы, 2- реберная часть диафрагмы, 3 - межреберные и вспомогательные мышцы, 4 - грудная клетка, 5 -легкое, 6 -живот; Б - движения ребер, позволяющие наружным межреберным мышцам увеличивать при вдохе переднезадний (верхние ребра) и поперечный (нижние ребра) диаметр грудной клетки:

I - 1 ребро, II - IV ребро, прямым пунктиром показаны оси шеек ребер; стрелками - перемещение ребер при вдохе.

Рис. 10.13. Важнейшие вспомогательные инспираторные мышцы (А) и вспомогательные экспираторные дыхательные мышцы (Б)

функцию (рис. 10.12). Напротив, задние (межкостные) участки внутренних межреберных мышц при своем сокращении вызывают опускание ребер и способствуют выдоху. К экспираторным относятся и мышцы брюшной стенки: их функция состоит в повышении внутрибрюшного давления, благодаря чему купол диафрагмы впячивается в грудную полость и уменьшает ее объем.

К вспомогательным респираторным мышцам относят ряд мышц шеи, груди и спины, сокращение которых вызывает перемещение ребер, облегчая действие инспираторов либо экспираторов (рис. 10.13).

10.2.2. Дыхательный акт

С момента рождения каждого млекопитающего легкие всегда находятся в более или менее растянутом состоянии. Это объясняется отрицательным давлением в плевральной полости, окружающей легкие. Оно противостоит эластической тяге легких - упругим силам, которые вызываются эластическими свойствами легочной ткани в сочетании с тонусом бронхиальных мышц и направлены на спадение легкого. В спавшемся состоянии легкие находятся у плода до рождения и первого вдоха, в спавшееся состояние они немедленно возвращаются, если в плевральную полости войдет воздух или газ, - наступает так называемый пневмоторакс.

Во время вдоха, вызванного сокращением мышц-инспираторов, вследствие увеличения объема грудной полости отрицательное давление в плевральной полости возрастает (рис. 10.14). Поэтому, а также благодаря адгезивным силам, возникающим между прилегающими друг к другу париетальным и висцеральным листками плевры, легкие растягиваются еще больше. Увеличение легочного объема, в свою очередь, ведет к падению внутрилегочного (внутриальвеолярного) давления, что и служит причиной поступления в них через дыхательные пути атмосферного воздуха.

Как только инспираторная мускулатура расслабляется, возросшая в ходе вдоха эластическая тяга легких возвращает их в исходное состояние. При этом из-за уменьшения объема легких давление в них становится положительным, воздух из альвеол устремляется через воздухоносные пути наружу.

Таким образом, выдох в отличие от вдоха происходит пассивно, за счет высвобождения потенциальной энергии растянутых во время инспираторной фазы легких.

Лишь при форсированном дыхании включаются мышцы-экспираторы, активно способствующие дополнительному уменьшению объема грудной полости, причем давление в плевральной полости может становиться положительным.

Итак, дыхательный цикл (рис. 10.15) включает две фазы: вдох (инспирацию) и выдох (экспирацию). Обычно вдох несколько короче выдоха: у человека их соотношение равно в среднем 1 : 1,3. Соотношение компонентов

Рис. 10.14.Схема изменения плеврального давления (Рпл) и альвеолярного давления (Ра) при вдохе (слева) и выдохе (справа). Рр - давление в полости рта, R - аэродинамическое сопротивление воздухоносных путей.

Рис. 10.15. Фазы дыхательного цикла I - вдох, II - выдох, а - трансдиафрагмальное давление (разность между давлениями в грудной и брюшной полости), б - объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха (спирограмма), в - скорости инспираторного и экспираторного потоков, г - электрическая активность диафрагмы (электромиограмма).

дыхательного цикла (длительность фаз, глубина дыхания, динамика давления и потоков в воздухоносных путях) характеризует так называемый паттерн дыхания.

В процессе своей работы дыхательные мышцы преодолевают определенное сопротивление. Примерно около 2/3 его приходится на эластическое сопротивление тканей легких и грудной стенки. В свою очередь, около 2/3 эластического сопротивления легких создается за счет поверхностно-активных веществ - сурфактантов, тонким слоем выстилающих изнутри альвеолы. Сурфактанты в основном состоят из липопротеинов. Они стабилизируют сферическую форму альвеол, препятствуя их перерастяжению на вдохе и спадению на выдохе. Остальная часть усилий, развиваемых дыхательными мышцами, тратится главным образом на преодоление неэластического сопротивления газовому потоку в воздухоносных путях.

Неэластическое сопротивление дыханию зависит от просвета воздухоносных путей - особенно голосовой щели, бронхов. Приводящие и отводящие мышцы голосовых складок, регулирующие ширину голосовой щели, управляются через посредство нижнего гортанного нерва группой нейронов, которые сосредоточены в области вентральной дыхательной группы продолговатого мозга (см. разд. 10.4.1). Такое соседство не случайно: во время вдоха голосовая щель несколько расширяется, на выдохе - сужается, увеличивая сопротивление потоку воздуха, что служит одной из причин большей длительности экспираторной фазы. Подобным же образом циклически меняются просвет бронхов и их проходимость.

Тонус гладкой мускулатуры бронхов зависит от активности ее холинергической иннервации: соответствующие эфферентные волокна проходят в составе блуждающего нерва.

Расслабляющее влияние на бронхиальный тонус оказывают симпатическая (адренергическая) иннервация, а также недавно открытая "неадренергическая тормозная" система. Влияние последней опосредуется некоторыми нейропептидами, а также микроганглиями, обнаруженными в мышечной стенке воздухоносных путей; определенный баланс между этими влияниями способствует установлению оптимального для данной скорости воздушных потоков просвета трахеобронхиального дерева.

Рис. 10.16 Легочные объемы человека 1 - общая емкость легких, II - жизненная емкость легких. III - резервный объем вдоха, ГУ - дыхательный объем, V- резервный объем выдоха, VI - остаточный объем, VII - емкость вдоха, VIII - функциональная остаточная емкость; 1 - максимальный выдох, 2 - максимальный вдох, 3 - уровень спокойного выдоха.

Нарушение регуляции бронхиального тонуса у человека составляет основу бронхоспазма, в результате которого резко уменьшается проходимость воздухоносных путей (обструкция) и повышается сопротивление дыханию. Холинергическая система блуждающего нерва участвует также в регуляции секреции слизи и движений ресничек мерцательного эпителия носовых ходов, трахеи и бронхов, стимулируя тем самым мукоцилиарный транспорт - выделение попавших в воздухоносные пути инородных частиц. Избыток слизи, характерный для бронхитов, также создает обструкцию и увеличивает сопротивление дыханию.

Сопротивление дыханию при прочих равных условиях зависит от его паттерна. Чем глубже вдох, т. е. чем больше растягиваются легкие, тем больше эластический компонент этого сопротивления. Неэластический его компонент, наоборот, возрастает с увеличением скорости вдоха и выдоха, т. е. с учащением дыхательных циклов. Отсюда следует, что работа дыхательных мышц увеличивается при слишком глубоком и при чрезмерно частом дыхании.

Благодаря рефлекторным механизмам саморегуляции организм, как правило, избирает оптимальный паттерн дыхания - такой, при котором затраты энергии на каждый литр вентилируемого воздуха наименьшие (рис. 10.16). Поэтому работа, выполняемая респираторными мышцами в покое, относительно невелика и составляет у человека всего 2-3% от общих энерготрат. Однако при форсированном дыхании (например, при физической нагрузке) она резко возрастает за счет увеличения эластического сопротивления избыточно растягиваемых легких и возникновения турбулентных потоков в воздухоносных путях, достигая 10% и более от суммарного расхода энергии.

Объем воздуха, вдыхаемого за каждый дыхательный цикл, - глубина дыхания, или дыхательный объем, - составляет при спокойном дыхании относительно небольшую часть общей емкости легких. При увеличении легочной вентиляции этот объем возрастает за счет дополнительного воздуха (резервного объема), поступающего в легкие при вдохе и изгоняемого при выдохе. Если зафиксировать разницу между максимально глубоким вдохом и максимальным выдохом, получается величина жизненной емкости легких, в которую не входит так называемый остаточный объем, удаляемый только при полном спадении легких.

Однако при спокойном дыхании легкие не опорожняются и до остаточного объема. Ту часть общей емкости легких, которая остается заполненной после обычного выдоха, т. е. при полном расслаблении дыхательных мышц, называют функциональной остаточной емкостью. В нее входит остаточный объем плюс резервный объем выдоха.

10.2.3. Вентиляция легких и внутрилегочный объем газов

Легочной вентиляцией называют объем воздуха, вдыхаемого за единицу времени (обычно используют минутный объем дыхания).

Таким образом, вентиляция - это произведение дыхательного объема на частоту дыхательных циклов. Однако в легочном газообмене участвует не весь вентилируемый воздух, а лишь та его часть, которая достигает альвеол.

Дело в том, что примерно 1/3 дыхательного объема покоя приходится на вентиляцию так называемого мертвого пространства, заполненного воздухом, который непосредственно не участвует в газообмене и лишь перемещается в просвете воздухоносных путей при вдохе и выдохе (рис. 10.17). Следовательно, вентиляция альвеолярных пространств - альвеолярная вентиляция - представляет собой легочную вентиляцию за вычетом вентиляции мертвого пространства. Именно альвеолярная вентиляция обеспечивает обмен газов в легких.

В воздухоносных путях происходит конвективный и диффузионный перенос газов (рис. 10.18). В ходе ветвления воздухоносных путей (рис. 10.19) их суммарное сечение значительно возрастает. Так, у человека от трахеи до альвеол насчитывают 23 таких ветвления (генерации), в ходе которых общая площадь поперечного сечения увеличивается в 4500 раз. Поэтому линейная скорость потока вдыхаемого воздуха по мере приближения к альвеолам постепенно падает.

В трахее, бронхах и бронхиолах перенос газов происходит исключительно путем конвекции. В респираторных бронхиолах и альвеолярных ходах, где воздух движется очень медленно, к этому процессу присоединяется диффузионный обмен, обусловленный градиентом парциальных давлений дыхательных газов:

молекулы О2 перемещаются в направлении альвеол, где Ро2 ниже, чем во вдыхаемом воздухе, а молекулы СО2 - в обратном направлении. Чем медленнее и глубже дыхание, тем интенсивнее идет внутрилегочная диффузия О2 и Co2

Происходящий в воздухоносных путях перенос газов направлен на поддержание постоянства парциального давления СО2 и СО2 в легочных альвеолах, где идет непрерывный обмен газов с кровью, протекающей через легочные капилляры.

Газовая смесь, заполняющая альвеолы, так называемый альвеолярный газ, служит для млекопитающих своего рода внутренней атмосферой.

Рис. 10.17

Направление потоков воздуха и диффузии кислорода (стрелки) в дыхательных отделах легких во время вдоха и выдоха

Рис. 10.18 Схема действия факторов, влияющих на газообмен в легких

Рис. 10.19 Схема ветвления воздухоносных путей

(слева) и кривая суммарной площади поперечного сечения воздухоносных путей на уровне каждого ветвления (справа)

Бр - бронхи; Бл - бронхиолы; КБл - конечные бронхиолы; ДБл - дыхательные бронхиолы; AX - альвеолярные ходы; А - альвеолы; Z - генерация дыхательных путей.

Таблица 10.1

Газовый состав дыхательной среды и крови у человека (средние величины в покое)

Среда

Кислород

Углекислый газ

парциальное давление, мм рт.ст.

содержание, об.%

парциальное давление, мм рт. ст.

об. %

Вдыхаемый воздух

159

20,9

0,2

0,03

Выдыхаемый воздух

126

16,6

28

3,7

103

14,5

40

55

Артериальная кровь

95

20.

40

50

Венозная кровь (смешанная)

40

15

46

54

Артерио-венозная разница

-55

-5

+6

+4

(Примечание. Альвеолярный газ считают полностью насыщенным водяным паром, парциальное давление которого здесь всегда равно 47 мм рт. ст.)

Постоянство состава альвеолярного газа (табл. 10.1) обеспечивается регуляцией дыхания (точнее, альвеолярной вентиляцией) и является необходимым условием нормального протекания газообмена. Воздух, заполняющий мертвое пространство, играет роль буфера, который сглаживает колебания состава альвеолярного газа в ходе дыхательного цикла. Кроме того, мертвое пространство участвует в кондиционирующей функции воздухоносных путей - увлажнении и обогреве вдыхаемого воздуха за счет интенсивного кровоснабжения и секреции слизистой оболочки носовых ходов, носоглотки, гортани, трахеи и бронхов.

Выдыхаемый воздух представляет собой смесь альвеолярного газа и воздуха мертвого пространства, поэтому его состав занимает промежуточное положение между составом вдыхаемого (атмосферного) воздуха и альвеолярного газа (табл. 10.1). В "чистом" виде альвеолярный газ выводится лишь с последней порцией выдоха.

При повышении в организме энерготрат (например, при мышечной деятельности) увеличиваются потребление О2 и продукция СО2; регуляторные механизмы повышают альвеолярную вентиляцию путем сооответствующего увеличения глубины и/или частоты дыхания - развивается гиперпноэ, при котором состав альвеолярного газа остается нормальным. Если же рост вентиляции превышает потребность организма в газообмене (гипервентиляция), вымывание СО2 из альвеол возмещается поступлением его из тканей, альвеолярное Рсо2 падает (гипокапния). Напротив, при недостаточной вентиляции альвеол (гиповентиляции) в них накапливается избыток СО2 (гиперкапния), а при резком отставании вентиляции от газообмена, кроме того, снижается Ро2 (гипоксия). Соответствующие сдвиги -Рсо2 и Po2 развиваются при этом и в артериальной крови.

10.2.4. Соотношение вентиляции и перфузии легких

Для нормального процесса обмена газов в легочных альвеолах необходимо, чтобы их вентиляция воздухом находилась в определенном соотношении с перфузией их капилляров кровью (рис. 10.20). Иными словами, минутному объему дыхания должен соответствовать минутный объем крови, протекающей через сосуды малого круга, а этот объем, естественно, равен объему крови, протекающей через большой круг. В обычных условиях вентиляционно-перфузионный коэффициент у человека составляет 0,8-0,9. Например, при альвеолярной вентиляции, равной 6 л/мин, минутный объем крови может составить около 7 л/мин.

В отдельных областях легких соотношение между вентиляцией и перфузией может быть неравномерным. Резкие изменения этих отношений могут вести к недостаточной артериализации крови, проходящей через капилляры альвеол.

Легочные сосуды относят к "емкостной системе". Их просвет в значительной степени зависит от внутригрудного и внутриальвеолярного давления. В малом круге давление крови низкое, что в нормальных условиях предотвращает выпотевание плазмы через альвеолокапиллярную мембрану и образование отека легких. Ширина сосудистого русла регулируется симпатической иннервацией. Имеются и местные механизмы, сопрягающие перфузию альвеол с их вентиляцией. Так, в тех альвеолах, которые не вентилируются или вентилируются воздухом с пониженным содержанием кислорода, капилляры спазмируются, предотвращая бесполезную перфузию.

Легочный кровоток (рис. 10.21) в целом зависит от величины сердечного выброса, поэтому в конечном счете он управляется общими регуляторными механизмами сердечно-сосудистой системы. Отсюда тесная взаимосвязь между регуляцией дыхания и кровообращения, которая особенно ярко проявляется при мышечной деятельности.

К этому следует добавить, что дыхательные колебания внутригрудного давления, действуя по принципу "двойного насоса", не только обеспечивают вентиляцию легких, но и помогают венозному возврату крови к сердцу. В свою очередь, пульсовые толчки давления в воздухоносных путях и альвеолах, вызванные сокращениями сердца, способствуют внутрилегочному смещению газов, создавая его кардиогенный компонент.

Рис.10.20 Вентиляционно-перфузионное соотношение (1 : 10) в легких человека (А) и жабрах форели (Б)

Рис. 10.21 Распределение кровотока в легких человека в вертикальном положении

В прямоугольниках схематично показано состояние сосудов, проходящих в межальвеолярных перегородках разных отделов легких. pa - альвеолярное давление; Ра - артериальное давление; Рв - венозное давление.

10.2.5. Паттерны дыхания

Необходимый для организма объем альвеолярной вентиляции может быть достигнут при разных паттернах дыхания. Так обозначают соотношение параметров внешнего дыхания: его длительности и дыхательного объема, т. е. частоты и глубины дыхания. Например, при объеме мертвого пространства 0,2 л альвеолярная вентиляция может осуществляться при частоте дыхания 10 цикл/мин и дыхательном объеме 0,8 л или при ином сочетании этих показателей.

Какие же факты определяют это соотношение? Чем больше дыхательный объем, тем большее усилие дыхательных мышц необходимо приложить для преодоления эластической тяги легких. В то же время чем чаще дыхание, тем большее сопротивление создается ускоренному воздушному потоку в дыхательных путях. Следовательно, глубокое (хотя и медленное) и частое (хотя и поверхностное) дыхание сопряжено с увеличением энерготрат на вентиляцию легких. Организм избирает такой паттерн дыхания, при котором требуемый уровень альвеолярной вентиляции достигается с наименьшей затратой энергии на работу дыхательных мышц. Таким образом, соотношение между частотой и глубиной дыхания в конечном счете зависит от биомеханических свойств респираторной системы- аэродинамического сопротивления воздухоносных путей и растяжимости легких.

Ритмичность дыхательных циклов относительна. Даже в условиях покоя низкоамплитудные дыхательные движения периодически сменяются движениями большой амплитуды, так называемыми вставочными вдохами, после которых наступает удлиненная пауза (рис. 10.22). Такие высокоамплитудные вдохи способствуют вентиляции альвеол застойных участков легких. Кроме того, структура дыхательного цикла у разных животных даже в нормальных условиях обитания неодинакова. Для мелких животных типичен двухфазный дыхательный цикл: вдох и выдох. У крупных он включает в себя вдох, выдох и паузу. Такой же цикл наблюдается у наркотизированных мелких животных.

При различных состояниях организма, фармакологических воздействиях или неадекватных окружающих условиях наблюдаются расстройства дыхания. Все формы нарушения нормального дыхания объединяются термином "диспноэ". Часто встречается так называемое периодическое дыхание Чейна-Стокса: дыхательные движения постепенно углубляются и учащаются, что приводит к развитию гипервентиляции и гипокапнии. В результате частота и глубина дыхания уменьшаются вплоть до апноэ. Затем концентрация углекислоты в крови увеличивается, что в свою очередь приводит к новому нарастанию частоты и глубины дыхания. Причиной возникновения дыхания Чейна-Стокса могут быть функциональные изменения возбудимости центрального дыхательного механизма, наступающие в результате гипоксии, либо органического поражения дыхательного центра. Дыхание Чейна-Стокса наблюдается иногда у детей младшего возраста, у практически здоровых людей во время сна, а также в горах, где снижение парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе приводит к гипервентиляции и снижению парциального напряжения кислорода и углекислоты в крови.

Рис.10.22 Паттерны дыхания

А - нормальное дыхание; Б - дыхание Чейна-Стокса; В - апнейстическое дыхание; Г - дыхание типа "гаспинг".

В некоторых случаях при повреждении головного мозга у млекопитающих дыхание становится таким же, как у животных, стоящих на более низких ступенях эволюции. При хронической гипоксии головного мозга или отделении перерезкой передней части моста среднего мозга дыхание напоминает "лягушачье" - после развития вдоха следует инспираторная задержка и короткий выдох (см. рис. 10.22). Такой тип дыхания называется апнейстическим. Он может быть вызван снижением тонического импульсного потока к нервным клеткам пневмотаксического центра, регулирующего соотношение фаз дыхательного цикла, или частичной блокадой сенсорной информации, поступающей по блуждающему нерву. Если устранены все влияния, исходящие из ростральных отделов центральной нервной системы, то дыхание приобретает судорожный характер - "гаспинг-дыхание" (от англ. gasp - задыхаться)с резким вдохом максимальной амплитуды, в котором принимают участие не только дыхательные мышцы, но и другая скелетная мускулатура. Выдох происходит активно. Дыхательные движения становятся редкими, с большими экспираторными паузами. "Гаспинг-дыхание" присуще черепахам и суркам во время спячки.

Особый характер дыхания отмечен при одышке, т. е. при нарушении частоты и глубины дыхательных движений, сопровождающихся субъективным ощущением удушья. Возрастание частоты дыхания - физиологическая реакция системы на снижение парциального давления кислорода или повышение парциального давления углекислоты в крови. Рост частоты дыхания сопровождается уменьшением дыхательного объема и эффективности альвеолярной вентиляции, в результате чего расстройство дыхания усугубляется. Различают две формы одышки: инспираторную и экспираторную. Первая характеризуется затрудненным вдохом, увеличением его длительности, повышением энергозатрат дыхательной мускулатуры. Она возникает при сужениях верхних дыхательных путей различного происхождения. При экспираторной одышке нарушается механизм выдоха, увеличивается его продолжительность. Она типична для больных с изменениями вязкоэластических свойств легких или ригидностью грудной клетки, при различных формах патологии сурфактантной системы легких, например, при бронхиальной астме.

Показатели дыхания человека приведены в табл. 10.2.

Таблица 10.2

Показатели дыхания человека

Легочные объемы, л

Общая емкость

6

Жизненная емкость

4,5

Функциональная остаточная емкость

2,4

Остаточный объем

1,2

Дыхательный объем

0,5

Объем мертвого пространства

0,15

Параметры вентиляции

Частота дыхания

14 мин-1

Минутный объем дыхания

7 л/мин

Альвеолярная вентиляция

5 л/мин

Вентиляция мертвого пространства

2 л/мин

Параметры газообмена

Потребление 02

280 мл/мин

Выделение СО2

230 мл/мин

Дыхательный коэффициент

0,82

Диффузионная способность легких для О2

30 мл мин-1 • мм рт. ст.-1(230 мл • мин-1 • кПа-1)

Время контакта

0,3с

Параметры механики дыхания

Внутриплевральное давление:

в конце выдоха

- 5 см вод. ст.

в конце вдоха

- 0,8 см вод. ст. (- 8 кПа)

Растяжимость легких

0,2 л/см вод ст. (2 л/кПа)

Растяжимость грудной клетки

0,2 л/см вод. ст. (2 л/кПа)

Растяжимость легких и грудной клетки

0,1 л/см вод. ст. (1 л/кПа)

Сопротивление дыханию

2 см вод. ст. • с • л-1 (0,2 кПа • с • л-1)

Функциональные пробы

Относительный объем форсированного выдоха

75%

Максимальный дебит воздуха

10л/с

Максимальная вентиляция легких

100 л/мин

Показателя перфузии

Альвеолярная вентиляция / перфузия

0,9

Шунтовый кровоток / общий кровоток

0,02

10.3. ТРАНСПОРТ ГАЗОВ МЕЖДУ ЛЕГКИМИ И ТКАНЯМИ

Общая схема системы транспорта газов у млекопитающих представляется состоящей из двух последовательно соединенных насосов и двух диффузионных барьеров; последние служат для обмена газами между окружающей средой и тканями (рис. 10.23).

Непрерывность измерения потребления кислорода и выделения углекислого газа в открытых системах основана на двух принципах: кратной порции и постоянного отсоса (рис. 10.24). Принцип кратной порции состоит в том, что испытуемый вдыхает свежий воздух через мундштук с двусторонним клапаном: нос при этом зажат зажимом. Количество выдыхаемого воздуха измеряют с помощью газометра (или пневмотахографа), который регулирует всасывающий насос таким образом, что небольшая порция выдыхаемого воздуха, по величине пропорциональная объемной скорости газового потока, отводится и собирается. Это устройство позволяет получать репрезентативные газовые пробы, содержащие пропорциональные количества всех компонентов выдыхаемого воздуха ("кратная порция"). Принцип постоянного отсоса несколько иной, и заключается он в следующем.

Рис. 10.23 Общая схема системы транспорта газов у млекопитающих, состоящая из двух последовательно соединенных насосов и из двух диффузных барьеров, предназначенных для обмена газами между окружающей средой и тканями

Рис. 10.24 Принципы, непрерывного измерения потребления кислорода и выделения углекислого газа в открытых системах А - принцип кратной порции; Б - принцип постоянного отсоса.

Испытуемый вдыхает и выдыхает газовую смесь через мундштук без клапанов (либо через маску или шлем), в то время как насос постоянно прогоняет к мундштуку поток свежего воздуха (в количестве большем, чем это требуется для дыхания). У ответвления, идущего к газовому анализатору, поток смешанного воздуха однороден, поскольку зависит только от интенсивности работы насоса, а не от минутного дыхательного объема. Когда быстро выдыхается большой объем воздуха, он может временно сохраняться в воздушном баллоне. Поскольку выдыхаемый воздух не выходит из системы через входное отверстие и работа насоса равномерна, непрерывно измеряемые изменения концентрации кислорода и углекислого газа у ответвления, идущего к газоанализатору, пропорциональны потреблению кислорода и выделению углекислого газа.

10.3.1. Диффузия кислорода и углекислого газа через аэрогематический барьер

Перенос О2 из альвеолярного газа в кровь и CO2 из крови в альвеолярный газ происходит исключительно путем диффузии. Ее движущей силой служат разности (градиенты) парциальных давлений (напряжений) O2 и СО2 по обе стороны аэрогематического барьера, образованного альвеолокапиллярной мембраной (см. табл. 10.1). Никакого механизма активного транспорта газов здесь нет.

Кислород и углекислый газ диффундируют в растворенном состоянии: все воздухоносные пути увлажнены слоем слизи. Важное значение для облегчения диффузии 02 имеет сурфактантная выстилка альвеол, так как кислород растворяется в фосфолипидах, входящих в состав сурфактантов, гораздо лучше, чем в воде.

В ходе диффузии через аэрогематический барьер молекулы растворенного газа должны преодолеть (рис. 10.25): слой сурфактанта, альвеолярный эпителий,

Рис. 10.25 Аэрогематический барьер

1 - альвеола, 2 - эпителий альвеолы, 3 - эндотелий капилляра, 4 - интерстициальное пространство, 5 - основная мембрана, 6 - эритроцит, 7 - капилляр.

Рис. 10.26 Увеличение напряжения кислорода в эритроцитах во время прохождения их через легочные капилляры

Вверху - поглощение кислорода эритроцитами, внизу - кривая зависимости напряжения кислорода в капилляре РО2 от времени диффузии t; РаО2 - парциальное давление в альвеолах; РвО2 - среднее напряжение кислорода в венозной крови; Рк О2- среднее для всего времени диффузии значение напряжения кислорода в капилляре; t - время диффузионного контакта.

две основные мембраны, эндотелий кровеносного капилляра. Ввиду того что в транспорте дыхательных газов существенную роль играют эритроциты, к этому списку добавляются слой плазмы и мембрана эритроцита.

Диффузионная способность легких для кислорода очень велика. Это обусловлено огромным числом (сотни миллионов) альвеол и большой их газообменной поверхностью (у человека она составляет около 100 м2), а также малой толщиной (порядка 1 мкм) альвеолокапиллярной мембраны. Диффузионная способность легких у человека равна примерно 25 мл О2/мин в расчете на 1 мм рт. ст. градиента парциальных давлений кислорода. При учете того, что градиент Ро2 между притекающей к легким венозной кровью и альвеолярным газом обычно превышает 50 мм рт. ст., этого оказывается вполне достаточно, чтобы за время прохождения через легочный капилляр (около 0,8 с) напряжение кислорода в ней успело уравновеситься с альвеолярным Ро2. Несколько более низкое (на 3-6 мм рт. ст.) артериальное Роз по сравнению с альвеолярным объясняется проникновением венозной крови в артериальную через невентилируемые альвеолы, а также артериовенозные шунты. Лишь при ускорении легочного кровотока, например при тяжелой мышечной работе, когда время прохождения крови через капилляры альвеол может сокращаться до 0,3 с, наблюдается недонасыщение крови кислородом в легких, что, однако, возмещается увеличением минутного объема крови (рис. 10.26).

Что касается диффузии СО2 из венозной крови в альвеолы, то даже сравнительно небольшого градиента Рсо2, (6-10 мм рт. ст.) здесь оказывается вполне достаточно, так как растворимость углекислого газа в 20-25 раз больше, чем у кислорода. Поэтому после прохождения крови через легочные капилляры Рсо2 в ней оказывается почти равным альвеолярному - обычно около 40 мм рт. ст.

10.3.2. Транспорт кислорода кровью

Лишь небольшая часть О2 (около 2%), переносимого кровью, растворена в плазме. Основная его часть транспортируется в форме непрочного соединения с гемоглобином, который у позвоночных содержится в эритроцитах. В молекулы этого дыхательного пигмента входят видоспецифичный белок - глобин и одинаково построенная у всех животных простетическая группа - гем, содержащая двухвалентное железо (рис. 10.27).

Присоединение кислорода к гемоглобину (оксигенация гемоглобина) происходит без изменения валентности железа, т. е. без переноса электронов, характеризующего истинное окисление. Тем не менее гемоглобин, связанный с кислородом, принято называть окисленным (правильнее - оксигемоглобин), а отдавший кислород - восстановленным (правильнее - дезоксигемоглобин).

1 г гемоглобина может связать 1,36 мл газообразного О2 (при нормальном атмосферном давлении). Учитывая, к примеру, что в крови человека содержится примерно 150 г/л гемоглобина, 100 мл крови могут переносить около 21 мл О2. Это так называемая кислородная емкость крови. Оксигенация гемоглобина (иначе говоря, процент, на который используется кислородная емкость крови) зависит от парциального давления 02 в среде, с которой контактирует кровь. Такая зависимость описывается кривой диссоциации оксигемоглобина (рис. 10.28). Сложная S-образная форма этой кривой объясняется кооперативным эффектом четырех полипептидных цепей гемоглобина, кислородсвязывающие свойства (сродство к О2) которых различны.

Благодаря такой особенности венозная кровь, проходя легочные капилляры (альвеолярное РO2 приходится на верхнюю часть кривой), оксигенируется почти полностью, а артериальная кровь в капиллярах тканей (где Ро2 соответствует крутой части кривой) эффективно отдает О2. Отдаче кислорода способствует

Рис. 10.27 Строение молекулы гема

Рис. 10.28 Кривые диссоциации оксигемоглобина

А - кривая насыщения гемоглобина кислородом при нормальном содержании СО2, Б - влияние изменения напряжения СО2 на кривую диссоциации оксигемоглобина; 1 - при низком содержании СО2, 2 - норма, 3 - при высоком содержании CО2.

содержащийся в эритроцитах 2,3-дифосфоглицерат, синтез которого усиливается при гипоксии и интенсификации окислительного процесса в тканях.

Кривая диссоциации оксигемоглобина сдвигается вправо при повышении температуры и при увеличении концентрации водородных ионов в среде которая, в свою очередь, зависит от Рсо2 (эффект Вериго-Бора). Поэтому создаются условия для более полной отдачи кислорода оксигемоглобином в тканях особенно там, где выше интенсивность метаболизма, например в работающих мышцах. Однако и в венозной крови большая или меньшая часть (от 40 до 70%) гемоглобина остается в оксигенированной форме. Так, у человека каждые 100 мл крови отдают тканям 5-6 мл О2 (так называемая артерио-венозная разница по кислороду) и, естественно, на ту же величину обогащаются кислородом в легких.

Сродство гемоглобина к кислороду измеряется величиной парциального давления кислорода, при которой гемоглобин насыщается на 50% (Р50) у человека оно составляет в норме 26,5 мм рт. ст. для артериальной крови. Параметр Р50 отражает способность дыхательного пигмента связывать кислород. Этот параметр выше для гемоглобина животных, обитающих в бедной кислородом среде, а также для так называемого фетального гемоглобина, который содержится в крови плода, получающего кислород из крови матери через плацентарный барьер.

10.3.3. Транспорт углекислого газа кровью

Хотя СО2 растворяется в жидкости гораздо лучше, чем O2, только 3-6% общего количества продуцируемого тканями C02 переносится плазмой крови в физически растворенном состоянии. Остальная часть вступает в химические связи (рис. 10.29).

Поступая в тканевые капилляры, С02 гидратируется, образуя нестойкую угольную кислоту:

СО2 + Н20 - Н2СОз -H+ + НСО3-

Направление этой обратимой реакции зависит от Рсо2 в среде. Она резко ускоряется под действием фермента карбоангидразы, находящегося в эритроцитах, куда СО2 быстро диффундирует из плазмы.

Около 4/5 углекислого газа транспортируется в виде гидрокарбоната НСО3-. Связыванию С02 способствует уменьшение кислотных свойств (протонного сродства) гемоглобина в момент отдачи им кислорода - дезоксигенирование (эффект Холдейна). При этом гемоглобин высвобождает связанный с ним ион калия, с которым, в свою очередь, реагирует угольная кислота:

К+ + HbO2 + H+ + НСОз- = HHb + КНСО3 + 02

Часть ионов НСО3- диффундирует в плазму, связывая там ионы натрия, в эритроцит же поступают в порядке сохранения ионного равновесия ионы хлора.

Кроме того, также за счет уменьшения протонного сродства дезоксигенированный гемоглобин легче образует карбаминовые соединения, связывая при этом еще около 15% переносимого кровью СО2.

В легочных капиллярах происходит высвобождение части CO2, который диффундирует в альвеолярный газ. Этому способствует более низкое чем в плазме, альвеолярное Pco2, а также усиление кислотных свойств гемоглобина при его оксигенации. В ходе дегидратации угольной кислоты в эритроцитах (эта реакция тоже резко ускоряется карбоангидразой) оксигемоглобин вытесняет ионы калия из гидрокарбоната. Ионы НСОз- поступают из плазмы в эритроцит,

Рис. 10.29 Реакции, происходящие в процессе обмена кислородом и углекислым газом между эритроцитом (I), плазмой (II) и легочной альвеолой (III) Объяснение см. в тексте.

а ионы Сl- - в обратном направлении. Таким путем каждые 100 мл крови отдают в легких 4-5 мл С02 - то же количество, какое кровь получает в тканях (артерио-венозная разница по СО2).

Гемоглобин (в силу амфотерных свойств) и гидрокарбонат являются важными буферными системами крови (см. разд. 7.5.2). Гидрокарбонатная система играет особую роль благодаря тому, что в ее состав входит летучая угольная кислота. Так, при поступлении в кровь кислых продуктов метаболизма гидрокарбонат как соль слабой (угольной) кислоты отдает свой анион, а избыток углекислого газа выводится легкими, что способствует нормализации рН крови. Поэтому гиповентиляция легких сопровождается наряду с гиперкапнией увеличением концентрации водородных ионов в крови - дыхательным (респираторным) ацидозом, а гипервентиляция наряду с гипокапнией - сдвигом активной реакции крови в щелочную сторону - дыхательным алкалозом.

10.3.4. Транспорт кислорода и углекислого газа в тканях

Кислород проникает из крови в клетки тканей путем диффузии, обусловленной разностью (градиентом) его парциальных давлений по обе стороны, так называемого гематопаренхиматозного барьера. Так, среднее Ро2 артериальной крови составляет около 100 мм рт. ст., а в клетках, где кислород непрерывно утилизируется (рис. 10.30), стремится к нулю. Было показано, что кислород диффундирует в ткани не только из капилляров, но частично из артериол. Гематопаренхиматозный барьер помимо эндотелия кровеносного сосуда и клеточной мембраны включает и разделяющую их межклеточную (тканевую) жидкость. Перемещение тканевой жидкости, конвективные токи в ней могут

Рис. 10.30 Химические реакции в эритроцитах при газообмене в тканях (слева) и легких (справа)

Рис. 10.31 "Каскады" парциальных давлений (напряжений) кислорода и углекислого газа в звеньях газотранспортной системы, организма

I - газовая среда, II - кровь; а - атмосфера, б - воздухоносные пути, в - легочные альвеолы, г - аэрогематический барьер, д - артерии, е - тканевые капилляры, ж - гематопаренхиматозный барьер, з - тканевая жидкость - клетки - митохондрии, и. - вены, к - легочные капилляры, л - артерии; цифрами обозначены капилляры почек (2), мышц (2), мозга (3) и сердца (4), где поглощение О2 и продукция СО2 идут наиболее интенсивно; сплошными линиями показан конвективный перенос газов, пунктирными - Диффузионный.

способствовать транспорту кислорода между сосудом и клетками. Ту же роль, как полагают, играют внутриклеточные цитоплазматические токи. И все же преобладающим механизмом переноса кислорода здесь служит диффузия, которая протекает тем интенсивнее, чем выше его потребление данной тканью.

Напряжение кислорода в тканях в среднем составляет 20-40 мм рт. ст. Однако эта величина в различных участках живой ткани отнюдь не одинакова. Наибольшее значение Ро2 фиксируется вблизи артериального конца кровеносного капилляра, наименьшая - в самой удаленной от капилляра точке ("мертвый угол").

Функция газотранспортной системы организма (рис. 10.31) в конечном счете направлена на поддержание парциального давления кислорода на клеточной мембране не ниже критического, т. е. минимального, необходимого для работы ферментов дыхательной цепи в митохондриях. Для клеток, интенсивно потребляющих кислород, критическое Ро2 составляет около 1 мм рт. ст. Отсюда следует, что доставка кислорода тканям должна гарантировать поддержание Роз не ниже критического в "мертвом углу". Это требование, как правило, выполняется.

Вместе с тем следует иметь в виду, что напряжение О2 в тканях зависит не только от снабжения кислородом, но и от его потребления клетками. Наиболее чувствительны к недостатку кислорода клетки мозга, где окислительные процессы очень интенсивны. Именно поэтому мероприятия по реанимации человека (в том числе включение искусственной, аппаратурной вентиляции легких а в качестве первой помощи - искусственное дыхание способом "рот в рот") приносят успех только в том случае, если они начаты не более чем через 4-5 мин после остановки дыхания; позже гибнут нейроны, прежде всего корковые. По той же причине погибают участки сердечной мышцы, лишившиеся доставки кислорода при инфаркте миокарда, т. е. при стойком нарушении кровоснабжения части сердечной мышцы.

В отличие от нервных клеток и клеток сердечной мышцы, скелетные мышцы относительно устойчивы к кратковременному прекращению кислородного снабжения. Они используют при этом в качестве источника энергии анаэробный гликолиз. Кроме того, мышцы (особенно "красные") более выносливы к длительной работе, располагают незначительным резервом кислорода, запасенного в миоглобине. Миоглобин представляет собой дыхательный пигмент, подобный гемоглобину. Однако его сродство с кислородом значительно выше (Р50 = 3-4 мм рт. ст.), поэтому он оксигенируется при относительно невысоком Ро2, зато отдает кислород при очень низком его напряжении в тканях.

Перенос CO2 из клеток тканей в кровь тоже происходит главным образом путем диффузии, т. е. в силу разности напряжений СО2 по обе стороны гемато-паренхиматозного барьера. Среднее артериальное значение Рсо2 в среднем составляет 40 мм рт. ст., а в клетках может достигать 60 мм рт. ст. Локальное парциальное давление углекислого газа и, следовательно, скорости его диффузионного транспорта в значительной мере определяются продукцией СО2 (т. е. интенсивностью окислительных процессов) в данном органе.

По той же причине Рсо2 и Ро2 в различных венах не одинаковы. Так, в крови, оттекающей от работающей мышцы, напряжение 02 гораздо ниже, а напряжение СО2 гораздо выше, чем, например, в крови, оттекающей от соединительной ткани. Поэтому для определения артериовенозной разницы, характеризующей суммарный обмен газов в организме, исследуют их содержание наряду с артериальной кровью (ее газовый состав практически одинаков в любой артерии) в смешанной венозной крови правого предсердия.

Рассматривая теперь все звенья газотранспортной системы в их совокупности (см. рис. 10.31), можно увидеть, что парциальные давления (напряжения) дыхательных газов образуют своего рода каскады, по которым поток 02 движется из атмосферы к тканям, а поток CO2 - в обратном направлении. На пути этих каскадов чередуются участки конвективного и диффузионного переноса.

10.4. МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ ДЫХАНИЯ

Координированные сокращения дыхательных мышц обеспечиваются ритмической активностью нейронов дыхательного центра. Такие нейроны сгруппированы в целом ряде структур мозгового ствола (см. разд. 3.4.2), поэтому в настоящее время термин дыхательный центр заменяют выражением центральный дыхательный механизм. Неотъемлемым звеном аппарата регуляции дыхания являются также хеморецепторные и механорецепторные системы, обеспечивающие нормальную работу центрального дыхательного механизма в соответствии с потребностями организма в обмене газов.

10.4.1. Центральный дыхательный механизм

Понятие о дыхательном центре появилось еще в XVIII в., когда было обнаружено прекращение дыхания у животных при разрушении ограниченной области продолговатого мозга. Однако современное представление о структуре и функции центрального дыхательного механизма сложилось лишь в последние десятилетия в результате использования электрофизиологических методов исследования, позволивших выявить определенные группы так называемых дыхательных нейронов.

К дыхательным нейронам относят нервные клетки, импульсная активность которых меняется в соответствии с фазами дыхательного цикла. Различают инспираторные нейроны, которые разряжаются в фазу вдоха, экспираторные, активные во время выдоха (рис. 10.32), и целый ряд нейронных популяций,

Рис. 10.32 Паттерны импульсной активности инспираторного (А) и экспираторного (Б) нейронов В - спирограмма; / - вдох, 77 - выдох.

Рис. 10.33 Расположение инспираторных (И) и экспираторных (Э) нейронов в продолговатом. мозгу кошки

Слева - дорсальная поверхность; справа - два поперечных среза {1, 2), на которых изображены области сосредоточения дыхательных нейронов, положение ядра одиночного пути (ЯОП) и двойного ядра (ДЯ). IX и Х - корешки языкоглоточного и блуждающего нервов; С1 - корешок первого шейного спинномозгового нерва.

активность которых или занимает часть определенной фазы дыхательного цикла (ранние, поздние), или включается в моменты перехода инспираторной фазы в экспираторную либо экспираторной в инспираторную.

Центральный дыхательный механизм входит в состав ретикулярной формации ствола мозга. Подавляющая масса дыхательных нейронов сосредоточена в двух группах ядер: дорсальной и вентральной (рис. 10.33). Большая часть нейронов дорсальной группы - инспираторные, бульбоспинальные. Их аксоны направляются в шейные сегменты спинного мозга и образуют синапсы с мотонейронами ядра диафрагмального нерва. Эти нейроны непосредственно управляют сокращением диафрагмы.

Ядра вентральной дыхательной группы содержат инспираторные и экспираторные нейроны. Последние связаны преимущественно с мотонейронами межреберных и брюшных мышц, расположенными в грудных и поясничных сегментах спинного мозга, частично с мотонейронами диафрагмы, обеспечивая дыхательную активность указанных мышц.

Активность центрального дыхательного механизма, в свою очередь, управляется стимулами, исходящими от хеморецепторов и механорецепторов дыхательной системы (о них речь пойдет ниже). Главная особенность работы этого механизма - линейное нарастание активности инспираторных нейронов на протяжении вдоха и резкий обрыв инспираторной активности, знаменующий окончание вдоха и переход к выдоху. Полагают, что этот обрыв осуществляется благодаря тормозному влиянию со стороны особой группы нейронов, возбуждение которых происходит одновременно с инспираторными и усиливается под влиянием афферентной импульсации от рецепторов растяжения легких.

Чем сильнее импульсация от хеморецепторов, тем круче нарастает инспираторная активность и быстрее развивается вдох, но так как при этом резче растягиваются легкие, то вдох быстрее сменяется выдохом. В итоге увеличивается и глубина, и частота дыхания.

Обнаружено, что полному расслаблению инспираторных мышц предшествует плавное снижение их активности, обусловленное, как полагают, включением особой группы нейронов, которые оказывают тормозящее ("запирающее") влияние на инспираторную и экспираторную активность. Эту фазу назвали постинспираторной. По-видимому, постинспираторная фаза обеспечивает интервалы, необходимые для опорожнения легких после очередного вдоха. Таким образом, центральный паттерн дыхания включает три фазы: инспираторную, постинспираторную и экспираторную.

Нейроны, связанные с регуляцией дыхания, имеются и в мосту. Здесь выделяют так называемый пневмотаксический центр, который участвует в переключении фаз дыхательного цикла; при разрушении этого центра вдохи становятся затянутыми, необычно глубокими.

Центральный дыхательный механизм продолговатого мозга обладает автоматизмом, т. е. постоянной ритмической активностью. Однако это его свойство у высших позвоночных полностью отлично от автоматии, свойственной, например, узлам проводящей системы сердца, возбуждение которых происходит в силу их внутренних свойств. Дыхательные нейроны функционируют нормально лишь при двух условиях. Первым условием является сохранность связей между их различными группами (хотя пока не установлено, какие именно нейроны являются водителями ритма, пейсмекерами, и существуют ли среди них такие пейсмекеры вообще), вторым условием - наличие афферентной стимуляции. В этом плане важнейшую роль играет импульсация, поступающая от хеморецепторов.

10.4.2. Хеморецепторы и хеморецепторные стимулы дыхания

Основной регулятор активности центрального дыхательного механизма - афферентная сигнализация о газовом составе внутренней среды организма. Эта сигнализация исходит от центральных (бульбарных) и периферических (артериальных) хеморецепторов (рис. 10.34).

Бульбарные хемочувствительные зоны. На вентролатеральной поверхности продолговатого мозга расположены нейрональные структуры, чувствительные к напряжению С02 и концентрации ионов H+ во внеклеточной жидкости мозга. Локальное воздействие этих факторов вызывает увеличение дыхательного объема и легочной вентиляции. Напротив, снижение Pco2 и подщелачивание внеклеточной жидкости мозга, а также блокирование холодом или разрушение этих структур ведет к полному или частичному исчезновению реакции дыхания на избыток С02 (гиперкапнию) и ацидоз, а также к резкому угнетению инспираторной активности вплоть до остановки дыхания. Так как морфофункциональная организация данных образований и их связи с центральным дыхательным механизмом изучены недостаточно, существует сомнение в том, являются ли они рецепторами в обычном смысле слова или служат своего рода трансформаторами афферентных стимулов дыхания. Поэтому термин бульбарные хеморецепторы следует понимать пока как условный.

Артериальные хеморецепторы. В области бифуркации сонной артерии расположен так называемый сонный, или каротидный, гломус (клубок, тельце). Он обильно снабжается кровью и содержит сложно устроенный рецепторный аппарат, реагирующий на изменения газового состава артериальной крови: повышение напряжения СО2 (гиперкапнию), увеличение концентрации ионов Н+ (ацидоз) и меньше на снижение напряжения О2 (гипоксемию).

Все три фактора, вызывая возбуждение каротидных хеморецепторов, усиливают активность центрального дыхательного механизма. Особенно важна чувствительность этих рецепторов к гипоксемии, ибо они являются единственными в организме сигнализаторами о недостатке кислорода. Афферентные пути от каротидного гломуса идут через синусную ветвь (языкоглоточного нерва) и достигают дорсальной дыхательной группы нейронов продолговатого мозга.

Аналогичные хеморецепторы имеются в очень мелких гломусных тельцах находящихся в различных участках стенки дуги аорты, а также у некоторых животных (крысы) в брюшной полости (рис. 10.35). Значение их в регуляции дыхания, однако, невелико; по-видимому, они играют роль резервных механизмов.

Хеморецепторные стимулы дыхания. Установлено, что нейроны центрального дыхательного механизма прямой чувствительностью к химизму среды не обладают, а их активность определяется главным образом импульсами от хеморецепторов, прежде всего бульбарных. Главным стимулом, управляющим дыханием, служит гиперкапнический:

чем выше напряжение СО2 (а с этим параметром связана и концентрация ионов Н+) в артериальной крови и внеклеточной жидкости мозга, тем сильнее

Рис. 10.34 Важнейшие звенья системы, регуляции дыхания

1 - центральный дыхательный механизм (показана проекция нейронов вентральной дыхательной группы на нижнюю поверхность продолговатого мозга), 2 - артериальные хеморецепторы (каротидный гломус), 3- бульбарные хемочувствительные зоны, 4 - легочные механорецепторы, 5 - легкие, 6 - диафрагма, 7 - межреберные мышцы.

Рис. 10.35 Расположение хеморецепторов каротидных и аортальных е телец, барорецепторов каротидных синусов и дуги аорты собаки (А), а также расположение участка каротидного тельца крысы (Б)

Рис. 10.36 Зависимость легочной вентиляции от хеморецепторных стимулов:

гиперкапнического (А) и гипоксического в условиях стабилизации гиперкапнического стимула (Б)

возбуждение бульбарных хемочувствительных структур и артериальных хеморецепторов и тем выше вентиляция. Так, если человек (или животное) дышит из того же мешка, куда выдыхает (возвратное дыхание), то по мере роста Рсо2 в дыхательной среде увеличивается легочная вентиляция (рис. 10.36). Напротив, если усиленно провентилировать легкие животного, резко снизив таким образом артериальное Рсо2 т. е. вызвав гипокапнию, дыхательные движения прекращаются, пока в крови не восстановится нормальный уровень напряжения С02. У бодрствующего человека такое постгипервентиляционное апноэ обычно не наступает (объяснение этому факту будет дано ниже).

Меньшее значение в регуляции дыхания имеет гипоксический стимул. Его выключение с помощью дыхания кислородом либо денервации каротидных клубочков лишь немного (и то не всегда) снижает легочную вентиляцию. Во время дыхания газовыми смесями с пониженным содержанием О2 благодаря росту активности артериальных хеморецепторов вентиляция нарастает, однако зависимость ее от Ро2 нелинейна (рис. 10.36). Эта особенность связана с тем, что в соответствии с формой кривой диссоциации оксигемоглобина крутое падение содержания О2 в крови наступает лишь тогда, когда Роз опускается ниже 80-70 мм рт. ст. - в этот момент и происходит значительный подъем легочной вентиляции. Особенно сильным стимулом для центрального дыхательного механизма является сочетание гиперкапнии с гипоксемией (и связанным с ней ацидозом), и это вполне естественно: интенсификация окислительных процессов в организме сопряжена не только с увеличением поглощения из крови 02, но и с обогащением ее С02 и кислыми продуктами обмена. Эти сдвиги требуют увеличения объема вентиляции легких.

Функция центральных и артериальных хеморецепторов заключается в поддержании газового и кислотно-основного гомеостаза организма и прежде всего наиболее требовательной к постоянству химизма среды ткани мозга. Недаром рецепторы каротидного тела контролируют химизм крови, снабжающей головной мозг, а бульбарные хемочувствительные структуры - химизм внеклеточной жидкости самого мозга.

10.4.3. Механорецепторы дыхательной системы

Механорецепторы дыхательной системы выполняют двоякую роль: во-первых, они участвуют в регуляции параметров дыхательного цикла - глубины вдоха и его длительности; во-вторых, эти рецепторы служат источником ряда рефлексов защитного характера - кашля, например.

Рецепторы растяжения легких. Эти рецепторы (см. рис. 10.34) локализованы главным образом в гладкомышечном слое стенок трахеобронхиального дерева и чувствительны к трансмуральному давлению, т. е. к разности давлений внутри и снаружи просвета воздухоносных путей. Тем самым эти Механорецепторы оказываются источником сигнализации о растяжении дыхательных путей, а следовательно, и легких. Афферентные волокна рассматриваемых рецепторов идут в составе блуждающего нерва, центральный путь их импульсации прослежен до области дорсальной дыхательной группы ядер продолговатого мозга.

Возбуждение рецепторов растяжения легких, нарастая в ходе вдоха вызывает в конечном счете торможение активности инспираторных нейронов центрального дыхательного механизма, способствуя прерыванию вдоха и смене его выдохом (рефлексы Геринга-Брейера). Так как активность одной части этих рецепторов ("статических") зависит от достигнутого легочного объема а другой части ("динамических") - от скорости вдоха, то прекращение вдоха наступает тем скорее, чем глубже данный вдох и чем быстрее он развивается. Так регулируется паттерн дыхания - соотношение между глубиной и частотой дыхания.

Роль рецепторов растяжения легких наглядно выявляется при их выключении с помощью блокады или перерезки блуждающих нервов (ваготомии): вдохи становятся углубленными, затянутыми, как это происходит при разрушении пневмотаксического центра. Если же разрушение названного центра сочетать с ваготомией, наступает апнейзис: дыхательные движения останавливаются на вдохе, который лишь изредка прерывается короткими экспирациями.

Ирритантные рецепторы. Ирритантные (от лат. irritatio - раздражать) рецепторы расположены в эпителиальном и субэпителиальном слоях стенок воздухоносных путей. Их афферентные волокна тоже идут в стволе блуждающего нерва. Эти рецепторы реагируют на резкие изменения объема легких, в частности на их спадение, которое вызывает рост инспираторной активности центрального механизма, прерывая таким путем выдох. Чувствительны они и к частицам пыли, скоплению слизи некоторым химическим раздражителям. По-видимому, возбуждение ирритантных рецепторов характерно для многих патологических изменений в легких и воздухоносных путях.

Юкстаальвеолярные (юкстакапиллярные), или J-рецепторы. Эти рецепторы чувствительны к ряду биологически активных веществ (никотину, гистамину, простагландинам и др.), проникающим либо из воздухоносных путей, либо с кровью малого круга. Они локализованы в интерстиции легких вблизи капилляров альвеол и дают начало немиелинизированным С-волокнам, проходящим в составе блуждающего нерва. Стимуляция ирритантных и J-рецепторов проявляется в частом, поверхностном дыхании (тахипноэ), которое наблюдается, например, при ограничении (рестрикции) газообменной поверхности легких.

Рецепторы верхних дыхательных путей. Они служат главным образом источником рефлексов защитного характера, возникающих при скоплении в воздухоносных путях слизи, попадании инородных тел и химических раздражителей. Эти реакции опосредованы афферентными волокнами целого ряда черепных нервов: верхнего гортанного (ветвь блуждающего нерва), языкоглоточного, тройничного и др.

К рефлексам защитного характера относится прежде всего кашель. Механизм кашля состоит в сильном вслед за глубоким вдохом сокращении мышц-экспираторов (главным образом брюшных) при закрытой голосовой щели, что создает компрессию воздуха в просвете трахеобронхиального дерева, после чего голосовая щель открывается и происходит резкий выдох. Чихание вызывается обычно изолированным раздражением рецепторов носа и отличается от кашля тем, что голосовая щель с самого начала остается открытой.

Глотание сопровождается рефлекторным закрытием голосовой щели и торможением дыхательной активности диафрагмы. Остановка дыхательных движений (апноэ) может происходить и за счет рефлексов, возникающих при попадании в воздухоносные пути воды (или при погружении головы в воду), воздействии струи воздуха, особенно холодного, и т. п.

Особые дыхательные движения в форме принюхивания, в которых участвуют и крылья носа, наблюдаются под влиянием специфических пахучих веществ, в том числе феромонов.

Помимо защитных рефлексов рецепторы верхних воздухоносных путей участвуют в регуляции паттерна дыхания.

Проприоцепторы дыхательных мышц. Эти рецепторы контролируют соответствие сокращений "заданию", поступающему по эфферентным путям от центрального дыхательного механизма. В этом отношении важную роль выполняют мышечные веретена межреберной и брюшной мускулатуры. Если укорочение мышцы оказывается меньше заданного (например, вследствие повышенного сопротивления дыханию), импульсация от интрафузальных волокон усиливается и через посредство ?-петли повышается активность соответствующих спинальных ?-мотонейронов (рис. 10.37). Сокращение мышцы усиливается, что способствует преодолению возникшего препятствия. Правда, основной инспиратор - диафрагма - бедна мышечными веретенами, здесь преобладают

Рис. 10.37 Связи мышечных веретен с сегментарными мотонейронами спинного мозга

Рассогласование между укорочением интрафузальных (1) и экстрафузальных (3) волокон мышцы, иннервируемых соответственно альфа (?) и гамма (?) -мотонейронами, вызывает стимуляцию аннулоспирального окончания (2), что ведет к дополнительной активации альфа-мотонейрона. Таким способом, в частности, происходит компенсация увеличенного сопротивления дыханию путем усиления сокращения межреберных мышц и их укорочения до величины, заданной дыхательным центром через посредство прямых (5) и непрямых (4} эфферентных путей.

Рис. 10.38 Схема функционального модуля респираторной части метасимпатической нервной системы

СВ и ПВ - симпатические и парасимпатические нервные волокна;

ГР - генератор ритма; HI, H2 - нейроны генератора ритма; НЗ - интернейрон; В - возбуждающий эффекторный нейрон; Т - тормозный эффекторный нейрон; Cl, C2 - сенсорные клетки; РР - рецепторы растяжения; ИР - ирритантные рецепторы; ГМ - гладкомышечные клетки; ЭП - эпителий; "+" - возбуждающая передача; "-" - тормозная передача; х - холинергические, а - адренергические, п - пептидергические, с - серотонергические синапсы.

сухожильные рецепторы Гольджи. Функцию афферентной системы, контролирующей ее сокращения по принципу обратной связи, выполняют описанные выше механорецепторы легких и воздухоносных путей.

Нейроны респираторной части метасимпатической нервной системы Согласно представлениям, выдвинутым в начале XX столетия Дж. Ленгли клетки интрамуральных ганглиев рассматривались как периферические (постганглионарные) нейроны парасимпатической нервной системы, через которые осуществляется холинергическая иннервация гладкой мышцы. По существующим современным взглядам, основанным на прямых электрофизиологических показателях функции этих клеток, совокупности нейронов интрамуральных ганглиев представляют собой низшие рефлекторные центры, способные к самостоятельной интегративной деятельности.

Функциональная структура этих центров представляется следующим образом (рис. 10.38). Составляющие центр нейроны объединены в функциональные модули, включающие в себя четыре основные группы клеток: формирующие ритмическую активность (генератор ритма), эффекторные возбуждающие и тормозящие мышцу и другие функции нижних дыхательных путей, а также сенсорные. В состав каждой из этих групп может входить несколько клеток. Совокупность таких функциональных модулей, объединенных возбуждающими и тормозными связями, в целом образует периферический нервный центр, управляющий, например, гладкомышечной стенкой всех нижних дыхательных путей. В сфере управления функционального метасимпатического модуля находится не только механика гладкой мышцы, но и функции секретирующего и всасывающего эпителия, местного капиллярного кровотока, местных эндокринных элементов и иммунных структур.

10.4.4. Роль надмостовых структур

Центральный дыхательный механизм мозгового ствола и его афферентные системы обеспечивают поддержание легочной вентиляции, адекватной уровню газообмена в тканях организма, т. е. выполняют гомеостатическую функцию. Вместе с тем дыхательные мышцы (за исключением диафрагмы) участвуют в локомоторных актах, поддержании позы, голосообразовании. Поэтому нейрональные структуры спинного и продолговатого мозга, управляющие респираторной мускулатурой, находятся под контролем вышележащих центров надмостового (супрапонтинного) уровня - мозжечка, среднего и промежуточного мозга, больших полушарий.

Важное значение имеет влияние этих центров в регуляции дыхания, связанной с двигательной активностью организма. Так, собаки с удаленными полушариями мозга почти нормально дышат в покое, но при ходьбе их дыхание нарушается. Особую роль играет кортикальная регуляция дыхания у человека. Это связано прежде всего с участием дыхательного аппарата в речевой функции. Известно, что человек может управлять дыханием произвольно. Это позволяет ему менять частоту и глубину дыхания и даже задерживать его. Однако длительность произвольного апноэ ограничена: как только напряжение накапливающегося в крови CO2 достигает определенного уровня, сильное возбуждение хеморецепторов (императивный стимул) выводит дыхание из-под произвольного контроля и дыхательные движения возобновляются.

Таким образом, центральный дыхательный механизм жестко ограничивает вмешательство в регуляцию дыхания со стороны супрапонтинных структур, охраняя жизненно важную гомеостатическую, газообменную функцию дыхательной системы.

Однако у бодрствующего человека после произвольной гипервентиляции легких полной остановки дыхания обычно не происходит, хотя в этих условиях практически выключается хеморецепторная стимуляция:

сказывается модулирующее влияние коры мозга, которое предотвращает наступление апноэ в случае неожиданного прекращения адекватной стимуляции дыхательного центра.

Участие высших отделов ЦНС в регуляции дыхания человека проявляется в неприятных ощущениях одышки (диспноэ), которые возникают у него при непомерных функциональных нагрузках на кардио-респираторную систему, например при тяжелой мышечной работе, особенно при сочетании с увеличенным сопротивлением дыханию. В условиях патологии одышка служит одним из признаков дыхательной недостаточности. Общая схема механизмов, участвующих в регуляции дыхания, представлена на рис. 10.39.

Рис. 10.39 Механизмы, участвующие в регуляции содержания дыхательных газов в крови

10.5. ДЫХАНИЕ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СОСТОЯНИЯХ И УСЛОВИЯХ ОБИТАНИЯ ОРГАНИЗМА

Функция дыхания отличается большой подвижностью. Она быстро и точно адаптируется к меняющимся энерготратам организма, обусловленным прежде всего его двигательной активностью. Индивидуальные особенности дыхания зависят от возраста, функционального состояния, образа жизни, ряда факторов среды.

10.5.1. Дыхание в онтогенезе

В период внутриутробной жизни артериализация крови плода осуществляется через плаценту, но первые дыхательные движения возникают уже на определенной стадии внутриутробного развития (у плода человека - со 2-3-го мес), хотя воздухоносные пути эмбриона еще заполнены жидкостью, а легкие находятся в спавшемся состоянии. Постепенно эти движения становятся все более регулярными, но незадолго до родов прекращаются.

После рождения первый вдох (первый крик) происходит в момент пережатия пуповины - очевидно, вследствие резкой стимуляции хеморецепторов благодаря быстрому накоплению в крови CO2 и убыли О2. Большое значение при этом имеют тактильные и температурные раздражители, повышающие активность ЦНС, в том числе активность центрального дыхательного механизма. Вначале дыхание новорожденного носит характер судорожных вдохов: грудная клетка и легкие принимают расправленное состояние, в плевральной полости образуется отрицательное давление, из воздухоносных путей удаляется жидкость. Затем устанавливаются ритмичные дыхательные движения, нормализуются газовый состав и кислотно-основное состояние крови.

10.5.2. Влияние уровня бодрствования

Ядра, входящие в состав центрального дыхательного механизма, располагаются в структурах ретикулярной системы мозга, поэтому активность дыхательного центра тесно связана с так называемым уровнем бодрствования, т. е. с общим функциональным состоянием ЦНС. Отсюда - подверженность дыхания влияниям эмоционального, стрессорного характера.

По той же причине во время сна наступает некоторое снижение легочной вентиляции, которое, видимо, обусловлено ослаблением возбудимости центральных хемочувствительных структур. Незрелость этих структур у новорожденных может проявляться в остановке дыхания во сне (апноэ), даже необратимой. Сонное апноэ наблюдается и у пожилых людей, причем оно может сопровождаться спадением (обструкцией) верхних дыхательных путей из-за нарушения регуляции их мускулатуры, что проявляется в храпении.

Нередко наблюдается так называемое периодическое дыхание, характерное для всех случаев ослабленной возбудимости бульбарных хеморецепторов и самого дыхательного центра: дыхательные движения время от времени ослабевают вплоть до полной их остановки, затем (в основном в связи с накоплением в крови СО2 и усилением хеморецепторной стимуляции) усиливаются, после чего (по мере вымывания СО2 через легкие) вновь затухают.

Угнетающее влияние на активность дыхательного центра оказывает наркоз, например введение морфина. Подобным же действием обладают эндогенные опиоиды - энкефалины, эндорфины. По-видимому, это связано с участием нейропептидов в регуляции дыхания. Действительно, такие агенты, как тиреолиберин (тиреотропин-рилизинг-гормон) и субстанция Р, напротив, повышают активность дыхательных нейронов.

10.5.3. Эмоциональные и стрессорные факторы

О роли супрапонтинных структур и, в частности, коры мозга в ответах дыхания на влияния, исходящие из внутренней и внешней среды, уже говорилось. К этому следует добавить, что непосредственное участие в реакциях, связанных чаще всего с повышением "уровня бодрствования", принимают нейрональные структуры ретикулярной формации ствола мозга и гормональная система. Дыхательная активность тормозится при "затаивании", боли и, напротив, повышается в связи с предстоящей мышечной деятельностью.

Дыхательные реакции в ответ на эмоциональные факторы особенно ярко выражены у человека. Они носят разнообразный характер. Для интеллектуально-эмоционального напряжения наиболее характерно тахипноэ - частое но поверхностное дыхание. В стрессорных состояниях подобного рода реакции могут перерастать в гипервентиляцию легких, которая иногда приобретает характер своеобразного "дыхательного невроза" (гипервентиляционный синдром). В свою очередь, гипервентиляция сопровождается гипокапнией, респираторным алкалозом и может повлечь за собой нарушение центрального кровообращения (вплоть до потери сознания) и другие неблагоприятные реакции, осложняющие стрессорное состояние.

10.5.4. Мышечная деятельность

Мышечная деятельность служит наиболее сильным естественным стимулом дыхания. Как только включается мышечная нагрузка (рис. 10.40), легочная вентиляция возрастает за счет углубления и учащения дыхания - сначала скачкообразно, затем более плавно. Этот быстрый компонент дыхательной реакции на работу объясняется главным образом нейрогенными факторами.

Это прежде всего исходящие из сенсомоторной коры команды к работающим мышцам, иррадиирующие, как полагают, и на дыхательный центр. Известно, что уже команда "Приготовиться!" вызывает у спортсмена подъем вентиляции. Кроме того, дыхание стимулируется афферентной импульсацией, поступающей в ЦНС из проприоцепторов работающих мышц: у человека и у животных пассивные, выполняемые экспериментатором движения конечностей либо стимуляция мышц щипанием или вибрацией сопровождаются скачком вентиляции. Предполагают, что в стимуляции дыхания здесь участвует и выброс в кровь катехоламинов, сопутствующий повышению активности симпатической нервной системы.

Через 3-4 мин работы с умеренной нагрузкой наступает устойчивое состояние, при котором уровень легочной вентиляции достигает плато. Этот уровень, как правило, соответствует потреблению кислорода (рис. 10.41), а следовательно, энерготратам организма при данной нагрузке.

Механизмы точного сопряжения уровней вентиляции и газообмена во время работы сложны и еще не вполне изучены. Во всяком случае, кроме упомянутых нейрогенных, особенно кортикальных, влияний большое значение имеет обратная связь через хеморецепторы.

Так, если вентиляция отстает от уровня газообмена, в крови появляется избыток СО2 и других кислых продуктов метаболизма работающих мышц и одновременно падает напряжение 02. Усиленная импульсация от хеморецепторов дополнительно стимулирует активность центрального механизма, в результате чего наступает компенсаторный рост вентиляции. Тем самым обеспечивается сохранение более или менее нормального газового состава и кислотно-основного состояния крови во время работы (рис. 10.42).

При тяжелой нагрузке (свыше так называемого анаэробного порога) за счет отставания кислородного снабжения мышц кровь наводняется большим количеством продуктов анаэробного гликолиза (главным образом лактатом), которые

Рис. 10.40 Легочная вентиляция при выполнении мышечной работы циклического характера

I - покой; II - при включении нагрузки вентиляция круто, а затем более полого нарастает, достигая плато (устойчивое состояние). По окончании работы (III) наблюдается сначала быстрое, а затем медленное снижение вентиляции;

темным цветом показано образование кислородного долга в начале работы и его возмещение после ее прекращения.

Рис. 10.41 Зависимость легочной вентиляции от потребления кислорода при устойчивой мышечной работе

Вентиляция нарастает линейно с увеличением потребления О2, начиная от точки покоя (1) до достижения порога анаэробного обмена (2). Здесь начинается значительное накопление кислых продуктов мышечного метаболизма, стимулирующих хеморецепторы, в результате чего рост вентиляции приобретает нелинейный характер.

Рис. 10.42 Регуляция дыхания при мышечной работе. Сигнализация о начале работы

(1) вызывает появление в коре мозга двигательной доминанты

(2), управляющей сокращениями мышц (3) и иррадиирующей на центральный дыхательный механизм (4), активации которого способствует также импульсация из рецепторов работающих мышц (5). Усиление работы дыхательной мускулатуры (6) и рост вентиляции легких (7) компенсируют возросшее потребление мышцами О2; и выделение СО2 (8), обеспечивая сохранение газового состава и кислотно-основного состояния артериальной крови (9). Если эта компенсация оказывается недостаточной и происходит сдвиг химизма крови, то усиленная импульсация из хеморецепторов (10) дополнительно активирует дыхательный центр, вызывая еще больший рост вентиляции.

стимулируют хеморецепторы, вызывая рост вентиляции, опережающий потребление О2 и продукцию С02 (см. рис. 10.41); наряду с метаболическим ацидозом при этом создается гипокапния - развивается дыхательный алкалоз.

Очень тяжелая работа может потребовать столь интенсивной доставки кислорода, которую не в состоянии обеспечить газотранспортная система организма. Такая работа (например, спринтерский бег) может продолжаться лишь короткое время (несколько секунд) за счет использования анаэробных источников энергии и кислорода, запасенного в миоглобине. Максимальное потребление кислорода (так называемая аэробная производительность) у человека составляет обычно 2-3 л/мин. При этом максимальный объем вентиляции во время интенсивной работы может достигать 100-120 л/мин, т. е. в 10-15 раз превышать уровень вентиляции в покое. Более высокий минутный объем дыхания был бы энергетически невыгоден, так как весь дополнительно поглощаемый в легких кислород уходил бы на обеспечение колоссально усиленной работы дыхательных мышц.

После окончания работы легочная вентиляция круто падает благодаря выключению нейрогенных стимулов. Однако ее уровень в течение более или менее продолжительного (в зависимости от тяжести предшествовавшей работы) восстановительного периода остается повышенным. В этот период хеморецепторы стимулируются циркулирующими в крови недоокисленными продуктами обмена. Это молочная и другие органические кислоты. Происходит постепенное погашение образовавшегося кислородного долга, т. е. разности между общим количеством О2, требуемым для покрытия всех энерготрат (кислородного запроса), и того его количества, которое было фактически потреблено за время работы (см. рис. 10.40).

С описанной динамикой легочной вентиляции во время физической нагрузки в общем совпадает ход изменений минутного объема крови (в противном случае нарушались бы вентиляционно-перфузионные отношения в легких), что свидетельствует о координации механизмов регуляции дыхательной и сердечно-сосудистой системы.

У человека, тренированного к напряженной мышечной деятельности, увеличивается жизненная емкость легких, дыхание в покое становится более редким и глубоким, увеличиваются кислородная емкость, буферные свойства крови и величина максимального потребления кислорода (до 4-5 л/мин и более).

До некоторой степени сходные особенности наблюдают у животных с высокой двигательной активностью (лошадь, северный олень и др.).

Рис. 10.43 Градиенты парциальных давлений (напряжений) кислорода в газотранспортной системе организма на уровне моря (а) и высоте 6750 м над уровнем моря (б)

1 - во вдыхаемом воздухе, 2 - в альвеолярном газе, 3 - в артериальной крови, 4 - в крови капилляров, 5 - в смешанной венозной крови.

10.5.5. Измененная газовая среда

Многие виды млекопитающих обитают в норах, в высокогорье, под водой. Человек осваивает в процессе хозяйственной и исследовательской деятельности высокогорные регионы, а также водную стихию. Все эти ситуации связаны с жизнью в измененной газовой среде и требуют специфической адаптации функции дыхания.

Высокогорье. Пребывание на больших высотах (его имитируют, помещая объект исследования в камеру, где создают эквивалентное разрежение воздуха) сопряжено со снижением парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе и альвеолярном газе. Так, на высоте 4 км над уровнем моря атмосферное Ро2 уменьшается до 98 мм рт. ст., альвеолярное Ро2 - до 60 мм рт. ст., т. е. более чем в 1,5 раза по сравнению с "земным". При этом у человека могут наступать недостаточность кислородного снабжения организма, особенно мозга, и явления горной (высотной) болезни: одышка и ряд нарушений функций ЦНС (головная боль, бессонница, тошнота). Под влиянием гипоксии спазмируются легочные сосуды, может развиться гипертензия малого круга кровообращения и даже отек легких.

Индивидуальная устойчивость человека к высотной гипоксии весьма вариабельна и в известной мере зависит от его тренированности. Однако высоту около 7-8 км, где атмосферное и альвеолярное Po2 падают примерно втрое, считают предельно переносимой для человека, если он не дышит газовой смесью, обогащенной кислородом. Важно, что гипоксия вызывает нарушения со стороны психики:

расстройство координации, эйфорию, утрату самоконтроля и потерю сознания, которая может наступить совершенно внезапно, приводя в конечном счете человека к гибели. Эти данные относятся главным образом к условиям восхождения человека в горы, так как в обитаемых кабинах современных летательных аппаратов поддерживают парциальное давление О2, близкое к наземному.

Вместе с тем под влиянием гипоксии включаются компенсаторные физиологические механизмы. Первым их звеном является рефлекторное увеличение легочной вентиляции, обусловленное стимуляцией хеморецепторов синокаротидной и отчасти аортальной зон. Одновременно возрастают частота сердечных сокращений и минутный объем крови. В результате утилизация кислорода при сниженном его парциальном давлении в атмосфере осуществляется за счет уменьшения диффузионных градиентов в газотранспортной системе (рис. 10.43).

Эти реакции несколько улучшают кислородный транспорт в организме, однако они имеют и свою "теневую" сторону. Так, рост вентиляции легких (точнее, их гипервентиляция, ибо продукция СО2 в организме здесь не повышена) сопряжен с избыточным вымыванием СО2 легкими. Сочетание гипоксии с гипокапнией угнетает возбудимость бульбарных хеморецепторов и дыхательного центра, что может вести к появлению периодического дыхания, особенно во время сна. Кроме того, гипокапния вызывает спазм церебральных сосудов и это еще больше ухудшает снабжение мозга кислородом. Наконец, усиленная вентиляция легких требует дополнительного расхода энергии на работу дыхательных мышц.

Поэтому при длительном пребывании в горах по мере адаптации к хронической гипоксии начальные "срочные" реакции дыхания постепенно уступают место более экономичному приспособлению газотранспортной системы организма. Так, у постоянных жителей больших высот (Гималаи, Анды) реакция дыхания на гипоксию оказывается резко ослабленной (гипоксическая глухота) и легочная вентиляция поддерживается почти на том же уровне, что и у живущих на равнине. Зато при длительном проживании в условиях высокогорья возрастает жизненная емкость легких, повышается кислородная емкость крови (за счет увеличения числа эритроцитов и содержания гемоглобина, в том числе фетального, обладающего более высоким сродством к O2), в мышцах становится больше миоглобина, в митохондриях усиливается активность ферментов, обеспечивающих биологическое окисление и гликолиз.

У животных, обитающих в высокогорных регионах (ламы, некоторые грызуны), существенных отличий от равнинных популяций в этом отношении не обнаружено, хотя у них наблюдали некоторые особенности структуры эритроцитов и сродства гемоглобина к кислороду. Однако главную причину резистентности таких животных к гипоксии следует искать, по-видимому, в способности клеток утилизировать кислород при низком его напряжении в крови, снижении критического значения Ро2.

Обитание в норах. В зоне, где строят свои норы многие грызуны, содержание кислорода снижается на 1-3% и более, а концентрация CO2 может достигать 2-3%, т. е. небольшая гипоксия сочетается с гиперкапнией. В числе физиологических сдвигов, обеспечивающих адаптацию к такой среде, у норных животных отмечены способность утилизировать кислород при сниженном его напряжении во вдыхаемом воздухе, увеличенная буферная емкость жидкостей тела, слабая дыхательная реакция на СО2.

Ныряние. Представители ряда видов млекопитающих (главным образом китообразные, а также некоторые грызуны - ондатра, бобр) в силу своих экологических особенностей способны проводить под водой длительное время - от 15 мин до 1 ч и более (бутылконос - до 2 ч). Во время ныряния дыхательные движения рефлекторно прекращаются. Столь длительная задержка дыхания становится возможной благодаря увеличенному объему легких и количеству содержащихся в них альвеол, повышенной кислородной емкости, большому содержанию миоглобина в мышцах, слабой реакции хеморецепторов на накопление СО2 в крови. Кроме того, во время ныряния происходят специфические гемодинамические реакции, направленные на улучшение снабжения кровью (а следовательно, и кислородом) мозга и миокарда. До некоторой степени сходные реакции обнаружены у ныряющих птиц.

Человек способен произвольно задерживать дыхание не более чем на 1-2 мин. После предварительной гипервентиляции легких длительность апноэ тренированному человеку удается доводить до 3-4 мин, редко дольше. Этим и определяется максимальный срок пребывания под водой без специального дыхательного прибора. Однако такое затяжное ныряние после гипервентиляции таит в себе серьезную опасность: быстрое падение оксигенации крови может вызвать внезапную потерю сознания, а в этом состоянии пловец под влиянием императивного стимула, порожденного ростом Рсо2 крови, вдохнет воду и захлебнется.

Увеличение сопротивления дыханию. При использовании человеком устройств индивидуальной защиты органов дыхания: респираторов, противогазов и др., отмечено увеличенное резистивное (аэродинамическое) сопротивление, т. е. сопротивление потоку газа в дыхательных путях. Увеличение резистивного сопротивления воспроизводится в экспериментах с дыханием через узкую трубку или перфорированную диафрагму. Первой реакцией на включение сопротивления оказывается снижение глубины дыхания. Однако немедленно сказывается свойство мышц усиливать сокращения при возникновении препятствия (рефлекс преодоления нагрузки), частично опосредованное ?-петлей спинального уровня. В дальнейшем подключаются компенсаторные механизмы супраспинальных структур, в том числе корковых. Изменяется паттерн дыхания: оно становится более редким и глубоким, что способствует снижению энерготрат на работу респираторных мышц в условиях добавочного аэродинамического сопротивления.

Если в результате включения этих механизмов вентиляция легких не восстанавливается до нормального уровня, в крови происходит накопление двуокиси углерода. Усиление гиперкапнического стимула, в свою очередь, служит дополнительным фактором, способствующим преодолению увеличенной нагрузки на вентиляторный аппарат.

Повышенное давление газовой среды (гипербария). С этим фактором встречаются в основном водолазы и акванавты при глубоководных погружениях. Давление дыхательной смеси, которая подается в этих условиях человеку, должно обязательно соответствовать гидростатическому давлению на данной глубине, иначе дыхание будет невозможным. При увеличении глубины на каждые 10 м давление возрастает на 1 атм (0,1 МПа). Следовательно, на глубине 100 м человек вдыхает газовую смесь под давлением, превышающим атмосферное примерно в 10 раз. Пропорционально возрастает и плотность этой смеси, что создает добавочное сопротивление дыханию. Поэтому на глубинах свыше 60-80 м главный компонент атмосферного воздуха - азот - полностью или частично заменяют гелием, плотность которого в 7 раз меньше, чем у азота. Есть и другая причина такой замены: азот под давлением вызывает у человека наркотический эффект.

Вредным для организма является и высокое парциальное давление кислорода - гипероксия. Так, уже при обычном атмосферном давлении дыхание чистым кислородом свыше 12-15 ч может вызвать раздражение слизистой оболочки воздухоносных путей, нарушение функции сурфактантов, даже воспаление легких, а дыхание кислородом под высоким давлением (более 2-3 атм) - тяжелые расстройства функции ЦНС (судороги) уже через 1-2 ч воздействия. Поэтому содержание кислорода в дыхательной смеси по мере увеличения глубины погружения снижают, сохраняя Ро2, близкое к наземному. Здесь следует заметить, что сказанное о вредных эффектах гипероксии не противоречит строго дозированному применению кислорода под давлением - гипербарической оксигенации - для лечения некоторых состояний, связанных с гипоксией тканей.

Серьезная опасность угрожает человеку при подъеме на поверхность после пребывания на глубине. Во время действия высокого давления среды кровь и другие жидкости тела насыщаются растворенным нейтральным (т. е. не участвующем в обмене) газом - азотом или гелием. При быстром падении давления дыхательной среды, декомпрессии, этот газ выделяется в виде мелких пузырьков, которые могут вызвать повреждение тканей и нарушить кровоснабжение органов, в том числе мозга. Чтобы предотвратить декомпрессионные расстройства, подъем водолазов и акванавтов ведут очень медленно, соблюдая специально разработанные режимы. Важное значение здесь имеет и правильный выбор состава дыхательных смесей.

Гипертермия. Дыхательные пути и легкие участвуют в отдаче тепла организмом во внешнюю среду. Эта функция у разных животных выражена неодинаково. Для большинства млекопитающих общая закономерность состоит в увеличении легочной вентиляции с повышением температуры среды. Тем самым увеличивается испарение влаги со слизистой оболочки воздухоносных путей и поверхности альвеол. Следует подчеркнуть, что речь идет о повышении общей, а не альвеолярной вентиляции - последняя должна оставаться на уровне, соответствующем интенсивности газообмена. Это Достигается учащением дыхательных циклов при некотором уменьшении дыхательного объема в результате возрастает вентиляция главным образом мертвого пространства но не альвеол. Сказанное не относится к терморегуляции человека, обладающего, как известно, мощным потоотделительным механизмом. Незначительное тахипноэ, которое наблюдается в условиях гипертермии, не имеет существенного значения для отдачи тепла.

Иначе обстоит дело с теплообменом у ряда животных, лишенных потовых желез. У них развит особый механизм, называемый тепловой одышкой а правильнее - полипноэ. При повышении температуры до определенной величины у таких животных скачкообразно возрастает частота дыхания при резком уменьшении его глубины, т. е. возрастает в основном вентиляция мертвого пространства. Тахипноэ может достигать сотни циклов в минуту. Тепловая одышка опосредована локализованным в гипоталамусе центром терморегуляции, реагирующим на повышение температуры крови, а также на информацию от периферических терморецепторов.

Дыхание плода. У плода газообмен происходит в плаценте, куда кровь поступает по пупочным артериям. Толщина диффузионного барьера между кровью матери и плода составляет около 3,5 мкм. Плацента - менее эффективное газообменное устройство, чем легкие, и напряженность кислорода в крови пупочной вены составляет всего 30 мм рт. ст. Наиболее богатая кислородом кровь поступает в основном к головному мозгу и сердцу, а легкие не участвующие в работе, получают незначительное ее количество.

Рождение на свет - это самый сильный стресс в жизни человека. На новорожденного внезапно обрушивается огромное количество внешних раздражителей. Во время родов нарушается плацентарный газообмен, что приводит к гипоксемии и гиперкапнии. Вероятно, в момент рождения резко увеличивается чувствительность хеморецепторов. Все это приводит к первому вдоху.

Легкие плода на 40% своей общей емкости наполнены жидкостью, которая постоянно секретируется альвеолярными клетками и обладает низким рН. Жидкость эта играет важную роль в последующем расправлении легких, уменьшая поверхностное натяжение и тем самым способствуя образованию сферической поверхности альвеол. В первое время расправление легких у новорожденных происходит неравномерно. Однако сурфактант, образующийся на поздних стадиях внутриутробного развития, способствует стабилизации раскрывшихся альвеол, а жидкость удаляется по лимфатическим сосудам и капиллярам.

Задолго до рождения плод совершает очень поверхностные и быстрые дыхательные движения. После рождения вентиляция легких становится равномерной лишь через несколько суток. Первые вдохи ребенка приводят к резкому падению сопротивления легочных сосудов. Это обусловлено несколькими причинами, в том числе внезапным повышением Роз в альвеолах, что приводит к устранению гипоксической вазоконстрикции, и увеличением объема легких, при котором расширяются внеальвеолярные сосуды. Падение сопротивления в малом круге кровообращения увеличивает легочный кровоток.

Рис. 10.44 Обмен между воздухом и кровью куриного эмбриона посредством диффузии через участок скорлупы в области воздушной камеры (А), а также зависимость Рог в воздушной камере, в крови аллантоисной вены от срока инкубации (Б) и та же зависимость для углекислого газа (В)

Газообмен в яйцах птиц. За время развития зародыша в яйце потребности его в газообмене возрастают примерно в 103 раза, хотя размеры яйца за весь этот период не меняются. Это означает, что с развитием эмбриона должна постоянно возрастать скорость переноса через скорлупу кислорода и углекислоты, при условии, что площадь скорлупы остается постоянной. Диффузия газов через скорлупу осуществляется благодаря наличию мелких пор в скорлупе и подскорлупных оболочках, включая аллантоисную мембрану (рис. 10.44). Сосуды последней плотно примыкают к скорлупе, и их сеть по мере развития эмбриона резко увеличивается. Наряду с ростом зародыша увеличивается скорость переноса газов через скорлупу. Происходит это вследствие интенсивного развития аллантоисных артерий и вен в мембране, а также увеличения градиентов Рсо2 и Ро2 между окружающей средой и кровью зародыша.

По мере приближения момента вылупления птенца яйцо прогрессивно теряет воду, в результате чего возрастает объем воздушного пространства. В курином яйце оно, например, достигает к этому моменту 12 мл. Наличие такой камеры принципиально важно, так как перед проклевыванием птенец вентилирует свои легкие именно за счет этого воздуха, просовывая клюв в воздушную камеру. В результате такой нехитрой операции низкое напряжение окиси углерода зародыша поднимается до 40 мм рт. ст., что практически соответствует уровню напряжения газа в первые дни самостоятельной жизни птенца после вылупления, предотвращая тем самым резкие сдвиги при переходе от дыхания через скорлупу к легочному дыханию.

Механизм переноса газов в плавательном пузыре. Известны два основных типа плавательного пузыря: связанный с кишкой и полностью изолированный (рис. 10.45). У костистых рыб плавательный пузырь развивается из передней части кишки как своеобразный вырост и у одних видов (угорь) сохраняет эту связь посредством специального протока, у других (окунь) во взрослом состоянии связь отсутствует. Пузырь обладает плотной и непроницаемой для газов стенкой, поэтому даже при очень высоком давлении газов их утечки практически не происходит. С другой стороны, в случае,, если давление в пузыре становится выше, нежели во внешней среде, он легко растягивается.

Плавательный пузырь большинства рыб заполнен кислородом, однако у некоторых видов он содержит углекислый газ или азот. В том случае, если рыба опускается, предположим, на стометровую глубину, то из воды в плавательный пузырь поступает кислород. Поступает он против градиента парциального давления. Для этого существует специальное образование, получившее название чудесной сети. Она состоит из большого числа плотно прилегающих пучков параллельных друг другу артериальных и венозных капилляров. Капилляры формируют систему, в которой артериальная и венозная кровь текут в противоположных направлениях. Таким образом, чудесная сеть выполняет функцию противоточного обменника, уменьшающего потери кислорода из плавательного пузыря.

Осуществляется эта функция следующим образом. Кровь проходит вначале по артериальным капиллярам сети, далее она омывает секреторный эпителий стенки пузыря и затем снова протекает через чудесную сеть, но уже по венозным капиллярам в обратном направлении. Поступая в венозные капилляры, кровь с высоким парциальным давлением кислорода посредством диффузии отдает его в артериальные капилляры. Характерно, что в рассматриваемых условиях расстояние между встречными потоками артериальной и венозной крови в чудесной сети не превышает 1,5 мкм. Благодаря такой структуре сплетения кровь протекает через стенку пузыря, не теряя его газов, и снижает убыль газов из плавательного пузыря, однако тут возникает вопрос: каким же образом в пузырь секретируется кислород?

Как известно, кислород переносится кровью в соединении с гемоглобином и в физически растворимом виде. Если же кислород будет отделяться от гемоглобина и переходить в растворенное состояние, то парциальное давление его будет возрастать. Отдача кислорода усиливается при понижении рН. Следовательно, увеличение Роз в крови может быть обеспечено посредством ослабления связи кислорода с гемоглобином или повышения содержания ионов в крови (см. рис. 10.44., 10.45).

Рис. 10.45 Два основных типа плавательного пузыря: полностью связанный с кишкой у угря (А) и полностью изолированный у окуня (Б)

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Итак, дыхание представляет собой цепь процессов, обеспечивающих доставку из окружающей среды в митохондрии необходимого для биологического окисления кислорода, а также удаления в окружающую среду продукта биологического окисления - углекислого газа.

На низших ступенях эволюционного развития наблюдается непосредственный диффузионный обмен газов между живой клеткой и средой. У более высоко организованных типов животных формируются специализированные органы конвективного переноса газов с помощью вентиляции воды или воздуха и циркуляции жидкостей тела. В процессе эволюции у насекомых выработалась трахеальная система, в которой используется быстрая диффузия газов в воздухе, в результате чего отпадает необходимость переноса газов кровью. Трахеальная система состоит из последовательно соединенных тонкостенных заполненных воздухом трубочек. Разветвляясь, они пронизывают все тело. Именно в них и происходит диффузия кислорода и углекислого газа между окружающей средой и клетками. Высокой дифференциации достигают такие органы у позвоночных, значительно преобразуясь при переходе животных от водного дыхания к воздушному.

Первым звеном в цепи транспорта газов у млекопитающих и человека служит вентиляция легких, точнее - альвеолярная вентиляция, направленная на поддержание оптимального состава альвеолярного газа как внутренней газовой среды организма. Обмен газов между альвеолами и кровью через аэро-гематический барьер, как и между кровью и тканями через гематопаренхиматозный барьер, происходит путем диффузии в силу разности Ро2 и Pco2 по обе стороны этих барьеров.

Перенос больших масс О2 кровью осуществляется благодаря связыванию его гемоглобином эритроцитов, a CO2 - в форме гидрокарбоната и карбогемоглобина. Оксигенация крови в легких облегчается отдачей СО2, а поступление последнего из тканей в кровь облегчает отдачу O2. Все эти процессы в конечном счете направлены на поддержание в клетках тканей такого напряжения кислорода, которое необходимо для нормального функционирования дыхательных ферментных цепей в митохондриях.

Координированные сокращения дыхательных мышц, обеспечивающие легочную вентиляцию, управляются центральным дыхательным механизмом - специализированными нейронными структурами ствола мозга. Ритмическая деятельность этого механизма складывается в основном из линейного нарастания активности инспираторных нейронов на протяжении вдоха и ее выключения в конце вдоха. Эта активность определяется импульсацией из хеморецепторов: бульбарных, реагирующих на напряжение СО2 и концентрацию ионов Н+ во внеклеточной жидкости мозга, и артериальных, которые чувствительны, помимо тех же факторов, и к напряжению О2.

Таким путем поддерживается стабильный газовый состав артериальной крови. Стимуляция механорецепторов дыхательной системы, прежде всего рецепторов растяжения легких, способствует своевременному выключению вдоха и смене его выдохом. В результате формируется такой паттерн дыхания, который обеспечивает требуемую для данного уровня газообмена альвеолярную вентиляцию при минимальном расходе энергии дыхательными мышцами.

Активность центрального дыхательного механизма подвержена влиянию уровня бодрствования, а также стимулов, исходящих из вышележащих отделов ЦНС. У человека дыхание является весьма кортикализованной функцией, что дает возможность в определенных границах управлять дыхательными движениями произвольно.

Сопряжение вентиляции легких с уровнем газообмена поддерживается и при мышечной деятельности. Здесь к перечисленным механизмам регуляции дыхания присоединяется афферентная сигнализация от рецепторов работающих мышц.

В респираторной системе сочетаются соматические и висцеральные структуры. Этим она принципиально отличается от других систем организма. Засасывание воздуха в легкие осуществляется соматическими мышцами, а проведение воздушного потока, газообмен и транспорт газов обеспечиваются висцеральной частью. Мостом между обеими частями респираторной системы в какой-то степени служит диафрагма, сократительный аппарат которой представлен соматическими мышечными волокнами, а афферентный контроль ее осуществляется висцеральными рецепторами растяжения воздухоносных путей.

Механизм переноса газов в яйцах птиц состоит в следующем. Зародыш в яйце должен получать кислород через скорлупу, размеры которой не меняются, в то время как потребность в кислороде от момента кладки до вылупления птенца возрастает примерно в тысячу раз. По мере роста эмбриона скорость переноса газов через скорлупу возрастает благодаря развитию сосудов в мембране аллантоиса, а также увеличению градиентов Рсо2 и Ро2 между кровью эмбриона и окружающей средой. В плавательном пузыре рыб парциальное давление газов часто на несколько порядков выше, чем в крови. Однако в связи с особенностями кровоснабжения пузыря и наличием чудесной сети газы все же перемещаются из крови в пузырь.

Специальные перестройки в системе дыхания развиваются у видов животных, обитающих в условиях высокогорья, ныряющих и т. п. В известной мере адаптироваться к измененной газовой среде за счет включения срочных и долговременных сдвигов в газотранспортной системе организма может и человек.

Однако, рассматривая в данном отношении резервные возможности физиологических систем, в частности дыхательной, следует иметь в виду, что тренировка и адаптация способны выявить, но не изменить их естественные пределы. Поэтому в экстремальных условиях существования необходимо обеспечивать поддержание таких параметров дыхательной среды, которые не выходили бы за эти границы.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Абросимов В. Н. Нарушения регуляции дыхания. М., 1990.

Агаджанян Н. А., Елфимов А. И. Функции организма в условиях гипоксии и гиперкапнии. М., 1986.

Агаджанян Н. А. Организм и газовая среда обитания. М., 1972.

Антипчук Ю. П., Соболева А. Д. Эволюция респираторных систем. Новосибирск, 1976.

Бреслав И. С. Произвольное управление дыханием у человека. Л., 1975.

Бреслав И. С. Паттерны дыхания: Физиология, экстремальные состояния, патология. Л., 1984.

Бреслав И. С., Глебовский В. Д. Регуляция дыхания. Л., 1981.

Исаев Г. Г. Регуляция дыхания при мышечной работе. Л., 1990.

Ноздрачев А. Д., Чернышева М. П. Висцеральные рефлексы. Л., 1989.

Сафонов В. А., Ефимов В. Н., Чумаченко А. А. Нейрофизиология дыхания. М., 1980.

Словарь-справочник по физиологии и патофизиологии дыхания / Под ред. В. А. Березовского. Киев, 1984.

Уэст Дж. Физиология дыхания. Основы. М., 1988.

Федин А. Н., Ноздрачев А. Д., Бреслав И. С. Физиология респираторной системы. СПб., 1997.

Физиология дыхания / И. С. Бреслав, Л. А. Брянцева, И. Б. Воронов и др. СПб., 1994.

Физиология человека. В 2 т. / Под ред. В. М. Покровского, Г. Ф. Коротько. М., 1997.

Физиология человека. В 3 т. / Под ред. Р. Шмидта, Г. Тевса. М., 1996.

Эккерт Р., Ренделл Д., Огастин Дж. Физиология животных. Механизмы и адаптация. В 2 т. М.

11 ОБМЕН ЭНЕРГИИ

ВЕХИ ИСТОРИИ

1775-1785 - А. Лавуазье (A. Lavoisier, Франция) выяснил роль кислорода в процессах дыхания. Вместе с П. Лапласом (Р. Laplace) разработал метод прямой калориметрии.

1845-1847 - Г. Гельмгольц (Н. Helmholtz, Германия) обосновал закон сохранения энергии и приложил его к процессу теплообразования в мышце.

1852 - Ф. Биддер (Россия) исследовал общий баланс питательных веществ и интенсивность обмена.

1869 - Р. Клаузиус (R. Clausius, Германия) ввел понятие "энтропия".

1880 - Н. И. Лунин (Россия) впервые заявил, что в молоке, помимо жиров, белков и углеводов, должны содержаться некие вещества, необходимые для жизни.

1881 - П. Бертло (Р. Berthelot, Франция) изобрел калориметр для определения энергетической ценности пищевых продуктов ("бомба Бертло").

1892-1893 - В. В. Пашутин и А. А. Лихачев (Россия) создали калориметр для человека.

1894 - М. Рубнер (М. Rubner, Германия) сравнил результаты прямой и алиментарной калориметрии.

1895 - М. Рубнер, а также Ч. Дуглас и Дж. Холдейн (Ch. Douglas, J. Haldane, Великобритания) создали метод непрямой калориметрии.

1904-1915 - Ф. Бенедикт (F. Benedict, США) построил большой калориметр для определения энерготрат при физических нагрузках. Создал таблицы для определения должных значений основного обмена человека в зависимости от пола, возраста, веса и роста.

1912 - К. Функ (К. Funk, Польша) выделил из рисовых отрубей вещество, излечивающее от заболевания бери-бери, и назвал его "витамином"; ввел термин "авитаминоз".

1922 - А. Хилл (A. Hill, Великобритания) - Нобелевская премия за описание скрытого теплообразования в мышцах. О. Мейергоф (О. Meyerhof, Германия) - за открытие законов регуляции поглощения кислорода мышцей и образования в ней молочной кислоты.

1929 - X. Эйкман (Ch. Eijkman, Нидерланды) и Ф. Хопкинс (F. Hopkins, Великобритания) Нобелевская премия за открытие витаминов.

1935 - М. Н. Шатерников (СССР) начал разработку физиологических норм питания для различных профессиональных и возрастных групп населения.

1937 - А. Сент-Дьердьи фон Нагираполт.(А. Szent-Gyorgyi v. Nagyrapolt, Венгрия) - Нобелевская премия за исследование функции витамина С.

1943 - X. Дам (Н. Dam, Дания) и Э. Дойзи (Е. Doisy, США)- Нобелевская премия за открытие витамина К и его химической структуры.

1947 - К. Кори и Г. Кори (К. Cori, G. Cori, США) - Нобелевская премия за описание обмена гликогена.

1953 - Г. Кребс (Н. Krebs, Великобритания) - Нобелевская премия за открытие цикла трикарбоновых кислот (цикл Кребса).

1953 - Ф. Липман (F. Lipmann, США) - Нобелевская премия за открытие коэнзима А.

1955 - X. Теорелль (Н. Theorell, Швеция) - Нобелевская премия за исследования механизма действия окислительных ферментов.

1964 - К. Блох (К. Bloch, США) и Ф. Линен (F . Lynen, ФРГ) - Нобелевская премия за исследования механизмов регуляции обмена холестерина и жирных кислот.

1970-е - А. М. Уголев (СССР) сформулировал теорию адекватного питания.

Непременным условием поддержания жизни является получение организмами энергии из внешней среды, и хотя первоисточник энергии для всего живого - Солнце, непосредственно использовать его излучение способны только растения. Посредством фотосинтеза они превращают энергию солнечных лучей в энергию химических связей. Животные и человек получают необходимую им энергию, поедая растительную пищу. (Для хищных и отчасти для всеядных источником энергии служат другие животные - растительноядные.)

Прямое получение энергии солнечных лучей животными тоже возможно, например, пойкилотермные таким образом поддерживают температуру своего тела. Однако тепло (получаемое из внешней среды и образующееся в самом организме) не может быть преобразовано ни в какой другой вид энергии. Живые организмы, в отличие от технических устройств, принципиально неспособны к этому. Машина, использующая энергию химических связей, (например, двигатель внутреннего сгорания), сначала превращает ее в тепло и только затем - в работу: химическая энергия топлива >тепло > работа (расширение газа в цилиндре и движение поршня). В живых организмах возможна только такая схема: химическая энергия > работа.

Итак, энергия химических связей в молекулах пищевых веществ - практически единственный источник энергии для животного организма, а тепловая энергия может быть использована им только для поддержания температуры своего тела. Кроме того, тепло из-за быстрого рассеивания в окружающей среде не может быть и запасено в организме на длительный срок. Если возникает избыток тепла в теле, то для гомойотермных животных это становится серьезной проблемой и иногда даже угрожает их жизни (см. разд. 11.3).

11.1. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ И ПУТИ ЕЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ОРГАНИЗМЕ

Живой организм - открытая энергетическая система: он получает из окружающей среды энергию (почти исключительно в виде химических связей), преобразует ее в тепло или работу и в таком виде возвращает ее в окружающую среду.

Компоненты пищевых веществ, поступающие из желудочно-кишечного тракта в кровь (например, глюкоза, жирные кислоты или аминокислоты), сами по себе не способны непосредственно передавать энергию своих химических связей ее потребителям, например, калий-натриевому насосу или актину и миозину мышц. Между пищевыми "энергоносителями" и "потребителями" энергии есть универсальный посредник - аденозинтрифосфат (АТФ). Именно он является непосредственным источником энергии для любых процессов в живом

Рис. 11.1 Аденозинтрифосфат (АТФ). Волнистыми линиями показаны макроэргические связи.

Рис. 11.2 Схема аэробного дыхания

организме. Молекула АТФ представляет собой соединение аденина, рибозы и трех фосфатных групп (рис. 11.1).

Связи между кислотными остатками (фосфатами) содержат в себе значительное количество энергии. Отщепляя под действием фермента АТФазы концевой фосфат, АТФ превращается в аденозиндифосфат (АДФ). При этом высвобождается 7,3 ккал/моль энергии. Энергия химических связей в молекулах пищевых веществ используется для ресинтеза АТФ из АДФ. Рассмотрим этот процесс на примере глюкозы (рис. 11.2).

Первый этап утилизации глюкозы - гликолиз. В ходе его молекула глюкозы сначала превращается в пировиноградную кислоту (пиру ват), давая при этом энергию для ресинтеза АТФ. Затем пируват превращается в ацетилкоэнзим А - исходный продукт для следующего этапа утилизации - цикла Кребса. Многократные превращения веществ, составляющие суть этого цикла, дают дополнительную энергию для ресинтеза АТФ и заканчиваются высвобождением ионов водорода. С передачи этих ионов в дыхательную цепь начинается третий этап - окислительное фосфорилирование, в результате которого также образуется АТФ.

В совокупности все три этапа утилизации (гликолиз, цикл Кребса и окислительное фосфорилирование) составляют процесс тканевого дыхания. Принципиально важно, что первый этап (гликолиз) проходит без использования кислорода (анаэробное дыхание) и приводит к образованию лишь двух молекул АТФ. Два последующих этапа (цикл Кребса и окислительное фосфорилирование) могут происходить только в кислородной среде (аэробное дыхание). Полная утилизация одной молекулы глюкозы приводит к появлению 38 молекул АТФ.

Существуют организмы, не только не нуждающиеся в кислороде, но погибающие в кислородной (или воздушной) среде - облигатные анаэробы. К ним, например, относятся бактерии - возбудители газовой гангрены (Clostridium perfringes), столбняка (С. tetani), ботулизма (С. botulinum) и др.

У животных анаэробные процессы являются вспомогательным видом дыхания. Например, при интенсивных и частых сокращениях мышц (или при статическом их сокращении) доставка кислорода кровью отстает от потребностей мышечных клеток. В это время образование АТФ происходит анаэробным путем с накоплением пирувата, который превращается в молочную кислоту (лактат). Нарастает кислородный долг. Прекращение или ослабление мышечной работы устраняет несоответствие между потребностью ткани в кислороде и возможностями его доставки, лактат превращается в пируват, последний либо через стадию ацетилкоэнзима А окисляется в цикле Кребса до двуокиси углерода, либо путем глюконеогенеза переходит в глюкозу.

Рис. 11.3 Пути превращения энергии в живом организме при высокой степени физической активности (числовые значения округлены)

Согласно второму началу термодинамики всякое превращение энергии из одного вида в другой происходит с обязательным образованием значительного количества тепла, которое затем рассеивается в окружающем пространстве. Поэтому синтез АТФ и передача энергии от АТФ к собственно "потребителям энергии" происходят с потерей примерно половины ее в виде тепла. Упрощая, можно представить эти процессы следующим образом (рис. 11.3).

Примерно половина химической энергии, содержащейся в пище, сразу же превращается в тепло и рассеивается в пространстве, другая половина идет на образование АТФ. При последующем расщеплении АТФ половина высвободившейся энергии опять-таки превращается в тепло. В результате на выполнение внешней работы (например, бег или перемещение каких-либо предметов в пространстве) животное и человек могут затратить не более 1/4 всей потребленной в виде пищи энергии. Таким образом, коэффициент полезного действия высших животных и человека (около 25%) в несколько раз выше, чем, например, коэффициент полезного действия (КПД) паровой машины.

Вся внутренняя работа (кроме процессов роста и накопления жира) быстро превращается в тепло. Примеры: (а) энергия, вырабатываемая сердцем, превращается в тепло благодаря сопротивлению сосудов току крови; (б) желудок выполняет работу по секреции соляной кислоты, поджелудочная железа секретирует гидрокарбонат-ионы, в тонкой кишке эти вещества взаимодействуют, и заложенная в них энергия преобразуется в тепло.

Результаты внешней (полезной) работы, произведенной животным или человеком, также в конечном счете превращаются в тепло: перемещение тел в пространстве согревает воздух, возведенные сооружения рушатся, отдавая заложенную в них энергию земле и воздуху в виде тепла. Египетские пирамиды - редкий пример того, как энергия мышечного сокращения, затраченная почти 5000 лет назад, все еще ждет неизбежного превращения в тепло.

Уравнение энергетического баланса:

Е = А + Н + S,

где Е - общее количество энергии, получаемой организмом с пищей; А - внешняя (полезная) работа; Н - теплоотдача; S - запасенная энергия.

Потери энергии с мочой, кожным салом и др. выделениями крайне малы, и ими можно пренебречь.

11.1.1. Единицы измерения энергии

В качестве единицы измерения энергии в физиологии традиционно применяется килокалория (1 ккал) - количество энергии, необходимое, чтобы нагреть 1 кг чистой воды на 1 °С (от 14,5 до 15,5 °С). В прежние времена килокалории называли "большими калориями" (Кал), а калории - "малыми калориями" (кал). Теперь эти термины не употребляются.

Попытки приучить физиологов к использованию системных единиц - джоулей (Дж) и килоджоулей (1 кДж = 0,24 ккал; 1 ккал = 4,19 кДж) имели лишь частичный успех, и килокалория остается основной единицей всех измерений.

Интенсивность обмена (скорость метаболизма) измеряется в ккал/мин, ккал/ч или ккал/сут. Системная единица - 1 Вт = 0,014 ккал/мин = 0,86 ккал/ч = 20,6 ккал/сут.

11.1.2. Дыхательный коэффициент и калорический эквивалент кислорода

Для определения величины энерготрат необходимо знать: (а) какое количество кислорода было потреблено за единицу времени и (б) какое количество энергии должно было образоваться в организме при использовании в окислении 1л О2 - калорический, или энергетический, эквивалент кислорода (КЭК).

Величина КЭК непостоянна. Использование в окислении одного и того же количества кислорода (1 л) приводит к образованию разного количества энергии: чуть больше 5 ккал, если субстратом окисления служат только углеводы;

4,6-4,7 ккал, если окисляются жиры; и 4,5-4,6 ккал при окислении белков.

Поскольку окисление всех трех названных компонентов происходит одновременно, необходимо знать, в каком соотношении они окисляются в данный момент. Для этого определяют дыхательный коэффициент (ДК) - соотношение объемов выделенного углекислого газа и поглощенного за то же время кислорода: ДК = Vco2/Vo2.

Если бы окислялись исключительно углеводы, то количество молекул кислорода, поглощенных за единицу времени, было бы равно количеству образовавшихся молекул углекислого газа, например: C6H12O6 + 602 > 6СО2 + 6Н2О.

Равные количества молекул газа занимают равные объемы, следовательно, при окислении углеводов Vco2 = Vo2 и ДК =1,0.

В процессе окисления белков часть поглощенного кислорода не выходит затем с выдыхаемым воздухом, но образует соединения с азотом и выводится с мочой. В этом случае ДК принимает значения ниже единицы (примерно 0,81).

При окислении жиров (например, трипальмитина):

2C51H9806 + 14502 > 102С02 + 98Н20 ДК= 102/145 = 0,70.

Тем не менее, если в течение нескольких недель кормить человека исключительно жирами, ДК не снизится до 0,70. Точно так же, если человек будет питаться чистой глюкозой, ДК (в покое) поднимется только до 0,87, но не до 1,00. Причина - в том, что ежеминутно в окислении используются и углеводы, и жиры, и белки. Компоненты, отсутствующие в пище, мобилизуются из собственных запасов организма. Поэтому ДК обычно принимает некое среднее значение (примерно 0,82).

ДК показывает, в каком соотношении используются в окислении углеводы, жиры и белки в данную минуту. Поэтому к ДК "жестко привязан" КЭК, т. е. каждому значению ДК соответствует своя величина КЭК (табл. 11.1)

Таблица. 11.1

Дыхательный коэффициент (ДК) и калорический эквивалент кислорода (КЭК, ккал/л О2)

дк

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

КЭК

4,69

4,74

4,80

4,86

4,92

4,98

5,05

При смешанном питании КЭК равен примерно 4,83 ккал/л O2. Этой величиной пользуются при приблизительных расчетах (что позволяет не определять экспериментально ДК).

При выполнении человеком тяжелой физической работы накапливающаяся в мышцах молочная кислота вытесняет из крови повышенные количества двуокиси углерода, в результате чего выделение СО2 нарастает быстрее, чем поглощение О2. ДК постепенно приближается к 1, а затем и превышает это значение. ДК =1,12 говорит о значительном ацидозе и о том, что вскоре человек будет вынужден прекратить работу.

После прекращения работы происходит постепенное окисление молочной кислоты, поэтому часть образующегося углекислого газа остается в организме в виде гидрокарбонат-ионов. В результате выделение СО2 падает быстрее, чем потребление О2, и ДК снижается.

11.1.3.Методы исследования обмена энергии

Можно непосредственно измерить количество тепла, выделяемое живым организмом за единицу времени, это - прямая калориметрия. Первый калориметр, созданный в 1775 г. А. Лавуазье и П. Лапласом, представлял собой небольшой цилиндр с двойными стенками, между которыми был заложен лед. Количество тепла, выделенное за определенное время помещенной в камеру морской свинкой, измеряли по объему воды, образовавшейся при таянии льда. В более сложных калориметрах XIX - первой половины XX в. между стенками прокладывали трубы с водой, температуру которой измеряли на входе в систему и на выходе из нее (рис. 11.4). Количество тепла вычисляли, умножая массу воды, протекшей за единицу времени, на разность температур и на теплоемкость воды:

Q = m?Тс

Чтобы избежать накопления углекислого газа и паров воды в замкнутом пространстве калориметра, их удаляли с помощью химических поглотителей.

Позднее в стенки калориметра стали закладывать проволоку из меди и константана, электропроводность которой изменяется в зависимости от ее температуры.

Рис. 11.4 Прямая калориметрия. Вода (В), протекающая сквозь калориметр, выносит тепло, образующееся в теле человека. Термометры (Т) позволяют регистрировать ее температуру на входе и выходе из камеры. Поглотители углекислого газа и паров воды, образующихся в результате дыхания, не показаны.

Рис. 11.5 Калориметр ("бомба") Бертло 1- проба пищи; 2 - камера, заполненная кислородом;

запал; 4 - вода; 5 - мешалка; 6 - термометр.

Таблица 11.2

Удельное теплообразование (ккал/г) основных компонентов пищи

Компоненты, пищи

В калориметре

В организме

Углеводы

4,3

4,1

Жиры

9,5

9,3

Белки

5,3

4,1

Для того чтобы узнать, какое количество энергии содержится в суточном пищевом рационе человека или животного, необходимо сжечь пищу в специальном калориметре, наполненном чистым кислородом под высоким давлением (так называемая бомба Бертло - рис. 11.5). Поскольку при этом исследуется не сам организм, а потребляемая пища, такая калориметрия называется непрямой и алиментарной (от лат. alimentarius - пищевой, (связанной с питанием).

При интерпретации результатов необходимо учитывать, что в живом организме, в отличие от бомбы Бертло, пищевые вещества не обязательно окисляются до конечных продуктов и потому дают несколько меньшие количества энергии (табл. 11.2).

Эта разница наиболее велика для белков: сжигание 1 г белка в калориметре дает 5,3 ккал энергии, в организме из того же количества белка образуется лишь 4,1 ккал. Причина - в том, что высшие животные преобразуют белки только до стадии мочевины, которая содержит еще значительное количество энергии, недоступной для организма.

Калорическая ценность алкоголя весьма велика - 7 ккал/г, и в некоторых винодельческих (особенно в небогатых) странах он является существенным компонентом питания. Однако, поставляя энергию в организм, алкоголь одновременно усиливает ее расходование (повышает основной обмен - см. ниже) и потому в качестве замены, даже частичной, пищевым продуктам - неприемлем. Отдельным вопросом является влияние алкоголя на аппетит и количество потребляемой пищи.

Другой подход к измерению количества энергии, образующейся в организме, также предложенный Лавуазье (1779), - непрямая респираторная калориметрия, или газоанализ.

Для того, чтобы определить, сколько энергии (Q) образовалось в организме за единицу времени (1 мин или 1 сут), необязательно непосредственно измерять количество выделяемого им тепла. Достаточно произвести следующие измерения и вычисления:

1. С помощью газоанализатора определить концентрации кислорода во вдыхаемом ([02]in) и в выдыхаемом ((02)ех) воздухе. Например,

[О2]in=20,9% , [02]ех - 16,6% .

2. Вычислить разность этих концентраций:

?[02] = 20,9% - 16,6% = 4,3% = 0,043.

В точных расчетах учитывают, что выдыхаемый воздух по объему несколько меньше вдыхаемого - из-за того, что часть кислорода, вошедшего в организм через легкие, выводится, из него с мочой (в составе мочевины). Поэтому при вычислении разности концентраций кислорода полученные экспериментально объемы вдыхаемого и выдыхаемого воздуха приводят к стандартным условиям SPTD (англ.: Standard Pressure, Temperature, Dry), что означает давление 760 мм рт. ст., температура ОоС и относительная влажность 0%. В предварительных же исследованиях допустимо игнорировать это изменение объема и не определять концентрацию кислорода во вдыхаемом (атмосферном) воздухе, принимая ее равной 20,93%.

3. С помощью газового счетчика определить количество воздуха, прошедшего через легкие за 1 мин (минутный объем дыхания- МОД). Например,

МОД = 6 л/мин.

4. Вычислить величину потребления кислорода:

Vo2 = ?[02] х МОД = 0,043 х 6 л/мин = 0,26 л/мин.

5. С помощью газоанализатора определить концентрации углекислого газа во вдыхаемом ([C02]in) и в выдыхаемом ([С02]ех) воздухе. Например,

[С02]in= 0,03%, [С02]ех = 3,7%.

В предварительных исследованиях допустимо не определять концентрацию кислорода во вдыхаемом (атмосферном) воздухе, принимая ее равной 0,03%.

6. Вычислить разность этих концентраций:

?[С02]= 3,7%-0,03% = 3,7%.

7. Вычислить величину выделения углекислого газа:

Vco2 = ?[С02] х МОД = 0,037 х 6 л/мин = 0,22 л/мин.

8. Вычислить дыхательный коэффициент (ДК):

ДК =Vco2/Vo2 = 0,22 л/мин : 0,26 л/мин = 0,85.

9. По величине ДК из табл. 11.2 узнать калорический эквивалент кислорода - КЭК. В нашем примере ДК = 0,85, следовательно, КЭК = 4,86 ккал.

10. Вычислить, сколько энергии (Q) образовалось в организме за 1 мин:

Q =Vo2 х КЭК = 0,26 л/мин х 4,86 ккал/л = 1,26 ккал/мин.

Если это необходимо, результат перевести в единицы системы СИ:

Q = 1,26 ккал/мин : 0,014 = 90,0 Вт.

11. Рассчитать величину основного обмена (см. ниже) за 1 сутки:

Q = 1,26 ккал/мин х 60 мин х 24 ч = 1814 ккал/сут.

12. С помощью специальных формул или таблиц вычислить должное значение основного обмена для человека данного пола, возраста, роста и массы тела.

Например, согласно таблицам Гарриса-Бенедикта мужчина 25 лет 175 см ростом и массой тела 70 кг должен иметь основной обмен 1803 ккал/сут.

13. Сравнить экспериментально полученную величину Q с должным значением и выразить разницу в процентах от должного значения:

D?Q = (Qреальное - Qдолжное) : Qдолжное = (1814-1803) : 1803 = 0,006 = 0,6%

Отклонения реального значения от должного, не превышающие 10%, относят к индивидуальным особенностям данного человека и к результатам неизбежных ошибок измерений. Большая величина отклонения может говорить об ускорении основного обмена, например, происходящем при повышенной активности щитовидной железы.

Устройство газоанализатора может быть основано либо на химическом (рис. 11.6), либо на физическом принципе. Химические газоанализаторы содержат поглотители кислорода (например, медно-аммиачный раствор) и углекислого газа (например, NaOH). После многократного прокачивания исследуемой пробы воздуха сквозь поглотитель объем газа уменьшается на столько, сколько в нем содержалось кислорода. В физических газоанализаторах используются, например, свойство кислорода изменять, в зависимости от его концентрации в смеси газов, парамагнитные свойства индукционной катушки и способность углекислого газа влиять на поглощение инфракрасных лучей и электропроводность металлов.

Различают три уровня энерготрат: (1) основной обмен; (2) обмен покоя и (3) энерготраты при работе.

Рис. 11.6 Респираторный калориметр Этуотера-Розе, в изолированной камере которого поддерживается постоянная температура

11.1.4. Основной обмен

Некоторое количество энергии тратится в организме на поддержание самого процесса жизни: активный транспорт веществ (например, на работу натрий-калиевого насоса), сокращения сердца, перистальтику кишечника, дыхательные движения и др. Такие энерготраты называются основным обменом. Для мужчины с массой тела 70 кг это примерно: 1,1 ккал/мин = 1 ккал/кг/ч = 70 ккал/ч = 1600-1700 ккал/сут = 80 Вт.

Млекопитающие самых разных размеров - от мыши (масса тела 20 г) до человека (70 кг) и борова (130 кг) - обладают примерно одинаковым основным обменом, если рассчитывать его на единицу площади поверхности тела. Причина сходства значений состоит в том, что тепло рассеивается в окружающую среду каждым квадратным сантиметром поверхности тела, следовательно, для сохранения температуры тела на постоянном уровне образование энергии должно соответствовать площади поверхности тела животного. Площадь поверхности тела пропорциональна квадрату его линейных размеров, масса - кубу линейных размеров, поэтому чем больше тело животного, тем выше у него соотношение "масса/поверхность". Это означает, что каждый грамм массы тела мелкого теплокровного должен вырабатывать значительно больше энергии, чем такая же масса в организме крупного животного. Действительно, основной обмен землеройки (0,6 ккал х кг-1 х мин-1) примерно в 100 раз интенсивнее обмена слона (0,006 ккал х кг-1 х мин-1).

Подсчитано, что если бы у мыши была та же интенсивность обмена, что и у быка, то ей для сохранения гомойотермии понадобился бы мех толщиной в 20 см. И наоборот, если бы бык имел интенсивность обмена мыши, температура его тела превысила бы 100 °С.

Таблица 11.3

Средняя величина основного обмена у мужчин различного возраста

Возраст, лет

15

20

30

40

50

60

70

Основной обмен, ккал•м-2 • ч-1

46

41

39,5

39,5

38

37

36

Итак, величина основного обмена зависит, прежде всего, от площади поверхности тела, которую легко можно определить по специальным номограммам или формулам. Для этого достаточно знать массу тела и его длину (рост), например, согласно Дюбуа (1916):

S=W о,425 х Н0,725 х 71,84,

где S - площадь поверхности тела (м2); W - масса тела (кг); Н - длина тела (см).

Кроме площади поверхности тела основной обмен зависит от пола и возраста. У женщин он в среднем на 5% ниже, чем у мужчин. С возрастом величина основного обмена постепенно снижается (табл. 11.3).

Принципиально важно, что в обычных условиях существования величина основного обмена не может быть уменьшена. Снижение основного обмена происходит только при длительном голодании. Усиление же метаболизма могут вызвать многочисленные факторы. Самым сильным из них является специфическое динамическое действие пищи, прием смешанной пищи увеличивает основной обмен примерно на 5-20%, белковой - больше.

Механизм специфического динамического действия пищи неясен. Увеличение энерготрат, связанное с работой желудочно-кишечного тракта при попадании в него пищи, слишком мало, чтобы им можно было объяснить этот феномен.

Мощным влиянием на величину основного обмена организма обладают гормоны щитовидной железы трийодтиронин и тетрайодтиронин (тироксин). При гиперфункции щитовидной железы (тиреотоксикоз) основной обмен может возрасти на 50% и более. Гипофункция железы (микседема) вызывает снижение основного обмена в среднем на 30%.

Возбуждение симпатического отдела автономной нервной системы также усиливает метаболизм (через высвобождение адреналина из мозгового вещества надпочечников и непосредственным действием симпатических нервов на термопродукцию).

Скорость метаболизма усиливают также: курение, холод, поддержание позы, эмоции и др. Поэтому при изменении величины основного обмена у человека (методом непрямой калориметрии, т. е. газоанализа) соблюдают следующие условия: (а) за 1 сут до исследования исключают из питания пищу, богатую белками;

(б) исследование производят не ранее, чем через 10-12 ч после последнего приема пищи (т. е. до завтрака); (в) перед исследованием пациент воздерживается от курения; (г) процедуру проводят в термонейтральной среде (для человека в легкой одежде это примерно 22-24 °С); (д) во время забора проб выдыхаемого воздуха пациент должен лежать (но не спать). Очевидно, что несоблюдение любого из этих условий приведет к ошибке при оценке величины основного обмена.

11.1.5. Обмен в покое и при мышечной работе

Основной потребитель энергии в организме высших животных и человека - скелетные мышцы. Их масса составляет более 45% общей массы тела. Мышечные клетки получают энергию из плазмы крови (в виде глюкозы, лактата, кетоновых тел и свободных жирных кислот) и из собственной цитоплазмы (расщепление гликогена).

Методом непрямой калориметрии показано, что у сидящего человека энерготраты на 40%, а у стоящего на 70% выше величины основного обмена. Этот уровень энерготрат называют обменом покоя.

Легкая (канцелярская) работа увеличивает расход энергии вдвое, ходьба в среднем темпе - втрое, половой акт - в 4 раза, бег трусцой - в 8 раз. Кратковременные физические нагрузки (несколько минут) могут увеличивать скорость метаболизма в 20 раз (табл. 11.4).

Существует множество классификаций труда, основанных на оценке его энергетической цены. Простой принцип разделения профессий предложен Диллом еще в 1936 г. Согласно этому принципу, если в течение 8 ч профессиональной деятельности общие энерготраты не превышают величины основного обмена более чем в 3 раза, следует говорить о работе умеренной тяжести. Энерготраты, равные 3-8 величинам основного обмена, соответствуют тяжелому труду, еще более высокие - очень тяжелому.

Для компенсации затрат энергии питанием необходимо знать не столько величину ежеминутного расхода энергии в процессе труда, сколько общие суточные энерготраты представителя каждой профессии.

С достаточной точностью их можно вычислить, сложив три величины:

- энерготраты за время сна - они примерно соответствуют основному обмену за 8 ч, т. е. 70 ккал/ч х 8 ч == 560 ккал;

- энерготраты за 8 ч так называемой обычной деятельности (прием пищи, дорога домой и из дома, выполнение работы по дому, отдых бодрствуя) - они примерно соответствуют удвоенному основному обмену за 8 ч, т. е. 1120 ккал;

- энерготраты за 8 ч профессиональной деятельности - измеряются в реальных условиях труда.

Таким образом, границей между трудом умеренной тяжести и тяжелым трудом (по Диллу) будет:

560 + 1120 + (3 х 560) = 3360 (ккал/сут.). Начало области очень тяжелого труда будет соответствовать:

560 + 1120 + (8 х 560) = 6160 (ккал/сут.).

Та блица 11.4

Общие энерготраты при различных формах двигательной активности

Форма активности

Энерготраты,

%% от основного обмена

Ккал/ч

Ккал/мин

Обмен покоя:

- лежа (бодрствуя)

77

1,3

110

-сидя

100

1,7

140

-стоя

120

20

170

Обмен работы:

- печатание на машинке

140

2,3

200

- девание/раздевание

150

2,5

215

- ходьба 4 км/ч

210

3,5

300

- половой акт

280

4,7

400

- пилка дров, уборка снега

480

8,0

685

- бег трусцой 8,5 км/ч

570

9,5

815

- гребля 20 гребков/мин

830

13,8

1185

- максимальная активность

(для нетренированного)

1450

24,2

2070

Примечание: в данном примере обмен человека, отдыхающего в постели, на 10% выше основного обмена. Причина различия - специфическое динамическое действие пищи (человек накануне ужинал, и пища содержала белки).

Таблица 11.5

Суточные энерготраты представителей некоторых профессий

Профессия

Суточные энерготраты, ккал

Профессия

Суточные энерготраты,

Клерк

2700

Кочегар

4300

Сапожник

3200

Лесоруб

4600

Автослесарь

3700

Шахтер

5100

Подсчитана энергетическая цена всех массовых профессий (см. табл. 11.5). Есть редкие профессии, требующие еще больших энерготрат. Так, горцы, спускающие поваленный лес на санях в долину, затрачивают в сутки около 7000 ккал. Однако столь тяжелую работу способны выполнять только некоторые из людей, по несколько недель в год и в течение немногих лет.

Большинство жителей развитых стран выполняют работу, общие энерготраты при которой не превышают 2,5-3 величин основного обмена, что примерно соответствует суточным энерготратам 3100-3350 ккал.

11.1.6. Восполнение энерготрат питанием

Энерготраты должны компенсироваться поступлением энергии с пищей. Правильное (рациональное, сбалансированное) питание должно включать в себя белки, жиры и углеводы в соотношении 1:1:4. При этом белки покрывают 15% суточной потребности в энергии, жиры - 30% и углеводы - 55%.

При недостатке одного из пищевых энергоносителей его можно заменять другим, с учетом их энергетической ценности (правило изодинамии). Так, 1 г белков можно заменить 1 г углеводов или 0,5 г жиров. Существуют специальные таблицы (Рубнера) для замены одних пищевых продуктов другими. Следует помнить, что эти таблицы учитывают только один параметр - энергетическую ценность пищевых продуктов. Необходимость получения с пищей витаминов, незаменимых аминокислот, полиненасыщенных жирных кислот, макро- и микроэлементов, пищевых волокон и прочих веществ таблицы Рубнера игнорируют, что ограничивает их применение при разработке пищевых рационов случаями крайней необходимости.

11.1.7. Запасы энергии

В жизни животного периоды, когда пища имеется в избытке, чередуются с периодами скудного питания, а часто и голода. Чтобы обеспечить свои энергетические потребности во время недостаточного поступления пищевых веществ в организм, животные накапливают их (главным образом в виде жиров и углеводов). Значительная часть жителей развитых стран страдает от калорийной избыточности рациона и связанного с этим ожирения. Рацион некоторых сельскохозяйственных животных искусственно поддерживается на избыточном калорийном уровне.

Наиболее мобильным запасом энергии является глюкоза, растворенная в крови. Ее существенным достоинством как источника энергии является то, что она может быть использована не только в аэробном, но и в анаэробном дыхании, т. е., может давать небольшое количество энергии и в отсутствие кислорода (в отличие от жиров). Однако ее количества, содержащегося в крови (20 г), достаточно для поддержания жизни только в течение 1 ч. Запасание большего количества энергии в виде глюкозы невозможно: это привело бы к резкому увеличению либо осмотического давления, либо массы тела. Окисление 1 г глюкозы дает 4,1 ккал энергии. Для обеспечения жизни человека необходимы, по меньшей мере, 2000 ккал/сут, или примерно 500 г глюкозы. Изотонический раствор такого количества глюкозы имел бы объем 10 л, что сопоставимо с объемом всей межклеточной жидкости. Чтобы выжить при голодании в течение одной недели, человек должен был бы хранить в своем организме запас раствора глюкозы, равный массе всего тела - 70 кг. Двухмесячное голодание (примерный предел возможностей человеческого организма) потребовало бы накопления в теле 600 кг изотонического раствора глюкозы.

Однако и у высших животных сохранились структуры, для которых глюкоза остается главным источником энергии: (а) центральная нервная система;

(б) эритроциты (не имеющие митохондрий); (в) клетки мозгового вещества почек (работающие в условиях низкого напряжения кислорода и потому и нуждающиеся в глюкозе для получения энергии анаэробным путем).

Мозг потребляет почти исключительно глюкозу. Только после 4-5 сут полного голодания концентрация кетоновых тел в крови становится достаточной, чтобы обеспечить часть потребностей мозга в энергии, но и после нескольких недель голодания мозг половину своей потребности в энергии удовлетворяет за счет глюкозы.

Полимеризация глюкозы до гликогена облегчает запасание энергии, но не решает проблему полностью. Возможности накопления гликогена также ограничены: он хранится в теле только в присутствии значительного количества воды. Чтобы поститься в течение 1 сут, человеку требуется 1 кг "мокрого" гликогена (500 г собственно гликогена + 500 г воды). Двухмесячный запас составил бы 60 кг. Реальное количество гликогена в человеческом организме (около 100 г в печени и около 200 г в мышцах) достаточно для голодания в течение менее чем 1 сут.

В значительных количествах гликоген откладывают в своем теле только малоподвижные животные, для которых увеличение массы тела большого значения не имеет, например, двустворчатые моллюски и аскариды. Некоторое количество гликогена необходимо и высшим животным - в качестве мобильного источника глюкозы. Скелетные мышцы используют гликоген в случаях недостаточного снабжения их кислородом. Таким образом, гликоген является вторым по очередности использования (после глюкозы) и более емким запасом энергии.

Избыток глюкозы превращается в жиры - самый емкий, но еще менее мобильный запас энергии. Они хранятся в организме почти без воды (80-90% массы жировой ткани приходится на триглицериды) и обладают в 10 раз большей, чем гликоген, энергетической ценностью (в расчете на единицу массы). Именно в виде жиров хранят большую часть запасов энергии подвижные животные. Процесс проникновения глюкозы сквозь клеточную мембрану жировых клеток происходит путем облегченной диффузии и регулируется инсулином. Главные запасы жиров сосредоточены в жировой ткани, но есть небольшие резервы триглицеридов и в мышцах. Несмотря на ведущую роль жировой ткани в качестве запаса энергии, концентрация фрагментов молекулы триглицеридов - свободных жирных кислот в крови невелика и достаточна для обеспечения жизни в течение только 3-4 мин.

Один грамм жира дает при окислении 9,3 ккал энергии. Для обеспечения суточных потребностей человека достаточно 250 г жира. Средней упитанности человек носит в своем теле примерно 10 кг жира, или более чем 40-дневный запас энергии.

В организме перелетных птиц, способных лететь без остановки более 1000 км, жиры составляют до половины всей массы тела. Некоторые виды миног в личиночной стадии развития запасают такое количество жира что пои переходе в половозрелое состояние перестают питаться и желудочно-кишечный тракт у них атрофируется. (Этих миног в высушенном виде прежде использовали в качестве факелов.)

Жиры могут образовываться из глюкозы, но вновь в глюкозу может превращаться только входящий в их состав глицерол (на который приходится лишь 10% общей массы жира). Жирные кислоты в глюкозу не превращаются.

Некоторую энергетическую ценность имеют и белки. При необходимости часть аминокислот, образующихся при расщеплении белков (пищевых или собственных), используется не для ресинтеза белка, а для образования глюкозы (глюконеогенез). Достаточно подвижный белковый пул находится в мышцах печени и лимфоидной ткани. Однако животные неспособны накапливать дополнительные количества белка в качестве запаса энергии, и специального органа для хранения белков не существует. Даже в зародышах, содержащих большое количество белка (яйца, икра), он служит главным образом для обеспечения пластических, а не энергетических процессов. Значительное увеличение массы белков происходит только во время роста.

Два-три килограмма белка, или около 16% от общего его количества содержащегося в теле человека, могут быть использованы для получения энергии. Окисление 1 г белка дает 4,1 ккал энергии. Таким образом, из белков организм человека может получить примерно 12 000 ккал, что достаточно для обеспечения его энергетических потребностей в течение 6 сут.

При условии ежедневного использования 2000 ккал запасы энергии содержащиеся в теле человека, достаточны для 7 недель голодания (глюкозы и гликогена - на 1 сут, жиров - более чем на 40 сут и белков - примерно на 6 сут). Однако суточные энерготраты при длительном голодании снижаются что позволяет человеку выжить в течение еще более длительного времени.

При голодании, частичном или полном, происходит постепенное и поочередное использование запасов энергии: сначала глюкоза и гликоген затем жиры и, наконец, белки. В первые дни ограниченного питания масса тела снижается относительно быстро за счет расщепления гликогена и выведения связанной с ним воды. Затем наступает очередь жиров (обладающих высокой энергоемкостью), и снижение массы тела замедляется. Незнание этих механизмов часто приводит к недоразумениям при попытках похудеть: энтузиазм добровольно голодающего, вызванный успехами первых дней, сменяется столь же неоправданным унынием и возвращением к прежнему режиму питания.

Если человек в течение длительного времени получает субкалорийное питание (например, половину обычного рациона), масса его тела быстро уменьшается примерно на 1/4 и стабилизируется на этом уровне. Основной обмен снижается на 40 %, развивается апатия, человек отказывается от любых видов активности. Все это позволяет ему сохранять жизнь в течение многих месяцев и после возврата к нормальному питанию восстановить здоровье и силы. В детском организме некоторые изменения, вызываемые недостаточным питанием, бывают необратимы.

Однако в опытах на крысах было показано, что субкалорийное питание в период роста не только задерживает развитие, но и увеличивает общую продолжительность жизни животных (см. главу 15). Относится ли эта закономерность к человеку, пока не ясно.

В целом же масса тела - генетически обусловленный фенотипический признак, и поддерживать ее на уровне выше или ниже этой величины можно только ценой непрерывных усилий. Наблюдения за людьми, способными есть досыта и сохранять при этом стройность, показали, что в их организме пища вызывает большее специфическое динамическое действие (см. разд. 11.1.4), чем у лиц, склонных к ожирению. Поясним: у индивидов, генетически запрограммированных на низкое содержание жиров в теле, избыток энергии, получаемый с пищей, быстро превращается в тепло и рассеивается в окружающей среде. В рацион человека, помимо источников энергии, должны входить еще десятки веществ (см. разд. 11.2).

11.2. ПИТАНИЕ

Живой организм нуждается в периодическом поступлении веществ из желудочно-кишечного тракта. Примитивные организмы способны сами синтезировать многие необходимые им вещества, но в ходе эволюции эта способность все более утрачивалась. Поэтому человек и высшие животные не могут длительно обходиться без поступления с пищей более чем 50 субстанций, объединяемых в следующие группы: вода, минеральные вещества, углеводы, липиды, белки, витамины и пищевые волокна (компоненты перечислены в порядке убывания их значимости для поддержания жизни, т. е. в примерном соответствии со сроками гибели организма млекопитающего при отсутствии их в пище).

11.2.1. Потребность в пище и рациональное питание

В развитых странах все пищевые компоненты доступны населению, и проблема заключается лишь в пропаганде и организации рационального, или сбалансированного, питания. В более бедных странах встречаются различные формы алиментарной недостаточности - общей или по отдельным компонентам.

Недостаточность поступления любого из веществ обусловливается не только сниженным содержанием или отсутствием его в пище, но также и нарушением его переваривания и всасывания в желудочно-кишечном тракте или повышенным расходованием в организме, например, при беременности, высокой физической активности, развитии злокачественной опухоли или просто при бурном росте.

11.2.2. Потребность в воде

Вода- самый необходимый из компонентов питания. При достаточном потреблении воды человек может прожить без пищи около 2 мес, без воды - примерно 5-7 сут. В сутки человек потребляет около 2,5 л воды. В процессе метаболизма к этому добавляется еще 300 мл так называемой метаболической воды (образующейся прежде всего в процессе окисления липидов и, в меньшей степени, углеводов). Вода составляет от 1/2 до 2/3 массы тела человека.

В жировой ткани воды очень мало (10%), поэтому содержание воды в организме находится в обратной зависимости от количества жировой клетчатки: у худых людей на долю воды приходится до 75% общей массы тела, у страдающих ожирением - от 45%.

Вода - главный (по массе) компонент всех сред организма, универсальный переносчик питательных веществ, кислорода, тепла, метаболитов и гормонов. В сутки человек теряет с мочой 1,8 л воды, испарением через кожу (перспирация) - 0,6 л, дыханием - 0,3 л и с калом - 0,1 л. В условиях повышенного потоотделения потребление и выведение воды могут многократно возрастать. Даже при полном отсутствии питьевой воды ежедневно примерно 150 мл ее расходуется на образование мочи, что спасает организм от развития уремии (от греч. uron - моча и haima - кровь) - накопления в крови продуктов обмена (главным образом - белкового).

11.2.3. Потребность в минеральных веществах

Минеральные вещества, необходимые организму человека, подразделяют на макроэлементы (суточная потребность более 100 мг) и микроэлементы (суточная потребность менее 100 мг). К макроэлементам относят:

- натрий (Na+) - главный катион внеклеточной жидкости, регулирующий осмотическое давление и кислотно-основное равновесие, участвующий в процессах транспорта через клеточные мембраны и возбуждения;

- калий (К+ - главный катион внутриклеточной жидкости, определяющий возбудимость клеточных мембран;

- кальций (Са2+), также регулирующий возбудимость нервных и мышечных клеток, участвующий в процессах свертывания крови и входящий в состав костей и зубов;

- хлор (Сl-), участвующий в поддержании осмотического давления и входящий в состав желудочного сока (соляная кислота, НCL);

- магний (Mg2+) - кофактор ферментов, компонент костей и зубов, в виде комплекса участвует во внутриклеточных реакциях АТФ;

- фосфор (Р), благодаря которому образуется макроэргическая связь в молекуле АТФ; с участием фосфора осуществляются реакции фосфорилирования, синтез нуклеиновых кислот, создание костей и зубов.

К микроэлементам относят:

- железо (Fe2+), входящее в состав гемоглобина и цитохромов, главный переносчик кислорода в крови человека;

- медь (Си+ и Сu2+), входящую в состав оксидаз, например, цитохром-с-оксидазы, а в гемолимфе ракообразных и моллюсков в составе гемоцианина выполняющую роль переносчика кислорода;

- йод (I-) - компонент гормонов щитовидной железы - трийодтиронина и тетрайодтиронина (тироксина);

- хром (Cr2-) - компонент фактора толерантности к глюкозе

- марганец (Мn2+), молибден (Мо), селен (Se2-) и цинк (Zn2+) - кофакторы различных ферментов;

- фтор (F-), увеличивающий твердость костей и зубов и предотвращающий развитие кариеса.

11.2.4. Потребность в углеводах

Углеводы являются основным источником энергии для организма и кроме того, входят в состав сложных соединений - гликопротеинов, липополисахаридов и пр. Суточная норма потребления определяется степенью физической активности человека (тяжестью выполняемого труда). Средняя норма - 500 г/сут. При недостаточном поступлении углеводов с пищей в качестве источника энергии их в значительной мере заменяют жирные кислоты (образующиеся при расщеплении жиров).

Для головного мозга (и некоторых других органов) глюкоза - единственный источник энергии. Однако для обеспечения этих потребностей глюкоза не

Рис 11.7 Пути метаболизма питетельных веществ

обязательно должна поступать с пищей: она может образовываться в печени из других источников: (а) расщеплением запасенного гликогена; (б) путем глюконеогенеза - превращением в глюкозу некоторых аминокислот и глицерола - трехатомного спирта, образующегося при расщеплении жиров (рис. 11.7). Запасы гликогена очень невелики (см. разд. 11.1.7), поэтому при недостаточном поступлении углеводов с пищей (менее 100 г/сут) для ее синтеза активно используются жиры и белки (пищевые и собственные).

11.2.5. Потребность в липидах

В сутки человек должен потреблять 100 г жиров. Кроме обеспечения части энергетических потребностей организма, пищевые липиды служат материалом для синтеза фосфолипидов клеточных мембран.

В отличие от белков, жиры предпочтительно получать из растительного сырья - они содержат полиненасыщенные жирные кислоты, способные замедлять развитие атеросклероза: линолевую, ?-линоленовую и арахидоновую. При этом линолевая и, возможно, ?-линоленовая кислоты являются эссенциальными, т. е. незаменимыми. Они - предшественники некоторых тканевых, или местных, гормонов - лейкотриенов, простагландинов, тромбоксанов и простациклина.

Еще более богат полиненасыщенными жирными кислотами рыбий жир, например, он содержит эйкозапентаеновую кислоту, обладающую пятью двойными связями, и докозагексаеновую кислоту (шесть двойных связей). Только вкусовые качества и особенно запах рыбьего жира не позволяют широко использовать его в кулинарии.

Избыточное потребление жиров (особенно насыщенных) - фактор риска развития ишемической болезни сердца, рака толстой кишки и молочной железы. Источники насыщенных жирных кислот - мясо, молоко и маргарин.

Холестерин, необходимый для синтеза жёлчных кислот и стероидных гормонов, но одновременно играющий важную роль в развитии атеросклероза, содержится в продуктах животного происхождения и особенно - в яичном желтке.

С пищевыми липидами организм получает растворенные в них витамины A, D, Е и К. "Витамином F" называют сами ненасыщенные жирные кислоты.

11.2.6. Потребность в белках

В сутки в организме человека расщепляется около 400 г белка. Две трети образовавшихся при этом аминокислот идут на ресинтез белка и одна треть расходуется на образование энергии. Отсюда следует, что человек должен получать в сутки 100-120 г белка.

Синтез собственных белков человеческого тела (структурных, ферментов, гормонов) из белков пищевых ограничивается составом последних: синтезу может препятствовать недостаток в пище одной-единственной аминокислоты. Из 20 аминокислот 9 считаются незаменимыми, т. е. они не могут быть синтезированы в человеческом организме и обязательно должны поступать с пищей. Еще две аминокислоты могут образовываться в человеческом организме из незаменимых аминокислот: цистеин - из метионина и тирозин - из фенилаланина. При недостаточности метионина и фенилаланина цистеин и тирозин должны поступать с пищей, т. е. становятся незаменимыми. Желательно, чтобы около половины потребляемых белков было животного происхождения (такие белки богаче незаменимыми аминокислотами).

Тем не менее, правильно организованное вегетарианское питание (например, включающее пшеницу и бобы) способно обеспечить потребности человеческого организма в незаменимых аминокислотах.

В организме ежедневно образуется столько же белка, сколько и разрушается. В этом можно убедиться, сравнивая количества азота, поступающего с пищей и выводимого с экскрементами, слюной, слущенным кожным эпителием, волосами и др. Равенство этих количеств называется азотистым балансом. Во время роста, беременности или при заживлении ран азотистый баланс становится положительным - часть полученного азота остается в организме. При недостаточном поступлении белков с пищей наблюдается отрицательный азотистый баланс. Длительное недоедание (недостаток углеводов и жиров в пище) приводит к тому, что в качестве источника энергии все более используются аминокислоты (глюконеогенез > глюкоза >окисление), что также проявляется отрицательным азотистым балансом. Сначала расходуется часть белков скелетных мышц. Потом наступает очередь белков плазмы крови и происходит следующее: снижение концентрации белков в плазме > падение онкотического давления плазмы > выход жидкости из сосудов в ткани > голодные отеки > нарушения функций органов и систем.

В развивающихся странах (особенно среди детей) встречается заболевание, вызванное недостаточным потреблением белка, - квашиоркор (на языке местного населения Ганы kwashiorkor - "красный мальчик").Оно представляет собой тяжелую форму алиментарной дистрофии; характеризуется задержкой физического развития, распространенными отеками, нарушениями пигментации кожи и кишечного всасывания, психическими расстройствами.

11.2.7. Потребность в витаминах

Витамины выполняют роль коферментов многочисленных биохимических реакций. Различают жирорастворимые (A, D, Е, К) и водорастворимые (С, Р, группа В) витамины.

Жирорастворимые витамины, поступающие в организм с пищей, накапливаются в значительных количествах в печени (A, D и К) или в жировой ткани (Е).

Функции жирорастворимых витаминов и суточная потребность человека в них:

А (ретинол, 1-2 мг) - компонент зрительных пигментов (родопсина и др.), необходим для роста эпителиальной и нервной тканей;

D (антирахитический, кальциферолы, 12-25 мкг - для детей) - регулятор обмена кальция и фосфора в костях;

Е (токоферолы и токотриенолы) - сильный антиоксидант, участвует в репродуктивной функции;

К (антигеморрагический, филлохинон и менахинон, 20-30 мг) _ активатор нескольких факторов свертывания крови.

F (незаменимые жирные кислоты) - не синтезируются в организме и поступают в него с пищей (см. разд. 11.2.5).

Водорастворимые витамины содержатся преимущественно в растительной пище, в значительных количествах накапливаться в организме человека не могут.

Функции водорастворимых витаминов и суточная потребность в них:

B1 (тиамин, 1-2 мг) - окислительное декарбоксилирование ?-кетокислот например, пировиноградной кислоты;

В2 (рибофлавин, 2-4 мг) - перенос электронов (тканевое дыхание);

В3 (пантотеновая кислота, 10 мг) - окисление пировиноградной кислоты, синтез жирных кислот, стероидных гормонов, гема, ацетилхолина и др.;

B6 (пиридоксин, пиридоксаль, 2 мг) - трансаминирование и декарбоксилирование аминокислот, в том числе с образованием биогенных аминов

B9 (фолиевая кислота, фолацин Вс, витамин М, 200 мкг) - биосинтез пуриновых и пиримидиновых оснований.

B12 (кобаламин, 2-5 мкг) - взаимопревращения некоторых аминокислот,

синтез метионина;

РР (никотиновая кислота, ниацин, никотинамид, 15-25 мг) - участие (в виде НАД и НАДФ) в окислительно-восстановительных реакциях;

С (аскорбиновая кислота, 100-120 мг) - антиоксидант, физиологическая роль его очевидна (например, предупреждение геморрагии), но конкретные механизмы, участие в которых витамина С доказано, пока немногочисленны (синтез коллагена и, возможно, катаболизм тирозина);

Н (биотин, 150-200 мкг) - участие в синтезе белков, жирных и нуклеиновых кислот;

Р (рутин, цитрин) - стабилизация основного вещества соединительной ткани (ингибированием гиалуронидазы);

Недостаточное поступление витаминов с пищей приводит к развитию гиповитаминозов - многообразных нарушений функций организма (например, цинга - при гиповитаминозе С или ксерофтальмия при гиповитаминозе А). Гиповитаминозы проявляются не сразу: в теле человека содержится значительный (иногда - на несколько месяцев) запас многих витаминов, особенно жирорастворимых А и Е. Витамин К синтезируется кишечными бактериями. Аскорбиновая кислота, наоборот, должна поступать с пищей постоянно, так как запасов этого витамина в организме нет. Избыточное потребление некоторых витаминов (A, D) может приводить к гипервитаминозам. Например, для предупреждения гипервитаминоза А в руководстве по выживанию для летчиков, совершивших вынужденную посадку в Арктике, сказано: "Не ешьте печень белого медведя".

К витаминам примыкает группа витаминоподобных веществ: парааминобензойная (витамин Вх), пангамовая (витамин B15) и липоевая кислоты, инозит (витамин B8), убихинон (кофермент Q), витамин U, холин (витамин В4) и др.

11.2.8. Потребность в пищевых волокнах

Кроме всех перечисленных компонентов пищи, организм человека нуждается в некотором количестве грубоволокнистых веществ, переваривание которых в пищеварительном тракте затруднено или невозможно. Это компоненты стенки растительных клеток: целлюлоза (клетчатка), гемицеллюлоза, лигнин, смолы, пектины и пентозаны. У человека отсутствуют ферменты, необходимые для расщепления клетчатки, но жвачные имеют для этой цели особым образом устроенный желудок, в котором пищевая клетчатка разрушается ферментами постоянно присутствующих там микроорганизмов.

Волокна задерживают опорожнение желудка и тем самым замедляют всасывание глюкозы и повышение ее концентрации в крови, что в конечном счете уменьшает риск заболевания сахарным диабетом.

В кишечнике человека происходит сбраживание клетчатки. Образующиеся при этом газы растягивают кишку, на что гладкомышечные элементы в ее стенке отвечают повышением своего тонуса. В результате усиливается перистальтика кишечника. Кроме того, волокна задерживают в кишечнике воду, поддерживая мягкую консистенцию экскрементов. Злоупотребление высококалорийной пищей, не содержащей балластных веществ ("бутербродное питание"), приводит к задержке, экскрементов в кишке и их уплотнению (запор).

Смолы и пектины, содержащиеся в овощах и фруктах, связывают холестерин пищи, препятствуя, таким образом, развитию атеросклероза.

В качестве крайней меры недостающие компоненты пищи могут быть заменены специальными пищевыми добавками (витамины и полиненасыщенные жирные кислоты в драже и т. п.). Мода на атлетизм (бодибилдинг) привела к разработке специального "спортивного" питания с высоким содержанием отдельных аминокислот.

В пищевых продуктах могут содержаться и другие полезные для организма вещества, до настоящего времени неизвестные науке. Поэтому разнообразное питание естественными продуктами является предпочтительным по отношению к применению всякого рода заменителей.

Об обеспечении питанием потребностей в энергии см. разд. 11.1.6.

11.3. ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ

Зависимость жизнедеятельности организмов от температуры тела тем выше, чем выше степень их организации. Отдельные клетки (при выполнении некоторых условий) не теряют жизнеспособности и при охлаждении почти до О К (-273 °С). Многие микроорганизмы выдерживают нагревание до температур выше 60-70 °С. Термофильные бактерии постоянно живут в воде гейзеров при температуре около 100 оС. Для тела многоклеточных организмов границы приемлемого диапазона температур значительно уже.

Согласно правилу Вант-Гоффа-Аррениуса скорость протекания любой химической реакции прямо пропорциональна температуре среды, в которой она происходит. Количественно эта зависимость описывается коэффициентом Q10:

Q10 = Kt+10 / Кt

где Kt - скорость реакции при температуре t °C; Kt+10 - скорость той же реакции при температуре (t +10) °C.

Чем больше скорость реакции зависит от температуры среды, тем более высокие значения принимает коэффициент Q10. Для большей части обменных процессов, происходящих в организме высших животных, средняя величина Q10 лежит между 2 и 3, что означает: снижение температуры тела на 10 °C приводит к более чем двукратному замедлению биохимических реакций.

11.3.1. Пойкилотермия и гомойотермия

За исключением птиц и млекопитающих, все животные (рептилии, амфибии, рыбы, круглоротые, беспозвоночные) являются пойкилотермными (от греч.: poikilos - разнообразный и therme - тепло), или холоднокровными. Температура их тела зависит почти исключительно от температуры окружающей среды. Такая зависимость называется эктотермией. Единственная возможность поддержания температуры тела в допустимых пределах заключается для этих животных в поведенческой терморегуляции, т. е. в способности активно перемещаться в среду с более благоприятными температурными условиями. Так, рептилии выползают на прогретые солнцем камни или, наоборот, прячутся в тень, рыбы выбирают слои воды с приемлемой температурой и т. д. - реакция термопреферендума (от лат. praeferre - предпочитать). До некоторой степени холоднокровные могут изменять и саму окружающую среду путем постройки гнезд, ульев и т. п. Помогает им сохранить температуру тела и способность собираться вместе группами (окучивание). Повышение двигательной активности у части пойкилотермных (летающие насекомые) также способствует некоторому согреванию тела. Однако исходно низкий уровень метаболизма не позволяет им увеличить теплопродукцию в степени, достаточной для поддержания температуры тела на постоянно высоком уровне. Чаще происходит обратное: снижение температуры тела замедляет биохимические реакции (и в частности снижает активность ферментов) в теле холоднокровных, что заставляет этих животных ограничивать свою активность.

Предполагают, что такая зависимость скорости движений от температуры окружающей среды стала одной из главных причин вымирания гигантских рептилий во время очередного похолодания климата Земли в конце третичного периода, несколько миллионов лет назад.

В юрский период (примерно 180-135 млн. лет назад), когда даже в средних широтах дневная температура воздуха была значительно выше +25 °С, сформировались птицы и млекопитающие. Их ферментные системы были изначально адаптированы к высокой температуре тела (36-39 °С). Для сохранения ее на том же уровне в относительно холодное ночное время животные этих двух классов, кроме поведенческих терморегуляционных реакций, обладали новым достижением эволюции - механизмами вегетативной, или физиологической, терморегуляции, позволявшими эффективно изменять величины теплопродукции и теплоотдачи (см. разд. 11.3.5 и 11.3.6).

Способность сохранять температуру тела на относительно постоянном уровне, отклонения от которого (ночные или сезонные) в обычных условиях не превышают ± 2 °С, независимо от значительных колебаний температуры внешней среды, называется гомойотермией (от греч. homoios - подобный и therme - тепло) (гомеотермией). Гомойотермия обеспечивала поддержание постоянно высокой скорости биохимических реакций, что дало теплокровным по меньшей мере два важных преимущества. Во-первых, это позволило произвести многократное усложнение структуры и функций мозга, во-вторых - приспособиться к глобальному похолоданию, произошедшему в конце третичного периода. Названные преимущества предопределили исход конкурентной борьбы между теплокровными и рептилиями.

Наличие в организме собственного мощного источника тепла (и, соответственно, уменьшение зависимости от поступления его извне) называется эндотермией. Эндотермия является основой терморегуляции у теплокровных и в очень небольшой степени свойственна холоднокровным.

Поддержание температуры тела на постоянном уровне стало возможным только после выхода животных на сушу: в водной среде для мелких животных это создало бы непосильную нагрузку на метаболизм. Гомойотермы, вернувшиеся полностью или в основном к водному образу жизни, сохраняют высокую температуру тела благодаря большим размерам тела и толстому термоизоляционному слою подкожного жира (киты, моржи, котики и др.).

Оборотной стороной эволюционных приобретений гомойотермов стали: во-первых, .возросшая зависимость их от регулярного поступления пищи в организм и во-вторых, приближение температуры их тела к опасному порогу тепловой смерти (см. разд. 11.3.5 и 11.3.8).

Пойкилотермные животные, уровень основного обмена которых примерно втрое ниже, чем у гомойотермов, легко переносят длительное отсутствие пищи. Нильский крокодил обильно питается белковой пищей один раз в год, в засушливый период, когда стада антилоп собираются у единственного источника воды. Снижение температуры тела в холодное время года вызывает в организме пойкилотермов соответствующее снижение метаболизма, что позволяет им в течение недель и месяцев поддерживать свою жизнь только за счет расходования внутренних запасов питательных веществ. Так, европейская лягушка проводит зимние месяцы вообще без пищи.

У гомойотермных организмов даже небольшое снижение температуры тела немедленно вызывает ответную терморегуляционную реакцию - снижение теплоотдачи и увеличение теплопродукции, что требует значительных затрат энергии. благодаря этому замедления биохимических реакций в наиболее важных органах не происходит (исключение составляют сезонная спячка и некоторые другие состояния - см. разд. 11.3.10).

Повышение температуры тела представляет для теплокровных организмов еще большую опасность. Для некоторых белков и в частности ферментов при температуре тела выше 39-40 °С коэффициент Q10 равен не 2-3, а 200, т. е. даже небольшое повышение температуры сверх названного предела приводит к резкому снижению активности ферментов и, соответственно, - скорости катализируемых ими реакций. Величина Q10 не одинакова для белков различных органов:

она максимальна в головном мозгу и минимальна в скелетных мышцах.

У гомойотермных, в том числе и у человека, в обычных условиях внешней среды циклические изменения температуры ядра тела (суточные и сезонные) - не превышают ± 2 °С. Сильное и продолжительное воздействие холода, особенно в сочетании с малой подвижностью - гипокинезией или, наоборот, пребывание в жаркой среде, особенно в сочетании с высоким уровнем двигательной активности, могут вызвать выход температуры тела за эти пределы. Предупреждение и минимизация таких отклонений - задача системы терморегуляции птиц и млекопитающих. Достаточно любой из перечисленных выше причин привести к изменению средней температуры кожи на 1,0 °С или температуры гипоталамических нервных центров на несколько десятых градуса Цельсия чтобы система терморегуляции тотчас ответила на это.

Граница между пойкило- и гомойотермией не является абсолютной. Во-первых, у некоторых холоднокровных, например, у кожистой черепахи, обладающей большой массой тела (свыше 400 кг) и мощным панцирем (термоизолятором), температура тела постоянно превышает температуру морской воды на несколько градусов. В состоянии двигательной активности это различие иногда может достигать почти 20 °С. Обнаружены отдельные признаки терморегуляции и у костистых рыб (тунец). Во-вторых, для части теплокровных в некоторые периоды их жизни (ранний онтогенез, зимняя спячка и др. - см. 11.3.10, 11.3.11) характерен особый тип зависимости температуры тела от условий внешней среды - гетеротермия. При ней температура тела не поддерживается на строго постоянном уровне, но и не полностью следует за изменениями температуры окружающей среды.

11.3.2. Температура тела

Поддержание постоянства температуры во всем теле теплокровного потребовало бы совершенно неоправданных затрат энергии. Эволюция разместила в периферических частях тела клетки и ткани, способные выполнять свои функции при разных температурах. И, наоборот, во внутренних частях тела находятся органы, исключительно чувствительные к изменению их температурного режима. Например, потребности клеток печени и особенно - нейронов головного мозга в неизменном уровне температуры не сопоставимы с аналогичными потребностями клеток кожного эпителия и подкожной жировой клетчатки. Отсюда следует, что предметом регуляции является тепловое состояние не всего тела в целом, но только его внутренних органов.

По поводу конкретного параметра, по которому поддерживается постоянство, среди специалистов нет единства мнений. Некоторые считают объектом регуляции температуру тела, другие - его теплосодержание, третьи - величину испускаемого им теплового потока.

Рис. 11.8 Соотношение между "ядром" тела и его "оболочкой" в условиях холода (А) и тепла (Б)

В теле гомойотермного животного выделяют две части: ядро и оболочку. В "ядре" происходит образование тепла, "оболочка" рассеивает его в окружающую среду. В жаркой среде и/или при высоком уровне двигательной активности границы "ядра" расширяются. В холодной среде и в покое, наоборот, происходит сужение "ядра" тела и, соответственно, расширение его "оболочки". Поэтому к "ядру" тела во всех случаях относят внутренние органы (много тепла образуется в печени, кишке, головном мозге) и иногда - скелетные мышцы. "Оболочку" составляют: кожа и подкожная жировая клетчатка (всегда) и иногда - скелетные мышцы. Таким образом, "ядро" и "оболочка" (далее эти термины приводятся без кавычек) - понятия не морфологические, но функциональные. Граница между ними не постоянна и перемещается в зависимости от температуры окружающей среды, теплоизолирующих свойств одежды или меха и уровня двигательной активности (рис. 11.8).

В неблагоприятной внешней среде организм жертвует температурным режимом оболочки (кожи, подкожного слоя, даже скелетной мускулатуры), сосредоточивая все свои усилия на сохранении неизменного уровня температуры ядра (головного мозга и средостения, в котором проходят кровеносные сосуды, несущие кровь к головному мозгу).

Восстановление нормального уровня температуры (оболочки) (+34 °С) - второстепенная задача, которую организм выполняет, как только появляется к тому возможность. Поэтому температура периферических частей тела теплокровного животного значительно колеблется без какого-либо ущерба для его здоровья и активности. Так, у человека температура пальцев может, не вызывая болевых ощущений, изменяться в пределах не менее чем трех десятков градусов Цельсия (примерно от +15 до +45 °С). Поэтому понятие постоянства следует связывать с температурой ядра в большей степени, чем с температурой оболочки. Такое соотношение отражает формула Бартона для оценки средней температуры тела человека:

Ттела = 2/3 Т ядра + 1/3 Тоболочки (1).

Коэффициенты 2/3 и 1/3 даны для так называемой термонейтральной среды (температура воздуха +22 °С, человек легко одет) и состояния покоя. В холоде сужение ядра тела приведет к снижению первого коэффициента и соответствующему повышению второго. В жаркой среде и/или при тяжелой мышечной работе первый коэффициент может приблизиться к 1, а второй - к 0.

Температуру ядра тела измеряют разными способами: погружая термометр в прямую или сигмовидную кишку - ректальная или колоническая температуры (у человека равна 37,0-37,2 °С); в пищевод, на уровень сердца - эзофагальная; под язык - оральная, или сублингвальная (у человека она на 0,2-0,5 оС ниже ректальной); в наружный слуховой проход вблизи барабанной перепонки, при обязательной обтурации прохода тампоном - аурикулярная температура. Наиболее информативно измерение температуры гипоталамической области мозга.

Температуру оболочки тела измеряют только на открытых участках кожи и слизистых оболочках. Для точной ее оценки у человека многочисленные температурные датчики (от 7 до 20-30) фиксируют на всех основных участках поверхности тела: на лбу, щеках, шее, груди, животе, спине и т. д. Результат измерения в каждой точке умножают на коэффициент, отражающий долю данной области в общей площади поверхности тела, и получают средневзвешенную температуру кожи (СВТК), которую в качестве средней температуры оболочки тела используют в формуле Бартона. У человека, находящегося в термонейтральной среде, СВТК равна примерно 33-34 °С. В экспериментах на животных за температуру оболочки принимают температуру какой-либо не покрытой густым мехом части тела (хвост крысы, ухо кролика и т. п.).

Наиболее распространенный в клинической практике показатель теплового состояния - температура подмышечной области (аксиллярная температура). На нее оказывают влияние и температура ядра, и температура оболочки, поэтому аксиллярная температура близка к средней температуре тела (см. формулу Бартона). Для точного измерения аксиллярной температуры подмышечная впадина должна быть закрыта (рука прижата к туловищу) в течение не менее чем 10 мин - для накопления в этой области достаточного количества тепла.

Ценную информацию дает измерение температуры в конкретных органах- непосредственно или неинвазивно (с области проекции органа на поверхность тела - см. рис. 11.13), однако до настоящего времени этот подход не получил должного развития.

11.3.3. Терморецепция, субъективные температурные ощущения и дискомфорт

Для того чтобы регулировать тепловое состояние организма, головной мозг должен постоянно получать адекватную информацию о температуре различных частей тела (и ядра, и оболочки). В коже обнаружены многочисленные точки с высокой температурной чувствительностью (у одних точек - к теплу, у других - к холоду). Однако попытки морфологически идентифицировать сами тепловые и холодовые рецепторы лишь поначалу казались успешными. Проблема состоит в том, что перед рассечением тканей их замораживают, при этом рецепторы смещаются настолько, что связать с достаточной степенью надежности функцию (повышенная чувствительность к теплу или к холоду) с конкретной структурой (типом кожных рецепторов) - не удается. Ненадежность результатов таких исследований привела к появлению термина термосенсор. Употребляя его, физиолог просто откладывает на будущее попытку ответить на вопрос, как именно выглядит данный терморецептор.

По афферентным волокнам кожных нервов температурная информация поступает в дорсальные рога спинного мозга (в собственные ядра спинного мозга), оттуда по восходящему боковому спинно-таламическому пути - в таламус и далее - в гипоталамус, где и происходит ее синтез (рис. 11.9.).

В отличие от классической схемы анализатора, в системе терморецепции у человека и высших животных есть второй, не менее важный, чем терморецепторы кожи и слизистых оболочек, источник температурной информации - кровь протекающая по сосудам гипоталамуса. Нейроны, расположенные преимущественно в передней гипоталамической области, непосредственно воспринимают температуру омывающей их крови. Информация, поступающая от периферических и центральных термосенсоров, интегрируется в гипоталамусе (главным

Рис. 11.9 Основные физиологические механизмы терморецепции и терморегуляции

Часть элементов, находящихся на одном и том же уровне ЦНС, изображена на схеме справа, другие - слева. И те и другие следует рассматривать одновременно. 1 - периферические терморецепторы, 2 - воздействие температуры крови на термочувствительные нейроны, 3 - гипоталамус, 4 - таламус, 5 - ретикулярная формация, в - кора больших полушарий мозга, 7 - гипофиз, 8 - шишковидное тело, 9 - ткани тела, 10 - надпочечники, 11 - симпатические ганглии, 12 - сосуды (артериолы) ядра тела, 13 - сосуды (артерио-венозные анастомозы) оболочки тела, 14 - потовые железы, I5 - поверхность кожи и слизистых оболочек, 16 - скелетные мышцы, 17 - спинной мозг. ТЛ - тиреолиберин (тиреотропин-рилизинг-гормон), ТТГ - тиреотропный гормон (тиреотропин), T3/T4 - три- и тетрайодтиронины, А - адреналин. На схеме не обозначены нисходящие проводящие пути от головного мозга к мотонейронам вентральных рогов спинного мозга.

образом в задней его части), и эта интегрированная оценка теплового состояния используется системой терморегуляции для "принятия решения" о необходимости активировать механизмы теплоотдачи или, наоборот, теплопродукции.

Убедиться в этом позволяет следующий опыт. Обезьяне вживляют в гипоталамическую область мозга термод (тонкую трубочку, промываемую водой) и помещают животное в климатическую камеру. Если одновременно повышать температуру воздуха в камере и снижать температуру воды в термоде или, наоборот, охлаждать окружающую среду и согревать гипоталамус, можно добиться такого равновесия потоков противоречивой информации, при котором и теплопродукция, и теплоотдача будут минимальны, т. е. организм будет реагировать так, как если бы животное находилось в условиях термонейтральной среды.

Факт интеграции температурной информации, приходящей из разных источников, подтверждают и наблюдения на человеке. На испытателя надевают специальный костюм, прошитый двумя длинными трубками. Трубки уложены "змейками" таким образом, что одна покрывает правую половину тела, другая- левую. По трубкам Одновременно пропускают воду различной температуры, согревая одну половину тела и охлаждая другую. При этом не происходит ни увеличения теплопродукции (электромиограмма, регистрируемая с мышц шеи, не выявляет признаков холодовой дрожи), ни прироста теплоотдачи (потоотделение в лобной области отсутствует).

Термочувствительные нейроны обнаружены также и в спинном мозгу, однако влияние их на формирование интегративной оценки температуры менее значительно.

Информация о тепловом состоянии организма всегда достигает коры больших полушарий, но предметом сознательного анализа она становится лишь тогда, когда температура тела существенно отличается от должных значений. Во всех других случаях терморегуляционные реакции осуществляются без непосредственного вмешательства высших отделов головного мозга.

Человек способен относительно независимо оценивать температуру окружающей его среды (от "очень холодно" до "очень жарко") и свое состояние как результат такого воздействия (от "полный комфорт" до "сильный дискомфорт").

Восприятие среды как термонейтральной ("ни тепло, ни холодно") не всегда совпадает с ощущением своего состояния как вполне комфортного. Например, для человека, переходящего из сауны в бассейн с холодной водой, синонимами будут понятия "холодно" и "комфортно". Тепловой комфорт не всегда обеспечивает максимальную работоспособность человека. Например, поддержание высокого уровня внимания при длительной монотонной работе (авиадиспетчер у экрана локатора) наблюдается при температуре воздуха примерно на 4 °С ниже зоны комфортных ощущений. С другой стороны, для сложной мыслительной (творческой) деятельности условия теплового комфорта являются наилучшими.

11.3.4. Центральные (мозговые) механизмы терморегуляции

Центр терморегуляции (в узком смысле) находится в гипоталамической области головного мозга. Нейроны предоптической области/переднего гипоталамуса ответственны главным образом за активацию теплоотдачи, нейроны заднего гипоталамуса - за усиление теплопродукции.

Еще в 1860-х гг. немецкий врач К. Либермейстер высказал гипотезу, согласно которой центры терморегуляции хранят информацию о так называемой установочной точке (set point) гипоталамического термостата. Нейроны гипоталамуса постоянно сопоставляют интегративную оценку реальной температуры тела (см. разд. 11.3.3) с величиной установочной точки. Если температура тела выше установочной точки, мозг посылает тормозные сигналы к органам теплопродукции и возбуждающие - к органам теплоотдачи. Если текущее значение температуры тела оказывается ниже этого должного значения, включаются механизмы сбережения тепла и увеличения теплопродукции. Точными измерениями установлено, что отклонения температуры гипоталамуса от установочной точки на 0.4 °С достаточны, чтобы произошло рефлекторное изменение кровотока в периферических тканях (вазодилатация и усиление теплоотдачи в ответ на повышение температуры гипоталамуса и, наоборот, вазоконстрикция при его охлаждении).

Установочная точка гипоталамического термостата не является абсолютно неизменной, она претерпевает периодические изменения в течение суток (циркадный (от лат. circa - около и dies - день), или циркадианный, ритм). У человека амплитуда суточных колебаний составляет примерно 1,0 °С. Механизмы терморегуляции быстро устраняют различие между температурой тела и новым значением установочной точки. Минимальные значения установочной точки и температуры тела наблюдаются примерно около 2 ч ночи, максимальные - около 2 ч дня. Эти изменения задаются "биологическим часами": сон днем и бодрствование ночью не изменяют динамики температуры тела.

В женском организме к этим периодическим колебаниям добавляется еще и влияние менструального цикла: ректальная температура до овуляции в среднем на 0,5 С ниже, чем после нее, что также объясняют изменениями установочной точки (возможно, под действием прогестерона). Потребление пищи и мышечная активность непосредственно на установочную точку гипоталамического термостата не влияют. Установочная точка не подвержена сезонным изменениям, но может сместиться в результате термической адаптации (см. разд. 11.3.9).

В последние годы к классическим представлениям о локализации центров терморегуляции добавились данные о химической специфичности этих центров. Показано, что одним из нейротрансмиттеров, с помощью которых гипоталамические нейроны управляют нисходящими путями к симпатическим нейронам спинного мозга, является нейропептид бомбезин (или родственный ему гастрин-рилизинг пептид). Повышение концентрации этого пептида в мозге животных вызывает резкое перераспределение части кровотока из ядра тела в его оболочку (см. разд. 11.3.6) и увеличение теплоотдачи, близкое к предельному. В центральных механизмах терморегуляций участвуют и другие пептидергические системы мозга: вазопрессинергическая и кортикотропинергическоя (она же ?-меланотропинергическая) системы способны усиливать теплоотдачу, тиреолиберинергическая - теплопродукцию. Системы мозга, использующие в качестве медиаторов субстанцию Р и нейротензин, одновременно активируют и теплопродукцию, и теплоотдачу. Соматостатин, ангиотензин II, кортиколиберин, пептид дельта-сна (DSIP) и холецистокинин мало участвуют в центральных механизмах терморегуляции. Опиоидная система мозга, по-видимому, не оказывает непосредственного влияния на терморегуляцию, но, действуя через другие системы мозга, вызывает разнонаправленные терморегуляционные эффекты.

11.3.5. Теплопродукция

Производство тепла неотделимо от самой основы жизни. Согласно второму началу термодинамики при любом превращении энергии (в том числе и в живом организме) часть ее превращается в тепло. Наиболее важные физиологические процессы, служащие источниками тепла в теле гомойотермного животного, таковы: (1) основной обмен, (2) поддержание позы, (3) холодовой мышечный тонус, (4) двигательная активность и (5) холодовая дрожь.

Основной обмен - важнейший (не по величине, но по биологической значимости) источник тепла. Оно образуется в результате постоянно происходящих в организме процессов: поддержания трансмембранных градиентов (концентрационных, электрохимических, осмотических и пр.); работы сердца и дыхательных мышц; перистальтики кишки; поддержания тонуса гладких и скелетных мышц. Основной обмен регистрируют, помещая организм в термонейтральную среду (для обнаженного человека это 26-28 оС - см. разд. 11.3.8). Величина основного обмена остается неизменной и тогда, когда температура внешней среды ниже или выше нейтральной. В этих случаях, помимо основного обмена, в организме образуются дополнительные количества тепла: в холоде - для обогрева тела, в жаркой среде - как следствие повышения температуры тканей и соответствующего ускорения биохимических реакций (кроме того, работа системы потоотделения вызывает дополнительные затраты энергии). Надо отчетливо понимать, что величина основного обмена не может быть снижена никогда, в том числе и при угрозе перегревания. Гомойотермных животных от порога тепловой смерти (температуры тела, при которой начинается денатурация белка) отделяют лишь несколько градусов Цельсия (человека - примерно 6 °С). Тем не менее, для обеспечения высокого уровня активности нервной системы теплокровные вынуждены поддерживать высокую скорость биохимических реакций, а это возможно лишь при высокой температуре тела. Ради получения названных преимуществ эволюционное развитие приблизило тепловое состояние высших животных и человека к опасному пределу.

Второй источник тепла - поддержание позы. Даже небольшого изменения ее достаточно для значительного прироста теплопродукции. Так, у сидящего человека теплопродукция на 40-45%, а у стоящего на 70% выше, чем у лежащего.

В условиях холода тонус скелетных мышц дополнительно возрастает (независимо от позы), что способствует сохранению постоянства температуры тела. Это так называемый холодовой мышечный тонус. Поясним: холодовым мышечным тонусом называется только прирост мышечного тонуса, вызванный воздействием внешней среды, но не суммарная величина Мышечного тонуса, регистрируемого в условиях холода.

Третий источник тепла - двигательная активность. Примерно 75-80% энергии химических связей, используемой для выполнения любой мышечной работы, превращается в организме в тепло. При этом общий расход энергии (энерготраты) возрастает пропорционально тяжести работы. Так, даже ходьба медленным шагом троекратно увеличивает теплопродукцию. Тяжелый физический труд увеличивает энерготраты в 3-8 раз (см. разд. 11.1.5).

Если прирост теплопродукции не уравновешивается охлаждающим действием внешней среды, активируются механизмы теплоотдачи, и образовавшийся избыток тепла немедленно выводится из организма. В холодной внешней среде гомойотермные животные, чтобы согреться, могут намеренно увеличивать свою двигательную активность. При средней и высокой степени мышечной активности тепла образуется так много, что строгое поддержание температуры ядра тела становится энергетически невыгодным. В этих условиях система терморегуляции позволяет температуре тела подняться до 39,0-39,5 °С - максимального уровня, не приводящего к снижению активности ферментов, и покуда возможно удерживает ее уже на этом предельном уровне. Если же теплопродукция столь велика, что и при полном использовании механизмов теплоотдачи все же происходит дальнейший рост температуры тела, животное бывает вынуждено снизить уровень двигательной активности. Например, песец во время длительного бега ложится на снег, чтобы избавиться от накапливающегося избытка тепла.

Четвертый источник тепла - холодовая мышечная дрожь - сокращения скелетных мышц с частотой 10-20 раз в 1 с. Поскольку никакой внешней (полезной) работы при дрожи не совершается, вся энергия, расходуемая на эти мышечные сокращения, остается в организме в виде тепла. Холодовая дрожь способна за несколько минут повысить величину теплопродукции примерно в пять раз. Эта эволюционно молодая и очень эффективная терморегуляционная реакция используется организмом гомеотермов почти исключительно в ситуациях, когда необходимо срочно повысить температуру тела. Вызываемый дрожью прирост теплопродукции называют сократительным термогенезом. Такое название может вызвать неверное понимание. Поясним: под сократительным термогенезом понимается не общее количество тепла, образующегося при любом мышечном сокращении, но только прирост теплопродукции, вызываемый исключительно холодовой мышечной дрожью. На английский язык этот термин переводится как shivering thermogenesis ("дрожательный термогенез").

Пятый механизм терморегуляции - несократительный термогенез. Он возник в эволюции раньше, чем сократительный. При сильном и, главное, длительном воздействии холода на организм теплокровного энергия химических связей начинает превращаться в тепло непосредственно, минуя фазу механической работы, т. е. без сокращения мышц. При вскрытии адаптированных к холоду животных в межлопаточной области обнаруживают скопление особой бурой жировой ткани, в которой количество митохондрий значительно больше чем в обычной (белой) жировой ткани. Поэтому образование тепла в бурой жировой ткани происходит более интенсивно. Симпатические нервные волокна и адреналин, выделяемый мозговым веществом надпочечников, через (?-адренорецепторы бурой жировой ткани активируют в ней липолиз. Активация несократительного термогенеза происходит более медленно, чем возникает холодовая дрожь.

Расположение бурой жировой ткани в проекции средостения, в непосредственной близости от спинного мозга и сосудов, несущих кровь к головному мозгу, указывает на ее предназначение - обогревать центральную нервную систему при угрозе ее переохлаждения. Поиски бурой жировой ткани у человека JS целом не увенчались успехом. Только у недоношенных младенцев удается найти ее мелкие островки, но не в межлопаточной области, а диффузно - по всему телу. Тем не менее, и у взрослого человека несократительный термогенез имеет место: предполагают, что в процессе онтогенеза специализированный орган несократительного термогенеза -бурая жировая ткань - исчезает и ее роль берет на себя скелетная мускулатура.

Из числа гормонов наибольшим влиянием на теплопродукцию обладают йодтиронины и адреналин. Гормоны эти обладают универсальным катаболическим действием и усиливают образование тепла не только в бурой жировой ткани, но и практически во всех тканях. При необходимости повысить образование тепла гипоталамус увеличивает высвобождение тиреолиберина, тот стимулирует выброс аденогипофизом тиреотропного гормона, воздействие которого на щитовидную железу приводит к увеличению концентрации в крови три- и тетрайодтиронинов (см. рис. 11.9). Гормоны щитовидной железы и высвобождающиеся в кровь из мозгового вещества надпочечников адреналин и норадреналин (последний - в небольших количествах) оказывают повсеместный катаболический эффект и способствуют разобщению окислительного фосфорилирования. Все это приводит к росту теплопродукции.

Воздействие холода на теплокровных с малой и средней массой тела (до 100 кг) вызывает увеличение теплопродукции. У крупных млекопитающих (крупный рогатый скот, олени, медведи, тюлени и др.) соотношение "масса тела/площадь поверхности тела" (а, следовательно, и соотношение "теплопродукция/теплоотдача") значительно выше, чем у мелких. Поэтому крупные гомойотермы в увеличении теплопродукции не нуждаются: им и в условиях холода достаточно того тепла, которое образуется в результате основного обмена и обычной двигательной активности.

11.3.6. Теплоотдача

Рассеивание тепла в окружающую среду является для гомойотермных организмов жизненно необходимым. Так, накопление в организме только того количества тепла, которое образуется в результате основного обмена, при полном отсутствии теплоотдачи за несколько часов привело бы к смерти от перегревания.

Например, удельная теплоемкость человеческого тела составляет 0,83 ккал х кг-1 х град-1 (3,48 кДж х кг-1 х град-1), т. е. для того, чтобы повысить температуру тела на 1 °С, необходимо затратить 0,83 ккал на каждый килограмм массы. Активность ферментов резко снижается уже при температуре тела 43 оС, для этого температура тела должна повыситься на 6 оС. Величина основного обмена равна 1 ккал х кг-1 х ч-1. Следовательно, время, в течение которого основной обмен при полном отсутствии теплоотдачи повысит температуру тела до летального уровня, равно (0,83 х 6)/1 = 5, т. е. пяти часам. Реально необратимые изменения произойдут еще быстрее, так как по мере роста температуры тела растет и скорость метаболизма, а следовательно, и теплопродукция.

Тепло покидает живой организм несколькими путями. Теплопроведение (лат.: conductio, условное обозначение - К) - передача тепла предметам, с которыми тело соприкасается непосредственно. В положении стоя этот путь теплоотдачи имеет наименьшее значение: в лапах животных есть специальные механизмы сбережения тепла (см. ниже), человека защищает обувь (но только сухая). Когда животное или человек садится и, особенно, когда ложится, площадь контакта с землей, полом и т. п. многократно возрастает и, соответственно, увеличиваются потери тепла. Поэтому животные в норах и гнездах устраивают подстилку из сухих растений. Громадное значение этот путь теплоотдачи приобретает в случае, когда лежать приходится на мокрой холодной земле (теплоизолирующие свойства меха или одежды при этом уменьшаются примерно в 20 раз).

Следующий путь - теплоизлучение (лат.: radiatio - R). Все предметы (имеющие температуру выше О К) излучают инфракрасные лучи. Согласно закону Стефана-Больцмана обмен тепловыми лучами происходит пропорционально разности четвертых степеней температур (в Кельвинах) тела и окружающих его предметов:

R=T кожи4 - Тстен4 (2),

Даже небольшая разница температур приводит к значительному различию в количестве излучаемой энергии. В условиях умеренного и особенно холодного климата человек или животное практически всегда окружены предметами, имеющими температуру на несколько десятков градусов ниже температуры его тела. Значительные потери тепла радиацией происходят постоянно. Особенно важен этот путь теплоотдачи в случае, когда температура воздуха существенно выше температуры окружающих предметов: в заглубленных помещениях с постоянно холодными стенами теплый воздух не согревает тело. Поэтому в северных странах люди строили печи, чтобы отапливать стены домов. В странах с умеренным климатом достаточно было согревать воздух помещений с помощью каминов.

Для человека особенность этого пути еще и в том, что радиационных потерь тепла он долго не замечает и потому не предохраняется от них, что становится причиной многих простудных заболеваний, как общих, так и особенно локальных - радикулитов, миозитов и т. п. Одежда снижает потери тепла радиацией. Холодные каменные или бетонные стены желательно покрывать термоизоляционными материалами (дерево, ковры).

В условиях жаркого климата может происходить и обратный процесс: организм получает дополнительное количество тепла в результате излучения окружающих его предметов (стены, скалы, барханы). Особое значение имеет прямое воздействие солнечного излучения на тело. Мех или перья предохраняют животное от инсоляции (освещения солнечными лучами) в течение короткого времени, необходимого, чтобы преодолеть открытый участок местности и снова спрятаться в тень. Тело человека хорошо защищает от излучения свободная хлопковая одежда. Идеальной защитой является "каркасная" (из стеганой ваты) одежда, которую носят народы Центральной Азии. Пребывание человека в такой среде полностью или частично обнаженным быстрее приводит его к перегреванию.

Третий из путей, по которому тепло покидает организм, - конвекция (лат.: convectio - С). Тело согревает слой воздуха (или воды), непосредственно контактирующий с кожей. Нагретый таким образом воздух поднимается вверх, давая место более холодному. В безветренную погоду потери тепла конвекцией минимальны. Ветер, сквозняк или искусственная вентиляция помещения многократно усиливают теплоотдачу конвекцией. При необходимости рассчитать скорость охлаждения тела обязательно учитывают не только температуру воздуха, но и скорость ветра.

При погружении в воду конвекция становится главным (90%, остальное - теплопроведение) и чрезвычайно мощным путем теплоотдачи. В воде тело теряет тепло в 3-5 раз быстрее, чем на воздухе (при той же температуре):

теплоемкость воды в 4 раза больше, а теплопроводность - в 25 раз выше, чем воздуха. Поэтому водные теплокровные (тюлени, моржи, киты и др.) имеют толстый термоизолирующий слой подкожного жира. Для человека, попавшего в холодную воду, единственно правильная тактика - уменьшить до минимума количество движений, чтобы не увеличивать дополнительно потери тепла конвекцией и теплопроведением.

Последний из возможных путей теплоотдачи - испарение жидкости с поверхности тела (лат.: evaporatio - Е). Оно имеет большее значение для человека, чем для животных из-за отсутствия у них развитой системы потоотделения. Каждый грамм воды, испаряющейся с поверхности тела, снижает теплосодержание организма на 0,58 ккал (2,45 кДж). У человека при различных температурах окружающей среды и степенях двигательной активности величина потоотделения может колебаться от пренебрежимо малого количества до нескольких сот граммов и даже килограммов за 1ч. (В особых лабораторных условиях удавалось получить около 5 кг/ч.) Полностью обнаженный человек способен испарять в 1 ч не более 700 г пота. Если потоотделение превышает эту величину, избыток жидкости стекает с тела. Затраты энергии на образование этого избыточного количества пота оказываются бесполезными и только ухудшают тепловое состояние организма. И в этом случае одежда, легко впитывающая пот, а затем его испаряющая, является средством защиты: охлажденная испарением пота, она забирает некоторое количество тепла кожи путем радиационного обмена.

Пот - не единственная жидкость, испаряющаяся с поверхности тела. У человека за сутки примерно 600 г воды (или 25 г каждый час) испаряются, минуя потовые железы, непосредственно сквозь стенки капилляров кожи и слизистых оболочек. Это так называемые неощущаемые влагопотери (лат,: perspiratio insensibilis). Они не прекращаются и в условиях холода, когда человек не потеет.

Испарение жидкости со слизистых оболочек верхних дыхательных путей у человека составляет лишь несколько процентов от общих влагопотерь. У некоторых животных, например, у собак, существует механизм учащенного дыхания (тахипноэ (от греч. tachys - скорый, быстрый и рnоё - дыхание)), позволяющий значительно увеличить теплоотдачу испарением слюны с поверхности языка и слизистой оболочки полости рта. Животные, у которых отсутствует механизм полипноэ (например, крысы, кролики), в жаркой среде облизывают передние лапы, чтобы увеличить испарение. Животные, имеющие возможность купаться, решают эту проблему еще проще.

Относительная влажность воздуха колеблется от 12-20% в аридной (от лат. aridus - сухой) зоне пустынь до 85% и более в юмидном (от лат.: humidus - влажный) тропическом поясе Земли. Потери тепла испарением минимальны при высокой влажности воздуха и максимальны - при низкой.

Относительная влажность показывает отношение содержания паров воды в единице объема воздуха к максимально возможному содержанию их в том же объеме и при той же температуре. При охлаждении воздуха его относительная влажность возрастает, при нагревании - снижается. Например, наружный воздух с температурой -7 оС и относительной влажностью 50% при согревании его в жилых помещениях до 21 оС приобретает относительную влажность 10%, т. е. становится очень сухим и неблагоприятно действует на слизистые оболочки дыхательных путей, поэтому требует искусственного увлажнения.

При неизменной средней относительной влажности воздуха соотношение между количествами тепла, покидающими тело различными путями, зависит от температуры окружающей среды (рис. 11.10, 11.11).

При +21 оС (температура жилых помещений) доля излучения (R) в общих теплопотерях составляет более 50%. Нагревание воздуха до +35°С (когда его температура становится равной температуре открытых участков кожи) снижает долю R до нуля. Одновременно доля конвекции (С) снижается с примерно 15% также до нуля, а доля испарения (Ј), наоборот, возрастает с 15 до 100%.

Рис. 11.10

Изменение доли испарения (Е). излучения (R) и конвекции (С) в общей теплоотдаче человеческого тела (%) в зависимости от температуры воздуха

Рис. 11.11 Механизмы физической и химической терморегуляции

Таким образом, при температуре воздуха +35°С испарение остается единственным путем теплоотдачи. Это объясняет, почему человек (обладающий развитой системой потоотделения) намного легче переносит пребывание в условиях сухих пустынь, чем во влажных джунглях экваториального пояса. Холоднокровные и особенно насекомые, для которых поддержание постоянства температуры тела не является жизненно необходимым, наоборот, многократно преобладают в тропиках.

Оболочка обладает прекрасными теплоизоляционными свойствами (чем толще подкожный жировой слой, гуще и длиннее мех, тем большими). Толщу жира пронизывает сосудистая сеть, способная быстро заполнить горячей кровью сосуды кожи, непосредственно контактирующие с эпителием и через него - с окружающим тело воздухом. Тепло рассеивается в окружающую среду с открытых участков кожи. У человека эту функцию могут выполнять любые части тела, не защищенные одеждой, однако некоторые из них имеют особое значение в теплоотдаче. Это прежде всего кисти и предплечья, а у человека, ходящего босиком, - еще и стопы и нижняя часть голеней. Так, например, поверхность кисти составляет лишь 7-8% общей площади поверхности тела, но кровоток в кисти может изменяться в десятки, если не в сотни раз, и это создает громадные возможности для регулирования теплоотдачи. В целом у человека в зависимости от потребностей терморегуляции величина кожного кровотока может изменяться от 1-2 до 30% минутного объема кровообращения (который в покое равен примерно 5 л/мин).

У животных, большая часть тела которых покрыта мехом или перьями, есть специализированные органы теплоотдачи, где в непосредственной близости к поверхности тела находится развитая сосудистая сеть: уши кролика, хвост крысы, лапы и клюв птиц, у рогатых - рога и т. п. Так, кровоток в сосудах уха кролика может возрастать в десятки раз. При необходимости, наоборот, повысить термоизоляционные свойства оболочки тела многие животные используют пилоэрекцию (от лат. pilus - волос и erigo, erectum - выпрямлять, поднимать). Основания волосков, составляющих меховой покров, снабжены миниатюрными мышцами, сокращение которых переводит волоски в вертикальное положение. В результате толщина меха и его термоизоляционные свойства увеличиваются. У человека пилоэрекция сохранилась в рудиментарном виде ("гусиная кожа"). Северные виды животных часто имеют пушистый хвост, предназначенный для того, чтобы во время отдыха закрывать им области интенсивной теплоотдачи - голову и лапы ("скручивание в клубок").

Вазомоторная реакция - перераспределение части кровотока из ядра в оболочку - происходит благодаря наличию в стенке сосудов (главным образом - артериол) гладкомышечных элементов, находящихся под влиянием многочисленных регуляторных механизмов (рис. 11.12). Наиболее мощным влиянием на сосудистый тонус обладают симпатические нервные волокна. При повышении температуры тела гипоталамические центры терморегуляции через нисходящие нервные пути так изменяют активность симпатических нейронов боковых рогов спинного мозга, чтобы: (а) к сосудам ядра тела по симпатическим волокнам пришло больше нервных импульсов, что повысило бы тонус этих сосудов и вытеснило часть циркулирующей в них крови в сосуды оболочки тела; (б) к сосудам оболочки тела (артериолам и артерио-венозным анастомозам - см. ниже), наоборот, пришло бы меньшее, чем прежде, количество симпатических импульсов, наступила бы частичная дилатация, позволяющая многократно увеличить кровоток в коже и слизистых оболочках, а следовательно, и теплоотдачу.

Необходимо понимать, что непосредственной причиной перераспределения кровотока является не увеличение или снижение тонуса симпатической нервной системы в целом (что привело бы к повышению или снижению системного артериального давления), но перераспределение тонуса между отдельными группами симпатических нейронов. Это позволяет при терморегуляционных реакциях поддерживать практически неизменный уровень системного артериального давления. Следовательно, сосудодвигательный контроль периферических артериол обеспечивает либо подачу артериальной крови в кожу, либо ее шунтирование. В ответ на низкую температуру внешней среды кровь к поверхности тела эндотермного животного почти не доходит. При высокой температуре окружающей среды кровь направляется в сосуды кожи, где она отдает часть тепла. У эктотермных животных кожный кровоток часто усиливается для более энергичного поглощения тепла из внешней среды.

В оболочке тела в осуществлении реакции перераспределения кровотока важнейшую роль играют особые шунтирующие сосуды - артерио-венозные анастомозы (АВА). Вблизи от поверхности тела они соединяют артериолы и венулы в обход капилляров. Если классические капилляры кожи предназначены для питания тканей (снабжения их кислородом и отведения продуктов обмена), то АВА ни в одном из этих процессов не участвуют. Их единственное назначение - быстро "сбрасывать" значительные количества горячей артериальной крови в подкожную венозную сеть, которая благодаря своей большой емкости и низкой линейной скорости кровотока становится мощным "теплоотдатчиком". Например, у овцы, помещенной в жаркую среду, кровоток в АВА возрастает в 5-10 раз.

Рис. 11.12 Перераспределение части кровотока из ядра тела в его оболочку для увеличения теплоотдачи

А - низкая теплоотдача; Б - высокая.

Рис. 11.13 Лицо человека на экране тепловизора: серьезное выражение (А), человек улыбается (Б)

Наиболее высокие температуры (32-33 °С) наблюдаются на губах и в углах рта, наиболее низкие (29-30 °С) - на крыльях носа и скулах. Сокращение мимических мышц меняет конфигурацию области высокой температуры (причиной является изменение кожного кровотока).

При высоком уровне двигательной активности (например, при длительном беге), особенно в условиях жаркой среды возникает явление конкуренции за кровь между: (а) мышцами, которым она необходима для обеспечения кислородом мышечного сокращения, и (б) кожей, нуждающейся в увеличении кровотока для выведения из организма дополнительных количеств тепла. Очевидна неэкономность такого механизма: в венозную систему уходит часть крови богатой кислородом и питательными веществами, однако создание особой (отдельной от сердечно-сосудистой) системы переноса тепла к поверхности тела явно было бы еще менее экономным решением.

В конечностях теплокровных, соприкасающихся с холодной почвой или водой, есть механизм, позволяющий сберегать тепло. Артерии, несущие теплую кровь от ядра тела, расположены в конечностях в непосредственной близости от глубоких вен, возвращающих охлажденную кровь в ядро. Благодаря такому расположению артериальная кровь по мере ее продвижения успевает значительную часть содержащегося в ней тепла передать венозной крови и вернуть его таким образом в ядро тела.

Под действием холода происходит перераспределение части кровотока в обратном направлении - из оболочки в ядро. В результате температура периферических тканей значительно снижается, и это иногда создает угрозу отморожения открытых участков тела, особенно конечностей. Чтобы предупредить это, периодически (у человека - каждые 15-20 мин) сосуды оболочки расширяются и волна теплой крови восстанавливает гомеостаз в периферических тканях, после чего наступает новый период вазоконстрикции и соответствующее их охлаждение.

Теплоотдачу с различных областей поверхности тела можно наблюдать с помощью методики тепловидения (термографии) - регистрации невидимого инфракрасного (теплового) излучения поверхности тела человека на экране тепловизора (рис. 11.13).

11.3.7. Тепловой баланс организма

Для ситуаций, в которых организму удается поддерживать относительное постоянство температуры тела, справедливо уравнение теплового баланса:

00+РП=К+R+С+Е (3),

где 00 - основной обмен; РП - рабочая прибавка, т. е. величина, на которую возрастает скорость метаболизма при выполнении мышцами какой-либо работы. У млекопитающих она в 4-5 раз превышает полезную (т. е. внешнюю) работу, так как коэффициент полезного действия у них равен примерно 20-25%. К - теплопроведение. (Остальные обозначения - те же, что и на рис. 11.10.)

Таким образом, сколько тепла образуется за единицу времени в организме теплокровного в результате основного обмена и активных движений, столько должно за то же время покинуть тело путем теплопроводения, излучения, конвекции и испарения. Только в этом случае тепловой баланс (равенство теплопродукции и теплоотдачи) сохранится и температура тела не изменится. При значительных теплопотерях включаются дополнительные источники теплообразования (холодовой тонус - XT, сократительный и несократительный термогенез - СТ и НСТ). В этом случае формула примет вид:

00 + РП + ХТ+ СТ + НСТ =K+R+C+E (4).

11.3.8. Диапазоны терморегуляции

У обнаженного человека, бодрствующего в положении лежа при температуре воздуха +26-28 °С, теплопродукция минимальна (тепло образуется только как результат основного обмена), потоотделение отсутствует, постоянство температуры тела поддерживается исключительно за счет вазомоторной реакции (т. е. перераспределением крови между ядром и оболочкой). Этот температурный диапазон называется термонейтралъной зоной (рис. 11.14). При более низких температурах среды активируется теплопродукция, при более высоких - включается реакция потоотделения.

Сильное и длительное воздействие холодной или жаркой среды может сделать невозможным поддержание теплового баланса организма (нормотермии) даже при крайнем напряжении механизмов терморегуляции. В этих случаях температура тела отклоняется от нормальных значений более чем на 1-2 °С и наступает состояние переохлаждения или перегревания.

Резкое повышение температуры ядра тела гомойотермного животного, не связанное с лихорадкой и в случае дальнейшего развития способное привести к нарушению функций органов и систем, называется гипертермией (перегреванием). Даже относительно небольшое перегревание в сочетании с неподвижностью (длительное стояние на солнце) может вызвать расширение кровеносных сосудов, падение кровяного давления и как следствие этого - нарушение кровоснабжения головного мозга и коллапс (тепловой обморок). Потоотделение при этом не нарушено (кожа влажная), и температура тела может мало отличаться от нормальных значений.

Интенсивное и длительное воздействие жаркой среды значительно повышает температуру тела, и когда она достигает примерно 43 "С, происходят необратимые изменения в нейронах мозга, деятельность нервных центров, в том числе и центров терморегуляции, нарушается, потоотделение прекращается (кожа сухая и горячая), температура тела повышается дополнительно, происходит отек

Риc. 11.14 Диапазоны терморегуляции

мозга, наступает состояние комы, а за ним и смерть от теплового удара. Для человека, выполняющего тяжелую мышечную работу в жаркой среде, предельно допустимыми считаются: температура ядра тела 38,7 оС и частота сердечных сокращений 170 уд./мин.

Органические поражения головного мозга, а также наркоз могут нарушить деятельность гипоталамических центров терморегуляции, что приводит к чрезмерному усилению теплопродукции в скелетной мускулатуре, повышению температуры тела до 40 °С и более, а иногда и к смерти. Этот процесс получил название злокачественной гипертермии.

Под гипотермией понимают процесс, развивающийся в организме теплокровного в результате значительного снижения температуры ядра тела и при дальнейшем развитии способный привести к нарушению функций органов и систем.

Состояние организма теплокровного под действием холода претерпевает значительные изменения, проходя при этом через несколько периодов, фаз и стадий:

В течение нормоксического периода сохраняется самостоятельное легочное дыхание, и потому напряжение кислорода в тканях головного мозга поддерживается на достаточном уровне. Если охлаждение происходит медленно, то в течение некоторого времени напряжение терморегуляционных механизмов оказывается способным поддерживать температуру ядра тела на уровне, близком к нормальному (выше 35 °С). Это фаза компенсации. Если же интенсивность и/или продолжительность охлаждения превышают возможности системы терморегуляции по поддержанию гомеотермии, температура ядра тела падает ниже 35 °С, и наступает фаза декомпенсации, соответствующая началу собственно переохлаждения. Она подразделяется на три стадии. В адинамическую стадию снижается потребление кислорода, теплопродукция и двигательная активность. При снижении температуры ядра тела до 26-2 7 оС наступает ступорозная стадия переохлаждения, наиболее характерным признаком которой является выраженная сонливость и затрудненность движений. Для судорожной стадии характерно падение температуры ядра тела ниже 26 °С, редкое дыхание, судороги, в том числе дыхательных мышц, брадикардия, аритмия и нарушение микроциркуляции вследствие снижения тонуса сосудов, замедления кровотока и повышения вязкости крови.

При температуре тела ниже 20 °С происходит остановка сердца и наступает аноксический период переохлаждения. Падение напряжения кислорода делает изменения, происходящие в головном мозге, необратимыми, и наступает смерть.

11.3.9. Тепловая и холодовая адаптация

Механизмы тепловой адаптации наиболее совершенны в организме человека, поскольку только он обладает развитой системой потоотделения. Представление о том, что адаптированный к жаркому климату человек потеет меньше, неверно. В сухом жарком климате максимальное увеличение испарения - единственный способ поддержания постоянства температуры тела. Адаптированный к этим условиям человек совершает более экономные движения, держится в тени, переносит большую часть работы на прохладное время суток, но при выполнении стандартной нагрузки выделяет пота столько же (в расчете на единицу массы тела), сколько и неадаптированный индивид, но прирост потоотделения у него происходит быстрее, чем у неадаптированиого. К безусловному рефлексу добавляется и условный рефлекс; система потоотделения активируется сразу же вслед за возбуждением терморецепторов кожи и слизистых оболочек, т. е. до того, как к гипоталамическим центрам начнет притекать кровь с повышенной температурой.

Система потоотделения у человека, длительно проживающего в условиях жаркого климата, сохраняет резервы для акклиматизации к еще более высокой температуре среды: объем плазмы увеличен, в потовых железах усилена реабсорбция натрия, что позволяет организму более экономно его расходовать. В результате акклиматизированный человек теряет с потом натрия в несколько раз меньше, чем неакклиматизированный. Поэтому потребность в дополнительных количествах поваренной соли в рационе возникает только при исключительно высоких и длительных нагрузках на систему потоотделения (например, во время пешего перехода по пустыне). Во всех других ситуациях дефицит этого вещества в организме не возникает (современный человек потребляет соль в избыточных количествах). При одинаковом уровне потоотделения акклиматизированный человек испытывает более сильную жажду: он теряет с потом меньшие количества натрия, вследствие чего осмотическое давление его крови выше, чем у неакклиматизированного индивида.

Как было показано выше, сочетание температуры воздуха +35 °С и относительной влажности 100% ставит предел возможностям организма теплокровного поддерживать состояние гомеотермии. Истинная адаптация к таким условиям невозможна. Единственный выход - максимально ограничить двигательную активность и ожидать снижения температуры внешней среды. Человек решает эту проблему еще и созданием искусственной микросреды в помещениях с кондиционируемым воздухом.

Длительное воздействие холода вызывает в организме животного характерные признаки акклиматизации: отрастает мех, в межлопаточной области развивается бурая жировая ткань (что позволяет усилить несократительный термогенез), активируется щитовидная железа (гормоны которой усиливают катаболизм и, соответственно, образование тепла), снижается коэффициент полезного действия мышечного сокращения, порог холодовой дрожи смещается в область более низких температур и др. В эксперименте подобные изменения наступают у белых крыс после 3-4 недель пребывания при температуре +6 оС.

Вопрос о механизмах холодовой адаптации человека сильно осложняется тем, что человек практически никогда в ней не нуждается. В странах с умеренным и холодным климатом человек 90-95% своего времени проводит в искусственной среде, создаваемой микроклиматом жилых и производственных помещений, транспорта и т. п. Исследования рыбаков залива Св. Лаврентия (Канада) и гренландских эскимосов показали, что одежда этих жителей Крайнего Севера настолько совершенна (теплоизолирующие ее свойства оцениваются в 6 кло (кло - от англ. do (thing) - одежда - внесистемная единица теплоизоляционных свойств одежды; 1 кло соответствует теплоизоляции, обеспечиваемой мужским костюмом (пиджак, брюки, рубашка, белье)), что полностью предохраняет тело от охлаждения. Таким образом, жители Крайнего Севера всю жизнь проводят в субтропическом микроклимате своей одежды. Признаки локальной холодовой адаптации у них обнаружены только в сосудистых реакциях тканей кистей и лица: при действии холода эти люди испытывают менее сильные болевые ощущения.

Изменения, наблюдаемые в организме человека, переехавшего из зоны умеренного климата на Север, обусловлены воздействием не столько холода, сколько всего комплекса природных и социальных факторов (полярная ночь, иной состав пищи и многое другое).

Тем не менее, есть немногочисленные группы обитателей Земли, у которых присутствуют признаки общей холодовой адаптации. Это бушмены пустыни Калахари, аборигены Австралии, индейцы Огненной Земли и, до недавнего времени, ама - женщины-ловцы жемчуга в дальневосточных морях. Главный механизм холодовой адаптации в этих случаях состоит в снижении коэффициента полезного действия мышечного сокращения, что яри выполнении физической работы приводит к образованию большего количества тепла. Коренные австралийцы, помимо этого, вырабатывают у себя привычку не просыпаться от холодовой дрожи. Такой же навык удавалось выработать и у европейских добровольцев.

Подводя итог, можно сказать, что человек обладает значительными возможностями к тепловой и к холодовой адаптации, хотя последняя используется им крайне редко. Гомойотермные животные обладают большими возможностями адаптации к холоду, но в условиях жаркого климата из-за отсутствия у них развитой системы потоотделения вынуждены ограничиваться поведенческой адаптацией.

11.3.10. Сезонная спячка

Многие теплокровные в неблагоприятных условиях (резкое изменение температуры или влажности окружающей среды, сокращение количества пищи) способны переходить в состояние оцепенения (торпора) или сезонной спячки. Оцепенение может наступать всякий раз (в том числе - ежедневно) при умеренном охлаждении или нехватке пищи. Температура тела при этом значительно снижается.

Зимняя спячка, или гибернация (от лат.: hibemus - зимний, холодный) также сопровождается снижением температуры тела, соответствующим снижением метаболизма и переходом на использование внутренних запасов питательных веществ (главным образом - подкожного жира). От оцепенения зимняя спячка отличается тем, что возникает после нескольких "пробных" снижений температуры тела.

У лесных зимоспящих грызунов (хомяки, сурки, суслики и др.) минутный объем кровообращения и интенсивность обмена снижаются в несколько десятков раз, температура тела может поддерживаться на уровне +2 °С. У крупных животных с их относительно низкой теплоотдачей температура тела сохраняется на значительно более высоком уровне (например, у медведей - 31 °С).

Выход из спячки осуществляется путем самосогревания: скорость обменных процессов и температура тела постепенно возвращаются к обычному уровню. Заметную роль в этом играет бурая жировая ткань.

Летняя спячка, или эстивация (от лат.: aestas - лето) наблюдается у двоякодышащих рыб во время высыхания рек. Заключенная в грязевой кокон рыба может выжить, поддерживая скорость метаболизма, равную 1% основного обмена. Механизм, благодаря которому эти рыбы способны при размывании кокона водой за 15 мин восстанавливать нормальный уровень обмена после нескольких лет эстивации, остается малоизученным.

11.3.11. Онтогенез терморегуляции

Новорожденные теплокровные имеют примерно ту же температуру тела, что и взрослые животные. Только в первые часы жизни человека температура его тела несколько ниже нормальных значений. Суточные колебания температуры тела у новорожденного младенца отсутствуют и появляются с первой недели постнатального развития. Размах суточных колебаний температуры тела у детей примерно равен 1,7 оС (т. е. больше, чем у взрослого). У ребенка и детеныша отношение площади поверхности тела к массе тела значительно больше, чем у взрослого. Поэтому для поддержания постоянной температуры тела новорожденный должен иметь более интенсивный основной обмен (теплопродукция на 1 кг массы его тела в 5 раз превышает таковую у взрослого).

Чувствительность кожных терморецепторов у младенца повышена, прирост теплопродукции наблюдается уже при температуре воздуха +31 °С и осуществляется прежде всего за счет несократительного термогенеза (который способен обеспечить 2-3-кратное увеличение образования тепла) и лишь во вторую очередь - за счет сократительного, т. е. дрожи. Возможности младенца увеличивать теплоотдачу испарением ограничены, поэтому повышение температуры окружающей среды быстро приводит к росту температуры тела.

Для новорожденных детенышей мелких млекопитающих (сусликов, хомяков и др.) поддержание гомойотермии - непосильная задача (это потребовало бы слишком большого увеличения теплопродукции). Поэтому в первые несколько недель жизни они целиком зависят от тепла, которое получают от контакта с телом матери. Система терморегуляции также неэффективна у недоношенных младенцев, в связи с чем их помещают в термостатируемые инкубаторы.

Старение снижает эффективность всей системы терморегуляции: ослабевают ответы теплопродукции, реакции перераспределения кровотока и потоотделения в ответ на изменение температуры окружающей среды. Снижение двигательной активности (и теплопродукции) приводит к повышению предпочитаемой температуры среды (см. 11.3.1). Субъективно пожилые люди хуже переносят снижение температуры окружающей среды, чем ее повышение. В глубокой старости снижается величина основного обмена и температура ядра тела (иногда до 35 °С).

11.3.12. Лихорадка

Лихорадка (синонимы: жар, горячка; греч.: pyrexia, от руг - огонь и echo - иметь; лат.: febris, от fervere - гореть) - преимущественно защитная типовая реакция гомойотермных животных на действие различных токсинов (чаще - инфекционной природы), характеризующаяся значительным повышением температуры тела и активацией иммунных процессов.

Гален (II в. н. э.) полагал, что "противоестественный жар" возникает в сердце, откуда он распространяется по всему телу. Только в XVII в. Дж. Борелли опроверг эти представления, измерив температуру внутренних органов живого оленя. Взамен было выдвинуто предположение о том, что тепло образуется в результате трения крови о стенки сосудов. В XIX в. стало ясно, что в основе лихорадки лежит действие некоторых веществ (названных пирогенами) на деятельность нервных центров, в результате которого возрастает теплопродукция и снижается теплоотдача. Тогда удалось экспериментально вызвать у животных лихорадку парентеральным (минуя пищеварительный тракт) введением разнообразных веществ (мясного отвара, молока и др.). Современные представления о механизме развития лихорадки сформировались только в 1980-1990-е гг.благодаря исследованиям высокомолекулярных пирогенов (см. ниже).

Рис. 11.15 Молекулы эндотоксина в мембране бактерии (кишечной палочки)

1 - эндотоксин (липополисахарид), 2 - белок, 3 - фосфолипид, 4 - липопротеин, 5 - цитоплазма.

Рис. 11.16 Структура молекулы эндотоксина 1 - липид А, 2 - сердцевидный олигосахарид, 3 - 0-специфическая цепь, 4 - повторяющаяся (20-40 раз) часть, 5 - гептоза, б - этаноламин, 7 - Kdo (полное название см. в тексте), 8 - фосфат, 9 - глюкозамин, 10 - жирные кислоты.

В наружную мембрану многих бактерий (рис. 11.15) встроены молекулы липополисахаридов. До того, как была установлена химическая природа липополисахаридов, их называли бактериальными эндотоксинами. Это традиционное название используется в медицине и сейчас.

Липополисахариды защищают бактериальную клетку от воздействия внешних неблагоприятных факторов (например, от антибиотиков) и нужны бактериям для размножения. В состав молекулы липополисахаридов входит 0-специфическая цепь (рис. 11.16). Именно она вызывает в организме теплокровного образование антител, способных специфично опознавать и обезвреживать липополисахариды.

Другая часть молекулы этого соединения - липид А, воздействуя на макрофаги теплокровного, вызывает образование в них вторичных пирогенов, которые вызывают собственно лихорадку. Одновременно липид А стимулирует иммунную систему организма и таким образом повышает его резистентность к инфекциям и раку.

Рис. 11.17 Главные звенья развития лихорадки

ЛПС - липополисахарид, ЛСБ - липополисахарид-связывающий белок. ФНО - фактор некроза опухолей, ИЛ - интерлейкины, ПГЕ2 - простагландин Е2, ФАТ - фактор, активирующий тромбоциты, ТКА2 - тромбоксан А2, СОКП - сосудистый орган терминальной пластинки.

Липополисахарид непосредственно не действует на терморегуляцию и иммунные процессы. Попадая в кровь, он присоединяется к специфическому белку плазмы (липополисахарид-связывающий белок), и этот комплекс взаимодействует с рецептором типа CD 14 на мембране макрофагов (рис. 11.17). Макрофаги в ответ высвобождают в плазму множество вторичных (эндогенных) пирогенов - полипептидных молекул массой 18-26 кДа, входящих в семейство цитокинов. В механизмах лихорадки наиболее значимы следующие цитокины: интерлейкины-1, -6 и -8 (ИЛ-1, ИЛ-6, ИЛ-8) и фактор некроза опухолей. Именно они вызывают изменения в иммунной системе и в терморегуляции.

Одновременно с интерлейкинами и фактором некроза опухолей макрофаги выделяют и другие вещества: простагландины, в частности простагландин Е2, тромбоцит-активирующий фактор, тромбоксан А2, свободные кислородные радикалы О2-, перекись водорода и оксид азота. Совокупное их действие - в зависимости ОТ ИХ концентрации в плазме крови - либо стимулирует защитные силы организма, либо приводит к его разрушению и смерти.

Интерлейкины и фактор некроза опухолей не проходят сквозь гематоэнцефалический барьер, непроницаемый для крупных гидрофильных молекул полипептидов. Они проникают не собственно в ткань мозга, но только в сосудистый орган терминальной пластинки - один из циркумвентрикулярных органов - небольших участков мозговой ткани как бы вынесенных "за барьер" (см. разд. 3.27). Здесь эндогенные пирогены активируют фосфолипазу А2 она превращает фосфолипиды клеточных мембран в арахидоновую кислоту, та превращается в простагландины и в частности в простагландин Е2. Липофильные простагландины легко проходят сквозь гематоликворный барьер в мозг, где воздействуют на центры терморегуляции, вызывая повышение установочной точки, за которым следует резкое ограничение теплоотдачи, увеличение теплопродукции и как следствие этого - повышение температуры тела.

Вопрос о защитной функции лихорадки обсуждается уже более века. Само по себе повышение температуры внутренней среды организма на 2-3 °С не настолько велико, чтобы непосредственно воздействовать на рост и размножение многих микробов. Тем не менее, если предупреждать повышение температуры тела (не изменяя, насколько это возможно, других компонентов ответной реакции макроорганизма на проникновение в него инфекционного агента), это часто оказывает неблагоприятное воздействие на течение иммунных процессов.

Применение в медицине ацетилсалициловой кислоты и других антипиретиков для снижения лихорадочной реакции основано на способности этих веществ подавлять избыточный синтез простагландинов. Характерно, что на нормальную температуру тела антипиретики не влияют.

Возможно повышение температуры тела и условнорефлекторным путем, например, у спортсменов перед стартом, у студентов во время экзаменов, на производстве - в момент выполнения наиболее ответственных этапов профессиональной деятельности. Температура тела лабораторного животного, которому неоднократно вводили липополисахарид, повышается от одного вида лаборатории, т. е. без введения экзогенного пирогена.

Субъективно человек воспринимает различие между реальной температурой своего тела и повышенной установочной точкой как озноб (ощущение холода, сопровождающееся "гусиной кожей" и мышечной дрожью), и пока это различие не исчезнет, он всячески старается дополнительно повысить температуру своего тела (с помощью одеял, горячего питья и пр.).

Формируя механизм лихорадки, эволюция создала уравновешивающую ее антипиретическую систему. Возможно, фактор некроза опухолей одновременно с повышением температуры тела активирует и механизм, направленный на последующее ее снижение: усиливает высвобождение в головном мозге вазопрессина и ?-меланотропина (?-меланоцитостимулирующего гормона). Эти два пептида, не выходя из мозга в кровь, воздействуют на центры терморегуляции, ограничивая развитие лихорадки. Механизм никак не связан с гормональным действием этих двух веществ (высвобождение из гипофиза в системный кровоток и т. д.). Потенциальная мощность этой системы весьма велика: антипиретическое действие ?-меланотропина в 20 000 раз сильнее действия ацетоминофена - лекарственного препарата, применяемого для подавления лихорадки. Названный эффект обусловлен структурой С-конца молекулы: фрагменты, содержащие три или шесть аминокислотных остатков, способны снижать температуру тела так же, как и целая молекула ?-меланотропина.

Лихорадка может продолжаться от нескольких часов до нескольких суток (а иногда и недель), после чего в результате деятельности иммунной системы концентрация пирогенов в организме падает, воздействие их на гипоталамические центры терморегуляции устраняется и установочная точка снижается. Происходит резкое увеличение теплоотдачи: из-за притока крови в оболочку тела кожа приобретает характерный красный цвет, потоотделение становится профузным (обильным). Исчезновение дрожи ограничивает теплопродукцию (которая, тем не менее, остается выше величины основного обмена). Человек ощущает "внутренний жар" и сбрасывает с себя одеяла. Обильное потоотделение вызывает сильную жажду. Подавления лихорадки можно добиться и до естественного окончания - введением антипиретиков (см. выше).

Способность лихорадить отсутствует у новорожденных. Возможно, это как-то связано с происходящей за несколько дней до родов активацией антипиретической системы матери. В детском возрасте (в отличие от периода новорожденности) лихорадочная реакция протекает более бурно, чем в организме взрослого.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Химические связи в молекулах пищевых веществ - единственный источник энергии для живых организмов, которые возвращают ее в окружающую среду в виде тепла и работы.

Аденозинтрифосфат (АТФ) - универсальный посредник между пищевыми энергоносителями и химическими реакциями в организме. Половина энергии пищи сразу превращается в тепло, из другой половины образуется АТФ (при полной утилизации одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ). В последующем расщеплении АТФ половина высвободившейся энергии превращается в тепло. На внешнюю работу человек тратит не более 1/4 всей потребленной в виде пищи энергии (КПД = 20-25%).

Для исследования обмена энергии применяют прямую калориметрию - измерение в специальной камере количества тепла, вырабатываемого организмом. Другой метод - непрямая калориметрия - измерение выделения CO2 и потребления О2. Соотношение этих величин позволяет узнать, сколько тепла образовалось при использовании в окислении 1 л O2 (в среднем это примерно 5 ккал) и, таким образом, - интенсивность обмена. Существует и непрямая алиментарная калориметрия - сжигание пищи с измерением образовавшегося тепла.

Около 1,1 ккал/мин, или 1600-1700 ккал/сут тратится на поддержание самого процесса жизни: активный транспорт веществ сокращения сердца и т. п. - основной обмен. Для всех теплокровных он примерно одинаков, если рассчитывать его на 1 м2 поверхности тела. Величина основного обмена зависит также от пола и возраста. Снижение основного обмена происходит только при длительном голодании. Усиление метаболизма вызывают: прием пищи (особенно белковой), изменение температуры среды, физическая работа и сильные эмоции (через активацию симпатического отдела автономной нервной системы, высвобожедение адреналина и гормонов щитовидной железы).

Увеличение энерготрат до трех величин основного обмена обеспечивает работу умеренной тяжести, 3-8 раз соответствуют тяжелому труду, более 8 - очень тяжелому. В развитых странах преобладают труд умеренной тяжести и суточные энерготраты в 3100-3350 ккал.

Энерготраты должны компенсироваться питанием: белки, жиры и углеводы поступают с пищей в соотношении 1:1:4 (15, 30 и 55% потребности в энергии, соответственно,). При недостатке одного из энергоносителей его можно заменить другим (1 г белков = 1 г углеводов == 0,5 г жиров). Помимо них, в рацион человека должны входить еще десятки веществ. В организме человека содержится двухмесячный запас энергии - 10 кг жира (1 г дает при окислении 9,3 ккал энергии). Гликоген (300 г) и глюкоза (20 г) - небольшие по величине, но мобильные запасы. При голодании на энергетические нужды расходуются также 2-3 кг белков.

Животные в ходе эволюции утрачивали способность синтезировать многие необходимые им вещества. Человеческий организм нуждается в поступлении с пищей более чем 50 субстанций.

Самый необходимый из компонентов питания - вода. Без нее человек может прожить не более 1 недели. Часть (у человека 1/10) воды, используемой организмом, образуется в нем самом из других веществ. Вода - универсальный переносчик питательных веществ, кислорода, тепла, метаболитов и гормонов. Она необходима для выведения из организма продуктов обмена (главным образом белкового и солевого).

Минеральные вещества в организме человека поддерживают осмотическое давление (Na, C1), обеспечивают возбудимость клеточных мембран (Na, К, Са), переносят кислород (Fe), участвуют в образовании макроэргических соединений и нуклеиновых кислот (Р), желудочного сока (Cl), входят в состав гормонов (1), ферментов (Сu) или выступают в роли их кофакторов (Mg, Mn, Mo, Se и Zn), составляют основу костей и зубов (Са, Mg, P и F). Минеральные вещества, суточная потребность в которых более 100 мг, называют макроэлементами (Na, К, Са, C1, Mg и Р). Потребность в микроэлементах (Fe, Си, I, Сг, Mn, Mo, Se, Zn и F) - менее 100 мг/сут.

Углеводы - главный источник энергии для организма. При недостаточном поступлении их с пищей в роли источника энергии их замещают сначала жиры, затем - аминокислоты. При избытке углеводов они превращаются в жир и откладываются впрок. Обратное превращение жирных кислот в углеводы невозможно.

Липиды обеспечивают часть энергетических потребностей организма, служат материалом для синтеза фосфолипидов клеточных мембран. Жиры из растительного сырья и рыбы содержат незаменимые полиненасыщенные жирные кислоты, препятствующие развитию атеросклероза: линолевую, ?-линоленовую и арахидоновую. Они - предшественники некоторых местных гормонов (лейкотриенов, простагландинов, простациклина и тромбоксанов). Избыточное потребление насыщенных жирных кислот и холестерина (мясо, молоко, маргарин) увеличивает риск развития ишемической болезни сердца и некоторых раковых заболеваний. Холестерин (животный жир, яичный желток) необходим для синтеза стероидных гормонов, он же играет важную роль в развитии атеросклероза. С жирами организм получает витамины A, D, Е и К.

Из 20 аминокислот 9 или 11 (в зависимости от обстоятельств) не могут быть синтезированы в человеческом организме (незаменимые аминокислоты). Недостаток их в пище ограничивает создание собственных белков (структурных, ферментов, гормонов). Поэтому в питании предпочтительны белки животного происхождения - в них больше незаменимых аминокислот. Вегетарианское питание в принципе способно удовлетворить потребность человека в незаменимых аминокислотах.

Витамины в многочисленных биохимических реакциях играют роль коферментов. Они входят в состав зрительных пигментов (А), регулируют обмен кальция и фосфора (D), являются антиоксидантами (Е, С), предупреждают геморрагии (К, С), участвуют в декарбоксилировании (B1, B6), тканевом дыхании (B2), окислительно-восстановительных реакциях (РР), синтезе биогенных аминов (B6), жирных кислот (В3, Н), стероидов, гема и ацетилхолина (В3), белков (B12, Н) и нуклеиновых кислот (Н, фолиевая кислота). Водорастворимые витамины (С, Р, группа В) содержатся преимущественно в растительной пище и накапливаться в организме человека не могут. Жирорастворимые витамины поступают с растительной и животной пищей и могут накапливаться в печени (А, D, К) и жировой ткани (Е). Недостаточное потребление витаминов приводит к развитию гиповитаминозов. Организму также необходимы витаминоподобные вещества (инозит, убихинон, витамин U и др.). Избыточное потребление некоторых витаминов (А, D) может приводить к гипервитаминозам.

Пищевые волокна - компоненты стенки растительных клеток, почти не перевариваемые человеком: клетчатка, гемицеллюлоза, лигнин, смолы, пектины и пентозаны. В желудке жвачных клетчатка разрушается ферментами присутствующих там микробов. Волокна замедляют всасывание глюкозы в кровь и связывают холестерин пищи, препятствуя развитию сахарного диабета и атеросклероза. Клетчатка поддерживает перистальтику кишечника и мягкую консистенцию экскрементов, защищая тем самым стенку кишки от механического повреждения.

Недостающие компоненты пищи могут быть заменены специальными пищевыми добавками, тем не менее, питание естественными продуктами является предпочтительным.

В отношении регулирования температуры тела животные делятся на гомойотермных, или теплокровных (птицы и млекопитающие) и пойкилотермных, или холоднокровных (все прочие животные). Гомойотермы поддерживают температуру тела на постоянном уровне 36-39 оС, у пойкилотермов она определяется условиями внешней среды. Регулировать свое тепловое состояние холоднокровные могут только путем перемещения в более благоприятную среду (термопреферендум). Гомойотермия позволила кардинально усовершенствовать структуру и функции мозга, но и приблизила животных к порогу тепловой смерти: при температуре тела выше 39-40 оС активность некоторых ферментов снижается в десятки раз.

Ради экономии энергии теплокровные поддерживают постоянство температуры тела только в центральных частях тела - "ядре", где расположены мозг, сердце и печень. "Оболочка" (кожа, подкожная клетчатка, поверхностный слой мышц) легко переносит изменения температуры. Границы между "ядром" и "оболочкой" непостоянны, в жаркой среде "ядро" расширяется, в холодной - суживается. Существует формула для подсчета средней температуры тела.

Гипоталамические центры терморегуляции оценивают температуру омывающей их крови и интегрируют эту информацию с сигналами от кожных терморецепторов. Интегрированная оценка сравнивается с "установочной точкой гипоталамического термостата" (около 37,5 °С), и в зависимости от результата усиливается либо теплопродукция, либо теплоотдача. Теплоотдачу регулируют главным образом нейроны предоптической области переднего гипоталамуса, теплопродукцию - центры заднего гипоталамуса. В передаче возбуждения в них, кроме классических медиаторов, участвуют и нейропептиды: бомбезин, вазопрессин и кортикотропин.

Источниками тепла в теле гомойотермного животного являются: основной обмен, поддержание позы, двигательная активность, холодовой мышечный тонус, холодовая дрожь и несократительный термогенез (образование тепла непосредственно из энергии химических связей, минуя механическую работу). Особенно активен несократительный термогенез в бурой жировой ткани. Тиреоидные гормоны и адреналин усиливают теплопродукцию.

Тепло покидает организм несколькими путями: теплопроведением, излучением, конвекцией и испарением. При температуре воздуха 22 °С главную роль играет излучение, в жаркой среде - испарение. У человека тепло рассеивается в окружающую среду со всех участков кожи, не защищенных одеждой. У животных есть специализированные органы теплоотдачи, где сосудистая сеть подходит к поверхности тела: уши кролика, хвост крысы и т. п. В жаркой среде кровоток в этих органах может возрастать в десятки раз. Перераспределение части кровотока из ядра в оболочку происходит благодаря наличию в стенке артериол гладких мышц, регулируемых симпатическими нервными волокнами. В сосудах кожи и слизистых оболочек есть артерио-венозные анастомозы, способствующие теплоотдаче.

Перегревание (гипертермия) и переохлаждение (гипотермия) вызывают в гомойотермном организме многочисленные нарушения физиологических функций.

Человек, в отличие от других гомойотермов, обладает развитой системой потоотделения и потому хорошо адаптируется к жаркой сухой среде: объем циркулирующей плазмы возрастает, потери натрия с потом - снижаются. Возможности адаптации к жаркому влажному климату невелики для всех теплокровных.

Холодовая адаптация связана с активацией щитовидной железы, развитием бурой жировой ткани и несократительного термогенеза, снижением порога мышечной дрожи и КПД мышечного сокращения. Человек редко использует свои возможности холодовой адаптации, поскольку защищен жилищем и одеждой.

Многие теплокровные при изменении температуры окружающей среды способны переходить в состояние оцепенения (торпора) или спячки: ежедневной или сезонной, зимней (гибернация) или летней (эстивация). Интенсивность метаболизма при этом снижается в десятки раз. Температура тела во время зимней спячки у мелких животных поддерживается на уровне +2 оС, у крупных - около 30 оС. Эстивация позволяет двоякодышащим рыбам при высыхании рек выживать в грязевом коконе в течение нескольких лет.

Теплопродукция и суточные колебания температуры тела у детей больше, чем у взрослых, из-за высоких теплопотерь и неразвитости систем регуляции. Старение снижает эффективность терморегуляции.

Липополисахариды мембран некоторых бактерий вызывают у теплокровных лихорадку - значительное повышение температуры тела и активацию иммунных процессов. В мозге есть механизмы, сдерживающие развитие лихорадки. Важную роль в них играют вазопрессин и ?-меланотропин. После нескольких часов или суток лихорадки иммунная система уменьшает концентрацию пирогенов, установочная точка снижается, теплопродукция уменьшается, теплоотдача усиливается, температура тела нормализуется. Введением салицилатов можно подавить лихорадку и до ее естественного окончания.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Баженов Ю. И. Термогенез и мышечная деятельность при адаптации к холоду. Л., 1981.

Бартон А., Эдхолм О. Человек в условиях холода. М., 1957.

Бузник И. М. Энергетический обмен и питание. М., 1978.

Бышевский А. Ш., Терсенов О. А. Биохимия для врача. Екатеринбург, 1994.

Грин Н., Cmaym У., Тейлор Д. Биология. В 3 т. М., 1990.

Иванов К. П. Основы энергетики организма: Теоретические и практические аспекты. Т. 1. Общая

энергетика, теплообмен и терморегуляция. Л., 1990.

Лупандин Ю. В., Белоусова Г. П., Кузьмина Г. И. и др. Двигательные механизмы защиты организма от холода. Л., 1988.

Мак-Мюрей У. Обмен веществ у человека. М., 1980.

Марри Р., Греннер Д.. Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека. В 2 т. М., 1993.

Марьянович А. Т., Цыган В. Н.. Лобзин Ю. В. Терморегуляция: от физиологии к клинике. СПб., 1997.

Слоним А. Д. Эволюция терморегуляции. Л., 1986.

Сравнительная физиология животных. В 3 т. / Под ред. Л. Проссера. М., 1973. Т. 2.

Физиология терморегуляции / Отв. ред. К. П. Иванов. Л., 1984. (Руководство по физиологии).

Шмидт-Ниельсен К. Размеры животных: почему они так важны? М., 1987.

Шмидт-Ниельсен К. Физиология животных. Приспособление и среда. В 2 кн. М.,1982. Кн. 1.

12 ПИЩЕВАРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

ВЕХИ ИСТОРИИ

1662 - Р. де Грааф (R. de Graaf, Голландия) предложил метод наложения фистулы протока поджелудочной железы.

1753 - Р. Реомюр (R. Reaumur, Франция) скармливал хищным птицам перфорированные металлические футляры, заполненные мясом. Доказал факт химической обработки пищи в желудке.

1757 - М. И. Шейн (Россия) издал первый, учебник на русском языке, в котором описаны органы пищеварения и их функции.

1783 - Л. Спалланцани (l. Spallanzani, Италия) повторил опыты Реомюра и усложнил их. Для получения желудочного сока перфорированные футляры заполнял губкой. Полученный сок добавил в сосуды с мясом и наблюдал его растворение.

1824 - В. Пру (W. Prout, Франция) доказал наличие в желудочном соке соляной кислоты.

1833 - У. Бомон (W. Bomon, США) наблюдал за пищеварением в желудке человека через свищ, образовавшийся вследствие ранения.

1836 - Т. Шванн (Th. Schwann, Германия) выделил из желудочного сока вещество, которое в концентрированном состоянии растворяло белки, и назвал его пепсином. 1844 г. положил начало экспериментальному изучению внешнесекреторной функции печени. Выводил у животных наружу всю желчь, наблюдал быстрое исхудание и гибель животных.

1842 - В. А. Басов (Россия) предложил метод изучения желудочного содержимого посредством создания "искусственного входа в желудок" - операция гастростомии.

1851 - К. Людвиг (К. ludwig, Германия) открыл секреторные нервы слюнных желез.

1879 - Р. Гейденгайн (R. Heidenhain, Германия) провел операцию по формированию желудочка на большой кривизне желудка, иннервация блуждающим нервом при этом не сохранялась.

1879 - И. П. Павлов (Россия) впервые предложил метод наложения постоянной фистулы протока поджелудочной железы на собаках.

1882 - Л. Велла (l. Vella, Италия) предложил метод для изучения динамики кишечного сокоотделения в хроническом опыте. В кожную рану выводились концы изолированного отрезка тонкой кишки.

1894 - И. П. Павлов предложил операцию по выделению желудочка на большой кривизне желудка с сохраненной иннервацией. Сделал вывод о стимулирующем влиянии блуждающего нерва на секрецию ферментов.

1894 - И. Л. Долинский (Россия) в лаборатории И. П. Павлова впервые показал, что введение в двенадцатиперстную кишку разбавленного раствора соляной кислоты вызывает секрецию поджелудочной железы.

1895 - Д. Л. Глинский (Россия) в лаборатории И. П. Павлова предложил операцию по наложению хронической фистулы на слюнную железу.

1899 - И. П. Павлов, Е. О. Шумова-Симановская (Россия) разработали оригинальную методику получения чистого желудочного сока - опыт "мнимое кормление".

1902 - У. Бейлисс, Э. Старлинг (W. Bayliss, E. Starling, Великобритания) показали, что внутривенное введение собаке кислых экстрактов слизистой оболочки двенадцатиперстной кишки вызывает выраженную панкреатическую секрецию. Действующий фактор был назван секретином. Позднее ими был открыт другой гормон - гастрин.

1904 - И. П. Павлов - Нобелевская премия за работы в области физиологии пищеварения.

1924 - Н. И. Красногорский (СССР) предложил специальную капсулу для собирания слюны из стенонова протока.

1924 -Е.С. Лондон и др. (СССР) для изучения кишечной секреции предложил методы, состоящие в наложении на кишечник одной или нескольких фистульных трубок, которые позволяли направлять химус то в отверстие фистулы, то в нижележащие части кишки.

1927 - И. П. Павлов обнаружил тормозящее влияние коры головного мозга на гипоталамические центры слюноотделения.

1950 - У Пенфилд (W. Penfield, Канада) во время нейрохирургических операций на людях проводил электрическую стимуляцию коры мозга вокруг центральной борозды и наблюдал слюноотделение, глотание, жевание, движение губ и языка.

1957 - А. М. Уголев (СССР) открыл пристеночное (мембранное) пищеварение.

1960 - И. Т. Курцин и К. М. Быков (СССР) доказали, что при нарушении деятельности коры больших полушарий путем "сшибки" положительных и отрицательных условных пищевых рефлексов происходит нарушение функций органов пищеварения.

1960-1980 А. Пирс и Дж. Полак (A. Pearse, J. Polak, Великобритания) обнаружили множество гормонов желудочно-кишечного тракта. Сформулировали концепцию APUD-системы.

1971 - П. К. Анохин и К. В. Судаков (СССР) создали нейрофизиологическую теорию голода, аппетита и насыщения.

Потребности организма в энергии, пластическом материала и элементах, необходимых для формирования внутренней среды, удовлетворяются пищеварительной системой.

12. 1. СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПИЩЕВАРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

В структурном и функциональном отношении пищеварительную систему подразделяют на эффекторную (исполнительную) и регуляторную (управляющую) части. Первая объединяет клеточные элементы, осуществляющие процессы сокращения (гладкомышечные клетки), секреции (секреторные клетки), мембранного гидролиза и транспорта (кишечные клетки - энтероциты). Вторая состоит из нервных и эндокринных элементов, осуществляющих нейрогуморальную регуляцию деятельности пищеварительной системы.

12.1.1. Эффекторная часть пищеварительной системы

Исполнительные элементы пищеварительной системы (аппарата) объединены в пищеварительный канал (трубку) с примыкающими к нему компактными железистыми образованиями (слюнные и поджелудочная железы, печень). Все это обозначают термином желудочно-кишечный (пищеварительный) тракт (рис. 12.1, 12.2).

Функции желудочно-кишечного тракта направлены на достижение конечного результата деятельности пищеварительной системы, которым является гидролиз пищевых веществ (белков, углеводов, жиров) до мономеров (аминокислот, моносахаридов, моноглицеридов и жирных кислот) и транспорт их из пищеварительного канала во внутреннюю среду организма. Физико-химические процессы, обеспечивающие указанный конечный результат, составляют сущность пищеварения (переваривания пищевых веществ) и всасывания. Эти процессы реализуются при участии секреторной и моторной функций желудочно-кишечного тракта.

Рис. 12.1 Пищеварительная система беспозвоночных А- кишечнопостные (разрез через стенку тела гидры); Б - отряд многоветвистые (система пищеварения плоского червя); В-моллюски (переднежаберные брюхоногие);Г - насекомые (таракан), 1-мезоглия, 2- внешняя среда, 3- интерстиальная клетка, 4 - пищеварительная вакуоль, 5 - гастральная полость, 6- мышечные клетки энтодермы, 7- ферментативные железистые клетки, 8- щупальце, 9 - глаза, 10- рот, 11-глотка,

12- адгезивная бляшка, 13- боковое ответвление кишечника, 14- основной отдел кишечника, 15- ответвления кишечника, 16- ротовая полость, 17- слюнные железы, 18- пищеводные железы, 19 - пищевод 20 - гастральный щит, 21- слепой отросток, 22- зона сортировки, 23 - проток пищеварительной железы, 24- главный тифлозоль, 26- мальпигиевы сосуды, 27 - средняя кишка, 28 - задняя кишка, 29 - прямая кишка, 30- ретальные подушечки, 31 - слепые отростки желудка, 32 - зоб.

Рис. 12.2 Пищеварительная система позвоночных

А - круглоротые (миксина); Б - пластиножаберные рыбы (акула); В - костистые рыбы (окунь); Г - земноводные (лягушка); Д - птицы (голубь); Е - млекопитающие (кролик); Ж - млекопитающие (человек). 1 - пищевод, 2 - печень, 3 - желчный пузырь;.4 - поджелудочная железа; 5 - спиральный клапан, 6 - пилорические придатки;

7 - желудок; 8 - тонкая кишка; 9 - толстая кишка; 10 - слепая кишка; 11 - зоб.

Секреторные клетки желудочно-кишечного тракта продуцируют пищеварительные ферменты, обеспечивающие гидролитическое расщепление (переваривание) белков, углеводов, жиров и нуклеиновых кислот. Гидролиз пищевых веществ начинается в просвете желудочно-кишечного тракта и заканчивается на мембране кишечных клеток, где происходит сопряжение процессов пищеварения и всасывания.

Моторная функция желудочно-кишечного тракта направлена на механическую обработку потребляемой пищи, перемешивание его содержимого, обеспечивающее контакт перевариваемых веществ с гидролитическими ферментами, на продвижение содержимого тракта по пищеварительному каналу и выведение наружу экскрементов. Активность гладкомышечных элементов необходима также для выведения секрета печени и поджелудочной железы в просвет желудочно-кишечного тракта.

12.1.2. Регуляторная часть пищеварительной системы

В регуляторной части пищеварительной системы различают местный и центральный уровни. Местный уровень регуляции обеспечивается энтеральной нервной системой (часть метасимпатической нервной системы, см. разд. 5.4.3) и диффузной эндокринной системой желудочно-кишечного тракта. Центральный уровень регуляции пищеварительной системы включает ряд структур ЦНС (спинного мозга и ствола мозга), которые входят в состав пищевого центра.

Пищевой центр наряду с координацией деятельности желудочно-кишечного тракта осуществляет регуляцию пищевого поведения. Формирование целенаправленного пищевого поведения происходит с участием гипоталамуса, лимбической системы и коры головного мозга. Промежуточным между местным и центральным уровнями регуляции пищеварительной системы является ганглионарный, включающий симпатические ганглии, которые располагаются вне желудочно-кишечного тракта и центральной нервной системы.

Центральный и местный уровни регуляции пищеварительной системы связаны эфферентными проводниками, относящимися к симпатическому и парасимпатическому отделам вегетативной нервной системы, которые проходят в составе блуждающих, чревных и тазовых нервов. В этих же нервах проходят афферентные волокна, передающие информацию от сенсорных элементов желудочно-кишечного тракта на ганглионарный и центральный уровни регуляции пищеварительной системы.

Энтеральная нервная система. Энтеральная нервная система представляет собой комплекс связанных между собой микроганглионарных образований, располагающихся интрамурально, в толще стенок желудочно-кишечного тракта. Она является частью метасимпатической нервной системы и анатомически представлена рядом нервных сплетений, из которых наибольшее значение в регуляции функций желудочно-кишечного тракта имеют межмышечное (миэнтеральное, ауэрбахово) и подслизистое (мейсснерово) сплетения. В их составе имеются чувствительные (сенсорные), эффекторные и вставочные нейроны.

Энтеральная нервная система (энтеральная часть метасимпатической нервной системы) в физиологическом смысле является самостоятельной интегративной системой, обладающей структурными и функциональными свойствами, характерными для нейронных сетей центральной нервной системы. В ней насчитывается до 108 нейронов. Ее сенсорные нейроны воспринимает информацию с механо-, хемо-, термо- и других рецепторов желудочно-кишечного тракта, кодируют ее и доставляют в интегрирующие системы, образованные интернейронами интрамуральных ганглиев - местом локализации метасимпатической нервной ситемы. Объединенные синаптическими контактами в сети, интернейроны обрабатывают сенсорную информацию и посылают команды к эффекторным нейронам (возбуждающим или тормозным), образующим общий конечный путь к исполнительным системам. К эффекторам как объектам регуляции со стороны энтеральной части метасимпатической нервной системы относятся не только гладкие мышцы, секреторные клетки и энтероциты, но также кровеносные сосуды, эндокринные и иммунные клетки.

По электрофизиологическим свойствам, изученным с применением вне- и внутриклеточных электродов, нейроны энтеральной части метасимпатической нервной системы подразделяются на несколько типов.

Клетки с пачечным типом активности характеризуются спонтанно возникающими, регулярными группами спайковых потенциалов. Эти стабильно разряжающиеся нейроны не имеют синаптических входов от других нейронов и выполняют функцию пейсмекеров (осцилляторов). Полагают, что эти фоново-активные клетки генерируют опорный сигнал, обеспечивающий координацию активности функциональных элементов нервных сетей. Вторая группа спонтанно-активных нейронов с пачечным типом разрядов характеризуется неодинаковыми межпачечными интервалами и циклически возникающими периодами сплошной спайковой активности. Эти нейроны имеют холинергические рецепторы и активируются находящимися с ними в паре нейронами-осцилляторами.

Кроме нейронов с пачечным типом активности в энтеральной части метасимпатической нервной системы имеются нейроны, генерирущие одиночные спайки. Последние возникают непрерывно и имеют относительно низкую частоту; отсутствует их группирование в определенные паттерны. Нейроны данного типа чувствительны к ацетилхолину и другим агонистам Н-холинорецепторов, что свидетельствует о наличии у этих нейронов холинергического входа. Частота спайков снижается при действии норадреналина; этот эффект опосредован ?-адренорецепторами. Указанные свойства свидетельствуют о том что клетки, генерирующие одиночные спайки, могут быть эффекторными холинергическими нейронами.

В миэнтеральном сплетении имеются нейроны, отвечающие увеличением частоты разрядов на механическое раздражение (механочувствительные нейроны), которые подразделяются на медленноадаптирующиеся, быстроадаптирующиеся и нейроны тонического типа.

По электрофизиологическим характеристикам, полученным при внутриклеточной регистрации, нейроны энтеральной части метасимпатической нервной системы подразделяются на 4 типа: S/1, АН/2, 3 и 4.

Нейроны типа S/1 генерируют потенциалы действия по механизму активации-инактивации натриевых и калиевых каналов. Спайки блокируются тетродотоксином. Эти нейроны способны проявлять спонтанную активность. При электрической стимуляции они генерируют повторные спайки.

Нейроны АН/2 типа генерируют спайки с участием не только натриевого и калиевого, но и кальциевого тока. Электрическая стимуляция вызывает в нейронах АН/2 спайковые потенциалы, восходящая часть которых обусловлена вхождением в клетку ионов натрия и кальция. Нисходящая часть спайка связана, по-видимому, с активацией калиевых каналов; она заканчивается выраженной гиперполяризацией, которая длится от 10 до 15 мс и отражает задержку инактивации калиевых каналов.

Отличительной чертой потенциалов действия, генерируемых нейронами типа АН/2, является продолжительная гиперполяризация, которая начинается через 45-80 мс после положительного постспайкового потенциала и длится до 30 с. Амплитуда гиперполяризации суммируется, если подряд возникают два и более потенциала действия. Считают, что указанная следовая гиперполяризация обусловлена повышением кальцийзависимой калиевой проводимости и является механизмом, посредством которого автоматически достигается уменьшение клеточной возбудимости и ограничение частоты потенциалов действия. Нейромедиаторы и гормоны способны уменьшать следовую гиперполяризацию, в результате чего клетка приобретает способность генерировать повторные потенциалы действия с большей частотой.

Нейроны типа 3 характеризуются тем, что они не генерируют спайковый потенциал в ответ на деполяризующий ток. При действии Н-холинергического стимула в них возникает медленный возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП), который не приводит к появлению спайков.

Нейроны типа 4, как и АН/2 нейроны, имеют высокий потенциал покоя. Для них характерно возникновение при электрическом раздражении межганглионарных соединений спайковых потенциалов, электротонически распространяющихся с отростков на тело клетки.

Нейроны энтеральных ганглиев отвечают на электрическую стимуляцию возникновением быстрого или медленного постсинаптического потенциала, который может быть возбуждающим (ВПСП) или тормозным (ТПСП).

Полагают, что быстрые ВПСП обусловлены действием ацетилхолина на Н-холинорецепторы. Медленно развивающаяся деполяризация (медленный ВПСП) сопровождается повышением возбудимости нейрона, который начинает непрерывно генерировать импульсы в течение нескольких секунд после прекращения действия стимула. В нейронах типа АН/2 при этом исчезает постспайковый гиперполяризационный потенциал. Основным кандидатом в медиаторы медленного ВПСП является серотонин. Это заключение основано на ряде доказательств, основными из которых являются следующие.

В миэнтеральном сплетении имеются нейроны, синтезирующие серотонин, который выделяется из нервных окончаний при трансмуральной электрической стимуляции кишки. Миэнтеральные нейроны обладают механизмом обратного захвата серотонина, который прекращает его влияние на постсинаптическую мембрану. Кроме того, серотонин при действии на нейроны типа АН/2 вызывает медленный ВПСП такого же типа, как и ВПСП, возникающий при трансмуральной электрической стимуляции. И, наконец, показано, что на теле нейронов, генерирующих медленный ВПСП, имеются терминали серотонинергических нервных волокон.

Наряду с холинергическими нейронами и адренергическими нервными окончаниями в интрамуральных ганглиях выявлены нейроны, содержащие серотонин, гистамин, ГАМК. Кроме того, в нейронах энтеральной части метасимпатической нервной системы обнаружен целый ряд пептидов: холецистокинин, динорфин, энкефалины, галанин, гастрин-рилизинг пептид (бомбезин млекопитающих), нейропептид Y, нейротензин, соматостатин, субстанция Р, нейрокинин А (вещество К), вазоактивный интестинальный полипептид (ВИП) и пептид, родственный гену кальцитонина.

Наряду с названными нейронами иммунореактивность к нейропептидам проявляют и отростки экстрамуральных нервных клеток, вступающие в стенку желудочно-кишечного тракта. Так, у морской свинки адренергические нервы, идущие к сосудам минуя интрамуральные ганглии, содержат нейропептид Y, а адренергические волокна, снабжающие ганглии подслизистого сплетения наряду с норадреналином содержат соматостатин. Чувствительные волокна, идущие к спинальным ганглиям, содержат субстанцию Р и пептид, родственный гену кальцитонина.

Каждый из нейронов энтеральной части метасимпатической нервной системы может содержать более чем один пептид. Так, в под слизистом сплетении 29% от общего количества нейронов составляют клетки, в которых наряду с холинацетилтрансферазой содержатся нейропептид Y, холецистокинин и соматостатин; в 11% клеток вместе с холинацетилтрансферазой обнаружена субстанция Р. В миэнтеральном сплетении сочетания нейропептидов, содержащихся в одном и том же нейроне, являются еще более разнообразными. В тонкой кишке морской свинки обнаружены 4 популяции нейронов, одна из которых содержит ВИП совместно с динорфином, а три других - тот же комплекс, но в сочетании с другими пептидами: гастрин-рилизинг пептидом энкефалином и нейропептидом Y, энкефалином, гастрин-рилизинг пептидом и холецистокинином.

Желудочно-кишечный тракт млекопитающих содержит примерно такое же количество нейронов, как и спинной мозг. С участием энтеральной нервной системы реализуются местные рефлексы, замыкающиеся на уровне интрамуральных ганглиев (см. разд. 5.4.3). Последние участвуют также в реализации сигналов, поступающих по экстрамуральным нервным проводникам (постганглионарным симпатическим и преганглионарным парасимпатическим), которые включены в эфферентную часть дуги экстрамуральных рефлексов, замыкающихся на уровне симпатических ганглиев, спинного или продолговатого мозга.

Желудочно-кишечный тракт получает экстрамуральную холинергическую иннервацию по парасимпатическим волокнам блуждающего и тазового нервов. Эти волокна являются аксонами преганглионарных нейронов, лежащих соответственно в дорсальном моторном ядре продолговатого мозга и в сакральном (крестцовом) отделе спинного мозга. Тазовые нервы снабжают прямую кишку и другие дистальные отделы толстой кишки, блуждающие нервы - все остальные отделы желудочно-кишечного тракта.

Управляющие сигналы, идущие из центральной нервной системы по преганглионарным парасимпатическим волокнам, поступают не к отдельным интрамуральным нейронам желудочно-кишечного тракта, а к системе метасимпатических нейронов, в которой интегрируется информация, поступающая из центральной нервной системы и из самого желудочно-кишечного тракта.

Интрамуральные холинергические нейроны выполняют в энтеральной части метасимпатической нервной системы двоякую функцию. Холинергические моторные нейроны, воздействующие на эффекторы желудочно-кишечного тракта через посредство М-холинорецепторов, являются конечным звеном передачи возбуждающих влияний. Холинергические интернейроны обеспечивают Н-холинергическую активацию возбуждающих (холинергических моторных) нейронов и неадренергических тормозных нейронов, нейромедиатором которых могут быть NO, АТФ и ВИП.

Интрамуральные холинергические нейроны включаются в реализацию экстрамуральных рефлексов желудочно-кишечного тракта и замыкающегося на уровне микроганглиев миэнтерального сплетения перистальтического рефлекса. Кроме того, указанные нейроны опосредуют эффекты ряда нейропептидов энтеральной части метасимпатической нервной системы. Наряду с субстанцией Р и холецистокинином, стимулирующими холинергические нейроны, имеются нейропептиды, угнетающие их активность. Преобладающим эффектом эндогенных опиоидов мет- и лейэнкефалина в отношении нейронов миэнтерального сплетения, в том числе и холинергических, является подавление их возбудимости.

Нейромедиатор холинергических нейронов ацетилхолин осуществляет свои эффекты, действуя на Н- или М-холинорецепторы. Он активирует метасимпатические нейроны, что сопровождается кратковременным (в миллисекундном диапазоне времени) или длительным (в течение нескольких секунд) уменьшением мембранного потенциала. Кратковременная деполяризация блокируется антагонистами Н-холинорецепторов и является коррелятом быстрого ВПСП, длительная - результатом активации М-холинорецепторов и соответствует медленному ВПСП.

В соответствии с современными представлениями о молекулярных механизмах действия ацетилхолина, Н-холинорецепторы оказывают прямое воздействие на ионную проницаемость клеточной мембраны. У этих рецепторов "узнающий участок", с которым связывается ацетилхолин, и ионный канал локализованы в одной и той же макромолекуле. Соединение ацетилхолина с рецептором вызывает конформацию этой молекулы, что приводит к открытию ионного канала. Мускариновый холинорецептор в отличие от никотинового управляет ионным каналом не прямо, а через систему внутриклеточных реакций.

В обычных условиях передача информации с холинергических интернейронов на эффекторные нейроны происходит через посредство Н-холинорецепторов. Имеющиеся на теле нейрона, наряду с никотиновыми, мускариновые рецепторы могут выступать в роли модуляторов межнейронной передачи, влияя на быстрые ВПСП.

На нервных окончаниях эффекторных холинергических нейронов имеются пресинаптические М-холинорецепторы. При активации избытком ацетилхолина в синаптическом соединении рецепторы этого типа тормозят по механизму отрицательной обратной связи выделение нейромедиатора из холинергических нервных окончаний. Этот механизм служит для поддержания оптимальной концентрации ацетилхолина в нейроэффекторном соединении. Указанный феномен аутоингибирования выделения холинергического нейромедиатора имеет место не только в нейроэффекторных, но и в межнейрональных соединениях. В последнем случае активация пресинаптических М-холинергических рецепторов ацетилхолином приводит к подавлению быстрых ВПСП.

Адренергическая иннервация желудочно-кишечного тракта осуществляется нейронами, располагающимися в экстрамуральных (пара- и превертебральных) ганглиях. Информация из центральной нервной системы поступает к ним по аксонам преганглионарных нейронов, тела которых лежат в боковых рогах серого вещества спинного мозга в его грудо-поясничном отделе. Нейромедиатором преганглионарных нейронов является ацетилхолин, постганглионарных - норадреналин.

Аксоны постганглионарных (адренергических) нейронов оканчиваются в основном на интрамуральных ганглиях межмышечного (миэнтерального) и под слизистого сплетений, и лишь сравнительно небольшое число нервных волокон подходит непосредственно к эффекторным клеткам. Исключение составляют сфинктерные зоны желудочно-кишечного тракта, циркулярные мышцы которых получают обильную адренергическую иннервацию. Адренергические волокна располагаются также вокруг кровеносных сосудов, образуя плотное периваскулярное сплетение. Полагают, что в нервных сплетениях желудочно-кишечного тракта отсутствуют тела адренергических нейронов; здесь проходят лишь нервные волокна, которые являются аксонами постганглионарных нейронов. Как исключение, отмечено наличие небольшого числа интрамуральных катехоламинсодержащих нейронов в проксимальном отделе толстой кишки морской свинки.

Методом флуоресцентной гистохимии выявлены многочисленные нервные окончания адренергической природы, окружающие энтеральные метасимпатические ганглии. Электронномикроскопически показано наличие здесь аксо-аксональных соединений с везикулами, характерными для адренергического синапса. Это указывает на наличие тесной функциональной связи между симпатической нервной системой и энтеральной частью метасимпатической нервной системы. Проявлением этой связи является пресинаптическое адренергическое торможение. Показано, что норадреналин подавляет быстрый ВПСП, вызванный электрической стимуляцией миэнтерального нервного сплетения и обусловленный активацией холинергических нейронов. Вместе с тем он не влияет на изменение мембранного потенциала, вызываемое экзогенным ацетилхолином, который действует преимущественно постсинаптически, на М-холинорецепторы эффекторных клеток.

Эти данные свидетельствуют о том, что норадреналин, действуя пресинаптически, тормозит выделение ацетилхолина из нервных окончаний. Норадреналин способен также осуществлять пресинаптическое торможение выделения серотонина соответствующими нейронами. Об этом свидетельствует тот факт, что норадреналин блокирует медленный ВПСП, вызванный электрической стимуляцией, но не влияет на аналогичный потенциал, вызванный экзогенным серотонином. Источником адренергических влияний на желудочно-кишечный тракт являются не только постганглионарные нейроны симпатической нервной системы, но и их аналог - мозговой слой надпочечников, содержащий хромаффинные клетки. Последние продуцируют катехоламины (в основном адреналин), которые поступают в систему кровообращения. Норадреналин в симпато-адреналовой системе выступает в роли нейромедиатора, а адреналин, действующий на клетки-мишени через систему кровообращения, является гормоном.

В функциональном отношении клетки энтеральной нервной системы являются или возбуждающими, или тормозными. Основными возбуждающими нейронами являются холинергические. Торможение в энтеральной нервной системе может быть связано с тормозным адренергическим воздействием на холинергический нейрон, активирующий эффекторную клетку. Торможение, которое обусловлено вовлечением других механизмов, обозначают как неадренергическое нехолинергическое. По современным представлениям, неадренергическое нехолинергическое торможение обусловлено выделением из окончаний соответствующих энтеральных нейронов NO, АТФ и ВИП. Основным кандидатом в нейромедиаторы нехолинергического возбуждения в энтеральной части метасимпатической нервной системы является субстанция Р.

Диффузная эндокринная система. Наряду с нейронной сетью в желудочно-кишечном тракте имеются эндокринные клетки, располагающиеся в эпителиальном слое слизистой оболочки и в поджелудочной железе, которые содержат моноамины и вещества пептидной природы (гастроинтестинальные гормоны). Разбросанность эндокринных клеток по желудочно-кишечному тракту (табл. 12.1) позволила обозначить всю их совокупность термином диффузная эндокринная система (APUD-система). Подобные клетки обнаружены также в легких, коже, щитовидной железе, гипофизе, мозговом слое надпочечников, в симпатических ганглиях, однако по количеству клеток и разнообразию их типов желудочно-кишечный тракт занимает среди них первое место.

Таблица 12.1

Типы и локализация эндокринных клеток пищеварительного тракта и образуемые ими продукты

Типы клеток

Образуемые продукты

Место расположения клетки

Поджелудочная железа

Желудок

Кишечник

Фундальная часть

Антральная часть

Тонкая кишка

Толстая кишка

проксимальный отдел

дистальный отдел

ЕС

Серотонин, субстанция Р, энкефалины

Мало

+

+

+

+

+

D

Соматостатин

+

+

+

+

Мало

Мало

В

Инсулин

+

-

-

-

-

-

РР

Панкреатический полипептид (ПП)

+

- .

-

-

-

-

А

Глюкагон

+

-

-

-

-

-

Х

Неизвестны

-

+

-

-

-

-

ECl

Неизвестны (серотонин? гистамин?)

-

+

-

-

-

-

G

Гастрин

-

-

+

+

-

-

CCK

Холецистокинин (ХЦК)

-

-

-

+

Мало

-

S

Секретин

-

-

-

+

Мало

-

GIP

Желудочный. ингибирующий пептид (ЖИП)

-

-

-

+

Мало

-

M

Мотилин

-

-

-

+

Мало

-

N

Нейротензин

-

-

-

Мало

+

Редко

l

Глюкагоноподобный пептид, глицентин

-

-

-

Мало

+

+

GRP

Гастрин-рилизинг пептид

-

Мало

+

+

-

-

VIP

Вазоактивный интестиальный пептид (ВИП)

Типы клеток, их локализация и содержащиеся в них пептиды приведены в табл. 12.1. Некоторые из них аналогичны пептидам, содержащимся в нейронах энтеральной нервной системы (см. выше). В ряде клеток (EC1, EC2) наряду с пептидами обнаружен серотонин. В слизистой оболочке желудка имеются клетки (ECl), содержащие гистамин. Последний синтезируется также в тучных клетках слизистой оболочки кишки.

Высвобождение гастроинтестинальных гормонов из соответствующих клеток происходит при действии на них ацетилхолина, катехоламинов, других регуляторных пептидов, при механическом и химическом воздействиях на эндокринные клетки из просвета желудочно-кишечного тракта.

Регуляторное влияние (табл. 12.2) на клетки-мишени диффузная эндокринная система желудочно-кишечного тракта осуществляет двумя путями: эндокринным и паракринным. При эндокринном пути физиологически активное вещество, высвобождаясь из клетки, попадает в кровеносные капилляры,

Таблица 12.2

Некоторые желудочно-кишечные гормоны

Гормон

Секретирующая ткань

Ткань-мишень

Основное действие

Факторы, стимулирующие секрецию

Гастрин

Желудок и двенадцатиперстная кишка

Секреторные клетки и мышцы

желудка

Образование и секреция НСl; стимуляция подвижности желудка

Активность блуждающего нерва

пептиды и белки, находящиеся в желудке

Холецистокинин-

панкреозимин (ХЦК-ПЗ)*

отдел тонкой кишки

Желчный пузырь

Сокращение желчного пузыря

Жирные кислоты

в двенадцатиперстной кишке

Поджелудочная железа

Секреция панкреатического сока

Секретин

Двенадцатиперстная кишка

Поджелудочная железа;секреторные клетки и мышцы желудка

Секреция воды и NaHCO3; угнетение моторной активности желудка

Пища и сильные кислоты в желудке и тонкой кишке

Желудочный ингибирующий пептид (ЖИП)

Верхний отдел тонкой кишкки

Слизистая оболочка и мускулатура желудка

Угнетение

активности желудка; стимуляция дуоденальных желез

Моносахариды и жиры в двенадцатиперстной кишке

Вазоактивный интестинальный пептид (ВИП)*

Двенадцатиперстная кишка

-

Усиление

панкреатического сока; угнетение желудочной секреции

Жиры в двенадцатиперстной кишке

Энтероглюкагон

Двенадцатиперстная кишка

Тонкая кишка, поджелудочная

железа

Угнетение моторной активности и секреции

Углеводы в двенадцатиперстной

кишке

Энкефалин*

Тонкая кишка

Желудок, поджелудочная железа, кишка

Стимуляция секреции НСl; угнетение секреции ферментов поджелудочной железой и моторной активности кишки

Соматостатин*

Тонкая кишка

Желудок; кишка; чревные артериолы

Угнетение секреции НСl; секреции поджелудочного сока,

моторной активности кишки и кровотока в чревных сосудах

* Пептиды обнаружены также и в тканях ЦНС и известные как нейропептиды. В число нейропептидов, не включенных в данный список, но идентифицированных как в головном мозгу, так и в кишечной ткани, входят субстанция р, нейротензин, бомбезин, инсулин, панкреатический полипептид и кортикотропин.

проходит портальную систему печени, малый круг кровообращения и, лишь попав в большой круг, с артериальной кровью приносится к клеткам-мишеням. При паракринном пути вещество, выделившееся в межклеточное пространство, не попадает в кровеносное русло, а действует на рядом находящуюся клетку-мишень. Существенную роль в регуляции функций желудочно-кишечного тракта, играют, по-видимому, простагландины групп Е и F.

12.1.3. Интеграция нейромедиаторных и гормональных факторов в пищеварительной cистеме

Нейрогуморальная регуляция пищеварительной системы имеет многофакторный характер: эффекторные клетки желудочно-кишечного тракта могут подвергаться нейрогенным влияниям, которые опосредованы нейронами, содержащими нейромедиаторы с различной химической структурой, а также воздействию целого ряда веществ гормональной природы. Нервные и эндокринные элементы пищеварительной системы взаимосвязаны и объединяются в нейроэндокринные регуляторные контуры (цепи). Принципиально возможные связи между нервными и эндокринными элементами пищеварительной системы иллюстрирует схема, представленная на рис. 12.3.

Рис. 12.3 Пути передачи информации в регуляторных контурах пищеварительной системы:

с нейрона на нейрон (А), на эффекторную (Б) или эндокринную (В) клетку, с эндокринной клетки паракринным (Г) . или эндокринным (Д) способом на нейрон, эффекторную клетку или эндокринную клетку другого типа

1 - нейрон, 2 - эндокринная клетка, 3 - секреторная или мышечная клетка, 4 - кровеносный сосуд.

Функциональная интеграция регуляторных воздействий в пищеварительной системе может проявляться в различных эффектах. Так, при поступлении нейрогенного или гормонального стимула к нейрону или другим возбудимым клеткам возможна инициация или модуляция их активности. В первом случае стимул выполняет роль триггера, запускающего активность покоящихся клеток, во втором - он изменяет уровень активности функционирующих клеток. При кооперативных (совместных) воздействиях нейрогенных или гормональных факторов на эффекторную клетку может проявляться потенцирование или ингибирование функциональных эффектов. Потенцирование имеет место в том случае, когда величина эффекта, вызываемого совместным действием двух стимулов, превышает сумму эффектов, вызываемых каждым стимулом в отдельности. Термином ингибирование обозначают уменьшение эффекта, вызываемого одним стимулом при одновременном действии другого.

В регуляции функций пищеварительной системы большое значение, как и в других физиологических системах, имеет механизм обратной связи.

12.1.4. Типы пищеварения

Структурно-функциональная организация пищеварительной системы, характерная для высших животных и человека, сформировалась в результате длительного эволюционного развития. В современном животном мире существует три различных типа пищеварения (рис. 12.4): внутриклеточное внеклеточное дистантное и мембранное (пристеночное, контактное).

Внутриклеточное пищеварение. Ферментный гидролиз пищевых веществ при этом типе пищеварения осуществляется внутри клетки. Внутриклеточное пищеварение распространено у простейших и наиболее примитивных многоклеточных организмов (губки, плоские .черви). У немертин, иглокожих, кольчатых

Рис. 12.4 Основные типы. пищеварения

А - внеклеточное дистантное пищеварение; В - внутриклеточное цитоплазматическое пищеварение; В - внутриклеточное вакуолярное, или внеплазматическое, пищеварение, связанное с эндоцитозом (фаго- или пинопитозом); Г - мембранное пищеварение. 1 - внеклеточная среда, 2 - субстраты и продукты их гидролиза, 3 - ферменты, 4- внутриклеточная среда, 5 - мембрана, в - ядро, 7 - внутриклеточная пищеварительная вакуоль, 8 - мезосома.

червей и моллюсков оно является дополнительным механизмом гидролиза. У высших позвоночных животных и человека внутриклеточное пищеварение имеет ограниченное значение и выполняет защитные функции (фагоцитоз).

Внеклеточное дистантное пищеварение. При данном типе пищеварения ферменты, синтезированные секреторными клетками, выделяются во внеклеточную среду, где и реализуется их гидролитический эффект в отношении пищевых веществ. Этот тип пищеварения является основным у организмов, стоящих на более высоком, чем плоские черви, этапе эволюционного развития. Он преобладает у кольчатых червей, ракообразных, насекомых, головоногих, оболочников, хордовых и особенно развит у высокоорганизованных животных и человека. Внеклеточное пищеварение называют дистантным, так как у перечисленных организмов секреторные клетки удалены от полостей, в которых реализуется действие ферментов.

Дистантное пищеварение может осуществляться не только в специальных полостях (полостное пищеварение), но и за пределами организма, которому принадлежат клетки, продуцирующие ферменты. Так, некоторые насекомые вводят пищеварительные ферменты в обездвиженную добычу, а бактерии выделяют различные ферменты в культуральную среду.

Мембранное (пристеночное, контактное) пищеварение. Мембранное пищеварение, открытое А. М. Уголевым в 1957 г., пространственно занимает промежуточное положение между внеклеточным и внутриклеточным пищеварением и осуществляется ферментами, локализованными на структурах мембраны кишечных клеток (подробнее см. разд. 12.4.1). Предполагали, что одним из возможных путей эволюции пищеварения могло быть совершенствование и дифференциация внутриклеточного пищеварения, в результате чего возникло полостное и мембранное пищеварение. По современным представлениям, ни один из трех известных до сих пор типов пищеварения - полостное (внеклеточное), внутриклеточное и мембранное - не может считаться филогенетически более новым или более древним. На всех уровнях организации животных (от простейших до млекопитающих) встречаются все три основных типа пищеварения, хотя у высокоорганизованных животных внутриклеточное пищеварение как механизм усвоения пищевых веществ в основном утрачивает свое значение. Типы пищеварения характеризуют не только по месту действия, но и по источникам ферментов. По этому критерию

Рис. 12.5 Желудок жвачных,состоящий из четырех камер, которые образуют два отдела. Рубец и сетка относятся к ферментативному отделу желудка, книжка и сычуг (истинный желудок) к пищеварительному.

выделяют: 1) собственное пищеварение, когда источником ферментов является сам организм; 2) симбионтное пищеварение, которое реализуется за счет микроорганизмов желудочно-кишечного тракта; 3) аутолитическое пищеварение.

Человек и многие виды животных в основном обладают собственным пищеварением. Симбионтное пищеварение у них имеет второстепенное значение. Однако продукция витаминов и некоторых незаменимых аминокислот осуществляется микроорганизмами желудочно-кишечного тракта.

У жвачных животных симбионтное пищеварение преобладает. Начальные отделы их сложного желудка (рубец и сетка) заполнены микрофлорой, которая участвует в переваривании целлюлозы и других компонентов растительной пищи. Из рубца и сетки микроорганизмы попадают в сычуг, в котором происходит .переваривание микробных тел, заканчивающееся в кишке (рис. 12.5). Симбионтное пищеварение характерно также для сумчатых и широко распространено у низших организмов, в частности у членистоногих. Симбионтами некоторых животных (гигантский двустворчатый моллюск, турбеллярия, кораллы и др.) кроме микроорганизмов могут быть водоросли, поставляющие

хозяину пищевые вещества.

Термином аутолитическое пищеварение обозначают переваривание пищи за счет содержащихся в ней ферментов. Например, при поедании травоядными животными свежих кормов расщепление компонентов последних частично осуществляется ферментами, находящимися в клетках этих растений. Определенную роль в пищеварении у новорожденных детей могут иметь гидролитические ферменты, содержащиеся в материнском молоке.

12.2. СЕКРЕТОРНАЯ ФУНКЦИЯ

Согласно экскреторной теории, существующие в организме два типа секреции - внешняя и внутренняя - явились результатом функциональной специализации клеток и произошли от свойственной всем клеткам неспецифической экскреции - выделения из них продуктов обмена веществ.

Секреторная функция желудочно-кишечного тракта осуществляется пищеварительными железами. Различают железы трубчатого типа (железы желудка и кишки) и ацинарные железы. Последние состоят из групп клеток, объединенных вокруг протока, в который выделяется секрет (слюнные железы, печень, поджелудочная железа).

Клетки пищеварительных желез по характеру продуцируемого ими секрета подразделяются на белок-, мукоид- и минералсекретирующие. В составе секрета желез в полость желудочно-кишечного тракта поступают ферменты, осуществляющие гидролиз пищевых веществ, хлористоводородная кислота (НCl) и гидрокарбонат, создающие оптимальный для гидролиза уровень рН в полости желудочно-кишечного тракта, желчные соли, играющие важную роль в переваривании и всасывании жиров, а также мукоидные вещества, составляющие основу желудочной слизи.

Секреторный цикл. Периодически повторяющиеся в определенной последовательности процессы, которые обеспечивают поступление из кровеносного русла в клетку воды, неорганических и низкомолекулярных органических соединений, синтез из них секреторного продукта и выведение его из клетки, составляют секреторный цикл.

Наиболее изучен секреторный цикл белоксинтезирующих клеток. В нем выделяют несколько фаз. После поступления в клетку (рис. 12.6) через базальную мембрану исходных веществ на рибосомах гранулярного эндоплазматического ретикулума секретируется первичный секреторный продукт, созревание которого происходит в аппарате Гольджи. Секрет накапливается в конденсирующих вакуолях, которые затем превращаются в гранулы зимогена. Последние представляют собой неактивные ферменты (проферменты), окруженные липопротеиновой оболочкой. После накопления гранул наступает фаза выхода их из клетки (дегрануляция). Выведение зимогена из клетки происходит посредством экзоцитоза: гранула подходит к апикальной части клетки, оболочка гранулы сливается с мембраной и через образовавшееся в ней отверстие содержимое гранулы выходит наружу. Клеточные механизмы секреции у позвоночных и беспозвоночных животных сходны.

В зависимости от временного соотношения фаз секреторного цикла секреция может быть непрерывной или прерывистой. Первый тип секреции присущ поверхностному эпителию пищевода и желудка, секреторным клеткам печени. Поджелудочная и крупные слюнные железы образованы клетками с прерывистым типом секреции.

Рис. 12.6 Панкреатическая ацинарная клетка

1 - кавеола, 2 - эндоцитозные везикулы, 3 - окаймленные везикулы, 4 - мультивезикулярные тельца, 5 - апикальная зона клетки, 6 - полость пищеварительного канала, 7 - плотный контакт, 8 - промежуточный контакт, 9 - десмосомы, 10 - комплекс контактов, 11 - плазматическая мембрана,

12 - гранулы зимогена, 13 - конденсирующая вакуоль, 14 - цистерны аппарата Гольджи, 15 - промежуточные элементы, 16 - пузырьки Гольджи, 17 - митохондрии, 18 - гранулярный эндоплазматический ретикулум, 19 - ядро, 20- базальная мембрана.

Мембранный потенциал секреторных клеток. Этот потенциал характеризуется низкой скоростью изменения, градуальностью. Возбуждение большинства секреторных клеток сопровождается деполяризацией их мембраны. Исключение составляют клетки слюнных желез, в которых преобладает гиперполяризация, а возникающая в начале фаза деполяризации весьма кратковременна. Базальная и апикальная мембраны секреторных клеток поляризованы не одинаково. Разность потенциалов, равная 2-3 мВ, создает электрическое поле в 20-30 В/см. Возбуждение секреторной клетки, сопровождающееся возникновением секреторного потенциала, усиливает различие в поляризованности мембран, что способствует перемещению секреторного продукта к апикальной части клетки.

Секреция пищеварительных желез характеризуется адаптацией к пищевому рациону. Она проявляется в изменении интенсивности продукции секрета каждой клеткой, в количестве клеток, одновременно функционирующих в составе данной железы, а также в изменении соотношения между различными гидролитическими ферментами.

12.2.1. Слюнные железы

Слюна - смешанный секрет трех пар больших слюнных желез: околоушных (серозных), поднижнечелюстных (серозно-слизистых), подъязычных (слизистых), а также многочисленных малых желез, рассеянных по слизистой оболочке полости рта. Малые и подъязычные железы постоянно вырабатывают секрет, увлажняющий полость рта; околоушные и поднижнечелюстные железы секретируют слюну лишь при их стимуляции. За 1 сут у человека вырабатывается 0,5-2,0 л слюны. Она содержит гидролитический фермент ?-амилазу, мукополисахариды, гликопротеины, белки, ионы (Na+, К+, Са2+, Сl-, НСО3- и др.). Кроме того, в меньших количествах в слюне содержатся такие ферменты, как лизоцим, катепсины, калликреин.

Реакция слюны колеблется от слабокислой при небольших до слабощелочной при значительных объемах секреции (рН 5,8-7,8). Концентрация ионов увеличивается с повышением скорости секреции, однако слюна всегда имеет меньшее осмотическое давление, чем плазма крови. Это обусловлено процессами активной секреции и реабсорбции, происходящими в протоках слюнных желез.

Секрецию слюнных желез возбуждает прием пищи и связанный с ним комплекс условно- и безусловнорефлекторных раздражителей. Афферентные пути рефлексов проходят по чувствительным волокнам тройничного, лицевого, языкоглоточного и блуждающего нервов, эфферентные - по холинергическим и адренергическим волокнам автономных нервов, идущих к слюнным железам.

Холинергические воздействия (стимуляция парасимпатических нервов, вызывающая выделение ацетилхолина, холиномиметик пилокарпин и др.) приводят к секреции большого количества жидкой слюны. Раздражение симпатических нервов, сопровождающееся выбросом норадреналина, приводит к образованию небольшого количества слюны, богатой органическими веществами. У человека на стимуляцию симпатических нервов отвечают лишь поднижнечелюстные железы.

12.2.2. Железы желудка

Желудочный сок продуцируется неоднородными в морфологическом отношении клетками, входящими в состав желудочных желез, и клетками поверхностного эпителия. Железы, располагающиеся в области дна (свода) и тела желудка, содержат клетки трех типов: 1) главные, вырабатывающие комплекс протеолитических ферментов; 2) обкладочные, продуцирующие НCl; 3) добавочные (мукоидные) клетки, секретирующие слизь (муцин), мукополисахариды, гастро-мукопротеин ("внутренний фактор") и гидрокарбонат. В антральном отделе (привратниковой пещере) желудка железы состоят в основном из мукоидных клеток.

Секреторные клетки дна и тела желудка выделяют кислый и щелочной секрет, а клетки антрального отдела - только щелочной. У человека объем суточной секреции желудочного сока составляет 2,0-3,0 л. Натощак реакция желудочного сока нейтральная или щелочная; после приема пищи - сильнокислая (рН 0,8-1,5).

Протеолитические ферменты. В главных клетках желез желудка синтезируется пепсиноген - неактивный предшественник пепсина, являющегося основным гидролитическим ферментом желудочного сока. Синтезированный на рибосомах профермент накапливается в виде гранул зимогена и путем экзоцитоза выбрасывается в просвет желудочной железы. В полости желудка от пепсиногена отщепляется ингибирующий белковый комплекс и профермент превращается в пепсин. Активация пепсиногена запускается НСl, а в дальнейшем протекает аутокаталитически: пепсин сам активирует свой профермент.

Термином пепсин в настоящее время обозначают смесь нескольких протеолитических ферментов. Так, у человека обнаружено 6-8 различных ферментов, различающихся иммуногистохимически. В желудочном соке человека имеется также другой протеолитический фермент - гастриксин.

Так называемые кислые протеазы, к которым относится пепсин, у беспозвоночных животных практически не встречаются, в желудке жвачных животных в период, когда они питаются молоком матери, обнаружен химозин (реннин) - фермент, створаживающий молоко. Предполагают, что пепсин, гастриксин и реннин, имеющие общие черты в последовательности аминокислотных остатков, произошли в ходе эволюции от одного общего предшественника.

Желудочная слизь. Желудочная слизь продуцируется добавочными клетками шеек желез дна и тела желудка, мукоидными клетками кардиальных и пилорических желез и клетками поверхностного эпителия. Слизь состоит из высокомолекулярных биополимеров - мукоидных веществ, имеющихся во всех тканях организма и представленных двумя типами макромолекул - гликопротеинами и протеогликанами.

Специфическим стимулятором биосинтеза и секреции желудочной слизи является простагландин Е (ПГЕ). Связывание его с рецепторами мукоцитов стимулирует ПГЕ-чувствительную аденилатциклазу и повышает концентрацию цАМФ, что приводит к фосфорилированию эндогенных ферментных белков и включению процессов синтеза и внутриклеточного транспорта молекул слизи. Предполагают, что ПГЕ опосредует стимулирующее влияние на муцинобразующие клетки желудка серотонина и соматостатина. Секрецию указанными клетками синтезированных гликопротеинов и протеогликанов вызывают холиномиметики, действующие на М-холинорецепторы, а также раздражение эфферентных волокон блуждающего нерва. Этот эффект связывают с увеличением внутриклеточной концентрации ионов кальция.

Клетки поверхностного эпителия желудка наряду с муцином секретируют гидрокарбонаты, что обеспечивает образование слизисто-гидрокарбонатного барьера, предотвращающего повреждающее воздействие на слизистую оболочку желудка НCl и пепсина. Секреция гидрокарбонатов происходит по типу активного транспорта. Предполагают, что ионы НСО3- выходят через апикальную мембрану клеток в обмен на ионы Cl-. В процессах генерации и секреции ионов НСО3- важную роль, по-видимому, играет, карбоангидраза клеток поверхностного эпителия, поскольку ингибирование данного фермента приводит к снижению

Рис. 12.7 Обкладочная клетка в различных функциональных состояниях

А - покой; Б - субмаксимальное раздражение; В - максимальное раздражение.

количества щелочного секрета в желудке. Секреция гидрокарбонатов зависит от уровня рН в желудке. Показано, что НCl усиливает секрецию гидрокарбонатов за счет повышения тканевой концентрации простагландинов. Усиление секреции ионов НСО3- наблюдается при электрической стимуляции блуждающего нерва у кошек и при его активации, вызванной ложным приемом пищи, у людей.

Хлористоводородная кислота (НCl). Она продуцируется обкладочными клетками. Это доказано наличием прямо пропорциональной зависимости между числом обклад очных клеток и максимальной секрецией НCl. Характерной особенностью обкладочных клеток (рис. 12.7) является наличие в них секреторных канальцев. Они представляют собой глубокие впячивания клеточной поверхности, имеющей микроворсинки. В покоящейся клетке секреторные канальцы выражены плохо, вместо них в клетке обнаруживаются пузырчатые образования - тубуловезикулы. В активной секретирующей клетке тубуловезикулы исчезают, а секреторные канальцы увеличиваются в размерах.

Концентрация ионов Н+ в желудочном соке составляет примерно 150-170 ммоль/л, а в плазме крови - 0,00005 ммоль/л. Из сопоставления этих величин следует, что градиент концентрации водородных ионов в желудочном соке и плазме может достигать 3 х 106.

Существуют две гипотезы, объясняющие возникновение градиента ионов Н+: окислительно-восстановительная и энергетическая. В соответствии с первой гипотезой атом водорода превращается в протон в результате отщепления электрона и переноса его на кислород с образованием ионов ОН-, которые при участии фермента карбоангидразы в свою очередь превращаются в ионы НСО3-. По второй гипотезе, ионы Н+ выводятся из клетки с помощью энергозависимого ионного насоса. При этом ионы ОН- остаются внутри клетки, где они, соединяясь с СО2 при участии карбоангидразы, образуют НСО3-.

Эти гипотезы основаны на следующих экспериментальных данных: 1) выделение одного иона Н+ в просвет желудка соответствует появлению в плазме крови одного иона НСО3-; 2) для образования ионов H+ и НСО3- необходима карбоангидраза, так как подавление активности этого фермента приводит к угнетению секреции НCl; 3) высокий градиент концентрации H+ создается в результате активного транспорта, требующего затрат энергии, и для образования двух ионов Н+ требуется приблизительно 1 моль О2.

Регуляция желудочной секреции. В регуляции желудочной секреции центральное место занимают ацетилхолин, гастрин и гистамин. Каждый из них возбуждает секреторные клетки. Вместе с тем показано, что при совместном (кооперативном) воздействии этих веществ секреторный ответ превышает сумму ответов на каждый из них в отдельности, т. е. наблюдается эффект потенцирования.

Ацетилхолин, выделяющийся из холинергических волокон блуждающего нерва, оказывает непосредственное возбуждающее действие на секреторные клетки желудка. Кроме того, он вызывает выделение гастрина из G-клеток антрального отдела желудка. Гастрин поступает в кровоток и действует на секреторные клетки эндокринным путем. Гистамин, образующийся в слизистой оболочке желудка, накапливается в энтерохромаффинных (крысы, мыши) или тучных (другие животные, человек) клетках. Гистамин оказывает свое действие на секреторные клетки желудка паракринным путем, через посредство Н2-гистаминовых рецепторов.

Таким образом, в регуляции активности секреторных клеток желудка имеет место интеграция нейромедиатора ацетилхолина, гастроинтестинального гормона гастрина и тканевого гормона гистамина. Феномен потенцирования был продемонстрирован в опытах на собаках, в которых исследовалось совместное действие на секрецию НCl следующих пар веществ: холиномиметик и гастрин, холиномиметик и гистамин. Было также показано, что блокада М-холинорецепторов атропином приводит к снижению секреторного ответа не только на холиномиметики но также на гастрин и гистамин. Циметидин - блокатор Н2-гистаминовых рецепторов тормозит реакцию не только на гистамин, но и на холиномиметики и гастрин. Перерезка блуждающего нерва, т. е. устранение холинергического стимулирующего влияния на париетальные клетки, приводит к снижению их секреторного ответа на гастрин и гистамин. Эти данные позволили заключить что париетальные клетки подвергаются постоянному воздействию фоновых концентраций ацетилхолина и гистамина, которые создают повышенную чувствительность клеток к гастрину и дополнительным дозам указанных веществ. Устранение в результате блокады М-холинорецепторов или ваготомии фонового воздействия ацетилхолина приводит к снижению секреторной реакции на гастрин и гистамин, а исключение фонового воздействия гистамина блокадой Н2-гистаминовых рецепторов - к торможению реакции на холиномиметики и гастрин.

В регуляции желудочной секреции немаловажную роль играет интеграция гастрина с соматостатином. Соматостатин, продуцируемый D-клетками слизистой оболочки антрального отдела желудка, тормозит выделение гастрина, действуя на G-клетки паракринным путем, и тем самым тормозит активность главных и обклад очных клеток. Об этом свидетельствуют следующие экспериментальные факты. Инфузия в просвет изолированного желудка крысы антисыворотки, инактивирующей соматостатин, вызывает резкое повышение концентрации гастрина в оттекающей из просвета желудка перфузионной жидкости. Кроме того, при ряде воздействий обнаружена отрицательная корреляционная связь между концентрациями гастрина и соматостатина в исследуемых средах. Так, в ответ на введение в желудок пищевых веществ или щелочного раствора концентрация соматостатина снижается, гастрина - повышается. Холинергический агонист метахолин, введенный в изолированный желудок крысы, тормозит освобождение соматостатина, увеличивая одновременно выделение гастрина. И, наконец, действие секретина, глюкагона и вазоактивного интестинального пептида сопровождается усилением освобождения соматостатина при одновременном угнетении секреции гастрина.

В регуляции желудочной секреции выделяют три фазы - мозговую, желудочную и кишечную - в зависимости от места действия раздражителя (рис. 12.8). Стимулами для возникновения секреции желудочных желез в мозговой фазе являются все факторы, сопровождающие прием пищи. При этом условные рефлексы, возникающие на вид, запах пищи, обстановку, предшествующую ее приему, комбинируются с безусловными рефлексами, возникающими при жевании и глотании. Доказательство мозговой фазы желудочной секреции было получено в работах И. П. Павлова, выполненных на эзофаготомированных собаках с изолированным желудочком, выкроенным из тела и дна желудка и сохраняющим иннервацию волокнами блуждающего нерва.

В опытах с мнимым кормлением проглоченная собакой пища выпадает из перерезанного пищевода, не попадая в желудок. Тем не менее при этом наблюдается обильная секреция желудочного сока изолированным желудочком (мозговая фаза, безусловнорефлекторный компонент). Если мнимое кормление собаки сочетается со звуковым раздражителем, через несколько дней вырабатывается условный рефлекс: выделение слюны и желудочного сока возникает в ответ на один звук (мозговая фаза, условнорефлекторный компонент).

В желудочной фазе стимулы секреции возникают в самом желудке. Секреция усиливается при растяжении желудка (механическая стимуляция) и действии на его слизистую оболочку продуктов гидролиза белка, некоторых аминокислот, а также экстрактивных веществ мяса и овощей. Активация желудочных желез растяжением желудка осуществляется с участием как местного (интрамурального), так и вагусного рефлекса. Афферентные и эфферентные пути последнего проходят по блуждающим нервам. Конечным медиатором этих рефлексов является ацетилхолин. В реакцию на раздражение механорецепторов желудка могут вовлекаться гистамин и гастрин, высвобождающиеся под влиянием ацетилхолина (рис. 12.9).

В механизмах фазовой регуляции желудочной секреции отмечены видовые различия. Так, секреторный ответ на растяжение фундальной области (дна) желудка человека в отличие от реакции у собаки не сопровождается повышением концентрации гастрина в крови, т. е. имеет место фундо-фундальный рефлекс без вовлечения гастриновых клеток, локализующихся в антральной части желудка. Растяжение антральной области желудка у собаки усиливает желудочную секрецию, приводя к высвобождению гастрина. У человека такой реакции не наблюдается. Наоборот, растяжение антрального отдела вызывает рефлекс, подавляющий секрецию желудочных желез.

Рис. 12.8 Фазы секреции главных пищеварительных желез

1 - желудочная секреция при выраженной мозговой фазе; 2 - желудочная секреция при заторможенности мозговой фазы; 3 - секреция поджелудочной железы.

Рис. 12.9 Регуляция выработки НCl в желудке

1 - высшие центры, 2 - ядра блуждающих нервов, 3 - блуждающие нервы, 4 - пищевые раздражители (механические и химические), 5 - рецепторная клетка, 6 - дно желудка, 7 - обкладочная клетка, 8 - гистаминсодержащая клетка, 9 - гистамин (паракринный), 10 - гастрин (эндокринный), 11 - гастринсодержащая клетка, 12 - антральный отдел желудка, 13 - слизистая оболочка. Факторы, угнетающие секрецию НCl: а, б - пересечение блуждающих нервов; в - блокада рецепторов под действием местноанестезирующих средств или низкого рН; г - блокада Н-холинорецепторов, ганглиоблокада; д - антагонист ацетилхолина (блокатор М-холинорецепторов); е - блокада гистаминовых Н2-рецепторов; ж - антагонист гастрина (секретин).

Химическими возбудителями секреции желудочных желез являются продукты гидролиза белков: полипептиды и аминокислоты. Эти раздражители также усиливают выделение гастрина. Гастринпродуцирующие клетки снабжены микроворсинками, обращенными в полость желудка, с помощью которых как полагают, эти клетки воспринимают химические раздражения. Гастрин вызывает выделение НCl обкладочными клетками. При значении рН в антральном отделе желудка ниже 3 выделение гастрина подавляется. Это свидетельствует о наличии в системе регуляции секреции НCl отрицательной обратной связи. Соматостатин тормозит желудочную секрецию, оказывая угнетающее действие на Гастринпродуцирующие клетки.

Влияния на железы желудка, поступающие с кишечника, определяют их функционирование в третьей, кишечной, фазе секреции. Секреция вначале возрастает, а затем снижается. Стимуляция желудочных желез является прежде всего результатом поступления в кишечник содержимого желудка, недостаточно обработанного механически и химически. Возможно, усиление желудочной секреции на этой стадии связано с выделением гастрина G-клетками двенадцатиперстной кишки. При значении рН дуоденального содержимого ниже 4 секреция желудочного сока угнетается.

На желудочную секрецию в кишечной фазе может влиять и выделение из слизистой оболочки двенадцатиперстной кишки секретина. Он тормозит секрецию НCl, но усиливает секрецию пепсиногена. Резкое торможение желудочной секреции возникает при поступлении в двенадцатиперстную кишку жира. Этот эффект обусловлен, по-видимому, тормозным влиянием на железы желудка холецистокинина и желудочного ингибирующего пептида. Возможно, в торможении секреции НCl при поступлении содержимого желудка в двенадцатиперстную кишку определенную роль играет энтерогастральный рефлекс.

Из гастроинтестинальных пептидов, оказывающих влияние на секреторный процесс в желудке, следует отметить также гастрин-рилизинг пептид, который усиливает секрецию НCl. Циркулирующие в крови катехоламины также могут вызывать освобождение гастрина и тем самым стимулировать секрецию НCl. Торможение активности обкладочных клеток вызывают глюкагон, вазоактивный интестинальный пептид, нейротензин и серотонин. Тормозным влиянием на главные и обкладочные клетки характеризуется также действие простагландинов группы Е.

Среди факторов, влияющих на желудочную секрецию, существенное значение имеют эмоциональное возбуждение и стресс. Вероятно, именно в этих случаях проявляются адренергические влияния на желудочную секрецию. Показано, что активация симпатоадреналовой системы может приводить к угнетению секреции НCl. Вместе с тем известно, что если одни виды эмоционального возбуждения (страх, тоска) вызывают торможение, то другие (раздражение, ярость) - усиление секреторной функции желудка.

12.2.3. Поджелудочная железа

Ацинарные клетки поджелудочной железы продуцируют гидролитические ферменты, расщепляющие все компоненты пищевых веществ (табл. 12.3). ?-амилаза, липаза и нуклеаза секретируются в активном состоянии, а трипсиноген, химотрипсиноген, профосфолипаза А, проэластаза и прокарбоксипептидазы А и В - в виде проферментов. Трипсиноген активируется ферментом двенадцатиперстной кишки энтерокиназой и превращается в трипсин. После образования трипсина дальнейшая активация его предшественника происходит аутокаталитически. Трипсин активирует также профосфолипазу А,

Таблица 12.3

Ферменты, секретируемые поджелудочной железой

Характер действия

Участок гидролитического расщепления

Протеолитические

Эндопептидазы

Внутренние пептидные связи между соседними аминокислотными остатками

Трипсин

Между остатками основных аминокислот, остатками ароматических аминокислот, остатками гидрофобных аминокислот в эластине

Химотрипсин

Эластаза

Экзопептидазы

Концевые пептидные связи

Карбоксипептидазы

СООН-конец (А - неосновные аминокислоты, В - основные аминокислоты)

Аминопептидазы

N-конец

Амилолитические

?-амилаза

?-1,4-Гликозидные связи в полимерах глюкозы

Липолитические

Эфирные связи

Липаза

В положениях 1 и 3 триглицеридов

Фосфолипаза А2

В положении 2 фосфоглицеридов

Холестеролаза

В эфирах холестерола

Нуклеотические

Рибонуклеаза

Фосфодиэфирные связи между нуклеотидами в рибонуклеиновых кислотах

проэластазу и прокарбоксипептидазы А и В, которые превращаются соответственно в фосфолипазу A2, эластазу и карбоксипептидазы А и Б.

Ферментный состав сока поджелудочной железы зависит от вида потребляемой пищи: при приеме углеводов возрастает преимущественно секреция амилазы, при приеме белков - трипсина и химотрипсина, при приеме жирной пищи отмечается секреция сока с повышенной липолитической активностью. При длительном поддержании определенного пищевого рациона секреторный процесс в поджелудочной железе претерпевает устойчивые адаптивные сдвиги, проявляющиеся в изменениях количества сока и соотношения секретируемых ацинарными клетками ферментов.

Клетки протоков поджелудочной железы являются источником гидрокарбоната. Хлориды, также представляющие важный компонент секреции электролитов, выделяются, по-видимому, ацинарными клетками вместе с ферментами. В составе сока поджелудочной железы кроме бикарбоната и хлоридов имеются ионы Na+, K+, Ca2+ Mg2+ Zn2+

В сутки поджелудочная железа человека вырабатывает 1,5-2 л сока; его рН составляет в среднем 7,5-8,8. Различают спонтанную (базальную) и стимулированную секрецию поджелудочной железы. Базальная секреция обусловлена присущим клеткам поджелудочной железы автоматизмом. Стимулированная секреция является результатом воздействия на клетки регуляторных факторов нейрогуморальной природы, которые включаются в действие приемом пищи.

У плотоядных животных (собака, кошка) и свиньи базальная секреция электролитов невелика или вообще отсутствует; поджелудочная железа этих животных весьма чувствительна к действию секретина - стимулятора секреции электролитов. У травоядных (корова, овца, кролик) и у крысы отмечается выраженная базальная секреция электролитов поджелудочной железой и слабая ее реакция на секретин. Человек по характеристике базальной секреции электролитов относится к первой группе.

Основными стимуляторами экзокринных клеток поджелудочной железы являются ацетилхолин и гастроинтестинальные гормоны - холецистокинин и секретин. Ацетилхолин выделяется холинергическими волокнами блуждающих нервов, окончания которых образуют неплотные контакты с мембраной ацинарных и протоковых клеток. Экзогенный ацетилхолин усиливает секрецию поджелудочной железы, увеличивая выход гидрокарбоната и ферментов. Усиление секреции отмечено также при электрическом раздражении эфферентных волокон блуждающего нерва.

Холецистокинин высвобождается из слизистой оболочки двенадцатиперстной кишки под влиянием продуктов переваривания жира и белка, секретин - при действии на S-клетки двенадцатиперстной кишки НCl (рН 4,5). Холецистокинин является сильным стимулятором выделения ферментов поджелудочной железы и лишь незначительно усиливает секрецию гидрокарбоната. Секретин, наоборот, стимулирует преимущественно секрецию гидрокарбоната, слабо влияя на выделение ферментов. Холецистокинин и секретин взаимно потенцируют действие друг друга: холецистокинин усиливает вызванную секретином секрецию гидрокарбоната, а секретин усиливает продукцию ферментов, стимулированную холецистокинином.

В процессе регуляции секреции поджелудочной железы имеет место тесное взаимодействие между гастроинтестинальными гормонами и холинергическим медиатором, опосредующим центральные и местные рефлекторные влияния на секреторные клетки поджелудочной железы. Холинергические влияния проявляют потенцирующее воздействие в отношении вызываемых холецистокинином и секретином секреторных реакций.

Электронно-микроскопические исследования показали, что нервные окончания в поджелудочной железе являются почти исключительно холинергическими. Симпатические волокна образуют в поджелудочной железе периваскулярные сплетения. Адренергические. окончания, редко встречающиеся в паренхиме, подходят к интрамуральным ганглиям поджелудочной железы. Прямые адренергические влияния на секреторные клетки поджелудочной железы представляются маловероятными, однако симпатические нервные волокна могут оказывать на них непрямые влияния, воздействуя на нейроны интрамуральных ганглиев. Кроме того, адренергические влияния на кровеносные сосуды поджелудочной железы, изменяя ее кровоснабжение, могут влиять и на секреторную функцию.

Естественным стимулятором секреции поджелудочной железы является прием пищи. Начальная, мозговая фаза секреции поджелудочной железы была изучена в лаборатории И. П. Павлова в опытах с мнимым кормлением. Она вызывается видом, запахом пищи (условнорефлекторное раздражение), жеванием и глотанием (безусловнорефлекторное раздражение). Эфферентные пути этих рефлексов проходят в составе блуждающих нервов.

В формировании мозговой фазы секреции поджелудочной железы могут участвовать механизмы, которые связаны с рефлекторными влияниями, опосредованными холинергическими волокнами блуждающего нерва: непосредственная стимуляция клеток поджелудочной железы ацетилхолином; вагусная стимуляция секреции НCl обкладочными клетками и поступление ее в двенадцатиперстную кишку, где НCl вызывает выделение секретина, стимулирующего секрецию поджелудочной железы.

В желудочной фазе секреции поджелудочной железы активирующее влияние на ее клетки оказывает ваго-вагальный рефлекс, возникающий в результате растяжения стенок желудка.

Поступление содержимого желудка в двенадцатиперстную кишку обусловливает последовательное воздействие на ее слизистую оболочку НCl и продуктов переваривания жира и белка, что вызывает высвобождение секретина и холецистокинина; эти гормоны и определяют механизмы секреции поджелудочной железы в кишечной фазе. Высвобождение холецистокинина и секретина из слизистой оболочки двенадцатиперстной кишки усиливается рефлекторно активируемыми холинергическими механизмами. Возможно, в формирования кишечной фазы секреции поджелудочной железы принимают участие и другие гастроинтестинальные гормоны.

12.2.4. Желчеотделение и желчевыделение

Желчеотделение (холерез). Это процесс образования желчи печенью. Образование желчи происходит непрерывно путем фильтрации ряда веществ (вода, глюкоза, электролиты и др.) из крови в желчные капилляры и посредством активной секреции клетками печени (гепатоцитами) солей желчных кислот и ионов Na+. Окончательное формирование состава желчи происходит в результате реабсорбции воды и минеральных солей в желчных капиллярах, протоках и желчном пузыре.

Желчь содержит продукты не только секреторной, но и экскреторной деятельности печени, направленной на выведение из организма ряда веществ. У человека за сутки образуется 0,5-1,5 л желчи. Основными компонентами желчи являются желчные кислоты, пигменты и холестерин. Кроме того, она содержит жирные кислоты, муцин, различные ионы (Na+ K+, Са2+, Cl-, НСО3-) и другие вещества; рН печеночной желчи составляет 7,3-8,0, пузырной - 6,0-7,0.

Первичные желчные кислоты (холевая и хенодезоксихолевая), образующиеся в гепатоцитах из холестерина, соединяются с глицином или таурином и выделяются в виде натриевой соли гликохолевой и калиевой соли таурохолевой кислот. В кишке под влиянием бактериальной флоры они превращаются во вторичные желчные кислоты - дезоксихолевую и литохолевую. До 90% желчных кислот активно реабсорбируется из кишки в кровь и по портальным сосудам возвращается в печень. Таким образом осуществляется печеночно-кишечная циркуляция желчных кислот (рис. 12.10).

Рис. 12.10 Печеночно-кишечная циркуляция желчных кислот

1 - желудок, 2 - тонкая кишка, 3 - ободочная кишка, 4 - область воротной вены, 5 - область желчных ходов, 6 - печень, 7 - кровь.

Желчные пигменты (билирубин и биливердин) представляют собой экскретируемые печенью продукты распада гемоглобина. Они придают желчи ее характерную окраску. У человека и плотоядных

Рис. 12.11 Механизмы секреции желчи (слева) и упрощенная схема печеночного ацинуса (портальный тракт показан в поперечном разрезе, ветвь печеночной вены - в продольном)

животных преобладает билирубин, определяющий золотисто-желтый цвет желчи, у травоядных - биливердин, окрашивающий ее в зеленый цвет.

Процесс образования желчи усиливается в результате приема пищи. Наиболее сильным стимулятором холереза является секретин, под влиянием которого усиливается объем секреции и выделение в составе желчи гидрокарбоната. На процесс желчеобразования существенное влияние оказывают всасывающиеся в кровь из тонкой кишки желчные кислоты: они увеличивают объем желчи и содержание в ней органических компонентов.

Процесс секреции желчи включает два компонента: зависимый от желчных кислот и независимый от них (рис. 12.11). В первом случае желчные кислоты поглощаемые клетками печени из портальной (воротной вены) крови или синтезированные в них заново, транспортируются в канальцы. Во втором случае в результате активного образования ионов Na+ секретируются электролиты. Под действием первичной желчи ионы Na+, Cl-, НСО3- секретируются в желчные протоки, а вслед за ними под действием осмотического давления выходит вода.

Желчевыделение (холекинез). Поступление желчи в двенадцатиперстную кишку в отличие от желчеотделения является периодическим процессом связанным в основном с приемом пищи. Движение желчи обусловлено градиентом давления в желчевыделительной системе и в полости двенадцатиперстной кишки. Давление в путях оттока желчи создается за счет самого процесса желчеобразования, сокращений гладких мышц протоков и желчного пузыря. Эти сокращения согласованы с активностью трех сфинктеров, располагающихся в месте слияния общего желчного и пузырного протоков, в шейке желчного пузыря и в концевом отделе общего желчного протока (сфинктер ампулы, или Одди).

Основным стимулятором сократительной активности желчного пузыря является холецистокинин. Сильными возбудителями желчевыделения считаются яичные желтки, молоко, мясо и жиры. Прием пищи и связанные с ним условно- и безусловнорефлекторные раздражители вызывают активацию желчевыделения. Вначале происходит первичная реакция: желчный пузырь расслабляется, а затем сокращается. Через 7-10 мин после приема пищи наступает основной период эвакуаторной деятельности пузыря, который характеризуется чередованием эпизодов сокращения и расслабления и длится 3-6 ч. После его окончания сократительная активность желчного пузыря тормозится и в нем снова начинает депонироваться печеночная желчь.

12.2.5. Секреция кишечных желез

Дуоденальные (бруннеровы) железы, располагающиеся в слизистой оболочке двенадцатиперстной кишки, и кишечные крипты (либеркюновы железы) тонкой кишки продуцируют кишечный сок, общее количество которого за сутки достигает у человека 2,5 л. Его рН составляет 7,2-7,5, но при усилении секреции повышается до 8,6. Значительная часть сока (его плотная часть) состоит из слизи и отторгнутых эпителиальных клеток. Клетки кишечного эпителия обновляются за сравнительно короткий срок. В течение примерно 24-36 ч они перемещаются из крипт слизистой оболочки к вершине ворсинок (рис. 12.12, 12.13), откуда и отторгаются через 3 сут после начала процесса.

Рис. 12.12 Продольный разрез двух ворсинок и крипты между ними в тонкой кишке, на котором видны клетки слизистой оболочки и структуры, находящиеся внутри ворсинки

Рис. 12.13 Строение энтероцита (А) и микроструктура щеточной каймы (Б)

Кишечный сок содержит более 20 различных пищеварительных ферментов. Выделение жидкой части сока, содержащей различные минеральные вещества и значительное количество мукопротеина, резко усиливается при механическом раздражении слизистой оболочки кишки. Продукты переваривания пищевых веществ стимулируют выделение сока, богатого ферментами. Кишечную секрецию стимулирует также вазоактивный интестинальный пептид. Соматостатин оказывает на нее тормозное воздействие.

12.3. ПЕРЕВАРИВАНИЕ ПИЩЕВЫХ ВЕЩЕСТВ

В желудочно-кишечном тракте пища подвергается физической (размельчение, набухание, растворение) и химической обработке. Последняя заключается в гидролизе питательных веществ до стадии мономеров. При этом компоненты пищи, сохраняя пластическую и энергетическую ценность, утрачивают видовую специфичность, поступают в кровь и включаются в обменные процессы. Гидролиз пищевых веществ осуществляется в определенной последовательности и в различных отделах желудочно-кишечного тракта имеет свои особенности.

Полость рта. Здесь осуществляется начальный гидролиз полисахаридов (крахмала, гликогена), ?-амилаза слюны расщепляет гликозидные связи гликогена и молекул амилозы и амилопектина, входящих в структуру крахмала, с образованием декстринов. Действие амилазы в полости рта кратковременно, однако гидролиз углеводов под ее воздействием продолжается в желудке за счет поступившей сюда слюны. Когда содержимое желудка под воздействием НCl приобретает кислую реакцию, амилаза инактивируется и прекращает свое действие.

Желудок. В желудке происходит начальный гидролиз белков под воздействием протеолитических ферментов желудочного сока (пепсина, гастриксина, химозина) с образованием полипептидов. Здесь гидролизуется около 10% пептидных связей. Указанные ферменты активны лишь в кислой среде, создаваемой НCl. Оптимальная величина рН для пепсина составляет 1,2-2,0, для гастриксина - 3,2-3,5. Хлористоводородная кислота вызывает набухание и денатурацию белков, что облегчает их последующее расщепление протеолитическими ферментами. Действие протеолитических ферментов реализуется главным образом в поверхностных слоях пищевой массы, прилежащих к стенке желудка. По мере переваривания этих слоев пищевая масса сдвигается в пилорический отдел, откуда после частичной нейтрализации эвакуируется в двенадцатиперстную кишку.

Тонкая кишка. Химус (пища, подвергнутая действию желудочного сока) в двенадцатиперстной и далее в тонкой кишке подвергается действию ферментов поджелудочной железы и собственно кишечных ферментов. Оптимальная для их активности среда создается в результате воздействия на кислый химус желудка щелочных секретов: сока поджелудочной железы, желчи, кишечного сока. У человека рН в двенадцатиперстной кишке колеблется в пределах 4,0-8,5; в тонкой кишке он сохраняется в диапазоне 6,5-7,5. Этот диапазон характерен для кишки всех позвоночных.

?-Амилаза поджелудочной железы гидролизует декстрины до мальтозы и изомальтозы. При этом образуется лишь небольшое количество глюкозы. Высвобождаемые ?-амилазой сахариды подвергаются дальнейшему гидролизу собственно кишечными карбогидразами (мальтазой, ?-амилазой, изомальтазой, сахаразой, лактазой, трегалазой) до моносахаридов (глюкозы, галактозы, фруктозы). Эти ферменты, осуществляющие заключительный этап гидролиза углеводов, синтезируются непосредственно в кишечных клетках, локализованы в области мембраны щеточной каймы энтероцитов (см. ниже) и прочно связаны с ней. Из перечисленных кишечных ферментов лактаза имеется только у млекопитающих. У тех из них, детеныши которых питаются молоком, не содержащим лактозу (тюлени, морские львы, моржи), лактаза отсутствует.

Протеолитические ферменты сока поджелудочной железы (трипсин, химотрипсин, эластаза, карбоксипептидазы А и В) осуществляют в кишечнике дальнейшее переваривание белков. Трипсин, химотрипсин и эластаза, как и пепсин, являются эндоферментами. Они расщепляют главным образом внутренние белковые связи, в результате чего образуются более или менее крупные фрагменты (поли- и олигопептиды). Эти фрагменты белковых молекул поступают в пристеночную (примукозальную) зону, которая образована слоем слизи (слизистыми наложениями). В слизи содержатся в значительном количестве ферменты, которые по мере перемещения пептидов к апикальной мембране энтероцитов гидролизуют их до дипептидов. Гидролиз последних до мономеров (аминокислот) происходит на апикальной поверхности мембран энтероцитов собственно кишечными ферментами. Экзоферменты (карбоксипептидазы А и В, аминопептидаза, дипептидазы) отщепляют от пептидной цепи концевые аминокислоты, в результате чего образуются свободные аминокислоты и малые пептиды, способные к всасыванию. Аминопептидаза и дипептидазы являются кишечными ферментами и локализуются в зоне щеточной каймы энтероцитов, где они участвуют в мембранном гидролизе.

Гидролиз жиров. Начальные этапы гидролиза жиров (из которых основное значение имеют триглицериды) протекают в полости двенадцатиперстной кишки под действием липазы сока поджелудочной железы. Имеются данные о наличии желудочной липазы, которая, однако, действует лишь на эмульгированные жиры, например на жиры молока. В процессе гидролитического расщепления жира большое значение имеет процесс эмульгирования. Он увеличивает поверхность жира, на которой реализуется ферментативная активность липазы. В процессе эмульгирования жира в кишечнике важную роль отводят желчи. Показано, что смешанные мицеллы, образованные желчными солями и триглицеридами, более доступны для действия липазы поджелудочной железы.

Липаза гидролизует триглицериды с образованием преимущественно 2-моноглицеридов и жирных кислот. В результате действия фермента эмульгированные жиры в форме моноглицеридов и жирных кислот постепенно переходят в мицеллярное состояние. Одновременно с расщеплением триглицеридов происходит гидролиз холестеридов до холестерина и свободных жирных кислот под действием холестеразы при рН 6,6-8,0. Фосфолипиды. (преимущественно лецитин) расщепляются фосфолипазой А. Она гидролизует эфирную связь глицерина и жирной кислоты у второго атома углерода, превращая лецитин в изолецитин и жирную кислоту. Кишечная моноглицеридлипаза гидролизует эфирные связи 2-моногдицеридов. В гидролизе жиров у беспозвоночных участвуют, по-видимому, преимущественно эстеразы. Эти ферменты (кроме липазы) локализуются в средней кишке ракообразных, насекомых, двустворчатых и брюхоногих моллюсков.

Кроме указанных групп ферментов, участвующих в процессе переваривания пищевых веществ, имеется ряд других. Это щелочная фосфатаза, гидролизующая моноэфиры ортофосфорной кислоты, нуклеазы (РНКаза и ДНКаза), нуклеотидазы, нуклеозидазы и другие ферменты, расщепляющие полинуклеотиды и нуклеиновые кислоты. Общей закономерностью, справедливой, видимо, для огромного большинства живых существ, является первоначальное переваривание пищи в кислой среде и последующий гидролиз и всасывание в нейтральной или слабощелочной среде. У примитивных организмов это достигается благодаря изменению реакции, например, в пищеварительных вакуолях. У высших животных и человека отдельные звенья пищеварительной цепи реализуются в различных отделах желудочно-кишечного тракта.

Толстая кишка. Пищеварение в толстой кишке у человека практически отсутствует. Низкий уровень ферментативной активности в ней выработался в процессе эволюции и связан с тем, что поступающий в этот отдел желудочно-кишечного тракта химус беден непереваренными пищевыми веществами. Толстая кишка в отличие от других отделов кишечника богата микроорганизмами. Значение микробной флоры заключается в том, что она осуществляет разложение непереваренной пищи и компонентов пищеварительных секретов, в результате чего образуются органические кислоты, газы (СО2, СН4, Н2S) и токсические вещества (фенол, скатол, индол, крезол). Часть этих веществ, поступивших в организм, обезвреживается печенью (барьерная функция печени). Существенное значение имеет то, что ферменты бактерий расщепляют целлюлозу, гемицеллюлозу и пектины, на которые не действуют пищеварительные ферменты. Продукты гидролиза всасываются в толстой кишке и используются организмом. В толстой кишке всасываются также некоторые витамины и аминокислоты, продуцируемые микробами кишечной полости.

12.4. МЕМБРАННОЕ ПИЩЕВАРЕНИЕ И ВСАСЫВАНИЕ

Описанные в предыдущем разделе гидролитические процессы протекают в полости тонкой кишки, в слое слизистых наложений и в зоне щеточной каймы энтероцитов (мембранное пищеварение).

Характерной особенностью кишечных клеток (рис. 12.14) является наличие щеточной каймы, которая образована микроворсинками - выростами цитоплазмы, ограниченными мембраной. Щеточная кайма энтероцитов - универсальная структура, свойственная различным животным и человеку. На апикальной поверхности каждого энтероцита находится около 3-4 тыс. микроворсинок; на 1 мм2 поверхности кишечного эпителия приходится до 50-100 млн. микроворсинок. У человека и других млекопитающих высота микроворсинок составляет в среднем 1 мкм, диаметр - около 0,1 мкм. У низших позвоночных, включая амфибий, микроворсинки могут быть длиннее.

Рис. 12.14 Кишечная клетка

1 - терминальная сеть, 2 - микротрубочки, 3 - свободные рибосомы, 4 - латеральная мембрана, 4- базальная мембрана, 6 - межклеточное пространство, 7 - аппарат Гольджи, 8 - гладкий ретикулум, гранулярный эндоплазматический ретикулум, 10 - лизосомы, 11 - десмосома, 12 -плотный контакт, 13 - микроворсинки.

Внешняя поверхность плазматической мембраны энтероцитов покрыта гликокаликсом, который образует на апикальной поверхности кишечных клеток слой толщиной до 0,1 мкм. Гликокаликс состоит из множества мукополисахаридных нитей, связанных кальциевыми мостиками. В гликокаликсе адсорбирован целый ряд пищеварительных ферментов. Именно на внешней (апикальной) поверхности кишечных клеток, образующей щеточную кайму с гликокаликсом, осуществляется мембранное пищеварение.

12.4.1. Мембранное пищеварение

Этот тип пищеварения наблюдается на всех уровнях эволюционного развития. Оно обнаружено у всех млекопитающих, у птиц, рыб, амфибий, круглоротых, а также у беспозвоночных животных, в том числе у насекомых, ракообразных, моллюсков. Мембранное пищеварение осуществляется ферментами, адсорбированными из полости тонкой кишки (секретируемыми преимущественно поджелудочной железой), а также собственно кишечными ферментами, синтезируемыми в кишечных клетках (энтероцитах) и встроенными в мембрану.

Ферменты, адсорбированные на структурах кишечной слизистой оболочки, реализуют главным образом промежуточные стадии гидролиза всех основных пищевых веществ. Собственно кишечные ферменты мембраны энтероцитов осуществляют преимущественно заключительные стадии расщепления белков, углеводов и, возможно, жиров. Адсорбированные ферменты связаны в основном со структурами гликокаликса, а собственно кишечные ферменты встроены в структуры мембраны энтероцитов. Вместе с тем на поверхности мембраны могут адсорбироваться ферменты, поступающие в полость тонкой кишки с панкреатическим соком, а собственно кишечные ферменты могут частично включаться в гликокаликс.

Активные центры ферментов мембраны энтероцитов ориентированы определенным образом по отношению к мембране и полости тонкой кишки. Вследствие этого свободная ориентация каталитических центров ферментов по отношению к гидролизуемым молекулам невозможна, что является характерной чертой мембранного пищеварения. В зону мембранного пищеварения проникают преимущественно небольшие молекулы; бактерии в эту область попасть не могут.

Начальные стадии пищеварения осуществляются исключительно в полостях желудочно-кишечного тракта (рис. 12.15). Мелкие молекулы (олигомеры), образующиеся в результате полостного гидролиза,

Рис. 12.15 Взаимодействия между полостным и мембранным пищеварением

А - последовательная деполимеризация пищевых субстратов в полости и на поверхности тонкой кишки;

Б - фрагмент липопротеиновой мембраны с адсорбированными и собственно кишечными ферментами. 1-3 - субстраты, 4 - апикальный гликокаликс, 5 - литеральный гликокаликс, 6 - мембрана, 7 - микроворсинки, 8 - панкреатические ферменты, 9 - неэнзиматические факторы, 10 - каталитические центры ферментов, 11 - мембранные ферменты, 12- регуляторные центры ферментов, 13 - транспортная система мембраны.

Рис. 12.16 Всасывание ионов в тонкой кишке млекопитающих

1 - электрогенный транспорт Na+, 2 - электрогенный транспорт Na+, сопряженный с транспортом D-гексоз, l-аминокислот, дипептидов, водорастворимых витаминов, солей желчных кислот (в подвздошной кишке), 3 - электронейтральный транспорт NaCI, 4 - электронейтральный обмен (Na+ - Н+, Cl- - НСО3-).

- Резерв всасывания

Рис. 12.17 Относительный объем всасывания жиров, белков и углеводов в различных отделах тонкой кишки человека

1 - желудок, 2 - двенадцатиперстная кишка (? 30 см), 3 - тощая кишка (? 120 см), 4 - подвздошная кишка (? 130 см).

поступают в зону щеточной каймы, где происходит их дальнейшее расщепление. В результате мембранного гидролиза образуются преимущественно мономеры, которые и транспортируются в циркуляторное русло. Согласно современным представлениям, усвоение пищевых веществ осуществляется в три этапа: полостное пищеварение - мембранное пищеварение - всасывание.

Собственно кишечные ферменты располагаются на мембране энтероцитов в непосредственной близости от транспортных систем, участвующих в процессе всасывания веществ. Благодаря этому мембранное пищеварение обеспечивает сопряжение конечных этапов переваривания пищевых веществ и начальных этапов всасывания.

12.4.2. Всасывание

Термином всасывание обозначают совокупность процессов, обеспечивающих перенос веществ из просвета кишки в кровь и лимфу. Так, всасывание ионов в кишке идет с участием четырех механизмов (рис. 12.16): 1 - электрогенное поглощение ионов Na+ против электрохимического градиента; 2 - сопряженный электрогенный транспорт Na+ (сопряженный с переносом органических веществ общим переносчиком); 3 - нейтральный сопряженный транспорт Na+ -Cl- ; 4 - нейтральное поглощение Na+ -Cl- путем двойного обмена на ионы Н+ и НСО3-. Источником энергии для всех четырех механизмов переноса служит Na+-K+ АТФ-аза базальной и латеральной мембраны. Всасывание осуществляется преимущественно в тонкой кишке (рис. 12.17). Общая площадь всасывающей поверхности кишки человека составляет приблизительно 200 м2. Столь значительная величина всасывающей поверхности обусловлена наличием структур, увеличивающих поверхность слизистой оболочки кишки (круговых складок, ворсинок), а также микроворсинок энтероцитов. За счет микроворсинок поверхность клетки увеличивается более чем в 30 раз. Соседние клетки образуют вместе с плотным контактом и межклеточным пространством функциональную единицу. Форма эпителиальных клеток и межклеточного пространства зависит от функционального состояния эпителия (рис. 12.18).

Рис. 12.18 Схема эпителиальных клеток тонкой кишки позвоночных

А - в покое; Б - во время всасывания. 1 - микроворсинки, 2 - базальная мембрана, 3 - плотный контакт, 4 - межклеточное пространство, 5 - собственная пластинка, 6 - капилляр, 7 - базолатеральная мембрана 8 - просвет.

Рис. 12.19 Пути и механизмы транспорта воды и растворенных в ней веществ через эпителий

В транспорте через клетки участвуют и пассивный, и активный процессы; в транспорте через межклеточное пространство - только пассивный (показано стрелками).

Через эпителиальную поверхность кишки постоянно происходит переход веществ в двух направлениях: из просвета кишки в циркуляторное русло и одновременно из кровеносных капилляров в полость кишечника. Если преобладает транспорт из просвета кишки, результирующим эффектом двух противоположно направленных потоков является всасывание, если доминирует обратный поток - секреция (экскреция).

Механизмы транспорта. Всасывание веществ осуществляется с участием различных видов транспорта (рис. 12.19). Пассивный транспорт жидкостей и растворенных в них веществ происходит без затрат энергии. К этому виду транспорта относятся диффузия, осмос и фильтрация. Движущей силой диффузии частиц растворенного вещества является их концентрационный градиент (рис. 12.20). При осмосе, являющемся разновидностью диффузионного переноса, происходит перемещение в соответствии с концентрационным градиентом частиц растворителя. Процесс фильтрации заключается в переносе раствора через пористую мембрану под действием гидростатического давления. Для реализации пассивного транспорта существенное значение имеет жирорастворимость веществ, переносимых через мембрану, так как в ее составе содержится большое количество липидов.

Активный транспорт веществ является однонаправленным и связан с затратами энергии, источником которой служат макроэргические фосфаты. При активном энергозависимом транспорте вещество может переноситься против градиента концентрации, в результате чего создается несимметричное распределение веществ по обе стороны клеточной мембраны. Скорость активного транспорта довольно высока, однако она не может превысить определенного

Рис. 12.20 Механизмы транспорта, участвующие в процессах всасывания

А - диффузия, Б - конвекция, В - транспорт через клетку

Рис. 12.21 Баланс жидкости в желудочно-кишечном тракте человека

Из общего количества жидкости, поступающей в желудочно-кишечный тракт с пищей (2 л) и эндогенными секретами (7 л), с экскрементами выводится только 100 мл.

Рис. 12.22 Механизмы, всасывания воды в кишке

A-in vivo, активный транспорт натрия, Б - модель трех компартментов; 1 - полость кишки, 2 - щель между энтероцитами, 3 - интерстициальное пространство.

"значения насыщения". Некоторые вещества угнетают активный транспорт по типу конкурентного ингибирования.

Предполагают, что активный транспорт осуществляется при участии переносчиков - транспортеров, располагающихся на клеточной мембране. На внешней стороне мембраны переносчик соединяется с молекулой транспортируемого вещества, переносит ее через мембрану, высвобождает на внутренней поверхности и возвращается обратно к наружной поверхности. Существуют и другие модели транспортеров (см. ниже).

Облегченная диффузия, как и простая диффузия (см. рис. 12.20), осуществляется без затрат энергии, по градиенту концентрации. Вместе с тем облегченная диффузия - более быстрый процесс, который имеет порог насыщения, подвергаясь ингибированию по конкурентному типу, и, следовательно, осуществляется с участием транспортеров.

Различают транспортные системы, обеспечивающие переход веществ через апикальную мембрану энтероцита внутрь клетки, и системы транспорта веществ из клетки в кровь или лимфу, располагающиеся в области базальной и латеральной мембран кишечной клетки.

Всасывание воды и одновалентных ионов. В тонкой и толстой кишке осуществляется всасывание воды и солей, поступающих с пищей и секретируемых пищеварительными железами (рис. 12.21, 12.22). Общее количество воды, всасывающейся в кишечнике человека за 1 сут, составляет 8-10 л, хлористого натрия - 1 моль. Транспорт воды тесно связан с транспортом ионов Na+ и определяется им.

В пищеварительном тракте поддерживается концентрация ионов Na+ близкая к их концентрации в плазме крови. Несмотря на это, происходит постоянное всасывание ионов Na+ из просвета кишечника в кровь. Транспорт их может быть активным и пассивным. Перенос Na+ из полости кишечника в кровь может осуществляться по межклеточным каналам. Ионы Na+ поступают в энтероциты пассивным путем, но с участием специфических транспортных систем. В кишечных клетках имеется также дополнительная система электрогенного транспорта Na+, сопряженная с транспортом Сахаров и аминокислот. Транспорт Na+ через базальную и латеральные мембраны энтероцита является активным и осуществляется за счет локализующегося здесь Na+, K+-насоса.

В процессе всасывания потоки Na+ и Cl- сопряжены. Абсорбция ионов Сl- против градиента концентрации энергетически обеспечивается активным транспортом Na+. Признают также наличие системы активного транспорта Cl-, локализующейся в апикальной мембране.

Активному транспорту Na+ принадлежит решающая роль в обеспечении переноса воды. Создаваемый им осмотический градиент служит непосредственной движущей силой для молекул воды, которая может транспортироваться как через энтероциты, так и по межклеточным каналам.

Всасывание двухвалентных катионов. Из всасываемых в кишечнике двухвалентных катионов наибольшее значение имеют Са2+, Mg2+, Zn2+, Cu2+ и Fe2+ Кальций всасывается по всей длине желудочно-кишечного тракта, однако у различных млекопитающих и птиц наиболее интенсивная его абсорбция происходит в двенадцатиперстной кишке и начальном отделе тонкой кишки. В этом же отделе всасываются ионы Mg2+ Zn2+ и Fe2+. Всасывание Cu2+ происходит преимущественно в желудке. Желудок является также основным местом всасывания Mg2+ у овец.

В процессе всасывания Са2+ участвуют механизмы облегченной и простой диффузии. Существуют данные о наличии в базальной мембране энтероцитов кальциевого насоса, который обеспечивает выкачивание Са2+ из клетки в кровь против электрохимического градиента. Стимулирующее влияние на всасывание Са2+ оказывает желчь. Всасывание ионов Mg2+, Zn2+ и основного количества Сu2+ происходит пассивным путем.

Всасывание ионов Fe2+ осуществляется с участием переносчиков (активный транспорт), а также по механизму пассивного транспорта (простая диффузия). При попадании ионов Fe2+ в энтероцит они соединяются с апоферритином, в результате чего образуется металлопротеин ферритин. Последний является основным депо железа в организме.

Всасывание сахаров. В кишечнике млекопитающих могут всасываться различные моносахариды, однако в естественных условиях основным из них является глюкоза. На втором по значению месте находится фруктоза. В период питания организма молоком матери существенное значение имеет галактоза (рис. 12.23).

Рис. 12.23 Переваривание и всасывание углеводов

Ферментативный гидролиз ди- и полисахаридов в щеточной кайме.

Поступление моносахаридов из просвета тонкой кишки в кровь может осуществляться различными путями, однако при всасывании глюкозы основную роль играет активный транспорт. Его особенностью является зависимость от ионов Na+. Наиболее распространено представление о сопряженном транспорте глюкозы и Na+ одним переносчиком. В соответствии с гипотезой натриевого градиента движущей силой, обеспечивающей перенос молекул глюкозы, является концентрационный градиент Na+. Для обеспечения последнего ионы Na+ должны откачиваться из клетки. Этот процесс протекает с использованием энергии АТФ.

Предложена также другая модель Nа+-зависимого транспорта глюкозы, которая предусматривает наличие в мембране энтероцита двух параллельно взаимодействующих каналов (для Na+ и глюкозы) и расположенного на поверхности мембраны воротного белка. Этот белок связывает глюкозу на входе в транспортную систему, что приводит к активированию натриевого канала. На определенной стадии движения Na+ по этому каналу активируется глюкозный канал, по которому и транспортируется молекула глюкозы, первоначально фиксированная на воротном белке.

По механизму активного транспорта всасываются не все моносахариды. В отличие от D-глюкозы и D-галактозы, l-глюкоза и l-галактоза транспортируются пассивно, что проявляется в меньшей скорости их всасывания.

Всасывание аминокислот. Основным механизмом поступления аминокислот в энтероцит является Na+-зависимый активный транспорт. Вместе с тем возможна и диффузия аминокислот по электрохимическому градиенту. Наличием двух механизмов транспорта объясняют тот факт, что D-аминокислоты всасываются быстрее (за счет активного транспорта), чем l-изомеры, поступающие в клетку пассивно, путем диффузии. У взрослых животных диффузия, очевидно, происходит лишь при нарушении механизма активного транспорта! В нормальных же условиях поступление аминокислот в энтероцит обеспечивается механизмами облегченной диффузии и активного транспорта, реализующимися с участием переносчиков. Предполагают наличие различных транспортных систем для нейтральных, основных, N-замещенных и дикарбоновых аминокислот.

Практически единственным видом продуктов гидролиза белка, всасывающихся в кровеносное русло у высших животных и человека, являются аминокислоты. Исключение составляют оксипролиновые пептиды, которые по-видимому, всасываются путем диффузии. В весьма небольшом количестве через кишечный эпителий способны проникать некоторые мелкие пептиды, например глицилглицин. Кроме того, у новорожденных млекопитающих, когда еще не функционируют механизмы расщепления белка, возможно всасывание интактного белка посредством пиноцитоза. Таким путем в организм новорожденного с молоком матери поступают антитела, обеспечивающие невосприимчивость к инфекциям.

Существует точка зрения, в соответствии с которой олигопептиды, образующиеся в процессе полостного гидролиза, поступают в энтероцит, где и расщепляются до аминокислот под действием внутриклеточных ферментов. В то же время показано, что промежуточные и заключительные этапы расщепления белковых молекул осуществляются не внутриклеточно, а в зоне щеточной каймы энтероцитов с помощью находящихся здесь пептидаз.

В энтероцитах наряду с транспортной системой апикальной мембраны имеется также транспортная система, расположенная в базальной и латеральных мембранах, которая осуществляет выход транспортируемых аминокислот из клетки. Эта система функционирует с участием транспортеров по механизму облегченной диффузии. Предполагают возможность и Nа-зависимого активного транспорта. Процесс переваривания и всасывания белков можно представить в следующем виде (рис. 12.24). В просвете кишки происходит расщепление полипептидов до олигопептидов, ди- и трипептидов и аминокислот. В мембране микроворсинок щеточной каймы - дальнейшее расщепление специфическими пептидазами, поглощение аминокислот и олигопептидов. В цитоплазме - расщепление ди- и олигопептидов цитоплазматическими пептидазами до аминокислот. В базальной мембране - выход аминокислот из клетки в кровь.

Всасывание жиров и витаминов. Основной группой пищевых жиров являются триглицериды. Продукты их гидролиза способны проникать через мембрану энтероцита лишь после определенных физико-химических превращений. Моноглицериды и жирные кислоты с участием желчных кислот образуют мицеллы. Строение смешанной мицеллы представлено на рис. 12.25. Ее сердцевина, состоящая из холестерола, лецитина, жирных кислот и моноглицеридов, покрыта снаружи желчными кислотами, гидрофильные группы которых находятся на поверхности мицеллы. Желчные кислоты стабилизируют мицеллы и обеспечивают их транспорт из просвета кишечника к энтероцитам, в которые жиры проникают путем пассивной диффузии.

Желчные кислоты транспортируются из начальных отделов тонкой кишки, в которых происходит преимущественное всасывание жиров, в подвздошную кишку, где они поступают в энтероциты по механизму активного транспорта (рис. 12.26).

В энтероцитах осуществляется обратный синтез (ресинтез) триглицеридов из моноглицеридов и жирных кислот. Ресинтезированные жиры транспортируются из энтероцитов в лимфу в виде хиломикронов. Последние представляют собой триглицериды (85-90%), заключенные в оболочку из белка (2%), фосфолипидов (6-8%) и эфиров холестерина (2-4%). Кроме хиломикронов в энтероцитах синтезируются липопротеиды очень низкой плотности, характеризующиеся меньшим содержанием триглицеридов и большим - белка.

Рис. 12.24 Переваривание и всасывание белков

Рис. 12.25 Строение смешанной мицеллы

Рис. 12.26 Переваривание и всасывание липидов

МГ - моноглицериды; ДГ - диглицериды; ТГ - триглицериды; ЖК - жирные кислоты.

Рис. 12.27 Перенос липидов из просвета кишки в ткани

Хиломикроны и липопротеины очень низкой плотности переходят из энтероцитов в лимфатические сосуды и через грудной лимфатический проток попадают в кровь.

В целом перенос липидов из просвета кишки в ткани представляется следующим образом. Продукты гидролиза триглицеридов - моноглицериды, жирные кислоты и глицерол образуют мицеллы с солями желчных кислот. Эти мицеллы поступают во всасывающую клетку путем пассивной диффузии через мембрану микроворсинки с растворением в ее липидах. Внутри клетки мицеллы накапливаются в гладком эндоплазматическом ретикулуме, а затем переходят в гранулярный ретикулум. Там они снова превращаются в триглицериды, а также в фосфолипиды и холестерол. Все эти липиды откладываются в аппарате Гольджи, образуя хиломикроны - капельки диаметром около 150 нм. Капельки затем покидают клетку через базолатеральные участки мембраны посредством экзоцитоза (рис. 12.27).

Описанные этапы всасывания жира характерны для длинноцепочечных жирных кислот. Жирные кислоты с короткими и средними цепями диффундируют из просвета кишечника в энтероциты и далее непосредственно в кровеносное русло, минуя лимфатические сосуды.

С всасыванием жиров тесно связано всасывание жирорастворимых витаминов (A, D, Е, К).

Витамины, растворимые в воде, могут всасываться посредством диффузии (например, аскорбиновая кислота, рибофлавин). Фолиевая кислота (витамин В9) всасывается в конъюгированном виде. Витамин B12 (кобаламин) всасывается у людей в подвздошной кишке. Для его усвоения необходим внутренний фактор (мукопротеин с неустановленной окончательно химической структурой), образующийся у человека и различных видов животных в дне и теле желудка. У собак и свиней внутренний фактор образуется главным образом в пилорической части желудка.

12.5. МОТОРНАЯ ФУНКЦИЯ

Двигательная активность (моторика) желудочно-кишечного тракта оказывает влияние на все этапы процесса пищеварения. Она обеспечивает механическую обработку пищи, смешивание ее с ферментами, смену пристеночного слоя химуса, транспорт содержимого по желудочно-кишечному тракту и выведение экскрементов.

В основе моторной функции желудочно-кишечного тракта лежит сократительная активность гладкомышечных клеток, объединенных в пучки. Последние образуют более крупные объединения клеток, которые в целом составляют гладкомышечные слои пищеварительной трубки - круговой (внутренний), продольный (наружный) и подслизистая основа.

12.5.1. Сопряжение возбуждения с сокращением в гладкомышечных клетках

Характерными свойствами гладкомышечных клеток желудочно-кишечного тракта являются их автоматия и реакция сокращением на растяжение. Автоматическая (спонтанная) активность клеток проявляется медленными волнами - ритмическими колебаниями мембранного потенциала (деполяризация с последующей реполяризацией), имеющими миогенную природу. В фазе деполяризации происходит накопление ионов Са2+ в клетке. Как результат этого процесса активируются кальцийзависимые калиевые каналы, происходит выход К+ из клетки, что и определяет реполяризацию мембраны. При определенном, критическом, уровне деполяризации мембраны на гребне медленной волны возникают потенциалы действия (спайки). Их появление сопровождается сокращением клетки (рис. 12.28). Последнее обусловлено повышением внутриклеточной концентрации свободных ионов Са2+, которое достигается или поступлением Са2+ в клетку из интерстициального пространства, или освобождением его из внутриклеточных депо.

Рис. 12.28 Взаимосвязь между медленными и быстрыми электрическими волнами и изменением тонуса гладкой мускулатуры тонкой кишки.

а - внутриклеточная регистрация (одна клетка) - потенциалы действия накладываются на плато волны деполяризации; б- внеклеточная регистрация (мышечная масса) - серия спайковых потенциалов совпадает по фазе с медленной волной; в - локальное сокращение.

Медленные волны генерируются гладкомышечными клетками, располагающимися в наружной части кругового слоя мышечной оболочки, обращенной к продольному слою, и распространяются одновременно по круговому и продольному слоям. Благодаря тесной электрической связи между клетками, медленная волна охватывает возбуждением практически одновременно гладкомышечные пучки по всей окружности кишки. Распространяясь по длине кишки, медленная волна охватывает возбуждением сегменты, варьирующие по длине от 1 до 2 см и более, что обеспечивает синхронное сокращение всех мышечных пучков в пределах данного сегмента. Медленные волны определяют максимальную частоту одиночных или групповых спайковых разрядов, поскольку последние возникают лишь на определенном отрезке медленной волны. В результате частота ритмических сокращений гладкомышечного сегмента, соответствующих спайковым разрядам, не превышает частоту медленных волн (от 3-5 в желудке до 11-19 в тонкой кишке).

Активация сократительного аппарата гладкомышечных клеток осуществляется с участием ионов Са2+, которые поступают из межклеточного пространства внутрь клеток по кальциевым каналам. Мембранные процессы обусловливающие потенциал действия, приводят к открытию быстрых потенциалозависимых кальциевых каналов. В результате происходит быстрое фазное сокращение гладкомышечных клеток.

После исчезновения потенциала (потенциалов) действия сокращение может продолжаться, но в этом случае оно протекает более медленно. Этот компонент сократительного процесса (тонический) возникает в отсутствие спайков, но при наличии определенного уровня деполяризации клеточной мембраны. Его связывают с открытием медленных потенциалозависимых каналов. Медленно развивающееся тоническое сокращение гладкомышечных клеток характерно также для функционирования хемочувствительных кальциевых каналов открывающихся при действии биологически активных веществ, например ацетилхолина, в высоких (фармакологических) концентрациях.

Функциональной единицей гладкомышечной ткани является не отдельная мышечная клетка, а пучок диаметром не менее 100 мкм. Входящие в него клетки сближены между собой до расстояния в 10-20 нм (плотные контакты) или соединены межклеточными мостиками - нексусами. Эти типы межклеточных соединений обеспечивают электротоническое проведение медленных волн и потенциалов действия внутри клеточного пучка и от одного пучка к другому. Сравнительно немногочисленные нервные волокна подходят достаточно близко лишь к отдельным группам гладкомышечных клеток; более отдаленные мышечные пучки не имеют непосредственной иннервации и возбуждаются электротонически, что обеспечивается наличием у гладкой мускулатуры желудочно-кишечного тракта синцитиальных свойств. В желудочно-кишечном тракте отсутствуют специализированные нейромышечные контакты, подобные тем которые существуют в скелетной мускулатуре. Нейромедиатор, выделяющийся из располагающихся по длине аксона варикозных утолщений, поступает в межклеточное пространство и оказывает воздействие на окружающие гладкомышечные клетки. Продольный мышечный слой получает обильную холинергическую иннервацию, тогда как в круговом слое она выражена слабо. Круговой слой находится под постоянным тоническим воздействием интрамуральных метасимпатических тормозных нейронов и характеризуется наличием многочисленных пептидергических окончаний, отсутствующих в продольном слое. Между обоими гладкомышечными слоями существует тесная электрическая связь. Анатомическим субстратом, обеспечивающим единство электрических процессов в продольном и круговом слоях, являются соединяющие их мышечные мостики.

Частота медленных волн в каждом участке пищеварительной трубки довольно стабильна, но уменьшается в направлении от двенадцатиперстной кишки к подвздошной (проксимо-дистальный градиент). В желудочно-кишечном тракте находится несколько участков, обладающих наиболее высокой для данной области частотой медленных волн. Они выполняют функции водителя ритма (пейсмекера), задающего частоту медленноволновой активности соседним участкам.

При наличии на плато медленной волны одного потенциала действия возникает фазное сокращение небольшой силы. При генерации мембраной нескольких потенциалов действия происходит более сильное фазное сокращение. Чем больше частота и амплитуда потенциалов действия, тем более сильное сокращение имеет место. Частота фазных сокращений соответствует частоте медленных волн, несущих на себе потенциалы действия. Увеличение частоты медленных волн при наличии на них многочисленных потенциалов действия приводит к возникновению длительного сокращения типа зубчатого или гладкого тетануса.

При регистрации сократительной активности сегментов кишечника можно наблюдать фазные ритмические сокращения различной амплитуды, происходящие без изменения базального тонуса. Наряду с такими сокращениями отмечаются сокращения, имеющие фазный и тонический компоненты (рис. 12.29).

Основными функционально значимыми видами двигательной активности желудочно-кишечного тракта являются перистальтические сокращения и ритмическая сегментация. Выделяют также маятникообразные движения. При перистальтике (от греч. peristaltikos - сжимающий) сокращение кругового мышечного слоя распространяется вдоль пищеварительной трубки наподобие волны (рис. 12.30). Перистальтические сокращения могут быть различными по силе и скорости распространения. Достаточно сильные перистальтические сокращения перемещают пищевой комок, или химус, в дистальнее расположенные отделы желудочно-кишечного тракта. Такие движения являются пропульсивными.

Ритмическая сегментация проявляется одновременным сокращением кругового мышечного слоя в соседних участках кишки, в результате чего последняя разделяется на сегменты. При следующем сокращении образуются новые сегменты, каждый из которых включает часть содержимого двух предыдущих сегментов. Ритмическая сегментация обеспечивает перемешивание химуса без его существенного продвижения по кишке.

Маятникообразные движения возникают в результате ритмических сокращений продольных мышечных волокон кишки, приводящих к перемещению химуса на небольшое расстояние по ходу пищеварительного тракта и обратно.

В определенных участках желудочно-кишечного тракта располагаются сфинктеры, представляющие собой кольцевое скопление гладкомышечных волокон (нижний пищеводный, пилорический, илеоцекальный сфинктеры и внутренний сфинктер заднего прохода). Для них характерны тонические сокращения. Тоническое состояние гладких мышц (пластический тонус) характерно также для дна желудка.

Рис. 12.29 Сократительная активность кругового слоя мышечной оболочки сегмента тонкой кишки

а и б - фазные сокращения низкой и высокой амплитуды, происходящие без изменения базального тонуса; в - сокращения, имеющие фазный и тонический компоненты.

Рис. 12.30 Моторная активность кишки А - маятникообразные движения (ритмическая сегментация), Б - перистальтические движения.

12.5.2. Регуляция сократительной активности гладких мышц желудочно-кишечного тракта

Регуляция моторной функции желудочно-кишечного тракта осуществляется на основе автоматической активности гладкой мускулатуры, которая модулируется нейрогенными и гуморальными влияниями. Нейрогенные воздействия формируются или только с участием нейронов энтеральной части метасимпатической нервной системы, или же с вовлечением также нейронов паравертебральных симпатических ганглиев и центральной нервной системы. Гормоны модулируют автоматическую активность гладкомышечных клеток действуя на их мембрану эндокринным или паракринным путем.

Нейромедиаторы и гормоны, повышающие проницаемость мембраны для ионов Са2+ или освобождающие их из внутриклеточного депо, увеличивают степень деполяризации, достигаемой на максимуме медленной волны.

Основной возбуждающий нейромедиатор энтеральной части метасимпатической нервной системы ацетилхолин вызывает изменение мембранного потенциала миоцитов, действуя на М-холинорецепторы. Возникающая при их активации начальная деполяризация обусловлена увеличением проницаемости клеточной мембраны для ионов Са2+, Na+ и K+. В отличие от начальной деполяризации, проявляющейся в резком колебании мембранного потенциала возникновение потенциала действия зависит главным образом от повышения проницаемости клеточной мембраны для ионов Са2+ Мембранные процессы сопровождающиеся появлением потенциала действия, активируют быстрые потенциалозависимые кальциевые каналы. В клетки при этом поступает внеклеточный кальций, и возникает фазное сокращение гладкой мышцы. Выраженность его зависит от амплитуды-потенциала действия и его длительности.

При повышении концентрации ацетилхолина количество потенциалов действия на каждой медленной волне увеличивается, что сопровождается увеличением длительности и амплитуды фазного сокращения гладкой мышцы. Дальнейшее возрастание концентрации ацетилхолина во внеклеточной среде может приводить к нарушению связи между медленными волнами и потенциалами действия в результате чего клетки начинают генерировать последние непрерывно. При этом фазные сокращения, сливаясь, образуют зубчатый или гладкий тетанус.

Достаточно большое увеличение концентрации действующего на гладкую мышцу ацетилхолина приводит к исчезновению потенциалов действия при сохраняющемся определенном уровне деполяризации клеточной мембраны. При этом, несмотря на отсутствие потенциалов действия, мышца находится в тоническом напряжении, которое обусловлено открытием кальциевых каналов более медленных, чем те, которые активируются потенциалами действия. Эти медленные потенциалозависимые кальциевые каналы функционируют и в мышцах, генерирующих потенциалы действия (антральный отдел желудка тонкая и толстая кишка), и в мышцах, сокращения которых изначально не сопровождаются потенциалами действия (дно желудка). В последнем случае вхождение ионов Са2+ в клетку сопровождается медленным сокращением тонического типа даже при минимально эффективных концентрациях ацетилхолина В мышцах генерирующих потенциалы действия, может возникать сокращение имеющее фазный и тонический компоненты, обусловленные открытием соответственно быстрых и медленных потенциалозависимых кальциевых каналов.

Кроме описанных сократительных ответов, характеризующихся наличием деполяризации клеточной мембраны, активация М-холинорецепторов может вызвать сокращение гладких мышц независимое от процесса деполяризации. Полагают, что в отсутствие сдвигов мембранного потенциала увеличение внутриклеточной концентрации Ca2+ может достигаться открытием хемочувствительных кальциевых каналов или освобождением Са2+ из внутриклеточных депо. Показано, что активация М-холинорецепторов ацетилхолином приводит к усилению гидролиза фосфатидилинозит (4,5)-дифосфата, в результате чего образуется инозитолтрифосфат, способный освобождать Са2+ из внутриклеточных депо. Накопление в результате этого свободных ионов Са2+ в цитоплазме является причиной сокращения гладких мышц при отсутствии деполяризации клеточной мембраны.

Действие катехоламинов на гладкомышечные клетки желудочно-кишечного тракта осуществляется через посредство адренорецепторов двух типов (? и ?), которые подразделяются на подтипы: ?1 и ?2, ?1 и ?2. В зависимости от локализации различают пре- и постсинаптические адренорецепторы. Пресинаптическое торможение, о котором шла речь выше, обусловлено воздействием норадреналина на ?2-адренорецепторы, располагающиеся на окончаниях холинергических и, возможно, серотонинергических нейронов миэнтерального и под слизистого сплетений. Считают, что именно этот тип ?-адренорецепторов опосредует ингибирующее влияние норадреналина на выход ацетилхолина из холинергических окончаний. Имеются данные, свидетельствующие о том, что на холинергических нейронах миэнтерального сплетения имеются не только ?-адренорецепторы, опосредующие тормозное воздействие нейромедиаторного норадреналина, но и (?-адренорецепторы, через посредство которых осуществляется активирующее влияние на холинергические нейроны катехоламинов, циркулирующих в крови.

Электрическое раздражение симпатических нервных волокон вызывает тормозные эффекты в желудочно-кишечном тракте: снижение тонуса в проксимальных отделах желудка, ослабление перистальтических сокращений в его антральном отделе, угнетение сократительной активности тонкой и толстой кишки. С другой стороны, для сфинктеров желудочно-кишечного тракта характерным является стимулирующий эффект раздражения симпатических нервов.

В энтеральной части метасимпатической нервной системы имеются два общих конечных пути. Наряду с возбуждающим холинергическим, идущим преимущественно к продольному мышечному слою, существует тормозный, оканчивающийся в круговом мышечном слое. Этот тормозный путь образован нейронами, вызывающими тормозный постстинаптический потенциал и расслабление гладкомышечных клеток в условиях блокады холинергической и адренергической медиации, в связи с чем данный тип торможения обозначается как неадренергический нехолинергический. В настоящее время в качестве возможных медиаторов, обусловливающих неадренергическое нехолинергическое торможение, рассматриваются NO, АТФ и вазоактивный интестинальный полипептид. Неадренергические тормозные нейроны имеют Н-холинергический вход. Кроме агонистов Н-холинорецепторов веществами, способными активировать указанные нейроны, являются серотонин и соматостатин.

Круговой мышечный слой находится под тоническим тормозным влиянием неадренергических тормозных нейронов. Их воздействие в обычных условиях препятствует выходу медленной волны на уровень деполяризации, при котором происходит генерация потенциалов действия. Сократительная активность гладких мышц при этом отсутствует. Фармакологическая денервация кишечной мускулатуры тетродотоксином, устраняющая и тормозные, и возбуждающие влияния, приводит к повышению возбудимости гладкомышечных клеток, в результате чего на каждой медленной волне возникают потенциалы действия, сопровождающиеся фазными сокращениями гладких мышц. Указанный эффект тетродотоксина свидетельствует о преобладании в исходном состоянии тормозных влияний на гладкую мускулатуру.

Тонической ингибиторной импульсации противодействуют возбуждающие влияния с эффекторных холинергических нейронов; последние активируются в результате центрогенных и рефлекторных управляющих воздействий. Результат интеграции нейрогенных воздействий на гладкие мышцы желудочно-кишечного тракта в каждом отдельном случае определяется соотношением тормозной (гиперполяризующей) и возбуждающей (деполяризующей) импульсации. Интеграция нервных влияний находит свое выражение в определенном уровне деполяризации мембраны гладкомышечных клеток на максимуме медленной волны. Если деполяризация достигает порога генерации потенциала действия возникает сокращение гладких мышц; в этом случае результатом нейрогенного воздействия будет инициация сократительного эффекта. Если при одновременном воздействии на гладкие мышцы гормона степень деполяризации гладко-мышечных клеток возрастает, происходит усиление сократительного эффекта. Модулирующее воздействие веществ, гиперполяризующих мембрану гладко-мышечных клеток, проявляется, наоборот, в ингибировании сократительного эффекта.

Участие симпатоадреналовой системы в регуляции моторной функции несфинктерных зон желудочно-кишечного тракта проявляется главным образом в центральной модуляции активности холинергического нейронального контура энтеральной части метасимпатической нервной системы. Возможно также торможение моторики желудочно-кишечного тракта в результате воздействия циркулирующих в крови катехоламинов на тормозные адренорецепторы самих гладкомышечных клеток.

Базисным механизмом, реализующимся на уровне энтеральной части метасимпатической нервной системы, является перистальтический рефлекс в котором объединяется функция афферентных, эфферентных нейронов и интернейронов различной химической организации. Раздражение механорецепторов, лежащих в стенке кишки, приводит к сокращению кругового слоя выше и к его расслаблению ниже места раздражения. Соответственно реакции кругового мышечного слоя выделяют в качестве компонентов перистальтического рефлекса восходящий возбуждающий и нисходящий тормозный рефлексы. Сокращение мышцы выше места раздражения может быть обусловлено активацией холинергических или устранением активности тормозных эффекторных нейронов. В то же время расслабление кругового слоя ниже места раздражения является результатом активации тормозных нейронов.

Согласно существующим представлениям, сокращение кругового слоя выше места раздражения сопровождается расслаблением, расслабление кругового слоя ниже места раздражения - сокращением продольного слоя, т. е. между двумя слоями существуют реципрокные отношения. Вместе с тем имеются и другие взгляды на координацию сократительной активности кругового и продольного мышечных слоев. В частности, предполагают, что мышца продольного слоя может сокращаться и независимо от кругового слоя, и одновременно с ним: при низком интралюминальном давлении в кишке продольный слой сокращается независимо от кругового, но при повышении давления частота сокращений обоих слоев возрастает и сокращения становятся синхронизированными.

Несмотря на то что вопрос о соотношении сокращений продольного и кругового мышечных слоев окончательно не решен, общепризнанным является то, что основную роль в реализации пропульсивных (перистальтических) сокращений играет круговой мышечный слой. В то же время сегментационные сокращения, назначение которых - перемешивание химуса, осуществляются с участием обоих слоев.

Из числа нейропептидов метасимпатической нервной системы в реализации перистальтического рефлекса участвуют субстанция Р, холецистокинин, энкефалины и соматостатин.

Субстанция Р рассматривается в качестве нейромедиатора нехолинергического сокращения гладких мышц желудочно-кишечного тракта. Оно способно оказывать прямое стимулирующее воздействие на мышцы и освобождается из соответствующих энтеральных метасимпатических нейронов при стимуляции их Н-холинорецепторов. Вместе с тем возможно включение субстанции Р в перистальтический рефлекс в качестве модулятора, обусловливающего дополнительный выход ацетилхолина из окончаний холинергических нейронов.

Холецистокинин, являющийся сильным стимулятором перистальтики, вызывает выделение ацетилхолина из нейронов миэнтерального сплетения. Полагают, что он участвует в реализации перистальтического рефлекса в качестве медиатора нейронов, оказывающих стимулирующее воздействие на эффекторные холинергические нейроны.

В отличие от субстанции Р и холецистокинина, стимулирующих перистальтическую активность, энкефалины и соматостатин оказывают на нее тормозное воздействие. Считается, что эндогенные опиоидные пептиды (лей- и мет-энкефалины) включаются в перистальтический рефлекс, угнетая холинергическую передачу в нейронных цепях энтеральной части метасимпатической нервной системы. Соматостатин свое угнетающее влияние на сократительную активность гладких мышц желудочно-кишечного тракта может реализовать, тормозя высвобождение ацетилхолина из холинергических нейронов, а также за счет активации тормозных интрамуральных метасимпатических нейронов.

Из пептидов, содержащихся в эндокринных клетках желудочно-кишечного тракта и оказывающих свое воздействие на клетки-мишени эндокринным путем, в регуляции моторики могут принимать участие гастрин, холецистокинин и мотилин.

Гастрин в дозах, субмаксимальных для активации секреции НCl, вызывает усиление моторики антрального отдела желудка. При этом он оказывает непосредственное возбуждающее влияние на циркулярный слой; продольный слой активируется в результате действия на него ацетилхолина, освобождающегося из нервных окончаний под влиянием гастрина (рис. 12.31).

Значение холецистокинина как желудочно-кишечного гормона, поступающего в кровь из эндокринных клеток тонкой кишки, состоит в регуляции сократительной активности желчного пузыря. Являясь сильным стимулятором его сокращений, холецистокинин в то же время вызывает расслабление сфинктера ампулы (Одди).

Рис. 12.31 Схема действия некоторых желудочно-кишечных гормонов

ЖИП - желудочный ингибирующий пептид, ХЦК (ПЗ) -холецистокинин (панкреоаимин).

Фармакологический анализ показал, что сократительная реакция желчного пузыря обусловлена прямым действием холецистокинина на его мускулатуру, а релаксация сфинктера ампулы является следствием активации пептидом неадренергических тормозных нейронов миэнтерального сплетения.

В регуляции моторной функции желудочно-кишечного тракта участвует серотонин (5-гидрокситриптамин - 5-НТ), который содержится в нейронах энтеральной части метасимпатической нервной системы и в эндокринных клетках. Энтерохромаффинные клетки, секретирующие серотонин, располагаются между клетками эпителиальной выстилки слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта практически на всем его протяжении.

Функция серотонинергических нейронов энтеральной части метасимпатической нервной системы определяется способностью серотонина вызывать медленный ВПСП, сопровождающийся повышением возбудимости нейронов. В результате возникает длительное устойчивое возбуждение нейронов типа АН/2. Облегчая распространение электротонического потенциала с отростков на тело нейрона с переходом возбуждения на другие отростки (gate effect), серотонин обеспечивает одновременное возникновение координированного возбуждения отростков нейрона, иннервирующих продольный и циркулярный мышечные слои. В результате реализуется перистальтическое сокращение, характеризующееся реципрокным сокращением и расслаблением циркулярного и продольного слоев выше и ниже места раздражения. В отсутствие возбуждающего влияния серотонина реализуется другой паттерн моторной активности _ нераспространяющиеся сегментационные сокращения. Выделяясь из энтерохромаффинных клеток в просвет кишки или поступая в кровеносное русло серотонин выполняет роль гормона паракринного или эндокринного типа действия. При этом он может влиять на функциональное состояние нейронов, участвующих в перистальтическом рефлексе.

12.5.3. Моторная функция различных отделов желудочно-кишечного тракта

Строение желудочно-кишечного тракта существенно различается у разных видов животных. Вместе с тем последовательность механической обработки пищи и транспортно-эвакуаторных процессов у них практически одинакова. Прием и начальную механическую обработку пищи обеспечивают органы располагающиеся в начальном (оральном) отделе пищеварительной трубки. Функция проведения пищи и откладывания ее про запас осуществляется пищеводом и зобом. Дальнейшая механическая обработка пищи происходит в преджелудках и мускульных желудках. Образование и выделение экскрементов осуществляется конечными отделами кишечника. После поступления в полость рта твердая пища подвергается пережевыванию. Процесс жевания представляет собой строго координированную деятельность жевательных мышц, языка, щек и мягкого неба. Движениями языка и щек пища помещается в пространство между двумя рядами зубов, разрезается и перетирается ими. Сформировавшийся в результате жевания пищевой комок проглатывается.

Глотание - рефлекторный акт, который возникает в результате раздражения пищевым комком чувствительных окончаний мягкого неба, основания языка и задней стенки глотки. Ротоглоточная и пищеводная фазы глотания складываются из следующих актов (рис. 12.32): А - язык прижимается к твердому небу; Б - носоглотка перекрывается мягким небом; В - гортань поднимается, и надгортанник перекрывает вход в трахею; Г - мышцы глотки начинают сокращаться; Д - рефлекторно открывается верхний сфинктер пищевода. К центру глотательного рефлекса, расположенному на дне IV желудочка возбуждение поступает по языкоглоточным нервам. Эфферентные импульсы из продолговатого мозга идут к мышцам полости рта, глотки, гортани и пищевода по подъязычным, тройничным, языкоглоточным и блуждающим нервам. В акте глотания различают три фазы: ротовую (произвольную), глоточную (быструю непроизвольную) и пищеводную (медленную непроизвольную). Координированными сокращениями мышц языка и щек пищевой комок перемещается на корень языка. Раздражение его рецепторов вызывает рефлекторное сокращение мышц, приподнимающих мягкое небо, что препятствует попаданию пищи в полость носа. Затем пища языком проталкивается в глотку и далее в пищевод. При глотании закрывается вход в гортань, что исключает попадание пищи в дыхательные пути.

Рис. 12.32 Фазы глотания у человека

Кривые слева показывают изменение давления в глотке, верхнем сфинктере пищевода, теле пищевода и нижнем его сфинктере. Обозначения см. в тексте.

В продвижении пищи на этой стадии существенную роль играет градиент давления между глоткой и пищеводом. Перед повышением давления в глотке открывается верхний сфинктер пищевода. Продвижение пищевого комка по пищеводу обеспечивается перистальтической волной сокращения циркулярных мышц, которой предшествует волна расслабления. Первичная волна сменяется вторичной перистальтической волной, которая

продвигает пищевой комок до кардиальной части желудка. Волна расслабления, достигая нижнего пищеводного сфинктера, вызывает снижение его тонуса, а волна сокращения переводит пищевой комок в желудок. Сокращение мышц пищевода связано с возбуждением холинергических нейронов, а их расслабление, как и снижение тонуса нижнего пищеводного сфинктера, обусловлено механизмом неадренергического нехолинергического торможения.

У птиц пищевод имеет расширение - зоб, который особенно развит у зерноядных. В зобе пищевая масса находится несколько часов, набухает, размягчается и сокращениями мышц зоба переводится в нижний отдел пищевода и далее в желудок. Последний имеет у птиц два отдела: железистый и мышечный. После непродолжительного пребывания пищи в железистом отделе пища, смоченная желудочным соком, поступает в мышечный желудок, обладающий сильной мускулатурой. Здесь происходит перетирание пищи, которое облегчается наличием в желудке проглоченных камешков и песка.

У жвачных животных желудок имеет четыре отдела: рубец, сетку, книжку и сычуг (см. рис. 12.5). Пищеварительные железы находятся только в сычуге. Депонирующую функцию выполняет рубец, емкость которого у коров достигает 200 л. Проглоченная пища попадает в рубец, из которого через некоторое время она вновь возвращается в ротовую полость для повторной механической обработки и смачивания слюной (жвачка). Пища, прошедшая стадию жвачки, повторно проглатывается. Перемешивание пищи и продвижение ее от рубца к сычугу осуществляется за счет мощных сокращений преджелудков.

У плотоядных животных и человека пища из пищевода поступает в фундальный отдел (дно) желудка. При этом происходит расслабление гладкой мускулатуры. Этот процесс обозначают термином рецептивная релаксация (воспринимающее расслабление). Она обусловлена рефлекторным уменьшением пластического тонуса гладкой мускулатуры, происходящим с участием неадренергического нехолинергического торможения. За счет этой реакции и пластичности мышц желудка даже при поступлении в желудок большого количества пищи давление в нем меняется лишь в небольшой степени. Резервуарная и пищеварительная функции осуществляются дном и телом желудка, а эвакуаторная функция реализуется преимущественно антральным отделом.

Рис. 12.33 Схема рефлекторного обеспечения дефекации

Р - рецепторы; 1 - внутренний сфинктер заднего прохода, а - наружный сфинктер заднего прохода; 3 - анальные железы; 4 - метасимпатические (интрамуральные) ганглии энтеральной части метасимпатической нервной системы; (+) - влияния, повышающие тонус мышц; (-) - влияния, понижающие тонус мышц.

Перемешивание и продвижение содержимого желудка осуществляется перистальтическими волнами, которые возникают на большой кривизне в участке, примыкающем к пищеводу. Перистальтическая волна, идущая по телу желудка, перемещает в антральную часть небольшое количество химуса, который прилегает непосредственно к слизистой оболочке и в наибольшей степени подвергается переваривающему действию желудочного сока.

Большая часть перистальтических волн гасится в антральном отделе, однако некоторые из них распространяются по антральному отделу с увеличивающейся амплитудой, что приводит к весьма выраженным перистальтическим сокращениям этого отдела, повышению давления и открытию канала привратника. При этом часть содержимого желудка переходит в двенадцатиперстную кишку, но значительная часть перемещается назад в проксимальную часть антрального отдела, в результате чего имеет место фрикционный (перетирающий) эффект. Сильные сокращения антрального отдела желудка, перемещающие отдельные порции химуса в кишечник получили название систолы антрального отдела.

Опорожнение желудка происходит в результате взаимодействия сократительной активности тела желудка, его антрального отдела, сфинктера привратника ^двенадцатиперстной кишки. Опорожнение желудка после приема смешанной пищи происходит по экспоненте - вначале быстро, затем все медленнее (при эвакуации жиров этой зависимости не отмечается). Скорость эвакуации пищи зависит от количества, состава пищи, размеров ее частиц и эффективности гидролиза пищевых веществ в желудке и тонкой кишке.

В регуляции эвакуаторной функции желудка принимает участие энтерогастральный рефлекс, который вызывает торможение сократительной активности желудка при поступлении химуса в двенадцатиперстную кишку.

В регуляции моторики тонкой и толстой кишки принимают участие активирующие рефлексы, возникающие при растяжении пищевода и желудка. Гастрин, мотилин и холецистокинин стимулируют, а секретин, вазоактивный интестинальный пептид и желудочный ингибирующий пептид тормозят моторную активность тонкой кишки. В результате сегментирующих и перистальтических сокращений тонкой кишки химус перемешивается и продвигается в толстую кишку через илеоцекальный сфинктер.

Особенностью моторики толстой кишки является наличие в ней в физиологических условиях антиперистальтики. В других отделах желудочно-кишечного тракта антиперистальтика возникает лишь при рвоте, которая появляется в результате возбуждения центра рвотного рефлекса. При этом химус из верхних отделов кишечника возвращается в желудок и вместе с его содержимым выбрасывается через пищевод и полость рта благодаря мощным рефлекторным сокращениям диафрагмы и мышц брюшного пресса. Медленная (непропульсивная) перистальтика и антиперистальтика, а также ритмическая сегментация обеспечивают перемешивание содержимого толстой кишки. Пропульсивная перистальтика проявляется волнами сильных сокращений, которые продвигают содержимое кишки в ее дистальные отделы и в прямую кишку.

Выведение экскрементов, сформировавшихся в толстой кишке, осуществляется при акте дефекации (рис. 12.33). Позыв к дефекации возникает в результате растяжения прямой кишки каловыми массами. Афферентные импульсы при этом поступают в центр дефекации, расположенный в крестцовом отделе спинного мозга. Эфферентные импульсы через посредство парасимпатических нервных волокон воздействуют на гладкомышечный внутренний сфинктер заднего прохода, вызывая его расслабление. Наружный анальный сфинктер, образованный поперечнополосатыми мышцами, расслабляется произвольно. Перистальтическими движениями кишки кал выводится наружу. Этому способствует повышение внутрибрюшного давления в результате сокращения мышц брюшной стенки.

12.5.4. Периодическая моторная деятельность желудочно-кишечного тракта

У собак в состоянии натощак отмечаются периоды двигательной активности желудка и кишечника, которые чередуются с более длительными периодами покоя. Одновременно с появлением моторной активности усиливается секреция поджелудочной и кишечных желез. Периоды "работы" и "покоя" желудка составляют по длительности, соответственно, 20 и 80 мин.

Периодическую моторную активность желудка вначале связывали с возникновением чувства голода. Однако ощущение голода может не совпадать с фазой "работы" периодической деятельности. Кроме того, периодическая моторная активность желудочно-кишечного тракта у ряда животных, например у травоядных, проявляется и в процессе пищеварения.

Изучение периодической моторной деятельности кишечника привело к появлению понятия мигрирующий миоэлектрический (моторный) комплекс.

Определение миоэлектрический, или моторный зависит от того, по какому показателю судят о сократительной активности кишечника - по интенсивности пиковой активности, отводимой от кишки с помощью электродов, или по изменению давления в просвете кишки (в баллоне). При регистрации сократительной активности некоторого определенного участка кишечника отмечается появление коротких (3-7 мин) периодов, которые состоят из сокращений, происходящих с максимальной частотой. Такие периоды повторяются приблизительно через 90 мин.

Рис. 12.34 Фазы мигрирующего миоэлектрического комплекса а - фаза покоя (пиковые потенциалы отсутствуют - сокращений нет), б - фаза нерегулярной пиковой активности (нерегулярных сокращений), в - фаза регулярной пиковой активности (фронтальная активность), которой соответствуют регулярные сокращения гладкой мускулатуры кишки.

Регулярным сокращениям, которые обозначают термином фронтальная активность, предшествует период нерегулярных сокращений, следующих, в свою очередь, за периодом покоя. Нерегулярная активность проявляется также в течение некоторого времени после прекращения фронтальной активности. Соответственно проявлениям миоэлектрической активности различают три основные фазы. мигрирующего миоэлектрического комплекса (рис. 12.34). При регистрации моторной активности в нескольких участках кишечника отмечается медленное перемещение фронтальной активности от двенадцатиперстной кишки или начальной части тощей кишки до конечной части подвздошной кишки в течение 90-120 мин. Новый комплекс возникает в двенадцатиперстной кишке тогда, когда исчезает фронтальная активность подвздошной кишки.

У человека и собаки прием пищи устраняет мигрирующий миоэлектрический комплекс во всех отделах тонкой кишки. Вместо него возникает постоянная, но нерегулярная сократительная активность, которая по своему характеру напоминает активность во II фазе мигрирующего миоэлектрического комплекса, но не идентична ему.

Периодическая моторная деятельность желудочно-кишечного тракта обусловлена совместным функционированием периферических и центральных нервных механизмов и гуморальных регуляторов. Соответственно активности периодической деятельности повышается содержание в крови мотилина и соматостатина. Последний участвует в формировании периодической сократительной активности желудочно-кишечного тракта, не являясь, однако, обязательным для ее возникновения. Мотилин обусловливает появление фронтальной активности в антральном отделе желудка и двенадцатиперстной кишке.

Функциональное значение периодической сократительной активности желудочно-кишечного тракта окончательно не установлено. Предполагают, что периодически возникающая интенсивная активность очищает пищеварительный тракт от остатков химуса и отторгнутых эпителиальных клеток в период между приемами пищи и препятствует распространению микрофлоры вверх по тонкой кишке.

12.6. ГОЛОД, АППЕТИТ, ЖАЖДА

12.6.1. Голод

Регуляция пищеварительной системы тесно связана с механизмами формирования целенаправленного пищевого поведения, в основе которого лежит чувство голода. Последнее рассматривают как мотивацию, которая направлена на устранение дискомфорта, связанного с недостатком питательных веществ в организме. Интегративным центром вегетативных, соматических и эндокринных функций является гипоталамус. В его латеральной зоне обнаружены участки, стимуляция которых вызывает чувство голода; а их разрушение - отказ от пищи. Это центр голода. Кроме того, в вентромедиальной зоне гипоталамуса расположены группы нейронов, раздражение которых обусловливает возникновение чувства насыщения, а разрушение - непреодолимое стремление поедать пищу. Это центр насыщения. Указанные области гипоталамуса являются основными образованиями пищевого центра.

Гипоталамические центры голода и насыщения обладают высокой в сравнении с другими структурами головного мозга возбудимостью по отношению к специфическим гуморальным и нейрогенным раздражителям. Они играют ведущую роль в возникновении пищевого возбуждения. Последнее, возникая в гипоталамической области, распространяется в восходящем направлении на подкорковые лимбические и ретикулярные структуры, а также на кору больших полушарий головного мозга.

Электрическая стимуляция различных участков гипоталамуса способна вызывать наряду с поведенческими реакциями изменения моторной, секреторной и всасывательной функций желудочно-кишечного тракта. При этом характер и выраженность эффектов зависят от локализации раздражающих электродов в гипоталамусе, силы раздражения и функционального состояния эффекторного аппарата. Лимбические структуры и кора головного мозга способны влиять на деятельность желудочно-кишечного тракта, изменяя возбудимость гипоталамических центров.

Рефлекторная регуляция функций желудочно-кишечного тракта осуществляется с участием спинного и продолговатого мозга. В крестцовом отделе спинного мозга замыкаются рефлексы, обеспечивающие удержание каловых масс или акт дефекации. Супраспинальные центры и особенно кора головного мозга, оказывая возбуждающее влияние на дугу соответствующего рефлекса, способствуют тоническому сокращению наружного сфинктера заднего прохода. В результате облегчающих влияний со стороны супраспинальных центров происходит активация спинальных парасимпатических рефлексов, обусловливающих сокращение дистальных отделов кишечника, расслабление наружного и внутреннего сфинктеров заднего прохода, что вместе с повышением внутрибрюшного давления обеспечивает выведение экскрементов. Продолговатый мозг является местом замыкания моторных и секреторных ваго-вагальных возбуждающих рефлексов, пути которых проходят по блуждающим нервам.

Таким образом, пищевой центр представляет собой комплекс функционально взаимосвязанных структур центральной нервной системы, регулирующих пищевое поведение и координирующих деятельность пищеварительного тракта.

В возникновении чувства голода принимают участие нервные и гуморальные механизмы. Определенную роль в формировании ощущений, связанных с голодом, играет афферентная импульсация, поступающая в ЦНС от рецепторов желудочно-кишечного тракта.

У ряда животных и человека в состоянии натощак происходят сильные сокращения желудка, отражающие проявление периодической деятельности желудочно-кишечного тракта. Так как указанные сокращения совпадают с ощущением голода, можно заключить, что в его формировании участвуют механорецепторы желудка. Вместе с тем интероцептивная импульсация от желудка, очевидно, не играет определяющей роли в возникновении чувства голода, ибо последнее сохраняется после денервации или удаления желудка. Переливание крови сытых животных голодным устраняет у последних пищевую мотивацию. Это свидетельствует об участии гуморальных факторов в формировании чувства голода. В зависимости от вида веществ, с воздействием которых на пищевой центр связывают ощущение голода, предложено несколько гипотез, объясняющих его происхождение. Согласно глюкостатической гипотезе, ощущение голода связано с понижением содержания в крови глюкозы, которая воздействует на специализированные рецепторы гипоталамуса - глюкорецепторы. Аминоацидостатическая и липостатическая гипотезы предполагают в качестве веществ, обусловливающих возникновение чувства голода, соответственно аминокислоты и промежуточные продукты липидного обмена. Предполагают также, что пищевой центр может активизироваться в результате усиления выхода липидов из жировых депо и истощения последних.

В соответствии с метаболической гипотезой активность пищевого центра регулируется промежуточными продуктами цикла Кребса, образующимися при метаболизме всех видов питательных веществ. Согласно термостатической гипотезе, ощущение голода возникает в результате снижения общей температуры, которое воспринимается терморецепторами. В экспериментах показано, что охлаждение или нагревание промежуточного мозга, где локализованы центральные терморецепторы, приводит к изменению пищевого поведения.

12.6.2. Насыщение

В результате потребления пищи возникает общее ощущение, противоположное голоду, - насыщение. Различают два вида насыщения: предрезорбционное и пострезорбционное. Предрезорбционное насыщение наступает до того, как продукты переваривания пищи поступят в кровь. Оно возникает в результате стимуляции обонятельных, вкусовых рецепторов, механорецепторов полости рта, глотки, пищевода, желудка и двенадцатиперстной кишки. Предрезорбционное насыщение обозначают также как сенсорное, или первичное.

Пострезорбционное насыщение (обменное, вторичное) формируется после поступления продуктов гидролиза пищевых веществ в кровь. Для его объяснения могут быть привлечены упоминавшиеся выше гипотезы: глюкостатическая, аминоацидостатическая, липостатическая и термостатическая. Наступление насыщения с позиций этих гипотез объясняется повышением содержания в крови соответствующих веществ (глюкозы, аминокислот, продуктов обмена липидов) в противоположность понижению их содержания при формировании чувства голода. В рамках термостатической гипотезы роль фактора, обусловливающего исчезновение чувства голода, играет специфическое динамическое действие пищи, которое проявляется резким усилением различных сторон обмена в организме.

Важную роль в регуляции потребления пищи, возникновении чувства голода и насыщения играют, по-видимому, пептидные гормоны. Существуют данные, свидетельствующие о том, что такие регуляторные пептиды, как холецистокинин, соматостатин, панкреатический глюкагон, бомбезин, субстанция Р, пептид дельта-сна, кальцитонин снижают потребление пищи. Противоположный эффект - усиление пищевой мотивации и активацию пищевого поведения - вызывают пентагастрин, инсулин и окситоцин. Пептиды могут влиять на пищевое поведение, воздействуя непосредственно на структуры пищевого центра, или опосредованно, вовлекая в реализацию эффектов афферентные нервные пути, идущие от рецепторов желудочно-кишечного тракта.

12.6.3. Аппетит

Эмоциональное ощущение, связанное со стремлением к потреблению пищи, обозначают термином аппетит. Это ощущение может быть частью чувства голода, но может возникать и самостоятельно, независимо от физиологических потребностей. В последнем случае оно является проявлением врожденной или приобретенной индивидуальной склонности к определенному виду пищи. Следует отметить, что прием пищи, особенно у человека, далеко не всегда связан с чувством голода. Он может происходить и в отсутствие дефицита питательных веществ в организме в связи, например, с привычкой принимать пищу в определенное время.

12.6.4. Жажда

Для нормального функционирования органов желудочно-кишечного тракта, как и всего организма, необходимо наличие в нем достаточного количества воды. Потеря воды (с потом, мочой, выдыхаемыми водяными парами), составляющая от 0,5 до 1,5% от массы тела, вызывает чувство жажды.

Выведение воды из организма приводит к уменьшению ее содержания в межклеточном пространстве и клетках. Это влечет за собой повышение осмотического давления внутри- и внеклеточной жидкости. Потеря воды приводит также к уменьшению секреции слюны, что обусловливает ощущение сухости во рту и глотке.

Адекватными стимулами для возникновения чувства жажды являются уменьшение объема клеток и снижение объема внеклеточной жидкости. Эти два фактора дополняют друг друга: при одновременном уменьшении объема клеток и объема внеклеточной жидкости жажда усиливается.

Во фронтальной части гипоталамуса обнаружены осморецепторы - клетки, чувствительные к повышению осмотического давления, которые участвуют в возникновении жажды при уменьшении объема внутриклеточной жидкости. Чувствительными клетками, реагирующими на уменьшение объема внеклеточной жидкости, являются, вероятно, рецепторы растяжения, располагающиеся в стенках крупных вен.

Потеря воды из внеклеточного пространства вызывает выделение ренина, с помощью которого в плазме крови образуется ангиотензин II. Внутривенное введение ангиотензина II или его непосредственное действие на гипоталамус усиливает чувство жажды. Жажда может возникать при термическом воздействии на гипоталамус.

Определенную роль в формировании периферического компонента чувства жажды играют рецепторные образования, заложенные в слизистой оболочке рта и глотки.

Таким образом, жажда формируется с участием различных типов рецепторов, расположенных на периферии и в ЦНС. Основную роль в интеграции возникающей в них импульсации играет промежуточный мозг, в первую очередь гипоталамус.

Чувство жажды вызывает соответствующее поведение, направленное на устранение связанного с ней дискомфорта: поиск и потребление воды. Различают предрезорбционное и пострезорбционное утоление жажды. Предрезорбционное утоление жажды, вступает в действие до того, как вода, всосавшись в желудочно-кишечном тракте, попадает во внутреннюю среду организма. Пострезорбционное утоление жажды обеспечивает тонкую регуляцию потребления воды: количество выпитой воды достаточно точно соответствует реальной потребности в ней организма.

Обычным способом удовлетворения потребности организма в воде является так называемое вторичное питье. Оно осуществляется в отсутствие явной потребности восполнить запасы воды. В отличие от него первичное питье имеет место при наличии абсолютного или относительного недостатка воды в организме.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Потребности организма в энергии, пластическом материале и элементах, необходимых для формирования внутренней среды, удовлетворяются пищеварительной системой. В структурном и функциональном отношении она подразделяется на эффекторную (исполнительную) и регуляторную (управляющую) части. Исполнительные элементы пищеварительной системы объединены в пищеварительный канал с примыкающими к нему компактными железистыми образованиями. В регуляторной части пищеварительной системы различают местный и центральный уровни. Местный уровень регуляции обеспечивается энтеральной. частью метасимпатической нервной системы и диффузной эндокринной системой желудочно-кишечного тракта. Центральный уровень включает в себя ряд структур ЦНС от спинного мозга до коры больших полушарий. Центральный и местный уровни регуляции пищеварительной системы связаны эфферентными и афферентными проводниками которые проходят в составе блуждающих, чревных и тазовых нервов.

В современном животном мире существует три различных типа пищеварения: внутриклеточное, внеклеточное дистантное и мембранное (пристеночное, контактное). Типы пищеварения различают также по источникам ферментов:

собственное, симбионтное и аутолитическое пищеварение.

Секреторная функция желудочно-кишечного тракта осуществляется пищеварительными железами. Клетки пищеварительных желез по характеру продуцируемого ими секрета подразделяются на белок-, мукоид- и минерал-секретирующие. Периодически повторяющиеся в определенной последовательности процессы, которые обеспечивают поступление из кровеносного русла в клетку воды, неорганических и низкомолекулярных органических соединений, синтез из них секреторного продукта и выведение его из клетки составляют секреторный цикл.

Слюна - смешанный секрет трех пар крупных слюнных желез: околоушных, под нижнечелюстных, подъязычных, а также многочисленных мелких желез, рассеянных по слизистой оболочке полости рта.

Железы, располагающиеся в области дна и тела желудка, содержат клетки трех типов: 1) главные, вырабатывающие комплекс протеологических ферментов, 2) обкладочные, продуцирующие НCl, и 3) добавочные (мукоидные), секретирующие слизь, мукополисахариды, гастромукопротеин и гидрокарбонат. В антральном отделе желудка железы состоят в основном из мукоидных клеток. В главных клетках синтезируется пепсиноген - неактивный предшественник пепсина - основного протеолитического фермента желудочного сока.

В регуляции желудочной секреции центральное место занимают ацетилхолин, гастрин и гистамин, возбуждающие секреторные клетки. Выделяют три фазы секреции - мозговую, желудочную и кишечную - в зависимости от места действия раздражителя. В регуляции секреции желудочных желез принимают участие пептидные гормоны. Ацинарные клетки поджелудочной железы продуцируют гидролитические ферменты, расщепляющие все компоненты пищевых веществ. К ним относятся ?-амилаза, липаза, трипсин, химотрипсин, фосфолипаза А, эластаза, карбоксипептидазы А и В. Клетки протоков поджелудочной железы являются источником гидрокарбоната.

Основными стимуляторами экзокринных клеток поджелудочной железы являются ацетилхолин и гастроинтестинальные гормоны - холецистокинин и секретин. Естественный стимулятор секреции поджелудочной железы - прием пищи. Различают мозговую, желудочную и кишечную фазы секреции поджелудочной железы.

Образование желчи печенью (желчеотделение, холерез) происходит непрерывно путем фильтрации ряда веществ (воды, глюкозы, электролитов) из крови в желчные капилляры и посредством активной секреции клетками печени солей желчных кислот и ионов Na+ Окончательное формирование состава желчи происходит в результате реабсорбции воды и минеральных солей в желчных капиллярах, протоках и желчном пузыре. Образование желчи усиливается приемом пищи; наиболее сильный стимулятор холереза - секретин. Поступление желчи в двенадцатиперстную кишку (желчевыделение, холекинез) - периодический процесс, связанный в основном с приемом пищи. Сильными возбудителями желчевыделения являются яичные желтки, молоко, мясо, жиры. Основной стимулятор сократительной активности желчного пузыря - холецистокинин.

В желудочно-кишечном тракте пища подвергается физической и химической обработке. Последняя заключается в гидролизе питательных веществ до стадии мономеров. Компоненты пищи при этом утрачивают видовую специфичность, поступают в кровь и включаются в обменные процессы. Гидролиз пищевых веществ осуществляется в определенной последовательности и в различных отделах желудочно-кишечного тракта. В полости рта протекает начальный гидролиз полисахаридов. Начальный гидролиз белков происходит в желудке под действием протеолитических ферментов желудочного сока с образованием полипептидов. ?-амилаза поджелудочной железы гидролизует декстрины до мальтозы и изомальтозы. Дальнейший гидролиз сахаридов осуществляется кишечными карбогидразами до моносахаридов. Протеолитические ферменты сока поджелудочной железы осуществляют в кишечнике дальнейшее переваривание белков. Начальные этапы гидролиза жиров, из которых основное значение имеют триглицериды, протекают в полости двенадцатиперстной кишки под действием липазы.

Гидролитические процессы происходят в полости тонкой кишки, в слое слизистых наложений и в зоне щеточной каймы энтероцитов (мембранное пищеварение). Мембранное пищеварение наблюдается на всех уровнях эволюционного развития. Оно осуществляется адсорбированными из полости тонкой кишки ферментами и собственно кишечными ферментами. Усвоение пищевых веществ протекает в три этапа: полостное пищеварение >мембранное пищеварение > всасывание. Мембранное пищеварение объединяет конечные этапы переваривания пищевых веществ и начальные этапы всасывания.

Всасывание - совокупность процессов, обеспечивающих перенос веществ из просвета кишки в кровь и лимфу. Всасывание веществ осуществляется посредством пассивного (диффузия, осмос, фильтрация) и активного транспорта. Последний происходит при участии переносчиков - транспортеров - и связан с затратами энергии. Облегченная диффузия протекает без затрат энергии, но с участием транспортеров. В переносе воды решающая роль принадлежит активному транспорту. Создаваемый им осмотический градиент является движущей силой для молекул воды, которая может "транспортироваться через энтероциты и по межклеточным каналам.

В поступлении моносахаридов (глюкозы, фруктозы) из просвета кишки в кровь основную роль играет активный транспорт, связанный с ионами Na+. Nа-зависимый активный транспорт служит главным механизмом и для поступления в энтероцит аминокислот. Диффузия аминокислот возможна по электрохимическому градиенту. Жиры проникают в энтероциты путем пассивной диффузии из мицелл, состоящих из глицеридов и жирных кислот. В энтероцитах осуществляется ресинтез триглицеридов, которые транспортируются из энтероцитов в лимфу в виде хиломикронов.

Двигательная активность (моторика) желудочно-кишечного тракта оказывает влияние на все этапы процесса пищеварения. Она обеспечивает механическую обработку пищи, смешивание ее с ферментами, смену пристеночного слоя химуса, транспорт содержимого по желудочно-кишечному тракту и выведение экскрементов. Автоматическая активность гладкомышечных клеток желудочно-кишечного тракта проявляется медленными волнами.

При критическом уровне деполяризации мембраны возникают потенциалы действия, появление которых сопровождается сокращением клеток. Активация сократительного аппарата гладкомышечных клеток осуществляется при участии ионов Са2+ которые поступают из межклеточного пространства внутрь клеток по кальциевым каналам. Частота медленных волн уменьшается в направлении от двенадцатиперстной кишки к подвздошной. Участки, обладающие наиболее высокой для данной области частотой медленных волн, выполняют функции водителя ритма (пейсмекера).

Сократительная активность сегментов кишечника проявляется фазными ритмическими сокращениями различной амплитуды, а также сокращениями, имеющими фазный и тонический компоненты. Основными функционально значимыми видами двигательной активности желудочно-кишечного тракта являются перистальтические сокращения и ритмическая сегментация. Выделяют также маятникообразные движения.

В определенных участках желудочно-кишечного тракта располагаются сфинктеры, представляющие собой кольцевые скопления гладкомышечных волокон. Холинергические влияния оказывают возбуждающее действие на гладкую мускулатуру желудочно-кишечного тракта. Катехоламины могут оказывать на нее тормозное или возбуждающее воздействие в зависимости от преобладания активности того или иного типа адренорецепторов: тормозных ?- и ?-, возбуждающих ?-адренорецепторов, располагающихся на мембране гладкомышечных клеток, а также тормозных ?- и возбуждающих ?-адренорецепторов, локализующихся на холинергических нейронах энтеральной части метасимпатической нервной системы.

Торможение сократительной активности желудочно-кишечного тракта может быть обусловлено воздействием неадренергического нехолинергического медиатора (NO, АТФ, вазоактивный интестинальный пептид). Растяжение кишечной трубки вызывает перистальтический рефлекс, замыкающийся в ганглиях миэнтерального сплетения. Ряд моторных рефлексов реализуется с участием экстрамуральной иннервации

В регуляции моторики участвуют пептиды (мотилин, гастрин, холецистокинин, субстанция Р, энкефалины, соматостатин, секретин и др.), а также серотонин, гистамин, простагландины.

У человека и ряда животных в состоянии натощак наблюдается периодическая деятельность желудочно-кишечного тракта. Со стороны моторной активности кишечника она проявляется мигрирующим миоэлектрическим (моторным) комплексом. Периодическая моторная деятельность желудочно-кишечного тракта обусловлена совместным функционированием периферических и центральных нервных механизмов и гуморальных регуляторов.

Регуляция пищеварительной системы тесно связана с механизмами формирования целенаправленного пищевого поведения, в основе которого лежит чувство голода. Последнее возникает в результате возбуждения нейронов латеральной зоны гипоталамуса и других отделов пищевого центра (подкорковые лимбические и ретикулярные структуры, кора больших полушарий). В возникновении чувства голода принимают участие нервные (центральные и периферические) и гуморальные механизмы. Потребление пищи вызывает возбуждение нейронов вентромедиальной зоны гипоталамуса и включает другие нейрогенные и гуморальные механизмы, приводящие к появлению чувства насыщения. Различают пред- и пострезорбционное насыщение. Потеря воды организмом вызывает чувство жажды. Адекватными стимулами для ее возникновения являются уменьшение объема клеток и снижение объема внеклеточной жидкости. Жажда формируется с участием различных типов рецепторов, расположенных на периферии и в центральной нервной системе.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Гальперин Ю. М., Лазарев П. И. Пищеварение и гомеостаз. М., 1986.

Гастроэнтерология. В 3 ч. / Под ред. Дж. Барона, Ф. Муда. М., 1985.

Климов П. К. Пептиды и пищеварительная система. Л., 1983.

Климов П. К. Физиологическое значение пептидов мозга для деятельности пищеварительной системы. Л., 1986.

Климов П. К., Барашкова Г. М. Физиология желудка. Механизмы регуляции. Л., 1991.

Коротько Г. Ф. Введение в физиологию желудочно-кишечного тракта. Ташкент, 1987.

Лебедев Н. Н. Биоритмы пищеварительной системы. М., 1987.

Мембранный гидролиз и транспорт: Новые данные и гипотезы / Под ред. А. М. Уголева. Л., 1986.

Павлов И. П. Лекции о работе главных пищеварительных желез // Полн. собр. соч. Т. 2. Кн. 2. М.;

Л., 1951. С.19-174.

Уголев А. М. Мембранное пищеварение. Л., 1972.

Уголев А. М., Рабдиль О. С. Гормоны пищеварительной системы: Физиология, патология, теория функциональных блоков. М., 1995.

Уголев А. М. Эволюция пищеварения и принципы эволюции функций. Элементы современного функционализма. Л., 1985.

Физиология всасывания / Отв. ред. А. М. Уголев. Л., 1977. Руководство по физиологии.

Физиология пищеварения / Отв. ред. А. В. Соловьев. Л., 1974. Руководство по физиологии.

Физиология человека. В 4 т. / Т. 4. Обмен веществ. Пищеварение. Выделение. Эндокринная регуляция М., 1986.

13 ФИЗИОЛОГИЯ ЖИДКОСТЕЙ ТЕЛА И ФУНКЦИИ ПОЧКИ

ВЕХИ ИСТОРИИ

1662 - Л. Беллини (L. Bellini, Италия) открыл канальцы в сосочках почки (беллиниевы протоки).

1666 - М. Мальпиги (М. Malpighi, Италия) открыл в почках животных сферические образования (мальпигиево тельце), связанные с кровеносными сосудами.

1782 - А. М. Шумлянский (Россия) установил связь мальпигиева тельца с канальцами.

1842 - У. Боумен (W. Bowman, Великобритания) описал строение клубочка почки и его взаимосвязь с канальцами.

1849 - К. Людвиг (К. Ludwig, Германия) высказал мысль о значении гломерулярной фильтрации и канальцевой реабсорбции в образовании мочи.

1862 - Ф. Генле (F. Henie, Германия) открыл отдел нефрона (петля), названный в последующем петлей Генле.

1874 - Р. Гейденгайн (R. Heidenhain, Германия) обосновал значение канальцевой секреции в мочеобразовании.

1883 - И. П. Павлов (Россия) описал способ наложения фистулы мочевого пузыря у собак для проведения хронических опытов.

1917 - А. Кешни (A. Cushny, Великобритания) опубликовал первую монографию о функции почки "Секреция мочи", где сформулировал "современную теорию образования мочи".

1924 - А. Ричарде (A. Richards, США) осуществил микропункцию клубочка у лягушки и получил из капсулы безбелковый фильтрат сыворотки крови.

1924 - Э. Маршалл и М. Крейн (Е. Marshall, M. Crane, США) описали секрецию фенолового красного почкой кролика.

1924 - Л. А. Орбели (СССР) предложил метод раздельного выведения мочеточников у собак.

1926 - П. Реберг ((Р. Rehberg, Дания) предложил использовать экзогенный креатинин для измерения клубочковой фильтрации.

1929 - Д. Ван-Слайк (D. Van Slyke, США) предложил понятие "почечный клиренс" для оценки интенсивности экскреции мочевины.

1943 - Г. Смит (Н. Smith, США) разработал метод клиренсов и предложил использовать диодраст для исследования почечного кровотока.

1951 - X. Вирц, Б. Харгитей, В. Кун (Н. Wirz, В. Hargitay, W. Kuhn, Швейцария) обосновали и экспериментально показали роль противоточно-множительной системы в осмотическом концентрировании мочи.

1958 - А. Г. Гинецинский (СССР) высказал гипотезу о роли гиалуронидазы в действии антидиуретического гормона в почке.

Более трех миллиардов лет назад в солоноватых водах возникла жизнь. Длительный путь эволюции привел к развитию клеточной формы организации, это было связано и с формированием своеобразной внутриклеточной среды, концентрация ионов в которой отличалась от их содержания во внешней среде. Такая особенность клеток неизбежно требовала создания

физиологических механизмов, способствующих регуляции постоянства объема клеток и концентрации в них каждого из ионов. Сотни миллионов лет спустя на Земле появились многоклеточные животные, у которых клетки организма были погружены в сформировавшиеся жидкости внутренней среды.

По мере эволюции живых существ возникли кровеносная система и специализированные жидкости, такие как цереброспинальная, внутриглазная. Появление в эволюции системы жидкостей внутренней среды организма представляло для живых существ преимущество, так как давало им большую независимость от окружающей внешней среды. Эти жидкости обеспечивают клетки органическими и неорганическими веществами, в них из клеток поступают конечные продукты обмена веществ.

13.1. ВОДНЫЕ ФАЗЫ

В организме животных и человека вода распределена в нескольких жидкостных фазах. У взрослого человека количество воды составляет около 60% массы тела, у мужчин по сравнению с женщинами содержание воды больше из-за меньшего количества жира (табл. 13.1). Из общего количества воды, принимаемого за 100%, внутри клеток находится 55%, во внеклеточной жидкости - 45%. Последняя включает воду, содержащуюся в плазме крови, межклеточной жидкости, в кости и плотной соединительной ткани. Часть воды входит в состав жидкостей, секретируемых специальными клетками. Это, например, цереброспинальная, внутриглазная жидкости, а также секреты, выделяемые железами в просвет желудочно-кишечного тракта.

Общая концентрация растворенных веществ, определяющих осмоляльность жидкости (или ее осмотическое давление), практически одинакова в клетках и окружающей их внеклеточной жидкости.

Однако эти жидкости принципиально отличаются друг от друга по концентрации отдельных ионов, что имеет исключительно большое значение для нормального осуществления практически всех функций живых клеток. Во внеклеточных жидкостях в наибольшей концентрации содержатся ионы натрия, хлора, кальция, внутри клеток - калия, магния, фосфатов и органических кислот (табл. 13.2).

В плазме крови часть ионов связана с белками, часть - свободна. Белки остаются в плазме крови. Во внеклеточной жидкости содержание белка мало, поэтому в ней ниже концентрация ионов, связанных с белками (Са2+, Mg2+).

Таблица 13.1

Объем жидкостных фаз тела у взрослого человека, % от массы тела

Жидкостные фазы тела

Мужчины

Женщины

Общее содержание воды

60,6

50,2

Внутриклеточная жидкость

33,0

27,5

Внеклеточная жидкость

27,0

22,5

• межклеточная жидкость

12,0

10,0

• плазма крови

4,5

3,7

• внеклеточная жидкость плотной соединительной ткани

4,5

3,7

• внеклеточная жидкость кости

4,5

3,7

Жидкость желудочно-кишечного тракта, цереброспинальная, внутриглазная

1,5

1,3

Таблица 13.2

Концентрация электролитов и неэлектролитов в жидкостных фазах у человека, ммоль/л

Исследуемое вещество

Плазма крови

Межклеточная жидкость

Внутриклеточная жидкость в скелетной мышце

Катионы

Натрий

142

145

10

Калий

4,0

4,1

159

Кальций

2,5

1,8

1,5

Магний

0,9

0,7

13

Анионы

Хлор

104

117

3,0

Бикарбонат

26

28

7,0

Анионные группы белков, фосфаты, органические кислоты

21

8,0

154

Неэлектролиты

Глюкоза

4,7

5,0

Мочевина

5,0

5,5

6,0

Таблица 13.3

Осмоляльность и концентрация ионов в воде некоторых водоемов и жидкостях внутренней среды животных и человека

Объект исследования

Осмоляльность, мосм/кг Н2О

Концентрация ионов, ммоль/л

Na+

К+

Са2+

Mg2+

S042-

Мировой океан

1000

470

10

10,2

52

27

оз.Байкал

-

0,18

0,02

0,4

0,12

-

р. Волга

-

1

0,08

0,7

0.4

-

Гемолимфа

мидия

1000

472

13,5

10,3

54

28

Кровь

дождевой червь

-

86

5,5

8,3

-

-

Сыворотка крови

миксина

1002

554

6,8

8,8

23,4

1,7

минога

248

120

3,2

2,0

2,1

2,7

акула

1075

269

4,3

3,2

1,1

1

керчак

330

166

2,5

3,1

0,9

-

лягушка

222

108

2,6

2,3

1,2

-

голубь

301

147

4,0

2,6

0,7

-

человек

290

141

4,0

2,5

0,9

0,5

Внутри клеток кальций связан, он находится в эндоплазматической сети, митохондриях. Концентрация свободных ионов Са2+ в плазме крови составляет около 1,3 ммоль/л, внутри клеток - в 10 000 раз меньше - < 1 х 10-7 моль/л. Кальций играет важнейшую роль в регуляции функций клетки. Его внутриклеточная концентрация увеличивается некоторыми гормонами и медиаторами через вторичных посредников.

Общая концентрация всех растворенных в крови веществ у человека составляет около 290 мосмоль х л-1 (мосм/л), обычно колебания этого показателя в норме не превышают 1%. Очень точно регулируется и рН крови на уровне 7,36.

Возникновение жидкостей внутренней среды сопровождалось развитием физиологических систем регуляции их объема (волюморегуляция), ионного состава, кислотно-основного равновесия. В океане кровь морских беспозвоночных имеет такое же осмотическое давление, как и морская вода. Когда происходила миграция живых существ в пресные воды, а затем и на сушу, потребовалось появление новой системы - осморегуляции, которая способствовала бы постоянству осмоляльности крови у живых существ, обитающих в пресных водоемах, на суше или вновь мигрирующих в море.

Итак, система регуляции водно-солевого обмена должна обеспечивать постоянство объема, ионного состава, рН и осмоляльности крови и других жидкостей внутренней среды.

В табл. 13.3 приведены данные о физико-химических показателях крови животных и жидкостей окружающей их внешней среды. Морские животные делятся на две группы: одни имеют почти такое же осмотическое давление внеклеточных жидкостей и крови, как и морская вода, которое меняется параллельно с изменением осмоляльности среды (пойкилоосмотические организмы), другие значительно отличаются по осмотическому давлению и концентрации ионов Na+ от морской воды, но поддерживают постоянной осмоляльность собственной крови (гомойоосмотические организмы). К первым относится большинство морских беспозвоночных и миксины, ко вторым - пресноводные, наземные организмы и морские позвоночные, кроме миксин.

13.2. ЭВОЛЮЦИЯ ОСМОРЕГУЛЯЦИИ

У большинства многоклеточных животных сформированы органы выделения, которые удаляют избыток жидкости, отдельных ионов, конечные продукты обмена веществ. У пойкилоосмотических животных органы выделения не способны к осморегуляции, поэтому при изменении осмоляльности внешней среды осмотическое давление крови и внеклеточных жидкостей меняется. Вследствие того что плазматическая мембрана клеток проницаема для воды, происходит изменение объема клеток.

Изменение объема клеток неблагоприятно сказывается на их функции, в связи с чем выработался ряд механизмов противодействия этому процессу. При повышении осмоляльности морской воды, а вслед за тем гемолимфы, клетки сморщиваются, в них начинает повышаться концентрация аминокислот, ионов Na+ и Сl-, из внеклеточной среды входит вода и восстанавливается исходный объем. Противоположная картина наблюдается при уменьшении осмоляльности морской воды (например, при опреснении), в этом случае наступает набухание клеток. В их цитоплазме уменьшается концентрация аминокислот, натриевый насос удаляет избыток ионов Na+, благодаря чему исходный объем клетки восстанавливается.

Гомойоосмотические животные могут иметь меньшее осмотическое давление крови, чем в окружающей водной среде (например, миноги и костистые рыбы в морской воде), или большее (все пресноводные организмы и хрящевые рыбы в морской воде). Физиологический механизм гипоосмотической регуляции удобно рассмотреть на примере морских костистых рыб. В море они теряют воду через покровы, особенно жаберную поверхность, и обезвоживаются. Потеря воды происходит по осмотическому градиенту, так как морская вода имеет большее осмотическое давление, чем кровь и другие жидкости у рыб. Для возмещения дефицита воды рыбы пьют морскую воду, она всасывается вместе с солями Na+ и К+ в кровь В жабрах имеются специальные хлоридные клетки, которые удаляют из крови в морскую воду соли Na+ без воды, чем способствуют опреснению жидкостей внутренней среды. Часть солей Са2+ и Mg2+ удаляется почками и кишечником.

Подобным образом устроена система опреснения крови и у других позвоночных, живущих в море. У миног эту функцию выполняют клетки в жабрах у морских рептилий и морских птиц появились специальные солевые железы вырабатывающие секрет с концентрацией Na+ в несколько раз более высокой, чем в плазме крови, и тем самым опресняющие кровь.

Гиперосмотическая регуляция, т. е. способность поддерживать более высокую концентрацию осмотически активных веществ в крови, чем в окружающей среде, присуща всем пресноводным, наземным организмам и морским хрящевым рыбам. У пресноводных животных часть солей сорбируется из внешней среды специальными клетками в жабрах или покровах тела, часть поступает с пищей, а избыток воды удаляется почкой. У наземных организмов потребности в воде и солях полностью обеспечиваются пищей и потреблением воды.

Необычная система осморегуляции сформировалась у хрящевых рыб и некоторых амфибий. Около 300 млн. лет назад в девонском периоде предки этих рыб мигрировали из рек в море. В их плазме крови сохранилась меньшая концентрация Na+, чем в морской воде, а осмотическое давление крови, напротив, стало выше нее. Это обусловлено накоплением в крови огромных количеств мочевины и оксида триметиламина. Вследствие высокой осмоляльности крови создаются условия для движения воды в тело рыб через жабры и покровы по осмотическому градиенту из морской воды. При поступлении в организм акул и скатов избыточных количеств солей натрия последние удаляются солевой железой, проток которой открывается в задний отдел кишечника- эта железа получила название ректальной.

Однако экскреция натрия и хлора ректальной железой не обеспечивает осморегуляцию у эласмобранхий (пластиножаберных рыб). Существенное значение у них имеет физиологическая уремия. Использование мочевины хрящевыми рыбами и жабами, обитающими в прибрежных морских водах, обусловлено тем, что она в избытке образуется в организме, нетоксична, осмотически высокоактивна мембраны большинства клеток свободно проницаемы для нее, что позволяет мочевине проникать внутрь клеток. Тем самым мочевина не меняет объем внутриклеточной жидкости, так как ее концентрация одинакова по обеим сторонам плазматической мембраны. В то же время накопление мочевины в крови и клетках приводит к повышению в них осмотического давления по отношению к морской воде и поступлению воды внутрь тела через покровы по осмотическому градиенту.

У беспозвоночных и позвоночных животных органы, участвующие в поддержании постоянства состава и объема жидкостей внутренней среды весьма разнообразны (нефридии, почки, солевые железы, жабры, потовые железы и др.). Существующие данные позволяют представить гипотетическую схему возможной эволюции клеток выделительных органов.

Рис. 13.1 Расположение ионных каналов и ионных насосов в симметричной (эритроцит) (А) и асимметричной (нефрон) (Б) клетках

1 - ионный насос, 2 - ионный канал, 3 - митохондрия, 4 - базолатеральная плазматическая мембрана, 5 - люминальная плазматическая мембрана, 6 - зона межклеточного соединения, 7 - просвет канальца, 8 - межклеточное пространство.

В первичной клетке эукариот, из которой в конечном счете произошли многоклеточные организмы, несомненно поддерживался иной ионный состав по сравнению с океанической средой. Клетки современных морских беспозвоночных и позвоночных животных (от простейших до млекопитающих) имеют концентрацию натрия, калия и других ионов, отличающуюся от окружающей их среды. Согласно современным представлениям, в плазматической мембране клеток функционируют специфические для отдельных ионов каналы, по которым ионы могут входить в клетку по градиенту электрохимического потенциала, и ионные насосы, с помощью которых удаляется избыток ионов из клетки против электрохимического градиента. В плазматических мембранах большинства клеток чередуются натриевые каналы и натриевые насосы (рис. 13.1); их функция и обеспечивает постоянство ионного состава внутриклеточной жидкости.

Однако на том этапе эволюции, когда произошла дифференцировка клеток у многоклеточных, возникновение выделительных органов неизбежно было связано с изменением структуры и функции их клеток, которые стали осуществлять новую функцию: обеспечивать не только стабильность состава собственной внутриклеточной жидкости, но и нести ответственность за поддержание постоянства ионного состава жидкостей организма. Это привело к формированию у таких клеток способности к направленному транспорту ионов - во внутреннюю среду организма или из нее во внешнюю среду, иными словами, к сорбции, или секреции ионов.

Возникла функционально асимметричная клетка, в которую через одну из мембран непрестанно входят ионы, а с другой стороны клетки постоянно удаляются. В самой общей форме, с точки зрения молекулярной организации клетки, это не было связано с возникновением принципиально новых механизмов, но должно было в результате мутаций и естественного отбора привести к выживанию особей, у которых с одной стороны клетки в плазматической мембране будут сосредоточены натриевые каналы, а в мембране другой стороны - натриевые насосы (рис. 13.1). Таким образом создавалась предпосылка для возникновения и развития асимметричной клетки, явившейся структурной основой любого выделительного и осморегулирующего органа.

В целомодуктах (каналах, соединяющих целом с внешней средой) и нефридиях пресноводных беспозвоночных животных, в почечных канальцах позвоночных, в слизистой оболочке мочевого пузыря амфибий, коже амфибий, жабрах пресноводных рыб в апикальной плазматической мембране клеток располагаются натриевые каналы, а в базолатеральных мембранах - натриевые насосы.

Имеются многочисленные данные, свидетельствующие о том, что в клетках перечисленных выше органов Na, К-АТФаза сосредоточена в базолатеральных мембранах клеток.

13.3. ВЫДЕЛИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ БЕСПОЗВОНОЧНЫХ ЖИВОТНЫХ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ

Осморегуляция, экскреция воды у пресноводных простейших, а также выделение жидкости у некоторых морских форм обеспечиваются сократительной вакуолью. У амебы она окружена мембраной, снаружи от которой располагается зона мелких вакуолей и далее находятся митохондрии. В пресной воде содержимое сократительной вакуоли у амебы имеет меньшее осмотическое давление, чем цитоплазмы. Эта вакуоль обеспечивает экскрецию воды.

У парамеций в цитоплазме содержатся моченосные канальцы, которые впадают в сократительную вакуоль. Сократительная вакуоль имеется обычно у пресноводных форм, а у эндопаразитических может отсутствовать. Губки и кишечнополостные лишены специальных выделительных органов.

Выделение с помощью протонефридия осуществляется у животных нескольких типов, лишенных целома (плоские черви, немертины, приапулиды и др.). В ряде случаев они представлены у взрослых животных, обладающих целомической полостью (некоторые аннелиды), а также у личинок аннелид, у моллюсков, эхиурид, форонид и др.

Протонефридий представляет собой канадец, проксимальная часть которого состоит из терминальной клетки с ресничками (пламенная клетка). Биение ресничек создает отрицательное давление в просвете нефридиального канальца, благодаря чему в него засасывается жидкость. В просвете канальца реабсорбируются ионы натрия и вода.

При наличии целомической полости выделительная функция осуществляется метанефридиями и целомодуктами. Метанефридии функционируют у аннелид, измененные целомодукты имеются у моллюсков (боянусов орган), членистоногих (антеннальные железы, максиллярные железы) (рис. 13.2). Важную роль в экскреции у членистоногих выполняют выросты кишечника из которых хорошо исследованы мальпигиевы канальцы.

Кольчатые черви обладают полостью тела, в которой находится целомическая жидкость, и замкнутой системой кровообращения. Нефридиостом метанефридия открывается в целомическую полость, из которой жидкость поступает в метанефридий, движется по канальцу (он состоит из нескольких отделов - узкого, ресничного и широкого) и поступает в мочевой пузырь, из которого содержимое через нефридиопору выделяется наружу. В канальцах реабсорбируются соли, в результате образуется гипотоническая моча.

Рис. 13.2 Антенналъная железа речного рака

1 - целомический мешочек, 2 - лабиринт, 3 - проксимальный канадец, 4 - дистальный канадец, 5 - мочевой пузырь.

Перикардиальная полость у моллюсков является остатком целома. В нее через стенку желудочка сердца фильтруется жидкость, которая по реноперикардиальному каналу поступает в почечный мешок боянусова органа, движется по первичному и вторичному мочеточникам и выделяется наружу. Эпителиальные клетки почечного мешка имеют многочисленные микроворсинки на поверхности, обращенной в просвет мешка. В боянусовом органе пресноводных моллюсков из фильтрата всасываются глюкоза, ионы Na+, Cl-. Конечная моча морских моллюсков изоосмотична гемолимфе, у пресноводных - гипотонична ей.

Процесс образования мочи в антеннальной железе речного рака имеет черты сходства с почкой позвоночных. Из целомического мешочка жидкость поступает в просвет железы (см. рис. 13.2). Клетки целомического мешочка напоминают подоциты клубочка. В процессе мочеобразования жидкость проходит лабиринт, проксимальный и дистальный канальцы, поступает в мочевой пузырь. Клетки лабиринта на апикальной мембране имеют многочисленные микроворсинки. Для клеток дистального канальца характерно наличие многочисленных митохондрий. В процессе мочеобразования всасываются глюкоза, аминокислоты, вода, ионы Na+, Сl-. В антеннальной железе секретируется ряд веществ, в том числе парааминогиппуровая кислота и калий.

13.4. ПОЧКА ПОЗВОНОЧНЫХ ЖИВОТНЫХ

Основным выделительным органом у позвоночных служит почка. У некоторых животных (морские и проходные круглоротые, рыбы" рептилии и птицы) ее функция не может обеспечить осморегуляцию, тогда у них появляются хлоридэкскретирующие клетки в жабрах и солевые железы.

Почка позвоночных построена по единому принципу: структуры, приспособленные для процесса ультрафильтрации, соединены с системой канальцев, которые обеспечивают реабсорбцию большинства компонентов профильтровавшейся жидкости и секрецию ряда веществ в мочу. Нефрон в почке у представителей всех классов позвоночных обычно начинается с почечного (мальпигиева) тельца. От полости клубочка отходит шеечный сегмент, в ряде случаев он отсутствует и тогда париетальный листок, образующий внешнюю часть капсулы почечного клубочка (боуменовой капсулы), переходит в проксимальный сегмент нефрона (рис. 13.3), который существует в почках всех позвоночных. Отличительной особенностью его клеток являются многочисленные микроворсинки, образующие щеточную каемку. За ним следует промежуточный, или соединительный, отдел, который в почке млекопитающих образует тонкий отдел петли нефрона (петли Генле). У большинства животных в почке представлен дистальный сегмент нефрона, в который могут входить толстый восходящий отдел петли Генле, дистальный извитой канадец и связующий каналец. Это конечная часть нефрона, которая соединяется с системой собирательных трубок.

Интенсивность процессов, лежащих в основе образования мочи, - клубочковой фильтрации, реабсорбции и секреции - не одинакова у представителей различных классов позвоночных. У круглоротых, рыб, амфибий и рептилий уровень клубочковой фильтрации составляет 1-4 мл/100 г массы тела за 1 ч" более высокий уровень клубочковой фильтрации наблюдается у птиц, у млекопитающих он в 10-15 раз выше. Объем фильтруемой жидкости у крыс достигает 50 мл/100 г массы тела за 1 ч.

Такое значительное изменение уровня фильтрации могло закрепиться в эволюционном процессе только в том случае, если оно сочетается с эквивалентным увеличением реабсорбции; иначе животное было бы нежизнеспособным. Действительно, резкое повышение фильтрации у теплокровных сопровождается увеличением канальцевой реабсорбции. Возросший уровень фильтрации и канальцевой реабсорбции играет важную роль в более точном поддержании состава всех основных компонентов жидкой части плазмы крови. Существенное значение имеет повышение кровотока и фильтрации для работы противоточной системы и осмотического концентрирования мочи.

Рис. 13.3 Строение нефрона А - юкстамедуллярный нефрон; JS - суперфициальный нефрон. I - корковое вещество, II - наружная зона мозгового вещества. III - внутренняя зона мозгового вещества; 1 - клубочек, 2 - проксимальный извитой канадец 3 - проксимальный прямой канадец 4 - тонкий канадец (тонкая нисходящая ветвь петли Генле), 5 - тонкий канадец (тонкая восходящая ветвь петли Генле), 6 - дистальный канадец (толстая восходящая ветвь петли Генле), 7 - плотное пятно, 8 - дистальный извитой канадец, 9 - связующий канадец (в юкстамедуллярном нефроне образует аркаду), 10 - начальные отделы собирательной трубки, 11 - собирательные трубки наружного мозгового вещества, 12 - собирательные трубки внутреннего мозгового вещества.

У человека кровоток в пересчете на 100 г ткани составляет для почки 430 мл/мин, коронарной системы сердца - 66, головного мозга - 53 мл/мин. Иными словами, почки человека, масса которых составляет около 0 5% массы тела, в условиях покоя получают около 25% крови, выбрасываемой левым желудочком, и расходуют до 10% потребляемого организмом кислорода. Учитывая что на реабсорбцию 22-29 ммоль натрия расходуется 1 ммоль кислорода, и исходя из допущения, что в процессе эволюции почки энерготраты на перенос натрия не стали менее эффективными, чем у низших позвоночных, можно понять насколько возросло расходование энергии почкой, если количество реабсорбированного натрия увеличилось у высших позвоночных по сравнению с низшими в 20-100 раз. В процессе естественного отбора эта особенность развития почки удерживалась именно потому, что она обеспечивала большую стабильность состава внутренней среды и ее независимость от случайных колебаний во внешней среде.

Так как клубочковая фильтрация осуществляется из артериальной крови, возрастание объема фильтрации зависело от большего кровоснабжения почек! У низших позвоночных также возможны ситуации, при которых необходима усиленная экскреция веществ из крови. Однако обеспечить более высокий уровень артериального кровоснабжения почки у них было невозможно, поэтому природа нашла иной выход.

Существенно отметить, что почки морских костистых рыб, амфибий, рептилии и птиц снабжаются кровью из двух источников. От аорты к почке подходят артерии, которые дают ветви только к клубочкам. Эфферентные артериолы клубочков изливают кровь в околоканальцевые капилляры. В них же поступает кровь и из другого источника - приносящей, ренопортальной (почечно-воротной) вены. Последняя собирает венозную кровь от задних конечностей и нескольких вен поясничной области.

Биологическое значение ренопортальной системы состоит в том, что при малом объеме фильтрации обеспечивается приток крови в околоканальцевые капилляры и экскреторная функция почки не нарушается, так как эпителий проксимальных канальцев обладает способностью секретировать из крови в просвет нефрона некоторые органические вещества, а у морских рыб - и двухвалентные ионы.

13.5. СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ ПОЧКИ МЛЕКОПИТАЮЩИХ

Представление о почке только как об органе выделения никоим образом не соответствует современным данным о широком круге функций, выполняемых ею в организме. Как уже упоминалось выше, почки участвуют в регуляции объема жидкостей внутренней среды, концентрации в них отдельных ионов, суммарной концентрации осмотически активных веществ, рН крови. Почки обеспечивают экскрецию конечных продуктов азотистого обмена, чужеродных веществ, избытка органических и неорганических веществ. Важное значение для организма имеет выработка в почке физиологически активных веществ (ренина, активной формы витамина D3, эритропоэтина) и ее метаболическая функция, связанная с регуляцией обмена углеводов, белков и липидов в организме (рис. 13.4).

Таким образом, почки играют важнейшую роль в поддержании постоянства основных физико-химических констант крови, регуляции ее объема, артериального давления, состава ее органических компонентов.

Выполнение почкой этих разнообразных функций обеспечивают четыре процесса, лежащие в основе деятельности почки: ультрафильтрация жидкости в почечных клубочках, реабсорбция (обратное всасывание) в канальцах ценных для организма веществ, секреция (поступление из крови околоканальцевых капилляров в просвет канальца) ряда веществ, подлежащих удалению из организма, и синтез новых веществ, которые либо поступают в кровь, либо удаляются почкой (рис. 13.5).

Рис. 13.4 Функции почки у млекопитающих 1- печень 2 - артерия, 3 - надпочечник, 4 - костный мозг, 5 - мочеточник, 6 - кишка.

Рис. 13.5 Основные процессы, обеспечивающие образование мочи

1 - клубочковая фильтрация, 2 - реабсорбция веществ в канальцах, 3 - синтез а секреция вещества из клетки в просвет нефрона или в сосуд, 4 - секреция вещества клеткой из крови в просвет канальца

Рис. 13.6 Строение юкстагломерулярного аппарата

1- юкстагломерулярные клетки, 2 - афферентная артериола, 3- просвет дистального извитого канальца, 4- эфферентная артериола, 5 - просвет капсулы почечного клубочка (боуменовской капсулы)

Почка млекопитающих структурно состоит из двух слоев: внешнего, коркового, и лежащего под ним мозгового вещества, содержащего наружную и внутреннюю части (см. рис. 13.3). Функциональной единицей почки является нефрон, в почке у человека их насчитывается около 1 млн. Каждый нефрон начинается с двустенной капсулы почечного клубочка (Шумлянского-Боумена), внутри которой находится клубочек капилляров. Внешний, париетальный, листок капсулы Шумлянского-Боумена переходит в проксимальный сегмент нефрона, состоящий из извитой и прямой частей. Отличительной особенностью клеток этого сегмента являются многочисленные микроворсинки, образующие щеточную каемку. В некоторых нефронах имеется очень короткий, в других - длинный тонкий отдел петли Генле, который соединяется с дистальным сегментом. В его состав входят толстая восходящая ветвь петли Генле, дистальный извитой каналец и связующий канадец, который соединен с собирательной трубкой. Функция каждого из перечисленных отделов нефрона различна.

В почке млекопитающих и человека существует несколько типов нефронов, отличающихся по расположению клубочков: поверхностные, интракортикальные (лежащие внутри коркового слоя) и юкстамедуллярные (их клубочки находятся у границы коры и мозгового вещества). Нефроны разных типов различаются по длине и структуре петли Генле и участию в процессе осмотического концентрирования мочи.

Помимо участия в мочеобразовании почка, как было показано выше, играет важную роль в качестве инкреторного органа, в котором образуется ряд физиологически активных веществ. Особое значение в этом отношении имеет юкстагломерулярный (от лат. juxta - вблизи, glomerulus - клубочек) аппарат, где синтезируется и секретируется ренин (рис. 13.6). Юкстагломерулярный аппарат образован следующими структурами: афферентной, приносящей клубочковой артериолой, по которой кровь притекает к клубочку, эфферентной, выносящей клубочковой артериолой, по которой кровь оттекает, и клетками плотного пятна дистального извитого канальца. Основное количество гранул, содержащих ренин, находится в эпителиоидных клетках, которые замещают мышечный слой в стенке приносящей артериолы. Пространство между артериолами и дистальным канальцем занято мелкими клетками почечного клубочка.

13.6. ПРОЦЕСС МОЧЕОБРАЗОВАНИЯ

13.6.1. Кровоснабжение почки

В 1 мин через сосуды обеих почек у человека проходит около 1200 мл крови, т. е. около 20-25% крови, выбрасываемой сердцем в аорту. Так как масса почек у человека составляет лишь 0,43% массы тела, очевиден исключительно высокий уровень органного кровотока. Через сосуды коры почки протекает 91-93% крови, поступающей в почку, остальное ее количество снабжает мозговое вещество почки. Кровоток в коре почки в норме составляет 4-5 мл/г ткани. Важной особенностью почечного кровотока является высокий уровень саморегуляции - кровоток остается постоянным при изменении артериального давления более чем в два раза (например, с 90

до 190 мм рт. ст.).

Артерии почки отходят от брюшного отдела аорты, что обеспечивает высокий уровень артериального давления в приносящих артериолах, по которым кровь поступает в клубочек, содержащий разветвленную капиллярную сеть. Кровь от клубочка оттекает по выносящей артериоле, которая вновь распадается на капилляры вокруг проксимальных и дистальных канальцев; в конечном счете по венам почки кровь поступает в нижнюю полую вену. Из клубочков юкстамедуллярных нефронов выносящая артериола доставляет кровь в мозговое вещество, где образуются прямые артериолы (сосуды), глубоко спускающиеся в него вместе с петлями Генле и участвующие в осмотическом концентрировании мочи.

13.6.2. Клубочковая фильтрация

Образование мочи в почке начинается с ультрафильтрации плазмы крови в почечных клубочках. Жидкость проходит через клубочковый фильтр из просвета кровеносных капилляров в полость капсулы клубочка. Рассмотрим подробнее структуру этого фильтра и силы, обеспечивающие процесс ультрафильтрации.

Фильтрующая мембрана. Фильтрующая мембрана состоит из трех слоев:

эндотелия капилляров, базальной мембраны и внутреннего листка капсулы Шумлянского-Боумена, который образован эпителиальными клетками - подоцитами.

Клетки эндотелия капилляров имеют очень тонкие периферические участки, в просвет сосуда выступает лишь область клетки, где находится ядро. Боковые части клетки пронизаны довольно крупными отверстиями, обычно затянутыми тонкими диафрагмами. При нормальной скорости кровотока крупные молекулы белка образуют над этими порами барьерный слой, что служит препятствием для прохождения через поры не только глобулинов, но и альбуминов. Таким образом, эндотелий капилляров ограничивает прохождение через клубочковый фильтр форменных элементов и белков, но свободно пропускает низкомолекулярные вещества, растворенные в плазме крови.

Следующий барьер гломерулярного фильтра - базальная мембрана. Ее "поры" ограничивают прохождение молекул в зависимости от размера, формы и заряда. Так как эта мембрана имеет сетчатую структуру, образованную тонкими нитями, происходит ограничение прохождения молекул размером более 3,4 нм. Отрицательно заряженная стенка пор затрудняет прохождение молекул с одноименным зарядом. Поры не являются круглыми, что также существенно для ограничения фильтрации альбуминов.

Последним барьером на пути фильтруемых веществ служат подоциты. Их отростки ("ножки") прилегают к базальной мембране со стороны капсулы клубочка, между ножками подоцитов находятся пространства, по которым течет фильтруемая жидкость. Однако и в этом случае существует заслон на пути фильтруемых веществ - щелевые мембраны, перегораживающие пространство между ножками подоцитов. Они ограничивают прохождение альбуминов и других молекул с большой молекулярной массой. Такой многослойный фильтр в клубочковой мембране обеспечивает сохранение белков в крови и образование практически безбелковой первичной мочи.

Ультрафильтрация. Основной силой, обеспечивающей возможность ультрафильтрации в почечных клубочках, является гидростатическое давление крови в сосудах. Эффективное фильтрационное давление, от которого зависит скорость клубочковой фильтрации, определяется разностью между гидростатическим давлением крови в капиллярах клубочка и противодействующими ему факторами - онкотическим давлением белков плазмы крови и гидростатическим давлением жидкости в капсуле клубочка.

Эффективное фильтрационное давление в клубочках, измеренное у крыс в прямом опыте, оказалось равным 12 мм рт. ст. (гидростатическое давление крови 47 мм рт. ст., онкотическое давление 25 мм рт. ст., внутрикапсулярное давление 10 мм рт. ст.). По мере того как происходит ультрафильтрация жидкости, онкотическое давление в крови капилляров растет, потому что белок остается в просвете сосуда и его концентрация увеличивается. Это приводит к снижению эффективного фильтрационного давления, которое все более снижается по направлению к тому участку, где кровь поступает в выносящую артериолу клубочка. в почке у человека из каждого 1 л плазмы крови образуется 190-200 мл ультрафильтрата. Эта величина получила название фильтрационной фракции, она представляет собой долю фильтруемой жидкости из общего объема плазмы крови, притекающей к почечным клубочкам.

С помощью микроманипулятора и микропипетки из полости почечного клубочка можно извлечь ультрафильтрат и определить его состав. В нем такие же, как и в плазме крови, концентрация глюкозы, аминокислот, мочевины, общее содержание осмотически активных веществ. Между плазмой крови и ультрафильтратом имеются очень небольшие различия в концентрации одновалентных ионов, что обусловлено наличием в плазме крови белков, не проходящих через гломерулярный фильтр и связывающих часть катионов. Это явление носит название равновесия Доннана.

Особое значение для ультрафильтрации имеет связывание с белком двухвалентных катионов. С белками связано около 40% ионов Са2+ и 25% ионов Мg2+ от общего их содержания в плазме крови. Остальные количества этих катионов поступают при ультрафильтрации в капсулу клубочка, где они представлены в Двух формах: в виде свободных ионов и связанными с низкомолекулярными анионами. Эти соли свободно проходят через гломерулярный фильтр. К таким веществам относится, например, цитрат кальция. В плазме крови человека концентрация кальция составляет 2,5 ммоль/л, при ультрафильтрации в полость клубочка поступает 1,3 ммоль/л свободных ионов кальция и 0,2 ммоль/л низкомолекулярных комплексов кальция.

Современные методы позволяют измерить объем жидкости, образующейся в отдельном почечном клубочке, а также в целой почке. В первом случае для этого необходимо у животного извлечь микропипеткой жидкость из почечного клубочка, во втором - получить плазму крови и мочу. В обоих случаях важно точно знать время, в течение которого образовался ультрафильтрат или моча.

Метод расчета скорости клубочковой фильтрации. Этот метод (при исследовании и человека, и животных) основан на принципе очищения. Суть его состоит в следующем. В кровь вводят вещество (например, инулин), свободно растворяющееся в воде и фильтруемое в почечных клубочках в той же концентрации. В почечных канальцах его количество не меняется, оно не всасывается в кровь и не добавляется клетками канальцев из крови в первичную мочу. Определив количество этого вещества, выделившегося почкой в единицу времени, можно рассчитать, какой объем крови очистился от этого вещества. Так как этот объем плазмы крови равен объему жидкости, профильтровавшейся в почечных клубочках, появляется возможность рассчитать скорость ультрафильтрации жидкости в гломерулярном аппарате почки, используя метод очищения.

Для измерения клубочковой фильтрации применяют кроме инулина полиэтиленгликоль-400, маннит. Все эти вещества необходимо вводить в кровь. Из эндогенных, вырабатываемых в организме веществ, для этой цели используют креатинин. Общими особенностями веществ пригодных для измерения клубочковой фильтрации, являются физиологическая инертность, отсутствие токсичности, свободная растворимость в плазме крови, отсутствие связывания с белком, свободное проникновение через гломерулярный фильтр в той же концентрации, что и в плазме крови. Эти вещества не должны реабсорбироваться и секретироваться в почечных канальцах, а с мочой должны выделяться полностью в том количестве, которое профильтровалось в почечном клубочке (рис. 13.7).

Рис. 13.7 Определение клубочковой фильтрации по инулину (Cin), максимальной реабсорбции глюкозы (ТтG) и максимальной секреции парааминогиппуровой кислоты - ПАТ (Ттран)

Толщина и направление стрелок указывают на количество выделяемого реабсорбируемого и секретируемого вещества;

объяснение см. в тексте.

Эти данные позволяют вывести основную формулу для определения объема клубочковой фильтрации. Эта величина равна клиренсу (от англ. clearance - очищение) плазмы крови от инулина (In) и обозначается Cin. Количество профильтровавшегося в 1 мин инулина равно произведению скорости клубочковой фильтрации на концентрацию инулина в плазме крови (Pin). Количество инулина, выделяемое с мочой, равно произведению концентрации инулина в моче на объем выделяемой мочи (V). Инулин не реабсорбируется и не секретируется, а только фильтруется, следовательно, CinPin = VUin, откуда

Cin = UinV / Pin (мл/мин).

Объем выделяемой мочи обычно рассчитывают на поверхность тела или ее массу. У человека величину объема клубочковой фильтрации относят к стандартной поверхности тела - человека массой около 70 кг - 1,73 м2. В норме У мужчин в обеих почках клубочковая фильтрация составляет 125 мл/мин у женщин эта величина равна 110.

13.6.3. Реабсорбция в канальцах

В почках у человека за 1 сут образуется около 180 л ультрафильтрата объем выделяемой мочи составляет от 1 до 1,5 л, остальная жидкость реабсорбируется в почечных канальцах. В просвет почечного канальца поступают все растворенные в плазме крови низкомолекулярные вещества, а также очень небольшое количество белков. Поэтому основное назначение системы обеспечивающей обратное всасывание веществ в канальцах, состоит в том чтобы вернуть в кровь все жизненно важные вещества и в необходимых количествах а экскретировать конечные продукты обмена веществ, токсические и чужеродные соединения и физиологически ценные вещества, если они имеются в избытке. Важное значение имеет фильтрация в клубочках гормонов и некоторых других физиологически активных веществ, которые в процессе реабсорбции инактивируются, а их компоненты возвращаются в кровь или удаляются из организма.

Различные отделы почечных канальцев отличаются по способности всасывать вещества из просвета нефрона. С помощью анализа жидкости из отдельных частей нефрона были установлены состав, функциональное значение и особенности работы всех отделов канальцев почки. В проксимальном сегменте нефрона из ультрафильтрата в обычных условиях полностью реабсорбируются глюкоза, аминокислоты, витамины, небольшие количества белка, пептиды, ионы Na+ K+, Са2+, Mg2+, мочевина, вода и многие другие вещества. В последующих отделах нефрона органические вещества не всасываются, в них реабсорбируются только ионы и вода (рис. 13.8).

Рис. 13.8 Локализация реабсорбции и секреции веществ в различных частях почечного канальца

В проксимальном сегменте нефрона у млекопитающих всасываются около 60-70% профильтровавшихся ионов Na+ и Сl-, более 90% НСО3-, перечисленные выше органические и неорганические вещества, доля которых меньше в общей концентрации веществ, растворенных в плазме крови.

Отличительной особенностью реабсорбции в проксимальном канальце является то, что вслед за всасываемыми веществами реабсорбируется вода вследствие высокой осмотической проницаемости стенки этого отдела нефрона. Поэтому жидкость в проксимальном канальце всегда остается практически изоосмотической плазме крови.

Всасывание отдельных веществ в канальцах обеспечивается разными способами, их описание поможет понять многообразие молекулярных механизмов реабсорбции в нефроне.

Клетки эпителия почечных канальцев являются полярными, асимметричными. Их плазматическая мембрана, обращенная в просвет канальца, называется люминальной, или апикальной (от лат. apex, apicis - верхушка). Ее свойства во многих отношениях иные, чем у плазматических мембран боковых частей и основания клетки, называемых базолатеральными мембранами.

Для понимания физиологических механизмов реабсорбции веществ существенно, что в люминальной мембране локализованы переносчики и ионные каналы для многих веществ, обеспечивающие прохождение последних через мембрану в клетку. В базолатеральных мембранах содержатся Na, К-АТФаза, Са-АТФаза, переносчики некоторых органических веществ. Это создает условия для всасывания органических и неорганических веществ из клетки в межклеточную жидкость, в конечном счете - в сосудистое русло. Наличие в апикальной мембране натриевых каналов, а в базолатеральных мембранах натриевых насосов обеспечивает возможность направленного потока ионов Na+ из просвета в клетку канальца и из клетки с помощью насоса в межклеточное вещество.

Таким образом, клетка функционально является асимметричной, обеспечивая поток веществ из просвета канальца в кровь. Для такого процесса имеются структурные и биохимические предпосылки. В базальной части клеток почечных канальцев сосредоточены митохондрии, в которых при клеточном дыхании вырабатывается энергия для работы ионных насосов.

Глюкоза. Ежесуточно в канальцы почек у человека поступает 990 ммоль глюкозы, за сутки в почках реабсорбируется около 989,8 ммоль, т. е. моча оказывается практически свободной от глюкозы. Следовательно, всасывание глюкозы происходит против концентрационного градиента, в результате из канальцевой жидкости в кровь реабсорбируется вся глюкоза при нормальной ее концентрации в крови.

При повышении содержания глюкозы в плазме крови с 5 до 10 ммоль/л глюкоза появляется в моче. Это обусловлено тем, что в люминальной мембране клеток проксимального канальца находится ограниченное количество переносчиков глюкозы. Когда они полностью насыщаются глюкозой, достигается ее максимальная реабсорбция, а избыток начинает экскретироваться с мочой. Величина максимальной реабсорбции глюкозы имеет важное значение для функциональной оценки реабсорбционной способности клеток проксимальных канальцев (см. рис. 13.7).

Для определения максимальной величины транспорта глюкозы (ТтG) достигают полного насыщения системы ее канальцевого транспорта. С этой целью в кровь вводят глюкозу, повышая ее концентрацию в клубочковом фильтрате до тех пор, пока не будет достигнут порог реабсорбции и глюкоза не начнет в значительных количествах выделяться с мочой. Величину ТтG рассчитывают по разнице между количеством профильтровавшейся в клубочках глюкозы (равно произведению объема клубочкового фильтрата Cin на концентрацию глюкозы в плазме крови РG) и выделившейся с мочой (UG - концентрация глюкозы в моче, V - объем выделившейся мочи):

Т тG = СinРG - UGV.

Величина ТтG характеризует полную загрузку системы транспорта глюкозы У мужчин она равна 2,08 ммоль/мин (375 мг/мин), у женщин - 1,68 ммоль/мин (303 мг/мин) при расчете на 1,73 м2 поверхности тела.

На примере глюкозы можно рассмотреть мембранные и клеточные механизмы реабсорбции моносахаридов и аминокислот в почечных канальцах. В апикальной мембране клеток проксимального канальца глюкоза соединяется с переносчиком, который должен одновременно присоединить ион Na+ после чего комплекс приобретает способность транспортироваться через мембрану. В результате в цитоплазму клетки поступают и глюкоза, и натрий. Так как мембрана отличается высокой селективностью и односторонней проницаемостью, она не пропускает глюкозу обратно из клетки в просвет канальца. Энергетическим источником для переноса глюкозы через апикальную мембрану служит меньшая концентрация Na+ в цитоплазме клетки, удаляемого с помощью Na, К-АТФазы, локализованной в базальной плазматической мембране клетки. Такой процесс получил название вторично-активного транспорта, когда перенос веществ при их всасывании из просвета канальца в кровь происходит против концентрационного градиента, но без затраты на него энергии клетки. Она расходуется на перенос ионов натрия. Первично-активным называют транспорт в том случае, когда происходит перенос вещества против электрохимического градиента за счет энергии клеточного метаболизма. Наиболее ярким примером является транспорт ионов Na+, который осуществляется при участии фермента Na, К-АТФазы, расходующей энергию АТФ. После освобождения от связи с переносчиком глюкоза поступает в цитоплазму, достигает базальной плазматической мембраны и перемещается через нее с помощью механизма облегченной диффузии.

Белки и аминокислоты. Ультрафильтрация приводит к тому, что в просвет нефрона поступают неэлектролиты и электролиты. В отличие от электролитов которые, проникнув через апикальную мембрану, в неизменном виде достигай ют базальной плазматической мембраны и транспортируются в кровь, перенос белка обеспечивается иным механизмом, получившим название пиноцитоз. Молекулы профильтровавшегося белка адсорбируются на поверхностной мембране клетки, мембрана впячивается внутрь клетки с образованием пиноцитозной вакуоли. Эта вакуоль движется в сторону базальной части клетки; в околоядерной области, где локализован пластинчатый комплекс (аппарат Гольджи) они могут сливаться с лизосомами, в которых высока активность ряда протеолитических ферментов. В лизосомах захваченные белки в результате ферментативного гидролиза расщепляются до аминокислот и удаляются в кровь через базальную плазматическую мембрану.

Профильтровавшиеся в клубочках аминокислоты почти полностью реабсорбируются клетками проксимального канальца. В люминальной мембране имеется не менее четырех раздельных механизмов транспорта аминокислот из просвета канальца в кровь: специальные системы реабсорбции для нейтральных, двуосновных, дикарбоксильных аминокислот и иминокислот (содержат в молекуле двухвалентную иминогруппу =NH). Каждая из этих систем обеспечивает всасывание нескольких аминокислот только одной группы. Так например, система реабсорбции двуосновных аминокислот участвует во всасывании лизина, аргинина, орнитина и, возможно, цистина. При введении в кровь избытка одной из указанных выше аминокислот начинается усиленная экскреция остальных аминокислот только этой группы. Системы транспорта отдельных групп аминокислот контролируются' раздельными генетическими механизмами. Описаны наследственные заболевания, одним из проявлений которых служит увеличенная экскреция определенных групп аминокислот.

Недавно были получены данные, что в почечных канальцах могут реабсорбироваться дипептиды и трипептиды в неизмененном виде. Пептидные гормоны, фильтруемые в почечных клубочках, частично гидролизуются и возвращаются в кровь в виде аминокислот, частично экскретируются с мочой.

Выделение с мочой слабых кислот и оснований зависит от их ультрафильтрации в клубочках, реабсорбции и секреции в проксимальных канальцах, а также от "неионной диффузии", влияние которой особенно сказывается в дистальных канальцах и собирательных трубках. Эти соединения могут существовать в зависимости от рН среды в двух формах: неионизированной и ионизированной. Клеточные мембраны более проницаемы для неионизированных веществ. Многие слабые кислоты с большой скоростью экскретируются с щелочной мочой, а слабые основания, напротив, с кислой. У оснований степень ионизации увеличивается в кислой среде, но уменьшается в щелочной. В неионизированном состоянии эти вещества растворимы в липидах и проникают в клетки, а затем в плазму крови, т. е. реабсорбируются. Если в канальцевой жидкости значение рН сдвинуто в кислую сторону, основания ионизированы и преимущественно экскретируются с мочой. Так, например, никотин является слабым основанием, ионизированным на 50% при рН 8,1, он в 3-4 раза быстрее экскретируется с кислой мочой (рН около 5), чем при щелочной реакции (рН 7,8). Неионная диффузия влияет на выделение почкой аммония, ряда лекарственных препаратов.

Электролиты. Всасывание профильтровавшихся в клубочках ионов Na+, Сl- и НСО3- требует наибольших энерготрат в клетках нефрона. У человека в 1 сут реабсорбируются около 24 330 ммоль натрия, 19 760 ммоль хлора, 4888 ммоль бикарбоната, а выделяется с мочой 90 ммоль натрия, 90 ммоль хлора, менее 2 ммоль бикарбоната. Транспорт натрия является первично-активным, т. е. именно на его перенос расходуется энергия клеточного обмена. Ведущую роль в этом процессе играет Na, К-АТФаза. В проксимальном канальце у млекопитающих реабсорбируется около 2/3 профильтровавшегося натрия. Обратное всасывание Na+ в этом канальце происходит против небольшого градиента, и его концентрация в канальцевой жидкости остается такой же, как и в плазме крови. В проксимальном канальце реабсорбируются все остальные ионы. Как отмечалось выше, из-за высокой проницаемости стенки этого канальца для воды жидкость в просвете нефрона остается изоосмотичной плазме крови.

Ранее считали, что в проксимальном сегменте нефрона происходит обязательная (облигатная) реабсорбция, т. е. при всех условиях всасывание ионов Na+, Сl-, воды является постоянной величиной. Напротив, в дистальных извитых канальцах и собирательных трубках реабсорбция ионов и воды может регулироваться, ее величина меняется в зависимости от функционального состояния организма. Результаты последних исследований указывают на то, что под влиянием импульсов, поступающих по эфферентным нервным волокнам к почке, и при действии физиологически активных веществ (например, одного из натрийуретических гормонов) регулируется реабсорбция натрия и в проксимальном отделе нефрона. Это особенно отчетливо выявляется при увеличении объема внутрисосудистой жидкости, когда уменьшение реабсорбции в проксимальном канальце способствует усилению экскреции ионов и воды, а тем самым восстановлению объема крови.

В результате реабсорбции в проксимальном канальце большинства компонентов ультрафильтрата и воды объем первичной мочи резко уменьшается и в начальный отдел петли Генле у млекопитающих поступает около l/з профильтровавшейся в клубочках жидкости. В петле Генле всасывается до 25% натрия, поступившего в нефрон при фильтрации, в дистальном извитом канальце - около 9%; меньше 1% натрия реабсорбируется в собирательных трубках или экскретируется с мочой. В конечных отделах канальцев концентрация натрия может снижаться до 1 ммоль/л по сравнению с 140 ммоль/л в клубочковом фильтрате. В дистальном сегменте нефрона и собирательных трубках в отличие от проксимального сегмента всасывание происходит против высоких концентрационного и электрохимического градиентов.

Рис. 13.9 Мембранные механизмы транспорта Na+ в клетках различных отделов нефрона

В базальных мембранах всех типов клеток содержится Na, К-АТФаза, обеспечивающая обмен ионов Na+ на ионы К+. В люминальной мембране локализована система котранспорта Na+ и глюкозы (G), натриевые каналы, система котранспорта некоторых других ионов; стрелками указаны участки нефрона, где находятся клетки соответствующих типов.

Рис. 13.10 Транспорт Na+ и К+ клеткой дистального извитого канальца

Клеточные механизмы реабсорбции Na+, как и других ионов, могут существенно отличаться в разных отделах нефрона (рис. 13.9). В клетках проксимального канальца поступление натрия через люминальную мембрану внутрь клетки обеспечивается рядом механизмов. Оно может быть связано с обменом Nа+ на протоны (Na+/H+, а также с деятельностью натрийзависимых переносчиков аминокислот и глюкозы. В люминальной мембране клеток толстого восходящего отдела петли Генле поступление иона Na+ в клетку происходит одновременно с ионом К+ и двумя ионами Сl-; эта система блокируется со стороны просвета канальца фуросемидом. В дистальном извитом канальце ведущее значение имеет прохождение иона Na+ по натриевому каналу, специфическим блокатором которого является амилорид. Во всех случаях поступившие внутрь клетки ионы натрия удаляются из нее Na, К-АТФазой, локализованной в базальной плазматической мембране.

Таким образом, молекулярные механизмы реабсорбции ионов натрия не одинаковы в разных участках нефрона. Это определяет отличие скорости реабсорбции и способов регуляции переноса натрия.

Электрофизиологические исследования клеток нефрона подтверждают высказанные выше представления о пассивном и активном компонентах системы реабсорбции натрия. При реабсорбции натрий вначале входит в клетку эпителия канальца пассивно по натриевому каналу мембраны, обращенной в сторону просвета канальца; внутренняя часть клетки заряжена отрицательно, и поэтому положительно заряженный Na+ движется в клетку по градиенту потенциала. Натрий направляется в сторону базальной плазматической мембраны, в которой имеется натриевая помпа, выбрасывающая его в межклеточную жидкость (рис. 13.10).

Регуляция реабсорбции и секреции ионов в почечных канальцах. В регуляции реабсорбции натрия участвуют эфферентные нервные волокна, подходящие к почке, и некоторые гормоны (рис. 13.11). Вазопрессин усиливает всасывание натрия в клетках толстого восходящего отдела петли Генле. Механизм этого эффекта основан на внутриклеточном действии цАМФ. Другим стимулятором реабсорбции натрия является альдостерон, который увеличивает транспорт Na+ в клетках дистальных почечных канальцев. Из внеклеточной жидкости этот гормон проникает через базальную плазматическую мембрану в цитоплазму клетки и соединяется с рецептором. Возникший комплекс поступает в ядро, где образуется комплекс альдостерона со стереоспецифичным для него хроматином.

В связывании альдостерона, по-видимому, участвует негистонный хромосомный белок, молекулы альдостерона связываются ядром почечной клетки. В ядре стимулируется транскрипция определенного участка генетического кода, синтезированная мРНК переходит в цитоплазму и активирует образование белков, необходимых для увеличения транспорта Na+.

Альдостерон стимулирует образование компонентов натриевого насоса (Na, К-АТФазы), ферментов его энергетического обеспечения, а также веществ, облегчающих вход Na+ в клетку из просвета канальца. В обычных физиологических условиях одним из факторов, ограничивающих реабсорбцию натрия, является низкая проницаемость апикальной плазматической мембраны. Возрастание числа натриевых каналов мембраны (или времени их открытого состояния) увеличивает вход натрия в клетку и повышает в ней его содержание, что стимулирует активный перенос натрия.

Рис.13.11 Место действия гормонов и медиаторов в различных сегментах почечного канальца

I - натрийуретический гормон, 2 - катехоламины, 3 - глюкокортикоиды, 4 - паратгормон, 5- кальцитонин, 6 - вазопрессин, 7 - альдостерон.

Уменьшение реабсорбции натрия достигается под влиянием так называемого натрийуретического гормона, выработка которого возрастает при увеличении объема циркулирующей крови, повышении объема внеклеточной жидкости в организме. Структура и место секреции этого гормона установлены лишь в последние годы, хотя мысль о его существовании была высказана в конце 50-х гг. Оказалось, что таких факторов несколько: один из них выделяется в предсердии, другой - в гипоталамической области; ряд натрийуретических веществ выделен из некоторых других органов. В настоящее время значение каждого из них в реальных процессах регуляции обмена натрия еще не ясно.

Реабсорбция ионов СL- происходит в некоторых частях нефрона с помощью иных механизмов, чем реабсорбция Na+, что дает возможность раздельно регулировать выделение натрия и хлора почкой. В начальных частях проксимального отдела нефрона его стенка непроницаема для ионов Сl-, ионы Na+ всасываются вместе с НСО3-. В результате концентрация Сl- возрастает со 103 до 140 ммоль/л. В конечных участках проксимального канальца зона межклеточных соединений проницаема для ионов Сl-. Так как концентрация Сl- в канальцевой жидкости стала выше, чем в плазме крови, то СL- по концентрационному градиенту движется в межклеточную жидкость и кровь. За ионами хлора следуют и ионы натрия.

Механизм реабсорбции ионов хлора в клетках толстого восходящего отдела петли Генле иной. В люминальной мембране имеется своеобразный молекулярный механизм транспорта ионов Сl-, одновременно с которыми всасываются ионы Na+ и К+. В дистальном извитом канальце и собирательных трубках активно транспортируются через клетки ионы Na+, за ними по электрохимическому градиенту следуют ионы Сl-.

Различие способов реабсорбции ионов хлора имеет важное значение для понимания многообразия молекулярных механизмов реабсорбции ионов. Особенно следует подчеркнуть, что для этого процесса имеет значение не только отличие свойств ионных каналов и ионных переносчиков в люминальной мембране клеток, но и своеобразие свойств зоны клеточных контактов. В начальных участках нефрона они непроницаемы для неэлектролитов и ионов Сl-, последующие части проксимального канальца обладают высокой проницаемостью для ионов Сl-. В дистальном сегменте нефрона и собирательных трубках зона клеточных контактов очень плохо пропускает растворенные вещества, что обеспечивает возможность их экскреции почкой.

В почечных канальцах реабсорбируются калий, кальций, магний, фосфаты, сульфаты, микроэлементы. Почки являются важнейшим эффекторным органом в системе ионного гомеостаза. Новейшие данные свидетельствуют о существовании в организме систем регуляции баланса каждого из ионов. Для некоторых из ионов уже описаны специфические рецепторы, например натриорецепторы. Появились и первые данные о рефлекторной регуляции транспорта ионов в почечных канальцах, включающей рецепторы, центральные аппараты и эфферентные пути передачи сигнала почке.

Регуляцию реабсорбции ионов Са2+ в почечных канальцах осуществляет ряд гормонов (рис. 13.12). При уменьшении концентрации кальция в крови паращитовидные

Рис. 13.12 Регуляция обмена кальция

1 - почка, 2 - кишка, 3 - пища, 4 - печень, 5 - плазма крови, 6 - щитовидная железа, 7 - кость, 8 - паращитовидная железа; пунктирными стрелками обозначено изменение реакции при увеличении или уменьшении концентрации кальция в крови.

железы выделяют паратгормон, который способствует нормализации уровня Са2+ в крови за счет увеличения его реабсорбции в почечных канальцах и повышения резорбции кости. При гиперкальциемии стимулируется выделение в кровь гормона щитовидной железы - тиреокальцитонина, который снижает концентрацию кальция в крови и способствует увеличению его экскреции почкой. Важную роль в регуляции обмена Са2+ играет активная форма витамина D3- 1,25 (ОН)2-D3. В почечных канальцах регулируется уровень реабсорбции магния, хлора, сульфатов и других ионов.

13.6.4. Канальцевая секреция

В современной физиологической литературе, касающейся деятельности почек, термин секреция имеет два значения. Первое из них описывает процесс переноса вещества через клетки из крови в просвет канальца в неизменном виде, что увеличивает скорость экскреции вещества почкой. Второе - выделение из клетки в кровь или в просвет канальца синтезированных в почке физиологически активных веществ (например, простагландины, брадикинин и др.) или экскретируемых веществ (например, гиппуровая кислота). В этом разделе основное внимание будет уделено описанию процесса секреции в первом значении этого слова.

Секреция органических и неорганических веществ - один из важных процессов, обеспечивающих процесс мочеобразования. У рыб некоторых видов в почке отсутствуют клубочки. В таких случаях секреция играет ведущую роль в деятельности почки. В почках большинства других классов позвоночных, в том числе и у млекопитающих, секреция обеспечивает выделение из крови в просвет канальцев дополнительных количеств некоторых веществ, которые могут фильтроваться ив почечных клубочках.

Таким образом, секреция ускоряет выделение почкой некоторых чужеродных веществ, конечных продуктов обмена, ионов. В почке у млекопитающих секретируются органические кислоты (пенициллин, парааминогиппуровая кислота - ПАГ, диодраст, мочевая кислота), органические основания (холин, гуанидин), неорганические вещества (калий). Почка гломерулярных и агломерулярных морских костистых рыб способна к секреции ионов магния, кальция, сульфатов. Различаются места секреции разных веществ. В почке всех позвоночных местом секреции органических кислот и оснований служат клетки проксимального сегмента нефрона, особенно его прямой части, секреция калия преимущественно происходит в клетках дистального извитого канальца и собирательных трубок.

Механизм процесса секреции органических кислот. Рассмотрим этот процесс на примере выделения почкой ПАГ. После введения в кровь ПАГ ее секреция почкой нарастает и очищение от нее крови значительно превышает величину очищения крови от одновременно введенного инулина. Это означает, что ПАГ не только фильтруется в клубочках, но и помимо клубочков в просвет нефрона поступают значительные ее количества. Экспериментально было показано, что такой процесс обусловлен секрецией ПАГ из крови в просвет проксимальных отделов канальцев. В мембране клетки этого канальца, обращенной к межклеточной жидкости, имеется переносчик (котранспортер), обладающий высоким сродством к ПАГ. В присутствии ПАГ образуется комплекс переносчика с ПАГ, который перемещается в мембране и на ее внутренней поверхности распадается, высвобождая ПАГ в цитоплазму, а переносчик приобретает снова способность перемещаться к внешней поверхности мембраны и соединяться с новой молекулой ПАТ. Механизм секреции органических кислот включает ряд этапов. В базальной плазматической мембране имеется Na+, K+-АТФаза, которая удаляет из клетки ионы Na+ и способствует поступлению в клетку ионов К+. Более низкая концентрация в цитоплазме ионов Na+ позволяет поступать внутрь клетки ионам Na+ по градиенту концентрации при участии натриевых котранспортеров. Один из типов такого котранспортера способствует поступлению через базальную плазматическую мембрану ?-кетоглутарата и Na+. В этой же мембране имеется анионный обменник, который удаляет из цитоплазмы ?-кетоглутарат в обмен на поступающий из межклеточной жидкости в клетку парааминогиппурат (ПАТ), диодраст или некоторые иные органические кислоты. Это вещество движется по клетке в сторону люминальной мембраны и через нее проходит в просвет канальца по механизму облегченной диффузии.

Угнетение дыхания цианидами, разобщение дыхания и окислительного фосфорилирования динитрофенолом снижает и прекращает секрецию. В обычных физиологических условиях уровень секреции зависит от числа переносчиков в мембране. Секреция ПАТ возрастает пропорционально увеличению концентрации ПАТ в крови до тех пор, пока все молекулы переносчика не насытятся ПАТ. Максимальная скорость транспорта ПАТ достигается в тот момент, когда количество ПАГ, доступное для транспорта, равно количеству молекул переносчика, которые могут образовывать комплекс с ПАГ. Эта величина определяется как максимальная способность к транспорту ПАГ - Ттран (см. рис. 13.7). Поступившая в клетку ПАГ движется по цитоплазме к апикальной мембране и через нее специальным механизмом выделяется в просвет канальца.

Секреция органических оснований. Этот процесс (например, секреция холина), подобно выведению органических кислот, происходит в проксимальном сегменте нефрона и характеризуется определенной величиной максимального транспорта (Т т). Системы секреции органических кислот и оснований функционируют независимо друг от друга. Это было показано экспериментально, когда животным вводили пробенецид - вещество, угнетающее секрецию органических кислот. В таком опыте секреция органических оснований не нарушалась.

Для определения секреции в почечных канальцах рассчитывают очищение крови от данного вещества и очищение от инулина. Если клиренс исследуемого вещества превышает клиренс инулина, это указывает на секрецию в канальцах. При одновременном определении в плазме крови исследуемого вещества (а) и инулина (In) достаточно рассчитать отношение их концентрационных показателей Ua/Рa: Uin/Pin, так как объем выделяемой мочи будет одинаковым.

Если это отношение больше единицы, то вещество секретируется, если меньше - реабсорбируется. Однако это упрощенная оценка системы транспорта веществ в нефроне. Некоторые из них, например ионы калия и мочевая кислота, могут подвергаться и реабсорбции, и секреции. Поэтому наряду с измерением концентрационных показателей необходимо изучение особенностей обработки исследуемых веществ в отдельных частях почечных канальцев.

Секреторную функцию проксимальных отделов нефрона измеряют с помощью веществ, которые выделяются из организма главным образом посредством канальцевой секреции (например, ПАГ, диодраст). Одно из этих веществ вводят в кровь вместе с инулином, который служит для одновременного измерения клубочковой фильтрации. Величину транспорта (Т) органического вещества (ПАГ) при секреции (s) из крови в просвет канальца определяют по разности между выделением этого вещества почкой (UранV ) и его фильтрацией в клубочках (CinPран) : Тsрaн = UPAHV - CinPpан. При условии полного насыщения секреторного аппарата ПАТ определяется величина максимального канальцевого транспорта ПАТ - ТтРАН. У человека ТтРАН составляет 79 мг/мин при расчете на 1,73 м2 поверхности тела.

Способность клеток проксимальных канальцев практически полностью извлекать из околоканальцевой жидкости и, соответственно, из крови околоканальцевых капилляров такие органические кислоты, как ПАТ и диодраст, была использована для измерения эффективного почечного кровотока - кровоснабжения коры почки. Непрямой метод измерения величины почечного кровотока основан на способности клеток проксимальных почечных канальцев секретировать ПАТ и диодраст столь эффективно, что при невысокой их концентрации в артериальной крови последняя полностью очищается от этих веществ при однократном прохождении через почку. Очищение от ПАГ (СРАН) эквивалентно плазмотоку и определяется по формуле ( UРАН / РРАН) V, где U и Р- концентрация ПАГ в моче и плазме крови, V - диурез, СРАН - величина эффективного почечного плазмотока, т. е. то количество плазмы, которое протекает по сосудам коры почки и омывает клетки проксимального сегмента нефрона. Так как эритроциты не содержат ПАГ, для расчета величины эффективного почечного кровотока (ERBF - англ. Effective Renal Blood Flow) необходимо учитывать соотношение между эритроцитами и плазмой крови (показатель гематокрита Ht): ERBF == СРАН/(1 - Ht).

Общий кровоток и плазмоток через почки может быть рассчитан в том случае, если известно, сколько ПАГ не удаляется клетками канальцев. Так как считают, что ПАГ полностью извлекается из крови, протекающей в коре почки, то наличие в почечной вене небольшого количества ПАГ обусловлено той частью крови, которая минует кору почки и поступает в сосуды мозгового вещества. Доля кровотока через все мозговое вещество мала по сравнению с общим почечным кровотоком и составляет от 7 до 9%, а кровоток во внутреннем мозговом веществе (почечный сосочек) равен лишь 1%.

Секреция неорганических веществ. Клетки почечных канальцев способны не только к секреции органических кислот и оснований, но и некоторых неорганических веществ. В почке проходных и морских костистых, а также хрящевых рыб могут секретироваться ионы калия, магния, кальция, сульфаты. В почках млекопитающих секретируются ионы К+ и H+. Транспорт калия в нефроне отличается от переноса натрия тем, что K.+ подвергается не только реабсорбции, но и секретируется в почке клетками конечных отделов нефрона и собирательных трубок.

При реабсорбции калий поступает в клетку нефрона из просвета канальца. В клетке концентрация K+ выше, чем в околоканальцевой жидкости, и калий диффундирует из клетки через базальную плазматическую мембрану в межклеточное вещество, а затем уносится кровью. При секреции калий вначале поступает в клетку из межклеточной жидкости в обмен на натрий с помощью Na, К-насоса (Na, К-АТФаза), который одновременно удаляет Na+ из клетки. Тем самым поддерживается высокая внутриклеточная концентрация К+.

При избытке калия в организме начинается его секреция клетками в просвет канальца, зависящая от ряда факторов, прежде всего от степени возрастания проницаемости для К+ мембраны клетки, обращенной в просвет канальца. В ней открываются "каналы", по которым калий по градиенту концентрации может выходить из клетки. Скорость секреции К+ зависит от градиента электрохимического потенциала на апикальной мембране клетки: чем больше ее электроотрицательность, тем выше уровень секреции К+. Поэтому введение слабореабсорбируемых анионов, например сульфатов, увеличивает секрецию К+.

Таким образом, секреция калия зависит от его внутриклеточной концентрации, проницаемости для калия апикальной мембраны и градиента электрохимического потенциала на мембране. В регуляции секреции К+ важное значение имеет гормон коры надпочечника альдостерон, который увеличивает реабсорбцию натрия и одновременно усиливает секрецию калия. Почти весь профильтровавшийся в клубочках калий реабсорбируется в отделах нефрона, расположенных до дистального извитого канальца. Калий, выделяемый с мочой, секретируется в конечных частях дистального сегмента нефрона и собирательных трубках.

13.6.5. Синтез веществ в почке

В почке образуются некоторые вещества, выделяемые в мочу (например, гиппуровая кислота, аммиак), а также поступающие в кровь (ренин, простагландины, глюкоза, появляющаяся при глюконеогенезе в почке, и др.). Гиппуровая кислота синтезируется в клетках канальцев из бензойной кислоты и гликокола. В опытах на изолированной почке было показано, что при введении в почечную артерию раствора бензойной кислоты и гликокола в моче появляется гиппуровая кислота. В клетках канальцев при дезаминировании аминокислот, главным образом глутамина, из аминогрупп образуется аммиак. Он поступает преимущественно в мочу, но частично проникает и через базальную плазматическую мембрану в кровь: в почечной вене аммиака больше, чем в почечной артерии.

13.6.6. Осмотическое разведение и концентрирование мочи

Почки практически всех пресноводных и наземных позвоночных способны выделять мочу, имеющую меньшее, чем кровь, осмотическое давление. Это дает им возможность экскретировать избыток воды и повышать сниженную осмоляльность крови до нормальных значений. При дефиците воды, когда осмотическое давление крови может быть повышено, необходимо экономить воду и экскретировать осмотически активные вещества в виде гиперосмотической мочи. Такой способностью обладают только млекопитающие и птицы, в почках которых имеется мозговое вещество. Чем более развито мозговое вещество в почке, чем более сформирована его внутренняя часть, в которой находятся тонкие отделы петель Генле, тем эффективнее осуществляется осмотическое концентрирование мочи. Так, у морской свинки всего 5% нефронов имеют длинные петли Генле, у белых крыс их 28%, а у больших песчанок (Rhombomys opimus), обитающих в пустыне, таких нефронов 100%. В почке морской свинки внутреннее мозговое вещество слабо развито, у большой песчанки почечный сосочек очень длинный, свисающий в почечную лоханку. Почки большой песчанки способны вырабатывать мочу, осмотическое давление которой превышает 100 атм.

Осмотическое концентрирование. В зависимости от состояния водного баланса организма почки млекопитающих и птиц выделяют разведенную или концентрированную мочу. В процессе осмотического концентрирования мочи в почке принимают участие все отделы канальцев, сосуды мозгового вещества, межклеточная ткань (рис. 13.13). В почках у млекопитающих 2/3 ультрафильтрата, образовавшегося в клубочках, реабсорбируется к концу проксимального сегмента. Оставшаяся в канальцах жидкость содержит осмотически активные вещества в такой же концентрации, как и плазма крови, хотя и отличается от нее по составу вследствие реабсорбции органических веществ и ионов. Далее канальцевая жидкость переходит из коркового слоя почки в мозговое вещество - в нисходящий отдел петли Генле - и движется до вершины почечного сосочка, где каналец изгибается на 180° и моча переходит в восходящий отдел

Рис. 13.13 Процесс осмотического разведения (А) и концентрирования (Б) мочи

I - корковое вещество, II - наружное мозговое вещество, III - внутреннее мозговое вещество почки; 1 - клубочек, 2 - проксимальный извитой канадец,

3 - нисходящая тонкая ветвь,

4 - восходящая тонкая ветвь,

5 - восходящая толстая ветвь петли Генле, 6 - дистальный извитой канадец, 7 - собирательная трубка коркового слоя почки, 8 - собирательная трубка наружного мозгового вещества почки, 9 - собирательная трубка внутреннего мозгового вещества почки; цифрами указана осмоляльность жидкости просвета канальца и межклеточного вещества; стрелками из просвета канальца обозначена реабсорбция воды (Н2О), неэлектролитов (Нэ, электролитов (Э), мочевины (М); сплошными стрелками - активный транспорт; пунктирными - за счет диффузии.

петли, расположенный параллельно ее нисходящему отделу. В нем жидкость течет в направлении от вершины сосочка к коре почки.

Функциональное значение различных отделов петли неоднозначно. Когда жидкость из проксимального канальца поступает в тонкий нисходящий отдел петли Генле, она попадает в зону почки, в межклеточном веществе которой концентрация осмотически активных веществ выше, чем в коре почки. Это повышение осмолярной концентрации в наружной зоне мозгового вещества обусловлено деятельностью толстого восходящего отдела петли Генле. Его стенка непроницаема для воды, а клетки транспортируют ионы СL- и Na+ в межклеточное вещество. Стенка нисходящего отдела петли проницаема для воды, и вода всасывается из просвета канальца в окружающую межуточную ткань почки по осмотическому градиенту.

Осмотическая концентрация жидкости в восходящем отделе петли на границе коры и мозгового вещества составляет около 200 моем, т. е. она ниже, чем в плазме крови и ультрафильтрате. Поступление ионов хлора и натрия в межклеточное вещество наружного мозгового слоя увеличивает его осмолярную концентрацию до 400 моем. На такую же величину растет и осмолярная концентрация жидкости, находящейся в просвете нисходящего отдела петли. Через его проницаемую для воды стенку в межуточную ткань по осмотическому градиенту переходит вода, а осмотически активные вещества остаются в просвете этого отдела канальца.

Чем дальше от коры по продольной оси почечного сосочка исследуют жидкость в нисходящем колене петли, тем выше оказывается ее осмолярная концентрация. В соседних смежных участках нисходящего отдела петли имеется лишь небольшое нарастание осмотического давления, но по длиннику почечного сосочка (внутреннего мозгового вещества) осмолярная концентрация постепенно растет от 300 мосм/л почти до 1450 мосм/л у человека или почти до 4500 мосм/л у большой песчанки.

На вершине почечного сосочка осмолярная концентрация жидкости в петле Генле возрастает в несколько раз, объем ее уменьшается. При дальнейшем движении жидкости по восходящему отделу петли продолжается реабсорбция ионов СL- и Na+, вода же остается в просвете канальца. В начальные отделы дистального извитого канальца всегда поступает гипотоническая жидкость, концентрация осмотически активных веществ в которой менее 200 моем/л.

В условиях дефицита воды в организме гипофиз усиливает секрецию антидиуретического гормона (аргинин-вазопрессин, АДГ), что увеличивает проницаемость стенок конечных частей дистального сегмента и собирательных трубок для воды. Из гипотонической жидкости по осмотическому градиенту реабсорбируется вода, осмолярная концентрация жидкости в этом отделе увеличивается до 300 мосм/л, т. е. жидкость в просвете канальца становится изоосмотичной крови в системном кровотоке и коре почки.

Окончательное осмотическое концентрированно мочи наступает в собирательных трубках. Они расположены параллельно канальцам петли Генле в мозговом веществе почки. Как отмечалось выше, в межклеточной жидкости мозгового вещества почки возрастает осмолярная концентрация. Вследствие этого из жидкости собирательных трубок реабсорбируется вода и концентрация мочи в них увеличивается, уравновешиваясь со все повышающейся концентрацией осмотически активных веществ во внутреннем мозговом веществе почки. В конечном счете выделяется гиперосмотическая моча, в которой максимальная концентрация осмотически активных веществ может быть равна осмолярной концентрации межклеточной жидкости на вершине почечного сосочка.

В наружной зоне мозгового вещества почки повышение осмолярности главным образом основано на транспорте ионов Na+ и СL-. Увеличение осмолярной концентрации во внутренней зоне мозгового вещества почки зависит от нескольких механизмов, обеспечивающих накопление ионов натрия, хлора и мочевины. Особую роль для осмотического концентрирования играет в этой части почки аккумуляция мочевины, что происходит следующим образом.

Стенка проксимального канальца проницаема для мочевины, что приводит к реабсорбции до 50% профильтровавшейся мочевины. Однако при извлечении жидкости из извитого дистального канальца оказалось, что в нем содержание мочевины очень высоко.

Показано, что существует система внутрипочечного кругооборота мочевины, участвующая в осмотическом концентрировании мочи. В просвете собирательных трубок вследствие реабсорбции воды концентрация мочевины повышается. АДГ увеличивает проницаемость собирательных трубок в мозговом веществе не только для воды, но и для мочевины, в результате она диффундирует в мозговое вещество почки. Мочевина проникает из межклеточной жидкости в просвет прямого сосуда и тонкого отдела петли Генле.

Поднимаясь вместе с током жидкости по направлению к коре почки по прямому сосуду, мочевина непрерывно участвует в противоточном обмене, диффундирует в нисходящий отдел прямого сосуда и нисходящую часть петли Генле. Вследствие этого происходит постоянное поступление мочевины во внутреннее мозговое вещество, а также ионов СL- и Na+, реабсорбируемых клетками толстого восходящего отдела петли Генле и собирательных трубок. Эти вещества удерживаются в мозговом веществе благодаря деятельности противоточной системы прямых сосудов и петель Генле, что в конечном счете обеспечивает повышение осмотической концентрации во внутреннем мозговом веществе почки. Вслед за увеличением осмолярности межуточной ткани, окружающей собирательные трубки, возрастает и реабсорбция воды из них, повышается эффективность осморегулирующей функции почки. Увеличение проницаемости канальцевой стенки для мочевины в присутствии АД Г позволяет понять, почему при снижении мочеотделения уменьшается очищение от мочевины.

Прямые кровеносные сосуды мозгового вещества почки, подобно канальцам петли Генле, также образуют противоточную систему, играющую очень важную роль в осмотическом концентрировании. Благодаря параллельному расположению прямых сосудов и петель Генле обеспечивается эффективное кровоснабжение мозгового вещества почки, но не происходит вымывания осмотически активных веществ, так как в крови прямых сосудов наблюдаются такие же изменения осмотической концентрации, как и в тонком нисходящем отделе петли Генле. При движении крови по направлению к вершине почечного сосочка в ней постепенно возрастает осмотическая концентрация, а во время ее обратного движения к коре почки диффундирующие через сосудистую стенку соли и другие растворенные вещества переходят в межклеточную ткань.

Тем самым сохраняется градиент концентрации осмотически активных веществ внутри почки и прямые сосуды функционируют как противоточная система. Скорость движения крови по прямым сосудам влияет на количество удаляемых из мозгового вещества ионов натрия, хлора и мочевины, участвующих в создании осмотического градиента и оттоке реабсорбируемой воды.

Для количественной оценки концентрационной способности почки в условиях экономии воды используют два параметра: индекс осмотического концентрирования, показывающий, во сколько раз моча более осмотически концентрирована, чем кровь, и объем реабсорбированной осмотически свободной воды. Физиологическое значение этого показателя, имеющего очень важное значение, требует специального объяснения.

Образование мочи всегда происходит из жидкости, имеющей такую же общую концентрацию осмотически активных веществ, как и плазма крови. Так как выделение почкой осмотически активных веществ равно произведению диуреза (V, мл/мин) на концентрацию осмотически активных веществ в моче (Uosm, мосм/л), то очищение плазмы крови от осмотически активных веществ (Cosm) равно:

Cosm = UosmV/Posm

где Posm - концентрация осмотически активных веществ в плазме крови, мосм/л. Величина Cosm характеризует тот условный объем плазмы крови, который очистился от осмотически активных веществ в течение 1 мин. Иными словами, если выделяется моча, имеющая такую же осмотическую концентрацию, как и плазма крови, то Cosm = V и почка только уменьшает объем жидкости в организме, не участвуя в осморегуляции.

Однако при обезвоживании почка выделяет мочу более осмотически кок центрированную, чем кровь. Воду, выделяемую с мочой, условно можно разделить на две фракции. Одна из них содержит растворенные вещества в той же концентрации, что и плазма крови, т. е. равна Cosm" другая представляет собой чистую, свободную от веществ воду. Ее называют осмотически свободной водой (СН2О). Следовательно, сказанное можно представить в виде такой формулы:

V = Cosm + H2O

Образование гипотонической мочи. При потреблении больших количеств воды почки выделяют гипотоническую мочу и СН2О представляет собой положительную величину, при обезвоживании организма, напротив, отрицательную. Это означает, что осмотически свободная вода не экскретируется, а всасывается в канальцах в кровь. Выше был подробно описан механизм осмотического концентрирования мочи. Величина реабсорбции (мл/мин) осмотически свободной воды (ТсН2О) численно равна СН2О но с обратным знаком: ТсН2О=С. Существенно, что эта величина является константной для данного вида. Так, у человека при дегидратации максимальное значение реабсорбции осмотически свободной воды не превышает 5 мл/мин при нормальном значении клубочковой фильтрации.

При поступлении избытка воды в организм почки начинают выделять большие объемы гипотонической мочи. Переход от экономии к экскреции воды сопровождается снижением клубочковой фильтрации в юкстамедуллярных нефронах и ее увеличением в клубочках других популяций нефронов.

При водном диурезе относительная проксимальная реабсорбция ионов и воды не изменяется, а в дистальный сегмент нефрона поступает такое же количество жидкости, как и при дегидратации. Осмолярность мозгового вещества почки при водном диурезе становится ниже, чем при антидиурезе, а осмотическая концентрация жидкости, поступающей в дистальный сегмент нефрона, такая же - приблизительно 200 мосм/л. При водном диурезе стенка конечных отделов почечных канальцев остается водонепроницаемой, а из протекающей мочи клетки продолжают реабсорбировать соли натрия; в результате выделяется гипотоническая моча, концентрация осмотически активных веществ в которой ниже 50 мосм/л. Проницаемость канальцев для мочевины низка, и она экскретируется с мочой, не накапливаясь в мозговом веществе почки.

У человека на максимуме водного диуреза мочеотделение может достигать 18 мл/мин. Очищение от осмотически свободной воды в этом случае определяется по формуле Сизо = V- Cosm оно составляет у человека 13-15 мл/мин.

Таким образом, различие деятельности петли Генле, конечных частей дистального сегмента и собирательных трубок обусловливает способность почек при водной нагрузке выделять большие объемы разведенной, гипотонической, мочи, а при дефиците воды в организме экскретировать малые количества мочи, осмотически более концентрированной, чем кровь. Исключительно развита способность почки осмотически концентрировать мочу у некоторых пустынных грызунов, что позволяет им вообще не пить воду. У большой песчанки, например, концентрация осмотически активных веществ в моче может достигать 4000-4500 мосм/кг H2O, у ряда видов пустынных мышей она возрастает до 9000 мосм/кг H2O и выше.

Собирательные трубки обеспечивают реабсорбцию Na+, Cl- и других ионов против высокого градиента. Их основная функциональная особенность состоит в том, что реабсорбция веществ происходит в небольших количествах, но против наиболее значительного градиента, что и обусловливает резкие различия концентрации ряда неорганических веществ в моче по сравнению с кровью.

13.6.7. Роль почек в осморегуляции и волюморегуляции

Осморегуляция. Почки являются основным эффекторным органом системы осморегуляции. Они обеспечивают выделение избытка воды в виде гипотонической мочи при поступлении воды в организм или экономят воду и экскретируют мочу, гипертоническую по отношению к плазме крови, при обезвоживании. При избыточном содержании воды в организме концентрация растворенных осмотически активных веществ в крови снижается и ее осмотическое давление падает. Это уменьшает активность центральных осморецепторов, расположенных в области супраоптического ядра гипоталамуса, а также периферических осморецепторов, имеющихся в печени, почке, селезенке и ряде других органов. Уменьшение активности осморецепторов снижает секрецию антидиуретического гормона (АДГ) нейрогипофизом и приводит к возрастанию выделения воды почкой (рис. 13.14).

Рис. 13.14 Участие почки в регуляции водно-солевого обмена

1- ЦНС, 2 - гипоталамус, 3 - нейрогипофиз, 4 - почка, 5 - поджелудочная железа, 6 - надпочечник;

При обезвоживании организма, при введении в сосудистое русло гипертонического раствора хлористого натрия увеличивается концентрация осмотически активных веществ в плазме крови, возбуждаются осморецепторы, стимулируются нейроны супраоптического ядра, усиливается секреция АДГ, возрастает реабсорбция воды в канальцах, уменьшается мочеотделение и выделяется осмотически концентрированная моча. Установлено, что у человека в норме при осмоляльности крови около 280 мосм/кг H2O полностью прекращается секреция АДГ и почка выделяет наибольшие количества воды. При обезвоживании когда осмоляльность крови возрастает до 295 мосм/кг Н2О, секреция АДГ достигает максимума и обнаруживается пик осмотического концентрирования мочи в почке. В эксперименте показано, что секреция АДГ возрастает при раздражении не только осморецепторов, но и специфических натриорецепторов. После введения в область III желудочка мозга гипертонического раствора NaСl наступает антидиурез, а после введения в ту же область гипертонических растворов сахара мочеотделение не уменьшается.

Осморецепторы реагируют на сдвиги концентрации осмотически активных веществ в плазме крови. При увеличении осмоляльности плазмы крови на 1% (около 3 мосм/л) концентрация аргинин-вазопрессина, являющегося антидиуретическим гормоном у человека и многих других млекопитающих, возрастает на 1 пг/мл плазмы. Повышение концентрации осмотически активных веществ в плазме на 1 мосм/кг воды вызывает благодаря выделению АДГ увеличение осмотической концентрации мочи почти на 100 мосм/кг H2O, а переход от состояния водного диуреза до максимального осмотического концентрирования мочи требует всего 10-кратного возрастания АДГ в крови - с 0,5 до 5 пг/мл.

Волюморецепция. Помимо информации от осморецепторов и натриорецепторов уровень секреции АДГ зависит и от активности волюморецепторов, реагирующих на изменение объема внутрисосудистой и внеклеточной жидкости. Ведущее значение в регуляции секреции АДГ имеют те волюморецепторы, которые реагируют на изменение напряжения сосудистой стенки. В первую очередь это рецепторы левого предсердия, импульсы от которых передаются в ЦНС по афферентным волокнам блуждающего нерва. При увеличении кровенаполнения левого предсердия активируются волюморецепторы и угнетается секреция АДГ, тем самым усиливается мочеотделение. В предсердии вырабатывается гормон, увеличивающий выделение ионов Na+ почкой и получивший название атриальный натрийуретический пептид.

Рассмотрим особенности реакции почки при возбуждении волюморецепторов и осморецепторов. Активация только волюморецепторов возникает в ответ на увеличение объема внутрисосудистой жидкости при неизмененной концентрации в ней осмотически активных веществ. Это приводит к повышению экскреции солей натрия и воды. Одновременная активация волюморецепторов и осморецепторов может наступить при потреблении больших количеств воды, в этом случае в основном усиливается выведение воды. Ведущую роль в изолированном осморегулирующем рефлексе играет уменьшение секреции АДГ, в результате снижается реабсорбция воды и усиливается ее экскреция.

Увеличение объема внеклеточной жидкости, возрастание объема крови служат стимулом для волюморегулирующего рефлекса. В эксперименте адекватным раздражителем системы регуляции объема внеклеточной жидкости может служить введение в кровеносный сосуд больших количеств изотоничного плазме крови физиологического раствора. Возрастание притока крови к сердцу, растяжение стенки предсердия стимулируют волюморецепторы и секрецию из клеток предсердия атриального натрийуретического пептида. Под влиянием этого гормона усиливается выделение ионов натрия и воды почкой.

Стимуляция волюморецепторов рефлекторно изменяет характер импульсации иннервирующих почку симпатических нервов и снижает реабсорбцию натрия и воды в канальцах. Возрастание объема крови способствует растяжению афферентной артериолы клубочка. Это сопровождается изменением активности юкстагломерулярного аппарата, уменьшением секреции фермента ренина, благодаря чему снижается образование в крови из ангиотензиногена ангиотензина I. После отщепления от него двух аминокислот образуется ангиотензин II, который вызывает ряд эффектов, в том числе стимулирует секрецию альдостерона. Когда снижается количество ангиотензина, падает и поступление в кровь альдостерона, что приводит к уменьшению реабсорбции натрия в канальцах. Активация волюморегулирующего рефлекса снижает секрецию вазопрессина, тем самым уменьшается реабсорбция воды и повышается ее выделение почкой.

Клеточное действие вазопрессина. Воздействие вазопрессина начинается с активации рецепторов, расположенных на базальной и латеральных мембранах клеток конечных частей дистального сегмента нефрона и собирательных трубок. Существует два типа рецепторов вазопрессина: V1 и V2. Первый тип рецепторов после взаимодействия с вазопрессином активирует образование таких вторичных мессенджеров, как инозитолтрифосфат и диацилглицерол. Стимуляция вазопрессином V2-рецепторов завершается активацией фермента аденилатциклазы, в результате из АТФ образуется вторичный мессенджер - цАМФ. Это физиологически активное вещество внутри клетки вызывает ряд превращений, приводящих к увеличению проницаемости для воды апикальной (люминальной) плазматической мембраны, обращенной в просвет канальца.

В обычных условиях, когда в крови нет вазопрессина, люминальная мембрана непроницаема для воды, клетка не пропускает через себя воду и реабсорбция воды в собирательных трубках практически не происходит. После секреции вазопрессина в кровь и стимуляции им V2-рецепторов у внутренней поверхности базальной плазматической мембраны образуется цАМФ. Этот вторичный мессенджер должен пересечь клетку и у противоположной плазматической мембраны активировать ряд процессов, завершающихся увеличением проницаемости для воды.

В цитоплазме клетки содержатся агрефоры. - в них находятся так называемые "водные каналы" (аквапорины), которые перемещаются к люминальной мембране и встраиваются в нее. Для осуществления этого процесса необходимо участие микрофиламентов и микротрубочек. В конечном счете цАМФ способствует встраиванию в люминальную мембрану агрегатов внутримембранных частиц;

чем больше образуется цАМФ, тем большая поверхность мембраны будет занята агрегатами частиц и выше становится проницаемость для воды. Восстановление исходной проницаемости зависит от скорости ферментативного разрушения цАМФ, эту функцию выполняет имеющаяся внутри клетки фосфодиэстераза цАМФ.

Таким образом, активация V2-рецепторов вазопрессином сопровождается образованием цАМФ и увеличением проницаемости для воды.

Выше речь шла о V1-рецепторах. Их физиологическое значение состоит в модуляции, регуляции силы ответа клетки, они обеспечивают осуществление своеобразной системы обратной связи. При регуляции водного обмена в организме ведущую роль играет лишь один гормон - вазопрессин.

В регуляции ионного обмена обычно природа использует два гормона, оказывающие противоположное физиологическое действие, например кальцитонин, снижающий концентрацию кальция в крови, и паратгормон, увеличивающий ее.

В случае вазопрессина можно описать уникальный способ физиологической регуляции, когда один гормон с помощью рецепторов двух разных типов стимулирует реакцию и модифицирует ее. Активация V1-рецепторов и образование описанных выше вторичных мессенджеров способствуют снижению силы действия цАМФ. Экспериментально можно активировать только аденилатциклазу и устранить фосфоинозитидный ответ, связанный со стимуляцией V1-рецепторов. В таком случае сила ответа на вазопрессин станет выше.

Эти данные позволяют представить целостную картину регуляции водного обмена: от возбуждения осморецепторов и секреции вазопрессина до конечных этапов внутриклеточных изменений, сопровождающихся возрастанием проницаемости мембраны для воды. Поток воды при увеличении ее реабсорбции растет в десятки раз.

Выше шла речь о процессах, происходящих в базальной мембране, цитоплазме и апикальной мембране. Такие большие физиологические изменения, сопровождающиеся возрастанием потока воды, затрагивают и внешнюю поверхность клетки. После добавления вазопрессина наблюдается экзоцитоз - выделение веществ со стороны апикальной мембраны на ее внешнюю поверхность. Среди этих веществ находятся компоненты гликокаликса, а также, вероятно, и ряд гидролитических ферментов.

А. Г. Гинецинский высказал предположение, что на одном из этапов действия АДГ в процесс вовлекается гиалуронатгидролаза, деполимеризующая гликозаминогликаны в межклеточном веществе почки. В пользу такого предположения свидетельствуют данные, что введение в кровь антисыворотки к почечной гиалуронатгидролазе уменьшает способность АДГ увеличивать проницаемость для воды и ее реабсорбцию.

13.6.8. Механизм участия почек в регуляции кислотно-основного равновесия

Почки играют важную роль в поддержании постоянства концентрации ионов водорода в крови, экскретируя кислые продукты обмена. Активная реакция мочи у человека и животных может очень резко меняться в зависимости от кислотно-основного состояния в организме. Концентрация ионов Н+ при крайних состояниях работы почек различается почти в 1000 раз, при подкислении мочи рН в некоторых случаях снижается до 4,5, при подщелачивании - достигает 8. Это способствует участию почек в стабилизации рН плазмы крови на уровне 7,36. Механизм подкисления мочи основан на секреции клетками канальцев ионов водорода (рис. 13.15).

В апикальной плазматической мембране и цитоплазме клеток различных отделов нефрона находится фермент карбоангидраза, катализирующая реакцию гидратации оксида углерода:

Секреция ионов Н+ создает условия для реабсорбции вместе с НСОз- эквивалентного количества ионов Na+. Наряду с Na/K ионообменным насосом и электрогенным натриевым насосом, обусловливающим перенос натрия и хлора, реабсорбция Na+ и НСОз- играет важную роль в натриевом балансе организма.

Фильтрующийся из плазмы крови бикарбонат соединяется с ионами водорода, секретированными клеткой, и в просвете канальца превращается в оксид углерода (см. рис. 13.15). Образование ионов водорода для секреции происходит внутри клетки, где вследствие гидратации СО2 возникшая угольная кислота диссоциирует на ионы Н+ и НСО3-. В просвете канальца ионы водорода связываются не только с бикарбонатом, но и с такими соединениями, как двузамещенный фосфат (Na2HPO4), и некоторыми другими, в результате чего увеличивается экскреция титруемых кислот (ТА-) с мочой. Это способствует выделению кислот и восстановлению резерва оснований в плазме крови.

Наконец, секретируемые ионы водорода могут связываться в просвете канальца с аммиаком, выделяющимся в клетке из глутамина и аминокислот и диффундирующим через мембрану в просвет канальца, в котором образуется ион аммония NН3 + H+ >NH4+. Образование аммонийных солей нелетучих кислот способствует сбережению в организме ионов Na+ и К+, которые реабсорбируются в канальцах.

Таким образом, общая экскреция кислот почкой (Uн + V) складывается из трех компонентов: количества титруемых кислот (UТАV), количества выделенного аммония (UNН4+ V) и выводимого почкой бикарбоната (UНСО3- V):

UН+ V = UТаV+ UNH4+ V - UНСО3- V.

При питании мясом образуется больше кислот и моча становится кислой, а при потреблении растительной пищи рН мочи сдвигается в щелочную сторону. При интенсивной физической работе из мышц в кровь поступают значительные количества молочной и фосфорной кислот. В этих условиях почки увеличивают выделение кислых продуктов с мочой.

Кислотовыделительная функция почек во многом зависит от состояния кислотно-основного равновесия в организме. Так, при гиповентиляции легких

Рис. 13.15 Реакции, обеспечивающие участие почки в регуляции кислотно-основного равновесия

происходит задержка СО2 и снижается рН крови - развивается дыхательный ацидоз, при гипервентиляции уменьшается давление CO2 в крови и растет рН крови - возникает состояние дыхательного алкалоза. Если в крови нарастает содержание ацетоуксусной и бета-оксимасляной кислот, то падает концентрация бикарбоната в крови, развивается состояние метаболического ацидоза. Рвота, сопровождающаяся потерей соляной кислоты, приводит к повышению концентрации НСО3- в крови и метаболическому алкалозу.

Легкие и почки участвуют в нормализации кислотно-основного равновесия. При дыхательном ацидозе увеличивается экскреция H+ и реабсорбция НСО3-. Метаболический ацидоз компенсируется гипервентиляцией легких. В конечном счете почки стабилизируют концентрацию НСО3- в плазме крови на уровне 26-28 ммоль/л, а рН - на уровне 7,36.

13.6.9. Экскреторная функция почки

Почки играют ведущую роль в выделении из крови нелетучих конечных продуктов обмена и чужеродных веществ, попавших во внутреннюю среду организма. В процессе метаболизма белков и нуклеиновых кислот образуются различные конечные продукты азотистого обмена, выделяемые почкой. Обычно человек потребляет около 100 г белка в сутки. В этом количестве содержится приблизительно 16 г азота. Основными азотсодержащими веществами мочи у человека являются мочевина, мочевая кислота, креатинин, ион аммония.

Катаболизм пуриновых оснований в организме человека завершается образованием мочевой кислоты. В клетках некоторых животных имеется полный набор ферментов, обеспечивающих распад пуриновых оснований до С02 и NН3. Мочевая кислота в почке человека фильтруется в клубочках, затем реабсорбируется в канальцах, часть мочевой кислоты секретируется клетками в просвет нефрона. Обычно у человека экскретируемая фракция мочевой кислоты довольно низка - 9,8%, что указывает на реабсорбцию значительных ее количеств в канальцах.

Весь образующийся в течение 1 сут креатинин выделяется почками с мочой. Его источником служит креатинфосфорная кислота, от нее отщепляется фосфат, после чего в результате дегидратации креатина образуется креатинин. Его суточная продукция и экскреция зависят не столько от потребления мяса с пищей, сколько от мышечной массы тела. Креатинин, как и мочевина, свободно фильтруется в почечных клубочках. Креатинин в основном экскретируется почкой, мочевина частично реабсорбируется в канальцах.

В нормальных условиях даже физиологически ценные вещества при их избытке в крови начинают экскретироваться почкой в больших количествах. Это относится как к воде и неорганическим ионам, так и органическим веществам, таким как глюкоза, аминокислоты. В небольших количествах в мочу поступают некоторые производные продуктов гниения в кишечнике - индола, скатола, фенола, которые обезвреживаются в печени, где образуются парные соединения с серной кислотой. Это индоксилсерная, скатоксилсерная и другие кислоты.

С мочой выделяются различные биологически активные вещества и продукты их превращения, по которым в известной степени можно судить о функции некоторых желез внутренней секреции. В моче обнаружены производные гормонов коры надпочечника, эстрогены, антидиуретический гормон, катехоламины, различные витамины (аскорбиновая кислота, тиамин), ферменты (амилаза, липаза, трансаминаза) и др. В условиях патологии в моче обнаруживаются вещества, обычно в ней не выявляемые, - ацетон, жёлчные кислоты, белок и пр.

Помимо перечисленных существует еще очень много разнообразных веществ, непрестанно удаляемых почкой из крови. Они могут поступать в мочу и экскретироваться из организма либо после фильтрации реабсорбироваться клетками канальцев, подвергаться в них гидролизу или превращению, как, например, пептиды и измененные белки, и всасываться в кровь. О том, какие вещества выводит или разрушает почка, отчасти судят по составу крови после удаления почек. В плазме крови накапливаются не только мочевина, креатинин, мочевая кислота, но и гормоны (глюкагон, паратгормон, гастрин), ферменты (рибонуклеаза, ренин), индолы, глюкуроновая кислота, алифатические амины и многие другие вещества.

Цвет мочи зависит от величины диуреза и экскреции пигментов, он изменяется от светло-желтого до оранжевого. Эти пигменты образуются из билирубина жёлчи в кишечнике, где билирубин превращается в уробилин и урохром, которые частично всасываются в кишечнике и выделяются почкой. Часть пигментов мочи представляет собой окисленные в почке продукты распада гемоглобина.

13.7. НЕРВНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПОЧКИ

Почка - один из важнейших органов, обеспечивающих гомеостаз, так как она служит исполнительным органом в цепи различных рефлексов, регулирующих, постоянство состава и объема жидкостей внутренней среды. Регуляция деятельности почки, адекватная информации о состоянии внутренней среды, которая поступает в ЦНС, обеспечивается при участии эфферентных нервных волокон или эндокринных желез. Гормоны играют важнейшую роль в изменении процесса мочеобразования.

Работа почки, как и других органов, подчинена не только безусловнорефлекторному контролю, но и регулируется корой больших полушарий головного мозга; скорость мочеобразования может меняться условнорефлекторным путем. В лаборатории Л. А. Орбели было показано, что прекращение мочеотделения, наступающее при болевом раздражении, может быть воспроизведено условнорефлекторным путем, в результате стимуляции секреции АДГ нейрогипофизом. Условнорефлекторным путем может быть вызвано и увеличение диуреза: в лаборатории К. М. Быкова было установлено, что многократное введение воды в организм собаки в сочетании с условным раздражителем также приводило к образованию условного рефлекса, при котором усиливалось мочеотделение.

В настоящее время показано, что при участии эфферентных нервных волокон, подходящих к почке, регулируются не только ее гемодинамика и работа юкстагломерулярного аппарата, но и процессы реабсорбции и секреции неэлектролитов (глюкоза, ПАТ) и электролитов (натрий, фосфаты и др.) в канальцах. Адренергические волокна стимулируют транспорт натрия, холинергические волокна активируют реабсорбцию глюкозы и секрецию органических кислот. Механизм изменения мочеообразования при участии адренергических нервов связан с активацией аденилатциклазы и образованием цАМФ в клетках канальцев. Чувствительная к катехоламинам аденилатциклаза содержится в базолатеральных мембранах клеток дистального извитого канальца и начальных отделов собирательных трубок.

Афферентные нервные волокна почки играют существенную роль в качестве информационного звена системы реноренальных рефлексов.

13.8. ИНКРЕТОРНАЯ ФУНКЦИЯ ПОЧКИ

В почке образуются и выделяются в кровоток физиологически активные вещества, действующие на другие органы и ткани, а также обладающие выраженным влиянием в самой почке. К веществам, оказывающим системное и локальное действие, относятся ренин, эритропоэтин, активная форма витамина D. В ткани почки выделяются также преимущественно локально действующие вещества, влияющие в основном на ее работу, - простагландины и брадикинины.

Наибольшее количество данных об осуществлении инкреторной функции почки связано с юкстагломерулярным аппаратом. Юкстагломерулярный аппарат расположен у входа в клубочек между приносящей и выносящей артериолами клубочка и частью стенки дистального канальца. В него входят гранулярные клетки афферентной артериолы, клетки плотного пятна дистального канальца и специальные клетки, контактирующие с обеими из перечисленных

выше групп клеток.

Более 90% гранул, содержащих ренин, сосредоточено в клетках стенки афферентной артериолы. Ренин является протеолитическим ферментом. Секретируемый в кровоток ренин отщепляет в плазме от ангиотензиногена

ангиотензин I.

Под действием фермента от ангиотензина I, состоящего из 10 аминокислот, отщепляются две аминокислоты и образуется сильное сосудосуживающее вещество - ангиотензин II. Ангиотензин II влияет на тонус сосудов, скорость реабсорбции Na+ клетками канальцев, является важнейшим физиологическим стимулятором секреции альдостерона клетками коры надпочечника. Ангиотензин II очень быстро инактивируется в крови ангиотензиназами.

Описано много различных факторов, влияющих на скорость секреции ренина. Кратко охарактеризуем лишь два из них. Одним из стимулов является повышение концентрации NaCI в дистальном канальце. Это способствует секреции ренина в юкстагломерулярном аппарате данного клубочка. В нем снижается фильтрация и предотвращается возможность избыточной потери NaCI. Удержание этой соли в организме равнозначно сохранению объема внеклеточной жидкости и плазмы крови.

Другим важным стимулом служит раздражение рецепторов растяжения, локализованных в стенке афферентной артериолы. Уменьшение ее кровенаполнения активирует выделение ренина. Гомеостатическое значение обеих реакций очевидно - вызванное секрецией ренина снижение клубочковой фильтрации приведет к сохранению циркулирующего объема и предотвратит потерю почкой избыточного количества солей натрия. Из этих данных становится понятной стратегически важная анатомическая локализация юкстагломерулярного аппарата, которая позволяет воспринимать изменения в составе канальцевой жидкости в том же самом нефроне в процессе мочеобразования и одновременно участвовать в регуляции клубочковой фильтрации и объема циркулирующей жидкости.

Таким образом, выделение ренина и образование ангиотензина имеет исключительное значение для циркуляторного гомеостаза: происходит сужение сосудов, приходит в соответствие с потребностями организма гемодинамика почки, под влиянием альдостерона усиливается реабсорбция солей натрия, способствуя сохранению объема внеклеточной жидкости в организме.

В последние годы были получены доказательства новой гормонобразующей функции почки, связанной с регуляцией обмена кальция и по своему биохимическому механизму напоминающей процессы, протекающие в коре надпочечника. Почки извлекают из крови прогормон - 25-ОН-витамин D3, который образуется в печени, накапливают его, в митохондриях осуществляют гидроксилирование и превращение в 1,25-(ОН)2-витамин D3. Последний служит активным стероидным гормоном, стимулирующим образование Са-связывающего белка в клетках кишечника, что необходимо для всасывания Са2+. Этот же гормон способствует высвобождению Са2+ из кости.

В почке образуется эритропоэтин, стимулирующий образование эритроцитов в костном мозгу. Особенно этот процесс активируется при гипоксии. В почке образуются кинины. В ней выделяется пептидаза - калликреин, который отщепляет кинин от кининогена во фракции ?2-глобулинов. Почечные кинины (например, брадикинин) являются сильными вазодилататорами, участвующими в регуляции почечного кровотока и выделения натрия.

В мозговом веществе почки синтезируются простагландины. Под влиянием простагландина E2 увеличивается почечный кровоток и растет выделение Na+ без изменения клубочковой фильтрации, по-видимому, вследствие угнетения реабсорбции его солей и воды в проксимальном канальце. Простагландин Е2 уменьшает реакцию клеток канальца на АДГ. Эти данные имеют важное значение, ибо они свидетельствуют о возможности изменения реакции на гормон под влиянием образующихся в органе физиологически активных веществ в частности простагландинов.

Почки играют определенную роль в регуляции состояния системы свертывания крови. В них синтезируется активатор плазминогена - урокиназа. Фибринолитическая активность крови, взятой в почечной вене, значительно выше чем в почечной артерии.

13.9. МЕТАБОЛИЧЕСКАЯ ФУНКЦИЯ ПОЧКИ

Участие почки в гомеостазе белков, липидов и углеводов ранее недооценивали. Это участие не ограничено способностью к реабсорбции данных соединений или экскреции их избытка.

В почке происходит образование и разрушение различных пептидных гормонов, циркулирующих в крови, образование глюкозы (глюконеогенез), превращение аминокислот, например глицина в серии, необходимый для синтеза фосфатидилсерина, который участвует в образовании и обмене плазматических мембран в различных органах.

Следует разграничить понятия метаболизм почки и метаболическая функция почки. Метаболизм, обмен веществ в почке, обеспечивает выполнение всех ее функций, метаболическая функция почки связана с поддержанием в жидкостях внутренней среды стабильного уровня ряда углеводов, белков и липидов.

Через фильтрующую мембрану клубочка практически не проходят альбумины и глобулины, но свободно фильтруются пептиды. Тем самым в канальцы непрестанно поступают гормоны, измененные белки. Их расщепление имеет двоякое физиологическое значение - организм освобождается от физиологически активных веществ, что улучшает точность регуляции, а в кровь возвращаются аминокислоты, используемые для последующих синтезов. Имеющиеся данные указывают на возможность извлечения некоторых белков и полипептидов клетками нефрона из околоканальцевой жидкости и их последующего разрушения.

Таким образом, почка играет важную роль в расщеплении низкомолекулярных и измененных (в том числе денатурированных) белков. Это объясняет значение почки в восстановлении фонда аминокислот для клеток органов и тканей, в быстром устранении из крови физиологически активных веществ и сохранении для организма их компонентов.

Почка не только потребляет глюкозу в процессе обмена, но и обладает способностью к значительной ее продукции. В обычных условиях скорости двух последних процессов равны. Использование глюкозы для выработки энергии в почке составляет около 13% общего потребления кислорода почкой. Глюконеогенез происходит в коре почки, а наибольшая активность гликолиза характерна для мозгового вещества почки.

Почка обладает весьма активной системой образования глюкозы, ее интенсивность на 1 г массы почки больше, чем в печени. При длительном голодании в почках образуется половина общего количества глюкозы, поступающей в кровь. Для этого используются органические кислоты, которые превращаются в глюкозу, являющуюся нейтральным веществом, что способствует одновременно регуляции рН крови. При алкалозе, напротив, снижен уровень глюконеогенеза из кислых субстратов. Зависимость скорости и характера глюконеогенеза от величины рН является особенностью углеводного обмена почки по сравнению с печенью.

Превращение различных субстратов в глюкозу, поступающую в общий кровоток и доступную для утилизации в различных органах и тканях, свидетельствует о том, что почке присуща важная функция, связанная с участием в энергетическом балансе организма.

Почка оказалась основным органом окислительного катаболизма инозитола. В ней миоинозитол окисляется в ксилулозу и затем через ряд стадий в глюкозу. В ткани почки синтезируется фосфатидилинозитол, являющийся необходимым компонентом плазматических мембран. Синтез глюкуроновой кислоты имеет большое значение для образования гликозаминогликанов, содержание которых высоко в межклеточной ткани внутреннего мозгового вещества почки и столь существенно для процесса осмотического разведения и концентрирования мочи.

Участие в обмене липидов связано с тем, что свободные жирные кислоты извлекаются почкой из крови и их окисление обеспечивает в значительной степени работу почки. Так как свободные жирные кислоты связаны в плазме с альбумином, то они не фильтруются, а их поступление в клетки нефрона происходит со стороны межклеточной жидкости. Эти соединения окисляются в большей степени в коре почки, чем в ее мозговом веществе. В почке образуются триацилглицерины.

Свободные жирные кислоты быстро включаются в фосфолипиды почки, играющие важную роль в выполнении различных транспортных процессов. Роль почки в липидном обмене состоит в том, что в ее ткани свободные жирные кислоты включаются в состав триацилглицеринов и фосфолипидов и в виде этих соединений поступают в циркуляцию.

Обсуждение механизмов работы экскреторных органов, особенно почки, позволяет прийти к выводу, что главная функция выделительных органов (почки, нефридии, солевые железы, жабры, потовые железы и др.) заключается в поддержании постоянства физико-химических констант жидкостей

внутренней среды.

В ходе филогенеза и в процессе индивидуального развития организмов ясно прослеживается тенденция удержания ведущих показателей состава и объема крови во все более узких пределах, что расширяет адаптивные возможности организмов в условиях меняющейся окружающей среды. В процессе эволюции возрастает число функций, выполняемых почкой, наблюдается интенсификация ее функций, возрастает дифференцировка образующих ее элементов, усложняется структура системы регуляции ее функций. Это обеспечивает повышение стабильности состава внутренней среды организма, что является абсолютно необходимым условием для эффективной деятельности клеток различных органов и систем, прежде всего мозга.

13.10. ВЫДЕЛЕНИЕ МОЧИ

Образующаяся в почке или нефридии моча у большинства животных накапливается в мочевом пузыре и затем удаляется из организма. Лишь у некоторых видов животных (ряд костистых рыб, акулы, скаты птицы и др.) мочевой пузырь отсутствует и моча из мочеточников поступает в клоаку. У человека моча из выводных протоков поступает в почечную лоханку Сокращение мускулатуры лоханки обеспечивает продвижение мочи в мочеточник, по которому моча доставляется в мочевой пузырь. По мере увеличения количества поступающей мочи пузырь растягивается, напряжение стенок остается постоянным и давление внутри не растет. Когда объем жидкости в полости мочевого пузыря достигает критического значения, круто нарастает напряжение его гладкомышечных стенок, возрастает давление в полости пузыря и происходит мочеиспускание. Этот акт является произвольным контролируемым, что обеспечивает переход мочи по мочеиспускательному каналу наружу.

Рассмотрим некоторые особенности взаимодействия ряда факторов, обеспечивающих выделение мочи. Растяжение стенок мочевого пузыря приводит к раздражению механорецепторов. Само по себе увеличение давления внутри пузыря без растяжения его стенок не вызывает такого эффекта. Важное значение имеет скорость наполнения мочевого пузыря, в случае поступления в него жидкости импульсация в афферентных волокнах тазового нерва резко возрастает. Опорожнение мочевого пузыря сопровождается уменьшением напряжения его стенки и снижением импульсации.

Регуляция процесса мочеиспускания осуществляется в нервных центрах различного уровня. Импульсы от механорецепторов мочевого пузыря поступают по афферентным нервам в крестцовые отделы спинного мозга, где располагается рефлекторный центр мочеиспускания. Он находится под контролем вышележащих отделов головного мозга - тормозные влияния исходят из коры

головного мозга и среднего мозга, возбуждающие - из моста и заднего гипоталамуса.

Корковые влияния, обеспечивающие импульс к произвольному акту мочеиспускания, вызывают сокращение мышцы, выталкивающей мочу (детрузора), возрастает давление внутри мочевого пузыря. Происходит открытие шейки мочевого пузыря, расширение и укорочение задней части мочеиспускательного канала (уретры), расслабляется образованный поперечнополосатыми мышцами сфинктер. В результате сокращения мышц пузыря давление в нем нарастает, а в уретре падает, что вызывает переход в фазу опорожнения мочевого пузыря и удаление мочи наружу. Когда пузырь опустошается, моча более не раздражает заднюю часть уретры, детрузор вновь расслабляется, закрывается замыкательный аппарат и сокращается сфинктер.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

В эволюции живых организмов отчетливо видна тенденция к развитию физиологических механизмов стабилизации внутренней среды, что обеспечивало независимость от условий внешней среды. Гомеостаз, т. е. способность организма сохранять динамическое постоянство состава и свойств, достигается системой физиологических регуляций. Создание оптимальных условий для работы клеток у высших многоклеточных организмов обеспечивается высокой степенью постоянства условий во внутренней среде - на неизменном уровне поддерживается объем крови, концентрация в ней неорганических и органических веществ, рН, осмоляльности - суммарная концентрация всех растворенных веществ. Последний показатель особенно важен для стабилизации объема клетки, ибо уменьшение или увеличение осмоляльности крови тотчас приводит к набуханию или сморщиванию клеток, что нарушает их работоспособность.

Поддержание постоянства объема и состава жидкостей внутренней среды осуществляется под интегрирующим влиянием ЦНС при участии многих органов - почек, кожи, желудочно-кишечного тракта, тканевых депо. Специализированные тканевые барьеры обеспечивают высокую степень стабильности концентрации ионов в жидкостях отдельных органов и систем: спинномозговой, внутриглазной эндолимфе внутреннего уха и др. Гомеостаз жидкостей внутренней среды имеет особое значение, поэтому в процессе эволюции выработался ряд дублирующих механизмов обеспечения функций, их контроля, регуляции.

Выделение веществ почкой находится под нервным и гормональным контролем. Баланс кальция регулируется по крайней мере тремя гормонами: кальцитонином, паратгормоном, активными формами витамина D3. В организме имеется способность изменять реакцию клеток на уже поступивший в кровь гормон. Так, вазопрессин не только увеличивает проницаемость для воды, но и активирует секрецию простагландинов, снижающих чувствительность рецепторов клеток к этому .же гормону.

Следовательно, многообразие форм регуляции и участие клеток различных органов и систем обеспечивают способность к исключительно высокой степени постоянства во внутренней среде организма в условиях непрерывно меняющейся внешней среды.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Берхин Е. Б. Фармакология почек и ее физиологические основы. М., 1979.

Вандер А. Физиология почек. СПб., 2000.

Гинецинский А. Г. Физиологические механизмы водно-солевого равновесия. М.; Л., 1964.

Глезер Г. А. Диуретики: Руководство для врачей. М., 1993.

Длоуга Г. Кршечек И., Наточин Ю. В. Онтогенез почки. Л., 1981.

Москалев Ю. И. Минеральный обмен. М., 1985.

Наточин Ю. В. Основы физиологии почки. Л., 1982.

Наточин Ю. В. Почка. Справочник врача. СПб., 1997.

Наточин Ю. В., Немцов В. И., Эмануэль В. Л. Биохимия крови и диагностика. СПб., 1993.

Почечная эндокринология / Под ред. М. Дж. Данн. М., 1987.

Сравнительная физиология животных / Под ред. Л. Проссера. Т. 1. М., 1977.

Физиология водно-солевого обмена и почки / Под ред. Ю. В. Наточина. СПб., 1993.

Фролов Б. А. Физиология и патология кислотно-основного состояния. М., 1998.

Шейман Дж. Патофизиология почки. М.; СПб., 1999.

Шюк О. Функциональное исследование почек. Прага, 1975.

Шмидт-Ниельсен К. Физиология животных. Приспособление и среда. В 2 кн. М., 1982. Кн. 2.

14 РЕПРОДУКТИВНЫЕ ФУНКЦИИ

ВЕХИ ИСТОРИИ

V-IV вв. до н. э. - Гиппократ (Древняя Греция) в трактате "О семени и природе ребенка" суммировал знания своего времени о половом акте, зачатии, беременности. В трактате "О женских болезнях" подробно описал нарушения менструаций.

IV в. до н. э. - Аристотель (Древняя Греция) в "Истории животных" дал описание процессов полового созревания, менструации, полового поведения, зачатия, плодных оболочек пуповины, положения плода, родов и лактации.

I в. до н. э. - Древний Рим - начали производить кесарево сечение (от лат. Lex Caesaria -царский, кесарев закон, разрешавший производить эту манипуляцию) - хирургическую операцию извлечения плода и последа из полости матки через разрез в ее стенке.

1012-1024 - Авиценна (Абу Али ибн Сина, Центральная Азия, Иран) в "Каноне врачебной науки" описал правила здоровой половой жизни, болезней половых органов и способы их лечения, а также средства увеличения половой потенции, усиления лактации и мн. др. "Страстную любовь" включил в число "заболеваний, вредящих способности ощущать и мыслить" и назвал средства лечения этого недуга.

1651 - У. Гарвей (W. Harvey, Англия) в "Исследовании о зарождении жизни" предложил термин "эпигенез".

1677 - А. Левенгук (A. Leeuwenhoek, Нидерланды) с помощью микроскопа открыл сперматозоиды.

сер. XVII в. - Л. Спалланцани (L. Spallanzani, Италия) осуществил искусственное оплодотворение у земноводных и млекопитающих.

1825 - Я. Пуркинье (Пуркине, J. Purkinje, Чехия) открыл яйцо яйцеклетки. 1827 - К. М. Бэр (Россия) подробно описал яйцеклетку млекопитающих.

1849 - А. Бертольд (A. Berthold, Германия) пересадил кастрированному петуху семенники другого петуха и обнаружил исчезновение последствий кастрации.

1858 - К. Экхард (С. Eckhard, Германия) положил начало научному изучению лактации.

1889 - Ш. Браун-Секар (Ch. Brown-Sequard, Франция) в опытах на себе показал, что введение вытяжек из семенников животных оказывает влияние на вторичные половые признаки.

1894 - И. П. Павлов (Россия) показал значение нервной регуляции для работы молочной железы.

1905 - 3. Фрейд (Z. Freud, Австро-Венгрия) опубликовал "Три очерка по теории сексуальности" - первую из многих своих работ по сексологии.

1934 - А. Бутенандт (A. Butenandt, Германия) с сотр. получили в кристаллическом виде прогестерон - гормон, подготавливающий матку к имплантации оплодотворенного яйца.

1935 - А. Бутенандт и Л. Ружичка (L. Ruzicka, Швейцария) независимо друг от друга синтезировали мужской половой гормон - тестостерон.

1937 - А. Мейкпис, Дж. Уэйнстайн и М. Фридман (A. Makepeace, J. Weinstein, M. Friedman, (США) обнаружили, что введение прогестерона препятствует овуляции у лабораторных животных.

1948-1953 - А. Кинзи (A. Kinsey, США) опубликовал труды "Сексуальное поведение мужчины" и "Сексуальное поведение женщины", содержащие анализ опроса 19 тыс. человек.

1955 - группа под руководством Г. Пинкуса (G. Pinkus, США) создала первый оральный контрацептив.

Под репродуктивными функциями принято понимать комплекс процессов, который охватывает дифференцировку и созревание половых клеток, формирование половых мотиваций, половое поведение, половой акт, процесс оплодотворения, беременность, роды, лактацию, последующее выращивание потомства. Взаимодействие этих процессов и их регуляция обеспечиваются системой, центром которой является нейроэндокринный комплекс - гипоталамус - гипофиз - половые железы (см. разд. 6.2, 6.3.3).

14.1. ПОЛОВЫЕ ЖЕЛЕЗЫ

Половые железы в организме играют двойную роль. Во-первых, в них происходят сложные процессы сперматогенеза и овогенеза. Итогом этих процессов является развитие к моменту полового созревания зрелых сперматозоидов и яйцеклеток. Во-вторых, в составе половых желез находятся особые комплексы с эндокринной функцией. В них происходит образование половых гормонов, связанных не только с регуляцией функции полового аппарата; они оказывают влияние на все виды деятельности организма, имеющие отношение к репродуктивному процессу и соматическому развитию.

Действие половых гормонов проявляется уже на ранних стадиях эмбрионального развития, определяя дифференцировку организма в направлении того или иного пола, полового аппарата и строения ряда систем. Особенно резко влияние гормонов сказывается во время полового созревания.

Как известно, у новорожденных пол определяют по строению наружных половых органов. В процессе полового созревания степень полового диморфизма значительно возрастает: появляются вторичные половые признаки - лобковое, подмышечное, лицевое оволосение, мутации голоса, увеличение размеров молочных желез, формирование специфических пропорций тела, свойственных зрелым мужским и женским организмам. У животных возникают различного рода выросты типа петушиного гребня, шпор и пр. С момента полового созревания до угасания репродуктивной функций половые гормоны определяют цикличность изменений в организме самок и отчасти самцов. Особенно сложные изменения возникают во время беременности, развития плода, родов и также поведенческих реакций, связанных с выращиванием потомства.

Уровнем половых гормонов в крови и их утилизацией в тканях определяется и функциональная активность гипоталамических центров. Эта регуляция осуществляется по принципу отрицательных и положительных обратных связей. В гипоталамусе информация обрабатывается и поступает в его половые центры. Посредством нейрогормонов (рилизинг-гормонов) гипоталамус прицельно регулирует секрецию тропных гормонов гипофиза и через нее секрецию эндокринных желез (см. разд. 6.2). Тем самым в организме обеспечивается оптимальный для возрастного периода и жизненных условии уровень гормонов. Половые центры гипоталамуса состоят из тонической и циклической частей

(центров). У женских индивидуумов под контролем центров находятся фолликулостимулирующий и лютеинизирующий гормоны гипофиза, оказывающие регулирующее влияние на половые железы. Тонический центр поддерживает постоянную базальную секрецию обоих гормонов и посредством рилизинг-гормонов контролирует синтез и высвобождение гонадотропинов в количестве, необходимом для развития фолликулов в яичниках между овуляциями. Циклический центр включается в контроль половых желез импульсно только для осуществления

овуляции. Он обеспечивает овуляторный выброс лютеинизирующего гормона из гипофиза, в результате чего происходит разрыв созревших фолликулов.

Тонический центр локализован в медиальном отделе гипоталамуса, циклический - в предоптической области. Обладая определенной функциональной автономностью, гипоталамические половые центры вместе с тем находятся под контролем миндалевидного тела и гиппокампа, нейроны которых осуществляют рецепцию уровня стероидных гормонов.

Гипоталамические центры являются не только главным звеном системы регулирующей выработку гормонов, они играют и ведущую роль в формировании полового поведения. Например, при введении в предоптическую область кастрированных самцов животных тестостерона - мужского полового гормона. обладающего наибольшей андрогенной активностью, у них происходит восстановление всего комплекса поведенческих реакций, связанных с копуляцией. Тестостерону свойственно много функций: осуществление обратной связи с гипоталамусом и передней долей гипофиза, обеспечение сперматогенеза, регуляция сексуального поведения, формирование вторичных половых признаков. Семенники продуцируют также относящийся к классу гликопротеинов гормон ингибин, с помощью которого регулируется высвобождение в передней доле гипофиза фолликулостимулирующего гормона.

У самок разрушение предоптических и передних гипоталамических ядер резко угнетает половую активность и сопровождается полной утратой способности к спариванию. Напротив, раздражение латерального гипоталамического поля сильно стимулирует половое поведение у самцов. Раздражение задних отделов вентромедиального гипоталамического ядра, связанного с передней гипоталамической областью, резко повышает половое влечение и вызывает преждевременную овуляцию.

Уровнем половых гормонов регулируется секреция гонадотропин-рилизинг-гормона (ГнРГ). Нейроны, в которых образуется ГнРГ, распределены в нескольких зонах гипоталамуса. Поступающая из внешней и внутренней среды организма информация передается в гипоталамус, где синтезируется гуморальный мессенджер ГнРГ, являющийся по структуре декапептидом. Нейроны продуцирующие ГнРГ, развиваются из обонятельной пластинки и в процессе эмбриогенеза мигрируют и рассеиваются в предоптической зоне, перегородке диагональной полоске (Брока), но наибольшая их концентрация определяется в медиобазальной зоне гипоталамуса, в области воронки и дугообразного ядра.

Эндокринная функция половых желез выражена не одинаково у животных разных типов. У беспозвоночных она развита, по-видимому, слабо, хотя появление у кольчатых червей и ракообразных вторичных половых признаков коррелирует с выработкой половой железой биологически активных веществ

У рыб, амфибий и рептилий эндокринная функция половых желез а также связанные с ней вторичные половые признаки и инстинкты получают отчетливое выражение. Кастрация вызывает у них недоразвитие или обратное развитие вторичных половых признаков и исчезновение связанных с размножением инстинктивных реакций. Особенно яркое выражение такой зависимости проявляется у птиц. Так, ранняя кастрация петухов и кур приводит к развитию организма по бесполому типу, в результате самцы и самки внешне становятся почти нeoтличимы. У петуха исчезает типичная постановка корпуса, атрофируется гребень, пропадают половые инстинкты. У курицы оперение становится петушиным, отрастают шпоры, гребень приобретает вид гребня кастрированного петуха.

Значительное усложнение эндокринной функции, особенно регулирующей половую деятельность самки, является характерным признаком млекопитающих. Как известно, рыбы, амфибии, рептилии, птицы являются яйцекладущими У млекопитающих возникла новая биологическая особенность - развитие зародыша внутри материнского организма и живорождение. Все эти процессы обеспечиваются новыми механизмами, связанными в первую очередь с эндокринными железами. Среди них определенное значение принадлежит периодически возникающему в яичниках млекопитающих желтому телу и гормонам плаценты (см. разд. 6.3.3). У амфибий, рептилий, птиц настоящих желтых тел

еще нет.

В процессе эволюционного развития у позвоночных животных половые железы, или гонады, развиваются у края первичной почки. Половые клетки выходят через протоки, образующиеся из каналов выделительной системы - мезонефрального и парамезонефрального. У мужских особей высших позвоночных из мезонефрального протока развиваются пути выведения семени - проток придатка, семявыносящий и семявыбрасывающий протоки. У особей женского пола мезонефральный проток редуцируется, а из парамезонефрального образуются маточные трубы, матка, влагалище.

У млекопитающих половые железы - яичники у женских особей, семенники у мужских - органы овальной или бобовидной формы. Яичники располагаются в полости таза, семенники у большинства млекопитающих перемещаются в особое образование брюшной полости- мошонку. Мочеполовая пазуха высших млекопитающих животных открывается самостоятельно наружу и образует у особей женского пола преддверие влагалища, мужского пола - мочеполовой канал.

Характерной особенностью млекопитающих является срастание дистальных концов яйцеводов и образование у плацентарных животных непарного влагалища, а у большинства также и матки. У некоторых насекомоядных, грызунов и слонов матка "двойная", хищных - "двураздельная", у большинства млекопитающих - "двурогая". Окончательное срастание дистальных концов яйцеводов и образование матки с одной полостью, открывающейся во влагалище, произошло у ряда рукокрылых, обезьян и человека. Парность у них сохранили только начальные отделы яйцеводов - маточные трубы.

У млекопитающих происходит образование добавочных желез. Крупные пузырчатые железы - семенные пузырьки - располагаются в конце семявыносящего канала; предстательная железа, бульбоуретральные железы - в стенках мочеполового канала самцов. Большие железы преддверия влагалища (бартолиновы железы) формируются у особей женского пола.

14.2. МУЖСКИЕ ПОЛОВЫЕ ОРГАНЫ

У мужчин половой железой является яичко (тестис) и придаток яичка. Этот парный орган расположен в мошонке. От протока придатка начинается семявыносящий проток. Он проходит в составе семенного канатика через паховый канал, а затем опускается по стенке малого таза. В малом тазу расположены семенные пузырьки. Их выделительные протоки соединяются с семявыносящими протоками и образуют правый и левый семявыбрасывающие протоки. Последние открываются в мочеиспускательный канал, и таким образом здесь мочевой путь соединяется с половым. В месте впадения протоки прободают непарную предстательную железу, охватывающую мочеиспускательный канал. Мочеиспускательный канал далее проходит в губчатом теле полового члена, где в него впадают протоки бульбоуретральных желез, и оканчивается наружным отверстием.

Упрощенная схема строения мужских половых органов

1 - яичко, 2 - придаток яичка, 3 - пещеристая ткань, 4 - головка полового члена, 5 - лобковый симфиз, 6 - мочевой пузырь, 7 - семявыносящий проток, 8 - предстательная железа, 9 - семенной пузырек.

Перед рождением яички опускаются из брюшной полости через паховый канал в мошонку, что имеет исключительно важное значение для создания температурных условий на 2-3 °С ниже температуры ядра тела. Указанная разница в температуре необходима для сперматогенеза. Осуществлению этой разницы способствует два механизма. Во-первых, это венозное сплетение которое служит в качестве противоточного теплообменника между теплой артериальной кровью, поступающей к яичкам, и более холодной, оттекающей от них венозной кровью. Во-вторых, в зависимости от состояния мышцы, поднимающей яичко (сокращенная или расслабленная) регулируется оптимальное расстояние в положении яичка по отношению к туловищу. Если яички находятся продолжительное время при повышенной температуре, например, при нарушении терморегуляции или при лихорадке, то это может привести к временному или постоянному бесплодию в результате нарушения сперматогенеза.

Из позвоночных копулятивный орган имеют животные, для которых характерно внутреннее оплодотворение и живорождение. У живородящей собачьей акулы в копулятивный орган преобразовались внутренние части брюшных плавников, у костистых рыб - анальный плавник. У змей и ящериц копулятивным органом являются выпячивания кожи у края клоаки. У крокодилов и черепах имеется непарное утолщение стенки клоаки, образованное пещеристой тканью. Этот копулятивный орган снабжен желобком для отекания семени. Аналогичный по строению орган существует у большинства видов птиц.

Млекопитающие характеризуются разным строением копулятивного органа. Так, у яйцекладущих половой член находится внутри клоаки, он выдвигается и втягивается специальными мышцами, бороздка на нем превратилась в канал. Половой член у сумчатых располагается вблизи заднего прохода, окружен общим с ним сфинктером, направлен назад. Конец его раздвоен что соответствует двойному влагалищу самки. У других млекопитающих половой член направлен вперед. У сумчатых, ластоногих, китообразных, рукокрылых, отдельных хищников и грызунов, полуобезьян и некоторых обезьян помимо кавернозных и губчатых тел в передней части органа лежит кость полового члена, а у некоторых животных находятся ароматические железы.

У человека в половом члене различают тело, корень и головку (рис. 14.1). Тело состоит из двух пещеристых тел и губчатого тела, заключающего часть мочеиспускательного канала. Проксимальные концы пещеристых тел - ножки полового члена - закрепляются на лобковых и седалищных костях, дистальные концы заострены и входят под венец головки. Губчатое тело прилежит к нижней поверхности спаренных пещеристых тел. Его задний конец уплощен и носит название луковицы полового члена, а передний переходит в головку полового члена. Головка имеет вид конусообразной изогнутой пластинки. На заостренной верхушке головки открывается наружное отверстие мочеиспускательного канала.

Рис. 14.2 Упрощенная схема строения женской половой системы

1 - маточная труба, 2 - полость матки, 3 - шейка матки, 4 - влагалище, 5 - клитор, 6 - отверстие мочеиспускательного канала, 7 - задний проход, 8 - отверстие влагалища, 9 - малая губа, 10 - большая губа, 11 - наружные половые органы (вульва), 12 - тело матки, 13 - складка брюшины, 14 - правый яичник, 15 - отверстие маточной трубы, 16 - бахромка.

Окружающая головку кожа образует складку, называемую крайней плотью. Ее вентральный листок получил название уздечки крайней плоти. Источниками кровоснабжения полового члена являются ветви внутренней половой (срамной) и уретральной артерий. Все они соединены между собой анастомозами. Соматическая иннервация обеспечивается ветвями полового (срамного) нерва и тыльным нервом полового члена. Симпатическая иннервация происходит в основном из нижнего брыжеечного сплетения, парасимпатическая - из тазового нерва.

14.3. ЖЕНСКИЕ ПОЛОВЫЕ ОРГАНЫ

У женщин половой железой являются яичники (рис. 14.2). Они расположены в полости малого таза у боковых стенок. Средние размеры яичников у женщин зрелого возраста таковы: длина - 3-4 см, ширина - 2-2,5, толщина - 1-1,5 см, масса - 6-8 г. В яичнике различают маточный и трубный концы Трубный конец приподнят кверху и обращен к воронке маточной (фаллопиевой) трубы. Яичник подвижно соединен связками с маткой и стенкой таза.

Яичники низших беспозвоночных представляют лишь временное скопление половых клеток. У более высоко организованных животных они становятся обособленными органами. У низших червей, иглокожих, членистоногих, моллюсков яичники мешкообразные. Яйца в них образуются во внутренней части органа и после созревания по специальным каналам выводятся наружу.

Способность к оплодотворению у женщин, в отличие от мужчин, изменяется циклически, так как образование зрелых яйцеклеток происходит у них нерегулярно. В противоположность мужскому организму, в котором ежедневно образуются миллионы гамет, в женском созревает только одна или несколько

яйцеклеток, и то в определенное время.

У всех позвоночных созревшие яйца через прорыв стенки яичника попадают в общую (вторичную) полость тела и оттуда выводятся через яйцеводы. Фолликулы в яичнике позвоночных содержат одну крупную яйцеклетку, окруженную мелкими фолликулярными клетками, которые служат для питания яйцеклетки и образования яйцевой оболочки. У низших позвоночных образование яйцеклеток происходит в течение всей жизни, у высших - только в эмбриональном периоде или сразу после рождения. Внутри фолликула у млекопитающих образуется полость, наполненная серозной жидкостью. В момент созревания яйцеклетки фолликул лопается и яйцеклетка попадает в полость тела, на месте же фолликула образуется эндокринная

структура - желтое тело.

Как и мужские гонады, яичники выполняют двойную функцию: образование половых клеток (овогенез) и синтез женских половых гормонов (стероидогенез). Основными половыми гормонами у женщин являются эстрадиол, который образуется при развитии фолликула, и прогестерон, синтезируемый в желтом теле. Гормоны различаются по структуре и выполняемым функциям, однако их эффекты могут быть и синергичными, и антагонистичными. В яичниках также образуется полипептидный гормон ингибин- регулирующий секрецию фолликулостимулирующего гормона.

Оплодотворение яйцеклетки обычно происходит в маточной (фаллопиевой) трубе - парном трубчатом органе, осуществляющем функции транспортировки яйцеклетки и сперматозоидов, создания благоприятных условий для оплодотворения, развития яйцеклетки в ранние сроки беременности и продвижения зародыша первых дней развития в матку. Маточная труба одним концом открывается в матку, другим - в полость брюшины вблизи яичников. Брюшное отверстие, диаметр которого 2-3 мм, обычно сомкнуто. Его открытие связано с процессом овуляции. Во время овуляции брюшной конец маточной трубы может плотно соприкасаться с яичником. В маточной трубе выделяют воронку, ампулу и перешеек. Воронка открывается в полость брюшины, ее ворсинки захватывают яйцеклетку во время овуляции и далее способствуют продвижению в ампулу. Ампула именно то место где происходит оплодотворение. Она имеет слабо выраженный мышечный слой и сильно развитый эпителий. Перешеек расположен в области соединения трубы и матки и представляет собой полый просвет, являющийся механическим препятствием для движения клеток.

В маточных трубах осуществляется транспорт половых клеток во встречных направлениях. Сперматозоиды движутся из матки к ампуле, а возникшие после оплодотворения зиготы - в маточную полость. Координация сокращений гладкой мускулатуры и степень движений ресничек требует тонкой координации что достигается посредством специальных гормональных и нервных влияний.

Матка имеет грушевидную форму, обращена узким концом в верхний отдел влагалища. В матке различают дно, тело, шейку и полость. Дном называется верхняя часть матки выше отхождения маточных труб. Тело имеет треугольную форму, его продолжением, составляющим нижнюю часть, является шейка матки. Полость матки рожавшей женщины на фронтальном разрезе имеет треугольную форму. В верхних углах этого треугольника находятся отверстия, открывающиеся в маточные трубы, в нижнем углу - перешеек ведущий в полость канала шейки матки. Шейка матки конической или цилиндрической формы. В нижнем ее конце канал открывается во влагалище.

Влагалище - мышечно-эластическая трубка, расположенная в малом тазу верхним концом она охватывает шейку матки, нижним - заканчивается в области преддверия влагалища. У девственниц дно преддверия и его нижний конец ограничены девственной плевой. Направляясь из полости таза к преддверию, влагалище проходит через мочеполовую диафрагму. Влагалище участвует в процессах совокупления и оплодотворения, в родах составляет часть родового канала. Длина влагалища у зрелой женщины колеблется от 7 до 9 см ширина - 2-3 см, задняя стенка на 1,5-2 см длиннее передней. Влагалище может менять свою форму, диаметр и глубину при сокращении мышц тазового дна, матки и мышечных элементов связочного аппарата.

Функционально влагалище делится на две части: верхнюю и нижнюю верхняя часть расширена, она способна к активному сокращению нижняя сужена и более массивна.

В период полового возбуждения происходит резкое кровенаполнение вен влагалища, удлинение его верхних частей, увеличение транссудации в просвет влагалища. После полового акта слизистая оболочка влагалища способна всасывать плазму спермы и вырабатываемые семенными пузырьками простагландины. Во время родов влагалище сильно растягивается, но спустя неделю после них благодаря эластичности стенок происходит сокращение влагалища, хотя

просвет его остается более широким, чем до родов.

Книзу от мочеполовой диафрагмы, замыкающей выход из малого таза. расположены наружные женские половые органы. Они включают женскую половую область (вульву). К женской половой области относятся лобок, большие и малые половые губы, клитор, преддверие влагалища, его железы, луковица преддверия. Разделение половых органов на наружные и внутренние обьясняется не только особенностями их топографии, но и спецификой эмбрионального развития и функции. Развитие женских половых органов происходит частично за счет кожных покровов нижнего отдела туловища.

Лобок является самым нижним участком брюшной стенки. Он имеет форму треугольника, основание которого направлено книзу. Лобок переходит в большие половые губы. Большие половые губы представляют парные парасагиттально расположенные валики кожи, в толще которой заложена жировая клетчатка с заключенным в ней венозным сплетением и пучками эластических волокон. Малые половые губы располагаются кнутри от больших и параллельно им. В их толще также имеется соединительная ткань и относительно крупное венозное сплетение. Вместе с большими половыми губами они ограничивают с боков половую щель. В переднем углу половой щели между малыми половыми губами находится клитор, в толще которого лежит пещеристое тело. Несколько кзади от клитора, между ним и входом во влагалище, расположено наружное отверстие мочеиспускательного канала, которое открывается в преддверие влагалища. Дно преддверия образовано девственной плевой. Основу девственной плевы составляет соединительная ткань с эластическими, коллагеновыми и мышечными волокнами, создающими ее тургор. В основании и толще больших половых губ помещаются две доли непарного пещеристого образования - луковицы преддверия.

В функциональном отношении женская половая область является по преимуществу органом полового чувства. В клиторе находится большое число механорецепторов. Во время полового возбуждения клитор набухает. Это происходит вследствие усиления притока артериальной крови и ослабления оттока венозной. Параллельно с этим набухает и луковица преддверия, представляющая собой венозное сплетение, напоминающее кавернозное тело. В этот момент из желез преддверия выделяется богатый муцином секрет, увлажняющий вход во влагалище.

14.4. ПОЛОВОЕ СОЗРЕВАНИЕ

Половое созревание представляет процесс формирования репродуктивной функции женского и мужского организмов, которое завершается половой зрелостью - способностью к воспроизводству полноценного потомства.

В половом созревании принято различать три фазы: препубертатную, собственно пубертатную и постпубертатную. Первая охватывает два-три года, предшествующие появлению признаков полового созревания. Вторая протекает от начала лобкового оволосения, увеличения яичек у мальчиков, набухания молочных желез и их легкой болезненности у девочек до первых поллюций у мальчиков и первой менструации у девочек, третья - до появления так называемых юношеских угрей и начала оволосения лица у мальчиков.

С периода полового созревания начинается процесс спермато- и овогенеза. Он продолжается всю жизнь до самой старости. Мужские и женские половые клетки различаются онтогенетически, количественно и морфологически. Сперматозоиды имеют много общих свойств с овоцитами, включая общее происхождение, взаимодействие с окружающими клетками (клетки Сертоли и фолликулярные клетки), частичный контроль со стороны гонадотропных гормонов и зависимость от половых стероидных гормонов. Обе клетки образуются в результате мейоза и имеют гаплоидный набор хромосом. Однако между этими клетками имеются и существенные различия в сроках образования в процессе онтогенеза, количестве образующихся гамет и морфологии.

В сперматогенезе принято рассматривать три стадии - митоз, мейоз и дифференцировка клеток (спермиогенез). У мужчин процесс сперматогенеза продолжается 65-70 дней. Происходит он на протяжении всех семенных канальцев. Новый цикл начинается через одинаковые временные интервалы поэтому вдоль каждого канальца можно увидеть клетки на разных стадиях развития. Именно таким образом поддерживается продолжительная непрерывная продукция сперматозоидов. Каждые сутки их образуется около 2 х 108 Сперматогонии в мужском организме продолжают делиться с начала полового созревания до старости. У женщин в течение жизни образуется лишь несколько сотен зрелых яйцеклеток, и процесс этот прекращается в период менопаузы.

Сперматозоиды - клетки небольшого размера, диаметр их составляет 1-2 мкм. Форма их хорошо приспособлена для перемещения и взаимодействия с яйцеклеткой. В результате мейоза из каждого сперматогония образуется четыре одинаковых сперматозоида. В головке сперматозоида находится ядро, содержащее гаплоидное число хромосом. Оно прикрыто акросомой, представляющей собой особую ограниченную мебраной структуру, содержащую гидролитические ферменты. Ферменты способствуют проникновению сперматозоида в яйцеклетку непосредственно перед оплодотворением. Функционально ее иногда рассматривают как увеличенную лизосому.

Яйцеклетка имеет размер около 100 мкм в диаметре. Она является самой крупной клеткой организма и внешне не проявляет признаков специализации. Каждый овогоний дает начало только одной яйцеклетке.

В период полового созревания происходит формирование вторичных половых признаков и фенотипа. Непосредственное участие в этом принимают андрогены. Они определяют распределение волос, особенности кожи, рост костей развитие мышц. Андрогены у мужчин стимулируют рост волос на лице, груди и в подмышечных впадинах. Однако в сочетании с генетическим фактором обеспечивается формирование залысин в височных областях. Рост волос в подмышечных впадинах и на лобке у женщин также определяется андрогенами. Увеличение продукции андрогенов у женщин приводит к гирсутизму - избыточному росту волос по мужскому типу.

Возрастание чувствительности клеток-мишеней к андрогенам приводит к развитию юношеских угрей у лиц мужского и женского пола. Рост гортани и утолщение голосовых связок также зависит от андрогенов, поэтому евнухи имеют высокий голос, как у мальчиков до начала полового созревания. Под влиянием андрогенов происходит закрытие эпифизов костей, что предотвращает дальнейший рост индивида. Поэтому преждевременное половое созревание, как правило, сочетается с низким ростом, в то время как у людей с задержкой полового развития и у евнухов рост обычно высокий.

Заключительным этапом полового созревания организма, характеризующимся общим физическим развитием и таким же морфофункциональным состоянием половых органов, которые позволяют без ущерба для здоровья осуществлять половые функции, является половая зрелость. Срок ее достижения индивидуален. У лиц женского пола он наступает в возрасте 16-18 лет муже кого пола - 18-20 лет.

14.5. ПОЛОВОЕ ВЛЕЧЕНИЕ

Через восходящие активирующие влияния гипоталамических центров половые гормоны направленно воздействуют на различные структуры головного мозга (включая кору больших полушарий), ответственные за половое поведение. Половые гормоны тем самым организуют и половое влечение (либидо) - одну из основных биологических мотиваций, от удовлетворения которой зависит существование индивида и рода.

В половом влечении различают нейрогуморальный компонент и половую доминанту. Первый связан с функционированием врожденных комплексов рефлексов, вторая представляет собой системный феномен. Она включает прочные связи на основе запечатлевания, условнорефлекторные связи и психоэмоциональный настрой (см. разд. 3.19.1, 3.26.3). В зависимости от возрастного периода половое влечение усложняется и может проявляться в различных формах: понятийной, платонической, эротической, собственно сексуальной, в форме зрелой сексуальности.

Понятийная форма включает элементарное представление о половых различиях, например у детей младшего возраста, дифференцирующих пол по таким условным внешним признакам, как одежда. Платоническая форма указывает на возникновение высших психологических установок, свободных от интереса к генитальной сфере. Она проявляется в романтических фантазиях. Эротическая форма характеризуется стремлением к интимному общению. Едва намеченная у большинства юношей, у девушек она нередко завершает половое развитие. Собственно сексуальная форма протекает на фоне специфически окрашенных эмоций с четким проявлением интереса к генитальной сфере.

Половое влечение как доминирующая мотивация вызывает в организме значительные сдвиги. Например, возрастает острота обоняния, зрения, слуха, повышается чувствительность рецепторов кожи и особенно определенных частей тела - эрогенных зон, раздражение которых вызывает половое возбуждение. Такими эрогенными зонами у мужчин являются наружные половые органы. У женщин эрогенной зоной может быть любая часть тела, но чаще это генитальная область.

Степень выраженности полового влечения зависит от индивидуальных особенностей организма, личности человека и условий воспитания, стимулирующих или подавляющих развитие влечения.

14.6. ПОЛОВОЙ АКТ

Как известно, внутреннее оплодотворение составляет важную часть репродуктивного цикла у высших животных. У многих из них, в том числе и человека, оно облегчается благодаря существованию совокупительного органа - мужского полового члена, который вводится во влагалище и вносит гаметы как можно глубже в половые пути самки.

Половой акт (коитус, половое сношение, совокупление, соитие) - физический процесс, начинающийся с момента введения во влагалище полового члена и заканчивающийся эякуляцией и оргазмом. Половому акту предшествует нейрогуморальная готовность к нему организма. Эта готовность складывается во время полового созревания и исчезает с угасанием репродуктивных функций.

У мужчин в половом акте различается несколько стадий. Считают что первая из них начинается с постановки цели полового сближения и выражается в активных действиях, ведущих к интимной близости. Если обстановка благоприятствует, то возникает следующая - эрекционная стадия, во время которой наряду с эрекцией полового члена происходит выделение бульбоуретральными (куперовыми) железами нескольких капель жидкого секрета. Секрет смачивает головку полового члена, что значительно облегчает его последующее введение во влагалище. Пусковую роль для возникновения эрекции у мужчин играет эмоциональное влечение к женщине. Отдельно взятые обонятельные, зрительные, слуховые, тактильные раздражители сами по себе не всегда способны вызвать эрекцию. Однако их суммация, постепенно возрастая, достигает порога возбудимости эрекционного центра, что сопровождается эрекцией.

Третья стадия - фрикционная - начинается с момента введения полового члена во влагалище. Она характеризуется последовательным рядом фрикций - возвратно-поступательных движений полового члена, в результате которых происходит суммация возбуждения, возникающего в эрогенных зонах. Трение, создаваемое ритмическими движениями, производит тактильное раздражение в головке полового члена отростков чувствительных клеток. Это приводит к активации симпатических нейронов, которые вызывают сокращение внутреннего сфинктера мочевого пузыря, гладкой мускулатуры придатков яичка, семявыносящего протока и придаточных желез (семенного пузырька, предстательной железы и бульбоуретральных желез). В результате происходящего будущие компоненты семенной жидкости выталкиваются в проксимальную часть уретры. Здесь все они смешиваются. Возросшее давление в проксимальной части уретры сопровождается возникновением рефлекторной активности двигательных нейронов, иннервирующих мышцы основания полового члена. Ритмические волнообразные сокращения этих мышц продвигают секреты желез ближе к дистальной части уретры.

С достижением порога эякуляции наступает четвертая - эякуляторная - стадия. Во время этой стадии в результате мышечных сокращений семявыносящих путей происходит извержение семени. Процесс семяизвержения возникает на фоне максимального полового возбуждения и сопровождается сладострастным ощущением - оргазмом. Интенсивность оргазма зависит от темперамента и конституции человека.

Во время полового акта смазку обеспечивают главным образом секреты влагалищных желез, частично же в этом процессе участвует и прозрачная жидкость бульбоуретральных желез мужчин. Секреты придаточных мужских желез характеризуются щелочной реакцией. Они содержат фруктозу, витамины, лимонную кислоту, простагландины и широкое разнообразие различных ферментов. Все они вместе со слизью повышают рН среды влагалища до 6-6,5, что является оптимальным для подвижности сперматозоидов после эякуляции.

После эякуляции и оргазма размеры полового члена уменьшаются, наступают периоды абсолютной и относительной рефрактерности. Во время абсолютной рефрактерности мужчина оказывается нечувствительным к эротическим стимулам. Во время относительной рефрактерности эрекция может возникнуть лишь при действии необычайных по силе раздражителей.

Рис. 14.3 Фазы. полового акта мужчины (А) и женщины (Б)

I - возбуждение, II - плато. III - оргазм, IV - спад; 1-5 - индивидуальные проявления половой активности.

У женщин сексуальное реагирование выражается в приливе крови к половым органам, увеличении поперечника малых половых губ, удлинении и расширении влагалища, в выделении секрета железами его стенки. Выраженность этих признаков указывает на степень готовности к половому акту. Суммация возбуждений, возникающих при раздражении эрогенных зон, а также тактильных раздражении, вызываемых фрикциями полового члена во влагалище, приводит к сужению влагалищного канала и образованию так называемой оргастической манжетки (см. разд. 14.8.2). Процесс оргазма нарастает у женщин медленнее, чем у мужчин, и угасание его также продолжительнее. После оргазма уменьшение набухания половых губ и клитора происходит быстро, влагалище приобретает обычные размеры.

В половом акте принято различать ряд фаз - возбуждение, плато, оргазм и спад (рис. 14.3). У мужчин эти фазы по длительности и интенсивности проходят стереотипно, у женщин они более разнообразны. Временные соотношения этих фаз сугубо индивидуальны, однако наиболее продолжительными из них являются фаза возбуждения и спада, короткими - плато и оргазма.

14.7. ПОЛОВАЯ ЖИЗНЬ

Понятие половая жизнь включает сумму соматических, висцеральных, психических, социальных процессов и отношений, в основе которых заложено и посредством которых удовлетворяется половое влечение. У человека инстинктивная безусловнорефлекторная основа не имеет абсолютного определяющего значения, она приобретает качественно новые аспекты и служит не только цели продолжения рода, но предусматривает личностное обьединение между мужчиной и женщиной, духовное общение между ними. В развитом человеческом обществе взаимоотношение полов регулируется системой норм морали. Формой половой жизни является половое сношение между мужчиной и женщиной, которое вместе с их духовным единством входит в понятие полноценная половая жизнь.

Возраст, при котором начинается половая жизнь, определяется половым созреванием. Частота половых сношений зависит от особенностей личности и от ряда внешних, главным образом социальных, факторов. При этом особое значение имеет вступление в брак, после которого половая жизнь, как правило, становится регулярной. При доступности половых сношений, например в браке, в период зрелой сексуальности устанавливается определенная ритмичность половой жизни.

Частота половых актов в норме зависит от степени половой возбудимости, силы полового влечения, выраженности задерживающих влияний и у разных людей проявляется индивидуально - от единичных до нескольких десятков половых сношений в неделю. Продолжительность каждого из актов также вариабельна. У здоровых людей она колеблется в пределах 1,5-5 мин. Продолжительность половых сношений уменьшается с увеличением интервалов между ними. Вместе с тем универсальной нормы половой жизни (ее интенсивности продолжительности) не существует. Она меняется в зависимости от возраста, пола, личностных особенностей и других факторов. Благополучие половой жизни во многом зависит от того, насколько гармонично сочетаются индивидуальные особенности мужчины и женщины, т. е. от наличия психологической и психосексуальной совместимости партнеров.

В первые месяцы брака половая жизнь, как правило, интенсивна. Но у этого периода есть своя особенность: чем моложе мужчина, чем сильнее его половая конституция и чем желаннее для него близость, тем быстрее наступает оргазм, тем короче половой акт. Иногда это становится предметом тревоги мужчины. Как считают сексологи, для тревог причин нет, именно в этот период у молодых женщин преобладают платоническое и эротическое влечения (см. разд. 14.5). Пока не проснется зрелая сексуальность, красивая прелюдия полового акта для них не менее, а чаще более приятна, чем сам акт, а продолжительность его не имеет значения.

Гармония интимной жизни создается не сразу, необходимо время, чтобы научиться чувствовать друг друга, преодолеть психологические барьеры. Основным признаком сексуальной зрелости мужчины является переход от ежедневных повторных половых актов на ритм 1-3 акта в неделю. Устанавливается и их нормальная продолжительность- от 1,5 до 5 мин. Ритм 1-3 акта в неделю наиболее естествен, он носит название условнофизиологического. Установившись в первые месяцы супружества, этот ритм может сохраняться до старости. В возрасте после 60-65 лет иногда достаточно прекращения интимной близости на 1 мес, чтобы половая функция не восстановилась. Вместе с тем сохранение ее крайне желательно, так как способствует повышению общего тонуса, дает ощущение полноты жизни.

14.8. РЕФЛЕКТОРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПОЛОВОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Концепция механизмов половой деятельности опирается на общую теорию функциональных систем П. К. Анохина - учения о конечном полезном результате как организующей силе любой физиологической активности. В основе половой деятельности млекопитающих и человека лежат комплексы рефлекторных актов. Эти сложные реакции осуществляются афферентными процессами соматической и висцеральной природы, соматическими, симпатическими, парасимпатическими и отчасти метасимпатическими эфферентными воздействиями.

14.8.1. Половые рефлексы у мужчин

Половой цикл у мужчин (табл. 14.1) включает несколько последовательных фаз: эрекции полового члена, эмиссии спермы и секретов добавочных половых желез (семенной жидкости) в дистальную часть мочеиспускательного канала, эякуляции этой жидкости из уретры, оргазма.

Эрекция. Эрекция - увеличение полового члена в объеме и приобретение им механической твердости, обеспечивающей возможность полового сношения. В основе эрекции лежит быстрое и длительно сохраняющееся усиление притока артериальной крови в пещеристые тела полового члена и губчатое тело уретры в сочетании с замедлением венозного оттока. Преобладание артериального притока над венозным оттоком возникает в результате существования в просвете артерий полового члена особых замыкательных валиков.

Расширение артерий обеспечивается сосудодвигательными парасимпатическими волокнами нейронов крестцового отдела спинного мозга, проходящими в составе тазового нерва (рис. 14.4). Наступление эрекции определяется функцией супраспинальных (высших корковых и подкорковых) механизмов. Возбуждение парасимпатических нейронов поддерживается афферентной импульсацией с основной эрогенной зоны - головки полового члена. Возбуждение механорецепторов головки возникает при скользящих движениях - фрикциях во время полового акта.

Рис. 14.4 Иннервация половых органов мужчины

1 - яичко, 2 - придаток яичка, 3 - пещеристая ткань, 4 - головка полового члена, 5 - симфиз, 6 - мочевой пузырь, 7 - семявыносящий проток, 8 - предстательная железа, 9 - семенной пузырек, 10 - симпатические нейроны, 11 - грудные и поясничные сегменты спинного мозга, 12 - парасимпатические нейроны, 13 - крестцовые сегменты спинного мозга, 14 - половой нерв, 15 - соматические эфференты, 16 - внутренностный тазовый нерв; широкой стрелкой обозначены нисходящие влияния; спинномозговые интернейроны и функциональные модули метасимпатической нервной системы не показаны.

Таблица 14.1

Половой цикл у мужчин

Эрекция

Эмиссия и эякуляция

Оргазм

Афференты

От головки полового члена и окружающих тканей. к крестцовому отделу спинного мозга (в составе половых нервов)

От наружных и внутренних половых органов к крестцовому (в составе половых и тазовых нервов и пояснично-грудному (из подчревного сплетения) отделам спинного мозга; афферентные волокна от скелетных мышц

Возможен, если сохранен хотя бы один путь поступления чувствительных сигналов (от половых органов к крестцовому и пояснично-грудному отделам; от скелетных мышц к крестцовому отделу)

Вегетативные эфференты

1) Парасимпатические из крестцового отдела (рефлекторные и психогенные влияния); 2) симпатические из пояснично-грудного отдела (психогенные влияния)

Симпатические из пояснично-грудного отдела

Соматические эфференты

-

К луковично-губчатым и седалищно-пещеристым мышцам и мышцам тазового дна

Разрушение крестцового отдела

Психогенная эрекция у 25% больных обеспечивается пояснично-грудными сегментами

Возможны, если наступает эрекция

Возможен

Перерыв спинного мозга в области верхних грудных или шейных

Наблюдается почти всегда (рефлекторная)

Практически никогда не встречается

Невозможен

Рефлексы, приводящие к эрекции, замыкаются на уровне II-IV крестцовых сегментов спинного мозга. При полном поперечном повреждении спинного мозга выше крестцового отдела эрекции у мужчин сохраняется. Она может отчасти сохраняться и при полном разрушении крестцовых сегментов спинного мозга, что определяется функцией преганглионарных симпатических волокон, происходящих из последних грудных и первых поясничных сегментов спинного мозга (рис. 14.4). Тела постганглионарных симпатических нейронов располагаются в нижнем брыжеечном ганглий или в узелках вблизи полового члена (см. разд. 5.1.7).

Во время сексуального возбуждения нервные импульсы воздействуют в конечном счете на парасимпатические центры внутренностного тазового нерва и приводят к тому, что тонически сокращенные в обычных условиях артерии полового члена расширяются и волна крови вливается в сосудистую сеть пещеристых тел, заполняя и растягивая их. По окончании полового акта или в ситуациях, неблагоприятных для половых проявлений, возбуждаются симпатические центры спинного мозга и через нижнее брыжеечное симпатическое сплетение воздействуют на сосудистую сеть полового члена, подавляя эрекцию.

Эмиссия и эякуляция. Эмиссия и эякуляция - это рефлекторные процессы, являющиеся заключительной, кульминационной стадией коитуса. До начала эмиссии секрет яичек в результате перистальтических сокращений их придатков накапливается в семявыносящих протоках. С наступлением эмиссии под влиянием сокращений семявыносящих протоков, обладающих сильной гладкой мускулатурой, секрет яичек проходит в предстательную часть мочеиспускательного канала, где он смешивается с секретами предстательной железы, семенных пузырьков, желез уретры. Образовавшаяся здесь смесь секретов носит название спермы. Сперматозоиды (от греч. sperma - семя, zoon - живое существо и eidos - вид) открыты А. Левенгуком (1677) и свое название семенные животные получили за подвижность.

Эмиссионный рефлекс (см. рис. 14.4) возникает в результате раздражения механорецепторов головки полового члена при трении его. о стенку влагалища во время фрикций. Сенсорные соматические и парасимпатические волокна в составе полового и тазового нервов достигают крестцовых сегментов спинного мозга, симпатические - грудопоясничных. С возрастанием возбуждения во время коитуса происходит активация эфферентных симпатических путей рефлекса, что сопровождается сокращением внутреннего сфинктера мочевого пузыря. Закрытие сфинктера препятствует попаданию спермы в мочевой пузырь.

Вслед за эмиссией начинается выбрасывание семени - эякуляция. Толчком к эякуляции служит скопление спермы, которое раздражает чувствительные окончания симпатической и парасимпатической природы заднего отдела уретры. В этом рефлексе участвуют также сенсорные пути от придатков яичек, семявыносящих протоков, семенных пузырьков. Эфферентный путь рефлекса проходит через крестцовые отделы спинного мозга. Под влиянием эфферентных импульсов происходят тонические и клонические сокращения луковично-губчатых и седалищно-пещеристых мышц, которые окружают проксимальные участки пещеристых и губчатых тел. При этом сокращаются также мышцы тазового дна. В результате массивных ритмических сокращений происходит интенсивное толчкообразное выбрасывание спермы. Момент эякуляции сопровождается ритмическими сокращениями туловищных соматических мышц и толчкообразными движениями таза. В целом все это способствует забрасыванию спермы в проксимальные отделы влагалища и шейку матки. В заключительной части эякуляции возникает оргазм. По времени он совпадает с сильными сокращениями соматической мускулатуры.

Время наступления эякуляции при половом акте зависит от многих факторов - интенсивности половой жизни, темперамента и прочих условий. Количество спермы, выделяющееся при эякуляции, в среднем составляет 2 мл. Оно также зависит от частоты повторных половых сношений, эмоционального состояния и других факторов.

Объем эякулята у хозяйственно полезных животных различен: 50-100 мл у жеребца, 4-5 мл у быка, 200-400 мл у хряка, 1-2 мл у барана.

14.8.2. Половые рефлексы у женщин

Половое возбуждение у женщин сопровождается рядом изменений наружных и внутренних половых органов и прежде всего увеличением размеров наружных половых органов в результате их усиленного кровоснабжения. В основе этих изменений лежат два механизма.

Первый связан с раздражением рецепторов половых губ, преддверия влагалища, а также промежности и лобка. Среди них особое значение принадлежит клитору, в котором имеется огромное число механорецепторных приборов (рис. 14.5). Эти рецепторы возбуждаются в результате прямого раздражения при надавливании, например корнем полового члена на клитор и другие наружные половые органы. Возбуждение в этом случае по волокнам полового нерва достигает крестцовых сегментов спинного мозга. В рефлекторных реакциях участвуют также и висцеральные афферентные волокна, идущие в составе симпатических стволов. Возбуждение значительно усиливается при набухании половых органов.

Второй механизм - сугубо психогенного происхождения. Он связан с функцией головного мозга.

Усиленный приток крови к половым губам, клитору, преддверию влагалища возникает в результате возбуждения вазоактивных симпатических волокон, а также сосудорасширяющих парасимпатических эфферентных нейронов крестцовых сегментов спинного мозга. Эрекция клитора, как и полового члена, связана с наполнением кровью его пещеристой ткани.

Рис. 14.5 Иннервация половых органов женщины

1 - большая половая губа, 2 - оргастическая манжетка, 3 - клитор, 4 - малая половая губа, 5 - лобковый симфиз, в - мочевой пузырь, 7 - маточная труба, 8 - яичник, 9 - матка,

10 - семяпринимающая полость, 11 - влагалище, 12 - симпатические нейроны; 13 - грудные и поясничные сегменты спинного мозга, 14 - крестцовые сегменты спинного мозга, I5 - парасимпатические нейроны, 16 - двигательные нервные волокна к мышцам тазового дна, 17 - прямая кишка; широкой стрелкой обозначены нисходящие влияния; спинномозговые интернейроны и функциональные модули метасимпатической нервной системы не показаны.

Спустя примерно полминуты после сенсорного или психогенного полового возбуждения через плоский эпителий влагалища начинается выхождение в его полость слизистой жидкости. Эта жидкость предназначена для облегчения введения полового члена во влагалище, а также способствует адекватному раздражению рецепторов полового члена во время его движения при половом акте. Выхождение жидкости возникает в результате переполнения стенки влагалища венозной кровью и опосредовано рефлекторными процессами с участием крестцовых парасимпатических и грудопоясничных симпатических механизмов.

По мере нарастания полового возбуждения изменяются и размеры матки. Она увеличивается примерно на 50%. Меняется и ее положение в полости таза: матка постепенно поднимается и отклоняется от задней стенки влагалища. В результате такого движения во внутренней части влагалища вблизи шейки матки возникает полость для приема семени - семяпринимающая полость. Увеличение размеров матки, ее движения и приподнятие связаны с усиленным кровенаполнением не только самой матки, но и области таза. В приподнятии матки определенное значение имеет сокращение гладкомышечных элементов ее связочного аппарата.

При сильном рефлекторном или психогенном половом возбуждении большие половые губы истончаются и, наполняясь венозной кровью, расходятся в стороны, обнажая малые половые губы. В это же время из-за интенсивного притока крови величина малых половых губ возрастает в 2-3 раза, так что они выпячиваются за пределы больших половых губ, значительно удлиняя тем самым канал влагалища. По мере возрастания возбуждения аналогичные изменения возникают и в клиторе. Набухая, он увеличивается. Эта ретракция клитора сопровождается и его подтягиванием вперед к лобковому симфизу.

С возрастанием возбуждения во время полового акта в нижней трети влагалища появляется оргастическая манжетка (оргастическая платформа) (рис. 14.5). Она возникает из-за местного застоя крови и представляет собой сужение стенки влагалища по всему его периметру. В момент оргазма и в зависимости от его интенсивности может возникнуть несколько таких сокращений манжетки.

Оргазм. Оргазм представляет собой ощущение полового наслаждения в момент завершения полового акта, охватывающее в целом весь организм. Биологическое значение оргазма состоит прежде всего в том, что он является побудительным фактором к совершению нормального полового акта с целью зачатия новой жизни и продления вида.

Оргазм возникает в результате суммации возбуждений эрогенных зон (головка полового члена, клитор, вульва, влагалище), наступающих во время фрикций. Ощущение, достигая кульминации, завершается у мужчин эякуляцией, а у женщин - выталкиванием слизистой пробки, плотно закрывающей маточный зев, сокращением оргастической манжетки и матки. В зависимости от интенсивности оргазма может происходить до 15 сокращений оргастической манжетки. Они представляют собой аналог эмиссии и эякуляции у мужчин. Регулярные сокращения матки начинаются от ее дна и охватывают все тело. В основе возникновения сокращений оргастической манжетки и матки лежат симпатические рефлекторные механизмы.

Наряду с реакциями половых органов, возникающими под влиянием автономной нервной системы, во время оргазма возбуждение охватывает висцеральные органы и особенно интенсивно центральную нервную систему. В этот момент частота сердечных сокращений может достигать 180 ударов/мин, диастолическое давление повыситься на 20-40 мм рт. ст., систолическое - на 30-100 мм рт. ст., частота дыхания - до 40 вдохов в минуту, возникают сокращения наружного сфинктера заднего прохода.

В момент оргазма произвольный контроль за соматической мускулатурой в значительной мере исчезает, возникают непроизвольные, почти судорожные сокращения брюшных, межреберных и лицевых мышц. Общие реакции висцеральных органов и особенно интенсивное возбуждение ЦНС приводят в совокупности к усилению половых ощущений. Особенно оно проявляется у женщин, часто сопровождаясь подавлением других видов чувствительности.

У мужчин и женщин время наступления и формы проявления оргазма разнообразны и индивидуальны. Это зависит от физического и нервно-психического состояния, интенсивности полового влечения и темперамента, образа жизни, возраста, ситуации и других факторов. У мужчин половой акт обычно завершается оргазмом.

В отличие от мужчин женщины во время полового акта могут многократно испытывать оргазм. Если оргазм не наступает, то стадия спада длится у женщин дольше. Отсутствие оргазма у женщин не препятствует зачатию. После оргазма наступает спад половой возбудимости, восстановление которой происходит в разные сроки в зависимости от индивидуальных особенностей личности.

14.9. ПОЛОВОЙ ЦИКЛ

С наступлением половой зрелости в половых органах женского организма человека и животных возникают периодические изменения получившие название циклов. Их регуляция осуществляется эндокринной системой (см. разд. 6.3.3). Во время каждого цикла происходит созревание одного или нескольких фолликулов и овуляция - выход из фолликула зрелой, способной к оплодотворению яйцеклетки. Параллельно с созреванием фолликула во время цикла возникают изменения в слизистой оболочке половых органов. Достигая определенного максимального уровня, эти изменения вновь подвергаются обратному развитию. У разных видов животных частота, длительность цикла, морфологические проявления сильно различаются, хотя лежащие в их основе физиологические механизмы являются принципиально одинаковыми.

По частоте возникновения циклов млекопитающие разделяются на моноэстральных (от новолат. oestrus, estrus - течка) и полиэстральных. К первым относится большинство диких животных, у которых обычно в течение года возникают 1-2 цикла. Вторую группу составляют многие хозяйственно-полезные животные, большинство грызунов и человек. У них в течение года циклы повторяются многократно.

Тип половой периодичности во многом зависит от биологических условий размножения. Он может меняться под влиянием ряда факторов внешней среды, таких как климат, обилие корма и т. д. Например, дикие моноэстральные животные в неволе могут становиться полиэстральными. При всем разнообразии половой цикл самок большинства млекопитающих состоит в общем из нескольких фаз или периодов: предовуляционный, овуляционный, послеовуляционный, покоя.

В предовуляционном, или проэстральном, периоде происходит увеличение фолликулов, одновременно разрастается эпителий матки. Во влагалищном секрете появляются ядерные эпителиальные клетки. У многих моноэстральных животных этот период является периодом подготовки полового аппарата к половому акту. Предовуляционные изменения возникают под действием гонадотропного гормона гипофиза на внутрисекреторную функцию яичников, в результате чего усиливается выработка эстрогенов (см. разд. 6.2.3).

В овуляционном, или астральном, периоде происходит разрыв фолликула и выход из него зрелой, способной к оплодотворению яйцеклетки - ооцита. Биологическая надежность воспроизведения вида у приматов и человека обеспечивается огромным количеством ооцитов, достигающим в препубертатном возрасте 300 тыс. Однако в каждом астральном периоде из 10-15 одновременно растущих фолликулов овулирует лишь один.

Во время овуляции возникает усиление притока крови к маточным трубам, напряжение их гладкомышечных волокон, сокращение мерцательного эпителия. Это сопровождается расширением воронки и сумки яйцевода, схватыванием ими яичника, что обычно способствует у человека попаданию яйцеклетки и фолликулярной жидкости в яйцевод. Последующие попеременные сокращения мышечных волокон яйцевода продвигают яйцеклетку в сторону матки. Время прохождения яйцеклетки по трубе до матки составляет у женщин около 3 сут. По мере приближения момента овуляции и особенно в период овуляции происходит перестройка функций половых органов и организма в целом. Эти изменения возникают под влиянием эстрогенов, образующихся в фолликулах. При значительном количестве эстрогенов у животных возникает течка и половая охота.

Течка (эструс) представляет собой комплекс сложных структурных и функциональных изменений, происходящих в репродуктивных органах самки. Во время течки возникает попеременное сокращение и расслабление мышц матки, ослабляется мышечное напряжение шейки матки, что делает ее канал проходимым. Под действием эстрогенов расширяются кровеносные сосуды слизистых оболочек половых путей, они приобретают малиновую окраску и становятся отечными. В мазке, взятом со стенок влагалища, обнаруживается огромное количество эпителиальных клеток с хорошо сохранившимися ядрами. У грызунов происходит сильное ороговение поверхностного эпителия, который затем слущивается. Поэтому течку у них можно установить по мазкам слизистой оболочки влагалища. Усиленная функция секреторных клеток приводит к образованию больших количеств слизи, вытекающей наружу. У приматов и человека кровотечение во время овуляции отсутствует, менструальные же кровотечения связаны не с овуляцией, а с отторжением части эндотелия приблизительно через две недели после овуляции (см. ниже).

Во время течки у самки наступает половая охота. Она занимает только часть того времени, в течение которого длится течка, и характеризуется готовностью самки к половому акту. Самка в охоте становится беспокойной и стремится приблизиться к самцу. При встрече с ним проявляет готовность к совокуплению, принимает соответствующую позу и др.

Выделившаяся из фолликулов яйцеклетка может быть оплодотворена. Оплодотворение возникает лишь в том случае, если спаривание произойдет непосредственно перед овуляцией или сразу же после нее. Поэтому самки млекопитающих, кроме приматов и человека, склонны спариваться лишь в определенные периоды продолжительностью в несколько дней. Эти периоды совпадают с циклическим повышением уровня половых гормонов в крови (см. разд. 6.3.3). Сам процесс спаривания длится у собаки до 45 мин, у свиньи - 5-8, у лошади - 1,5-2 мин, у жвачных - несколько секунд. У млекопитающих овулировавшие яйцеклетки сохраняют в маточной трубе способность к оплодотворению относительно непродолжительное время: у кролика - 6-8 ч, мыши - 15, морской свинки - 20 ч.

Если при спаривании почему-либо не произошло оплодотворения, то возникает следующая стадия - послеовуляционный период. Он наступает, когда на месте лопнувшего фолликула вслед за овуляцией образуется желтое тело, которое развивается из стенок опорожненного фолликула. Фолликулярные клетки делятся и превращаются в лютеоциты (лютеиновые клетки).

Желтое тело является временной железой, продуцирующей гормон прогестерон. Через несколько суток оно начинает рассасываться и полость бывшего фолликула заполняется соединительной тканью. При этом уменьшается, а затем прекращается выработка прогестерона. В яичниках начинают развиваться новые фолликулы, и снова возрастает секреция эстрогенных гормонов. Неоплодотворенная яйцеклетка остается в матке в течение нескольких дней и затем погибает. С исчезновением желтого тела слизистая оболочка матки подвергается обратному развитию. У человека и высших обезьян ее целостность нарушается, в результате чего наступает кровотечение - менструация (от лат. menstrus - ежемесячный).

Появление менструального кровотечения определяется рядом факторов. После прекращения функции желтого тела резко уменьшается содержание эстрогенов и прогестерона, что отражается на изменении кровообращения в сосудах слизистой оболочки матки.

Застой крови в сосудах и замедление кровотока приводит к повышению давления внутри сосудов, стенки их разрываются и начинается кровотечение. Одновременно возникают тонические сокращения маточной мускулатуры, приводящие к отторжению слизистой оболочки. Отторгнувшиеся части вместе с кровью выводятся наружу.

Вслед за послеовуляционным периодом наступает период межовуляционного покоя (диэструс). В это время фолликулы относительно малы, слизистая оболочка матки бледная, эпителий мало развит, секрет влагалища содержит лейкоциты. Период покоя переходит в предовуляционный период следующего цикла.

Длительность полового цикла у одного и того же животного варьирует значительно меньше, чем у разных животных одного и того же вида. Например, у коровы она составляет 19-21 сут, кобылы - 20-22, буйволицы - 21-30, овцы - 10-14, свиньи - 20-21, козы - 17 сут, собаки - 3-6 мес. Каждый период полового цикла характеризуется изменениями не только в половых органах самок, но и в организме в целом.

У женщин половой цикл принято называть менструальным циклом. Условно его определяют от первого дня наступившей менструации до первого дня следующей менструации. Длительность менструального цикла у женщин детородного возраста (18-45 лет) колеблется в пределах от 21 до 35 сут. Нормальным считается менструальный цикл, продолжающийся 28 сут, так как при этом наблюдается особенно строгая периодичность циклических изменений (рис. 14.6). Начинается менструальный цикл в периоде полового созревания (11-16 лет) и продолжается до 45-50 лет. Первая менструация появляется у девочек, живущих в Европейской части России, в среднем в 12 лет и 9 мес. Средняя продолжительность менструаций 2-3 сут.

В менструальном цикле принято рассматривать четыре стадии (рис. 14.7) - менструация, фолликулярная фаза, овуляция, лютеальная фаза. В событиях, происходящих во время менструального цикла, участвуют яичники (овариальный, или яичниковый, цикл) и матка (маточный цикл). Оба они регулируются гормонами яичников, секреция которых в свою очередь находится под контролем гипофизарных гонадотропинов.

Овариальный цикл у взрослой женщины начинается, как известно, с развития нескольких первичных фолликулов (рис. 14.8). Они содержат ооциты первого порядка. Из них лишь один продолжает расти и превращается в зрелый

Рис. 14.6 Схема 28-дневного менструального цикла

I - циклические изменения в последовательность секреции гормонов гипофиза; незаштрихованное изображение гипофиза соответствует превосходящей по сравнению с другими гормонами секреции ФСГ, косая штриховка - секреции ЛГ, прямая штриховка - секреции ЛТГ; II - циклические изменения в яичнике: 1,2 - фаза созревания фолликула, 3, 4 - овуляция, фаза желтого тела и начало созревания нового фолликула; III - циклические изменения выделения гормонов созревающим фолликулом и желтым телом;

1У - двухфазная кривая базальной температуры: в фазу созревания фолликула она не превышает 37 °С, с момента овуляции и в фазу желтого тела базальная температура выше 37 оС; V - циклические изменения в эндометрии, соответственно, фазам менструального цикла: 1 - железы (изменение их размера и секреции), 2 - вены, 3 - артерии (увеличение их длины и извилистости); стрелками показано взаимодействие гормонов гипофиза и яичника.

Рис. 14.7 Главные фазы менструального цикла (цифры в скобках - дни, на которые приходится данная фаза)

Рис. 14.8 Схема яичника женщины (в разрезе)

Показаны и обозначены цифрами последовательные стадии развития граафова пузырька, овуляции, образования желтого тела и его инволюции. Наблюдать все эти стадии одновременно в действительности нельзя.

везикулярный яичниковый фолликул, часто называемый граафовым пузырьком. Граафов пузырек достигает примерно 1 см в диаметре и выступает над поверхностью яичника в виде бугорка. В момент овуляции ооцит отделяется от стенки лопнувшего фолликула, выходит в брюшную полость и попадает в маточную трубу. Как правило, каждый месяц освобождается только один ооцит одним из яичников, так что овуляция происходит поочередно то в одном, то в другом яичнике.

Рис. 14.9 Регуляторная система гипоталамус-гипофиз-яичники ФСГ - фолликулостимулирующий гормон, ЛГ - лютеинизирующий гормон, ПЛ - пролактин, ПС - пролактостатин, ГЛ - гонадолиберин.

Маточный цикл также делится на фазы - менструальную, пролиферативную и секреторную. Фазы связаны со структурными и функциональными изменениями эндометрия. В менструальной фазе происходит отторжение эпителиального слоя эндометрия и выведение его остатков вместе с кровью. Пролиферативная фаза совпадает с фолликулярной фазой овариального цикла и состоит в быстрой пролиферации клеток эндометрия, приводящих к его утолщению. Во время секреторной фазы выделяемый желтым телом прогестерон стимулирует секрецию слизи трубчатыми железами. Слизь подготавливает выстилку матки для возможного принятия оплодотворенного яйца.

Гормональная регуляция овариального и маточного циклов осуществляется системой гипоталамус-гипофиз-яичники (рис. 14.9). Общая схема этой регуляции сейчас представляется следующим образом. Декапептид гонад гонадолиберин, высвобождаемый гипоталамическими нейронами, стимулирует секрецию гонадотропинов - фоликулостимулирующего гормона (ФСГ) и лютеинизирующего гормона (ЛГ). ФСГ индуцирует созревание фолликулов. Как уже указывалось, у женщин одновременно созревает только один из них (крайне редко - два). Созревающий фолликул образует все возрастающие количества эстрадиола, вызывающего пролиферацию эндометрия. Достигнув достаточно высокой концентрации, эстрадиол по механизму положительной обратной связи усиливает в середине менструального цикла выброс гонадолиберина и повышает чувствительность к нему гипофизарных клеток, секретирующих ФСГ и ЛГ. В результате возникает пик выброса этих гормонов в середине цикла. ЛГ вызывает овуляцию и лютеинизацию гранулезных клеток фолликула. Последние под его влиянием начинают секретировать прогестерон. Стероиды, эстрадиол и прогестерон действуют на гипоталамус и гипофиз по механизму отрицательной обратной связи, подавляя во второй половине цикла секрецию ФСГ и ЛГ. Оба гормона действуют также на высшие отделы ЦНС, поэтому у животных половое влечение (либидо) в значительной мере зависит от стадии цикла.

В семенниках и добавочных половых железах самцов не наблюдается периодических изменений, подобных тем, что происходят в половых органах самок. Периодические изменения в семенниках, сезонная активация сперматогенеза имеются только у животных со строго сезонным размножением (например, лисица, соболь и др.). Так, начиная с конца марта у самцов лисиц происходит резкая дегенерация семенников и через некоторое время они по своему строению напоминают половые железы неполовозрелых щенков. Восстановление половых желез происходит у них в декабре, а в конце января-февраля у лисиц начинается спаривание.

14.10. ОПЛОДОТВОРЕНИЕ

Оплодотворением называют слияние сперматозоида с яйцеклеткой, приводящее к образованию зиготы, способной расти, развиваться и давать начало новому организму. Во время оплодотворения ядерный материал мужской и женской половых клеток объединяется, что приводит к объединению отцовских и материнских генов, восстановлению диплоидного набора хромосом.

Для многих беспозвоночных животных и большинства рыб, обитающих и размножающихся в воде, присуще наружное осеменение яйца. Сперматозоиды у них выбрасываются в воду, где и наступает оплодотворение. У животных, размножающихся на суше, осеменение внутреннее. При помощи совокупительного органа самец вводит сперму непосредственно в половые пути самки.

Первыми позвоночными, разрешившими проблему оплодотворения и развития на суше, были рептилии. Совершенно очевидно, что на суше нельзя просто выбрасывать гаметы в окружающую среду. Стало быть, первым условием для полного перехода к наземной жизни было введение мужских гамет в тело самки, т. е. внутреннее оплодотворение. И поскольку при этом вероятность слияния гамет резко возрастает, то и число их может быть значительно уменьшено.

Различают два типа внутреннего осеменения: влагалищный и маточный. При первом эякулят попадает во влагалище, оттуда сперматозоиды, активно двигаясь, переходят в шейку матки. При втором типе сперма вводится непосредственно в матку. Влагалищный тип осеменения свойствен жвачным, некоторым грызунам и приматам, маточный - лошади, свинье, собаке и другим животным.

Тип осеменения зависит от устройства матки, ее шейки, от степени развития добавочных половых желез у самцов. У животных с маточным типом осеменения матка очень длинная, а у самцов добавочные железы хорошо развиты и объем эякулята значителен, что является важным биологическим приспособлением, так как при большом объеме жидкости возможно проталкивание сперматозоидов на сравнительно значительные расстояния.

У животных с влагалищным типом осеменения объем эякулята небольшой. Анатомическое строение и физико-химические условия в шейке матки делают ее местом, пригодным для длительного хранения сперматозоидов. В шейку матки они попадают из влагалища.

У человека эякулят вводится во влагалище. Его объем составляет 2-5 мл и содержит в 1 мл от 30 до 100 млн. сперматозоидов. Однако из них через канал шейки матки в ее полость проникает всего несколько миллионов, а верхней части маточной трубы достигает лишь около 100 сперматозоидов. Оставшиеся во влагалище сперматозоиды не могут существовать там долго из-за кислой среды (рН 5,7), хотя некоторая защита в этом случае и обеспечивается щелочными свойствами эякулята. В полости матки условия выживания спермиев также не столь благоприятны, но уже по другой причине. Здесь играет главную роль высокая фагоцитарная активность лейкоцитов. Далее, одним из препятствий в продвижении сперматозоидов к яичнику являются и трудности механического перемещения в маточно-трубной области. Все это в целом имеет и свою положительную сторону, предотвращая попадание в маточные трубы ослабленных или необычных половых клеток. Выжившие сперматозоиды уже через 10-20 мин после полового акта могут достичь ампулы маточной трубы. Такое быстрое продвижение одна лишь подвижность сперматозоидов обеспечить не может. Продвижению способствует целый ряд факторов, к числу которых относятся мышечные сокращения влагалища, сокращения миометрия, цилиарные движения, перистальтические сокращения и ток жидкости в маточных трубах. В отдельных случаях сперматозоиды проходят всю длину маточной трубы и оплодотворяют яйцеклетку непосредственно после овуляции, до ее попадания в воронку яйцевода. В таких случаях прикрепление зародыша может произойти к яичнику или стенке брюшной полости, что приводит к развитию внематочной беременности.

Период, в течение которого сперматозоиды в половых путях самки сохраняют способность к оплодотворению, относительно непродолжителен: у мыши - 6 ч, у морской свинки - 22, у кролика - до 36 ч. У женщин в половых путях сперматозоиды сохраняют способность к оплодотворению на протяжении 2 сут. У животных имеются исключения. Так, у некоторых летучих мышей спаривание происходит осенью, а овуляция яйцеклеток и их оплодотворение осуществляется только весной. Таким образом, сперматозоиды у них сохраняют способность к оплодотворению на протяжении нескольких месяцев.

Существует два типа оплодотворения: моно- и полиспермия. При моноспермии благодаря особым механизмам в яйцеклетку проникает лишь один сперматозоид. Этот вид оплодотворения широко распространен у животных с наружным осеменением, хотя свойствен также и млекопитающим. При полиспермии в яйцеклетку проникает до нескольких десятков сперматозоидов, однако ядро только одного из них соединяется с женским пронуклеусом, остальные посредством специальных механизмов ооплазмы исключаются из развития. Этот тип оплодотворения присущ животным с внутренним осеменением (членистоногие, моллюски, хордовые). Он, по-видимому, является эволюционно вторичным. Слияние гамет и последующее преобразование у животных с разными типами оплодотворения протекает в основном одинаково и по единому плану.

Число овулирующих фолликулов зависит от вида млекопитающего. На этот процесс могут оказывать влияние многие факторы окружающей среды. В обычных условиях у человека, как правило, овуляции достигает лишь один фолликул, хотя посредством гонадотропных гормонов можно вызвать суперовуляцию. Механизмы, с помощью которых из всей массы развивающихся фолликулов выбирается один определенный, изучены мало. Процесс этот происходит в первые несколько дней цикла, сразу после начала менструации. Выбранный фолликул начинает расти и дифференцироваться, опережая остальные и становясь доминантным. Параллельно с развитием доминантного фолликула остальные подвергаются атрезии (обратному развитию).

Рис. 14.10 Строение зрелого спермия человека

Оболочка яйцеклетки насекомых и многих рыб содержит отверстия, через которые сперматозоиды проникают в яйцеклетку. У млекопитающих такие отверстия отсутствуют, и, чтобы достигнуть ооплазмы, сперматозоиды должны пройти через толщу оболочек. Для этого у сперматозоида имеются специальные органеллы - акросомы, располагающиеся на вершине его головки (рис. 14.10). Погрузившись в ооплазму, головка сперматозоида ориентируется в глубь яйцеклетки и претерпевает сложные изменения. При этом его ядро постепенно преобразуется в мужской пронуклеус. Эти преобразования идут одновременно с формированием женского пронуклеуса. Мужской и женский пронуклеусы сближаются в центре яйцеклетки и затем сливаются, образуя единое ядро зиготы. На этом завершается процесс оплодотворения.

Оплодотворение включает следующие процессы: узнавание яйцеклетки сперматозоидом; регуляцию поступления сперматозоида внутрь яйцеклетки, предотвращение полиспермии; окончание второго мейотического деления; образование мужского и женского пронуклеусов, начало клеточного деления.

Для процесса узнавания характерно несколько механизмов, и прежде всего известно, что в качестве рецепторов для сперматозоидов выступают гликопротеиды прозрачной оболочки яйцеклетки. Рецепторы эти высокоспециализированы и видоспецифичны. Это полностью исключает какие-либо межвидовые слияния половых клеток.

Поступление сперматозоида внутрь яйцеклетки начинается с возникновения большого числа контактов между плазматической мембраной и акросомальной мембраной сперматозоида. В результате взаимодействия появляются пузырьки с протеолитическими ферментами. Эти ферменты как раз растворяют матрикс фолликулярных клеток и прозрачную оболочку. В образовавшийся благодаря ферментативному воздействию канал в прозрачной оболочке сперматозоид проникает, используя пропульсивную силу хвоста.

Предотвращение полиспермии также достигается посредством ряда механизмов, главный из которых состоит в том, что тотчас же после пенетрации (проникновения) первого сперматозоида происходит практически мгновенная деполяризация мембраны яйцеклетки, переходящая в стойкий блок (процесс детально изучен у морских ежей). Полный блок возникает в результате активации кортикальных гранул, представляющих собой лизосомные органеллы, содержащие протеолитические ферменты. Содержимое гранул изливается в околоклеточное пространство и проникает в прозрачную оболочку. В результате рецепторы к сперматозоидам инактивируются, сама же прозрачная оболочка становится плотной и недоступной для последующих вмешательств мужских половых клеток.

Произошедшее слияние сперматозоида и яйцеклетки запускает входящий кальциевый ионный ток и освобождение кальция из внутриклеточных депо, осуществляя тем самым активацию оплодотворенной яйцеклетки (зиготы). Через ряд промежуточных механизмов зигота вступает в первое митотическое деление. Для возникновения стадии образования двух клеток бывает необходимо от 24 до 36 ч.

Образовавшаяся после оплодотворения зигота постепенно продвигается по направлению к матке и выходит в нее через несколько суток. В течение 2-3 дней она находится в полости матки во взвешенном состоянии. Питание осуществляется за счет находящейся там жидкости. Прикрепление (имплантация) же зиготы к стенке матки происходит лишь на 6-7-й день после овуляции. В этот период эндометрий стенки матки в результате воздействия эстрогенов и прогестерона оказывается подготовленным к процессу имплантации.

На овуляцию, оплодотворение и имплантацию может направленно влиять ряд средств и способов контрацепции (предохранение от зачатия. Об этом также необходимо здесь кратко заметить, т. к. последнему процессу принадлежит немалое практическое значение.

Методы контрацепции принято делить на две группы - обратимые и необратимые. К обратимым относятся методы, основанные на прерывании контакта между сперматозоидом и яйцеклеткой. Это: 1 - прерывание полового акта (извлечение полового члена до наступления эякуляции), 2 - ритмический, 3 - барьерный. Низкая эффективность первого связана с весьма вероятной потерей контроля мужчиной, а попадания небольшой порции сперматозоидов еще до эякуляции оказывается вполне достаточным для наступления беременности. При ритмическом методе главным условием является воздержание в так называемый "опасный период", который в течение 3-4 дней предшествует овуляции и столько же дней продолжается после нее. Ненадежность этого метода обьясняется тем, что овуляция является индивидуальным процессом каждой женщины и даже при самом тщательном контроле не всегда удается точно определить время ее наступления. Барьерные методы предусматривают применение специальных предметов - цервикальных колпачков, диафрагм, спиралей и презервативов. Первые закрывают вход в канал шейки матки и подбираются гинекологом. Самым распространенным и надежным средством предупреждения беременности являются мужские презервативы, применяемые в сочетании со спермицидными средствами. Считается также, что презервативы защищают от заболеваний, передающихся половым путем - венерических болезней и СПИДа.

К необратимым методам предупреждения беременности относятся вазэктомия (операция иссечения всего семявыводящего протока), предотвращающая у мужчин попадание сперматозоидов в эякулят, и перевязка маточных труб у женщин. Вполне понятно, что оба названных метода готовятся на основании предварительных операций и могут быть использованы лишь в крайних случаях. Ясно также, что после таких операций восстановить функцию семяпроводов и маточных труб практически невозможно.

Есть еще и гормональные способы контрацепции. Действие их основано на предотвращении овуляции в результате подавления секреции гонадотропных гормонов в середине цикла, а также и влиянии их на половые органы. Действующим началом в этом случае являются зстрогены и прогестерон.

14.11. БЕРЕМЕННОСТЬ

Беременностью называется физиологический процесс, при котором из оплодотворенной яйцеклетки в женском организме развивается плод.

В эмбриональном развитии организма млекопитающих выделяют три периода: зародышевый, во время которого образуются бластоциста, трофэктодерма (трофобласт), происходит закладка зародышевых листков и плодных оболочек;

предплодный, являющийся переходным от зародышевого к плодному и характеризующийся закладкой всех органов, и плодный, начинающийся от конца первой трети беременности и завершающийся родами. В этом периоде продолжается рост и развитие всех органов, а также формирование плода в особь, сходную с родительским организмом.

Во время зародышевого периода оплодотворения яйцеклетка, продвигаясь по маточной трубе в сторону тела матки, делится митотическим путем на дочерние малодифференцированные клетки - бластомеры. Таким образом, одноклеточный зародыш - зигота - превращается в многоклеточный зародыш - морулу, состоящую из 8-12 клеток. В моруле различают два слоя клеток: светлые и темные. Светлые клетки, образующие наружный слой, играют роль в питании зародыша и носят название трофэктодермы. Из темных, центральных клеток (внутренней клеточной массы) - эмбриобласта - развивается сам зародыш.

С попаданием зародыша из маточной трубы в полость матки размножение клеток резко ускоряется и зародыш приобретает вид полого пузырька - бластоцисты.

У приматов и человека с помощью протеолитических ферментов зародыш разрушает прилежащий участок слизистой оболочки матки, целиком погружается в ее толщу, где и продолжает развиваться. Бластоциста увеличивается в размере, ее оболочка разрывается, и образуется желточный пузырь. Он содержит белковую жидкость, которая возникает из секрета слизистой оболочки матки. Параллельно с этим начинается образование плодных оболочек - амниона (водной), аллантоиса (мочевой) и хориона (сосудистой).

Амнион образует околоплодный пузырь. Функцией его эпителия является секреция околоплодных вод, определяющих важнейшие условия развития плода, а также выведение продуктов его обмена в околоплодную жидкость. Вторая оболочка - аллантоис - представляет собой пузырь, облегающий амнион. Третья оболочка - хорион - вместе с аллантоисом составляет аллантохорион. У млекопитающих хорион тесно связан со слизистой оболочкой матки, образуя детское место, или плаценту (рис. 14.11).

14.11.1. Плацента

Плацента является временным органом, имеющимся только у плацентарных млекопитающих. Строго говоря, это единственный орган, состоящий из клеток, имеющих происхождение из двух разных организмов - матери и плода.

Во время беременности плацента обеспечивает связь плода с организмом матери. У разных млекопитающих в зависимости от формы и расположения, а также отношения ворсинок хориона к слизистой оболочке матки различают четыре типа плаценты: эпителиохориальную, десмохориальную, эндотелиохориальную и гемохориальную.

Эпителиохориальный тип плаценты устроен наиболее просто. Хорион в ней только прилегает к эпителию слизистой оболочки матки, и его ворсинки располагаются в криптах слизистой оболочки. В этом случае источником питания плода является эмбриотроф - секрет, выделяемый железами матки. Этот тип плаценты характерен для непарнокопытных животных.

При десмохориальном типе плацента состоит из отдельных долек, называемых котиледонами, в которых сгруппированы сильно ветвящиеся ворсинки. Соответственно котиледонам на слизистой оболочке матки развиваются материнские плаценты - карункулы. Они имеют грибовидную форму с множеством углублений на поверхности. В котиледонах ворсинки хориона внедряются в слизистую оболочку матки, разрушая ее эпителий, врастают в соединительнотканный слой. Благодаря этому связь между оболочкой плода и слизистой оболочкой матки становится более прочной. Такой тип плаценты присущ жвачным животным.

Эндотелиохориальный тип плаценты имеет форму муфты или пояса. Ворсинки хориона разрушают эпителий слизистой оболочки матки, строму и мышечные стенки ее сосудов. Эпителий хориона в этом случае непосредственно прилегает к эндотелию сосудов матки. Этот тип плаценты встречается у плотоядных и грызунов.

Гемохориальный тип плаценты является наиболее совершенным типом. Изменение слизистой оболочки матки происходит более глубоко - хорион разрушает все ее элементы, в том числе и эндотелий сосудов, так что сложно ветвящиеся ворсинки хориона оказываются не только погруженными в кровь матери, но и свободно в ней плавают. Этот тип плаценты характерен для обезьян и человека (см. рис. 14.11).

Посредством плаценты осуществляется обмен веществами между матерью и плодом, при этом выполняются функции газообмена, трофическая, эндокринная, выделительная, защитная. Плацента обладает антигенными и иммуногенными свойствами. Она не только объединяет, но и разделяет генетически неоднородные организмы матери и плода, предотвращая возникновение иммунологического конфликта.

Обмен газами между кровью матери и плода происходит путем их диффузии через ворсинки хориона. У человека площадь ворсинок, приходящихся на

Рис. 14.11 Взаимоотношения между пупочными кровеносными сосудами, капиллярами ворсинок хориона и наполненными кровью лакунами в плаценте человека

1 кг массы плода, более чем в 3,5 раза превышает площадь поверхности легочных альвеол, соответствующей 1 кг массы взрослого человека. Движение 02 и СО3 происходит здесь по градиенту концентрации этих газов.

Питание плода через хорион происходит строго избирательно. Оно осуществляется в результате сложных процессов ферментативного расщепления белков, углеводов, жиров и синтеза питательных веществ в соответствии с потребностями развивающегося плода. В плаценте содержатся ферменты, расщепляющие и синтезирующие белки, имеется значительное количество ферментов и стероидных гормонов, влияющих на углеводный обмен. В цитоплазме клеток плаценты есть липиды и липолитические ферменты, принимающие участие в синтезе гормонов. Уровень минеральных веществ - кальция, железа, фосфора, меди, цинка, марганца, кобальта и других микроэлементов - в крови плода превышает их уровень в материнском организме. Считают, что многие из этих веществ не только используются для непосредственных потребностей плода, но и расходуются новорожденным. Плацента содержит также большое количество разнообразных витаминов. Накапливая их, она осуществляет и регуляцию поступления этих веществ к плоду. В плаценте имеются факторы свертывания крови (см. разд. 7.7). Они способствуют прекращению кровотечений после родов.

Плацента обладает эндокринной функцией. В ней происходят процессы синтеза, секреции и превращения гормонов (см. разд. 6.3.3). Эти гормоны определяют развитие приспособительных изменений в организме матери, необходимых для роста и развития плода, осуществления родового акта и лактационной функции.

В плаценте образуются "гипоталамический" рилизинг-фактор, прогестерон и эстрогены (гормоны яичников). Их функция направлена на сохранение и прогрессирование беременности, а также изменение эндокринных органов матери. Плацента синтезирует целый ряд гормонов, к числу которых относятся: характерный для беременности гормон белковой природы, плацентарный лактоген человека, хорионический гонадотропин, пролактин, гестагены. Как паракринные агенты функционируют образующиеся в плаценте некоторые пептиды, включающие кортикотропин-рилизинг-фактор и инсулиноподобный фактор роста.

В плаценте имеются видоспецифические, групповые, тканево-органные антигены гистосовместимости, ответственные за индукцию реакции трансплантационного иммунитета. Ткани амниона и хориона, несмотря на единое зародышевое происхождение, качественно различны в антигенном отношении. Этот факт не имеет пока объяснения, однако в таком различии заложен определенный биологический смысл. Иммунологическая "инертность" плодовой части плаценты к материнскому организму является важным фактором взаимозащиты матери и плода. Она предохраняет от развития иммуноконфликтных реакций.

Плацента обладает способностью регулировать проникновение различных веществ из крови матери к плоду и в обратном направлении. Эта совокупность морфологических и функциональных особенностей получила название плацентарного барьера. В функциональном отношении он сходен с гематоэнцефалическим барьером, но отличается тем, что участвует в обмене веществ двух организмов, обладающих значительной самостоятельностью. Морфологическим субстратом плацентарного барьера служат эпителиальный покров ворсинок и эндотелий располагающихся в них капилляров. Факторами, обусловливающими проницаемость, являются состояние и функциональная активность мембран.

Проницаемость плацентарного барьера в определенной мере зависит от молекулярной массы веществ. Вещества с молекулярной массой до 600 Да проходят его сравнительно легко. Для веществ, имеющих молекулярную массу выше 1000 Да, плацента почти не проницаема. Вместе с тем некоторые биологически активные вещества типа вазопрессина, тироксина с высокой молекулярной массой относительно быстро проникают через плацентарный барьер.

Барьерная функция плаценты при переходе от матери к плоду белков, углеводов, жиров, витаминов, электролитов, кислорода и других необходимых веществ регулируется механизмами, возникающими в процессе фило- и онтогенеза. По отношению к веществам, случайно попавшим в организм матери или введенным в ее кровь, барьерные функции плаценты выражены в меньшей степени или вовсе отсутствуют. Через плаценту проникают алкоголь, наркотики, никотин, ртуть, мышьяк, гемолитические яды, многие токсические вещества. Сейчас считают доказанным переход к плоду возбудителей инфекционных болезней - вирусов и микробов. Плацентарный барьер ограничивает, но не препятствует проникновению к плоду многих лекарственных веществ, таких как антибиотики, сульфаниламиды, барбитураты, анальгетики, гликозиды, гормоны.

14.11.2. Плод

У человека с момента имплантации и до 9-й недели внутриутробного развития развивающийся организм носит название зародыша, или эмбриона, начиная с 9-й недели и до рождения - плода. Беременность у женщин в большинстве случаев продолжается около 9 месяцев, и роды обычно происходят через 280 дней, или 40 недель, считая с первого дня последней менструации. Продолжительность беременности у разных видов животных различна (табл. 14.2).

В конце I месяца беременности у женщин зародыш имплантирован в слизистую оболочку матки, в нем происходит возникновение зачатков органов и плодовых оболочек. В конце II месяца дифференцирована головка и туловище, III месяца - конечности. В конце IV месяца различим пол, лицо почти сформировано, начинается окостенение черепа. В связи с образованием мышечной системы нарастает активность движений конечностей, появляются слабые дыхательные движения. В конце V месяца движения настолько активны что ощущаются матерью, может быть прослушано сердцебиение, в кишечнике формируется первородный кал (меконий). В конце VI месяца созревают

Таблица 14.2

Продолжительность беременности у различных видов хозяйственно полезных животных, сут

Вид животных

В среднем

Колебания

Лошади

340

307-412

Ослы Коровы

380 285

360-390 240-310

Верблюды

365

335-395

Северные олени

225

195-243

Свиньи

114

110-140

Овцы, козы

150

140-160

Собаки

62

59-65

Лисицы

51

51-54

Кошки

58

55-60

Норки

42

37-80

Соболи

275

250-300

Кролики

30

28-33

внутренние органы. В конце VII месяца масса плода достигает 1 кг, длина - 35 см. Из-за плохого развития подкожной клетчатки плод имеет "старческий" вид, все тело покрыто пушковыми волосками. В конце VIII месяца плод жизнеспособен, но нуждается в условиях внутриутробного развития. В конце IX месяца плод приобретает признаки зрелости, "старческий" вид утрачивается, кожа становится розовой. Доношенный плод (т. е. имеющий внутриутробный возраст 40 недель) имеет длину не менее 47 см и массу не менее 2500 г.

Становление функций органов и систем плода начинается еще в эмбриональном периоде. На самых ранних стадиях развития происходит образование ферментных систем, катализирующих синтез веществ, которые необходимы для жизни и развития плода. На II месяце в печени развивается система гемопоэза. Сердце начинает функционировать к концу 4-й недели, и после этого возникает движение крови в сосудах эмбриона, возрастающее с увеличением массы плода. Волокна блуждающего и симпатического нервов появляются на 7-й неделе, после чего частота сердечных сокращений у плода становится в два раза чаще, чем на ранних стадиях развития. В конце беременности частота сердечных сокращений плода составляет 120-140 ударов/мин. Кровообращение плода имеет свои особенности (см. разд. 8.9). Артериальное давление постепенно повышается от 39/21 мм рт. ст. на V месяце внутриутробной жизни до 80/45 мм рт. ст. при рождении.

У зрелого плода структура дыхательной системы такая же, как и у взрослого человека. Одновременно с развитием дыхательной системы развиваются и регулирующие ее образования в ЦНС. Плод непрерывно совершает нерегулярные дыхательные движения. Они осуществляются при закрытой голосовой щели, поэтому массового захвата околоплодных вод не происходит, а небольшие их количества, попадающие в дыхательные пути, всасываются.

Нервная система закладывается в конце I месяца беременности, в конце II месяца обнаруживаются первичные ядра и проводящие пути. У зрелого плода регистрируются биотоки головного мозга, что свидетельствует о включении коры больших полушарий головного мозга в регуляцию рефлекторной деятельности. Органы чувств у зрелого плода развиваются не одинаково. Слух и болевая чувствительность недостаточны, зрение ограничивается светоощущением осязание и термочувствительность развиты хорошо. Все эндокринные железы начинают функционировать к концу 20-й недели.

Деятельность эндокринной системы плода осуществляется преимущественно автономно, что и понятно, так как во время внутриутробного развития в полной мере не задействован ряд органов и систем. Например, почки и легкие не работают соответственно как органы экскреции и газообмена (их функцию выполняет плацента), температурные условия не требуют затрат энергии для своего поддержания, опорно-двигательная система не участвует в осуществлении локомоций и позных реакций. В целом гормоны в организме плода выполняют те же самые функции, что и в организме взрослого. Помимо того, они регулируют и некоторые важные процессы, происходящие исключительно в период внутриутробного развития. К их числу относятся такие процессы, как дифференцировка пола и начало родовой деятельности.

14.11.3. Состояние организма матери при беременности

Неотъемлемую часть механизма развития беременности составляют рефлекторные реакции, возникающие в результате сложных взаимоотношений между организмом матери и плода. Они начинаются с возбуждения рецепторов матки. К моменту родов падает возбудимость коры головного мозга и, наоборот, повышается возбудимость спинного мозга. Это приводит к усилению спинномозговых рефлексов, повышению рефлекторной и мышечной возбудимости матки.

Форма, величина, положение и реактивность матки во время беременности значительно изменяются. Она постепенно увеличивается в течение всей беременности в результате гипертрофии мышечных волокон. С увеличением срока беременности в мышце матки и плаценте накапливается большое количество биогенных аминов, что приводит к резкому повышению спонтанной возбудимости и энергетической готовности сократительных белков к выполнению механической функции. Под влиянием вырабатываемых в плаценте гормонов происходит рост и гиперплазия молочных желез и подготовка их к лактации (см. разд. 6.2, 14.14). Эта секреция активируется лютеотропным гормоном гипофиза.

Значительные изменения происходят в эндокринных железах. С началом беременности овуляция в яичниках прекращается, желтое тело некоторое время продолжает функционировать. Продуцируемые им гормоны способствуют нормальному развитию беременности. Мощной эндокринной железой, в которой интенсивно протекают процессы образования, превращения и выделения гормонов, является плацента. Диапазон биологического действия ее гормонов очень широк. Наряду с плацентой в синтезе ряда гормонов участвует плод. Его метаболическая активность и активность плаценты дополняют материнскую. Во время беременности вследствие размножения и гипертрофии клеток, вырабатывающих гормоны, увеличивается передняя доля гипофиза, повышается образование гонадотропных, тиреотропного, гормонов, кортикотропина. Супраоптическим и паравентрикулярным ядрами гипоталамуса усиливается образование окситоцина и вазопрессина. Эти ядра принимают также участие в секреции аденогипофизом фолликулостимулирующего, лютеотропного, и тиреотропного гормонов, кортикотропина.

С перестройкой функций эндокринной и нервной системы при беременности значительным изменениям подвергается обмен веществ. Возрастают основной обмен и потребление кислорода, заметно изменяется белковый обмен. В крови беременных повышено содержание жирных кислот, холестерина и других липидов, которые расходуются на образование тканей плода. Многие неорганические соединения также задерживаются в организме матери. Увеличивается усвоение фосфора, необходимого для развития нервной системы и скелета плода, солей кальция, идущих для построения костей плода, происходит значительное накопление железа, макроэлементов - К, Na, Mg, Cl, микроэлементов - Со, Сu и др. Эти вещества также переходят к плоду. Они определяют нормальное течение процессов обмена и роста. В связи с необходимостью снабжения плода и поддержания интенсивного обмена веществ возрастает потребность организма матери в витаминах.

Увеличение объема циркулирующей крови, повышение периферического сопротивления, развитие мощной системы маточно-плацентарного кровообращения предъявляют повышенные требования к работе сердца и сосудистой системы беременной. При беременности происходит физиологическая гипертрофия левого желудочка, возрастание минутного объема, учащение пульса, повышение сосудистого тонуса. Артериальное давление изменяется незначительно. Объем циркулирующей крови к концу беременности возрастает на 35-40%, усиливается кроветворение, увеличивается количество гемоглобина.

Дыхание в последние месяцы беременности становится несколько чаще и глубже, происходит усиление газообмена. Усиливается деятельность почек, выделяется больше мочи, мочеиспускание становится более частым. Под влиянием вырабатываемого в плаценте релаксина происходят изменения в костно-мышечной системе. Они характеризуются разрыхлением суставных связок, хряща и суставных оболочек сочленений тазовых костей. В связи с этим увеличиваются подвижность таза и его емкость во время родов. Своеобразным изменениям при беременности подвергается кожа. Довольно часто в коже лица, сосков, белой линии живота наблюдается коричневая пигментация. Ее появление связано с усиленной продукцией в надпочечниках близкого к меланину пигмента.

14.11.4. Многоплодная беременность

Многоплодная беременность может возникнуть либо в результате оплодотворения двух (или более) яйцеклеток, и тогда развиваются разнояйцовые близнецы, либо при развитии эмбрионов из одной оплодотворенной яйцеклетки, тогда развиваются однояйцовые близнецы. Многоплодная беременность у женщин встречается в 0,4-1,6% случаях наиболее часто при этом бывают двойни.

Каждая оплодотворенная яйцеклетка после внедрения в слизистую оболочку матки образует свои плодные оболочки, из которых у каждого плода развивается своя плацента с самостоятельной сетью сосудов. У однояйцовых близнецов амниотическая оболочка может быть либо отдельной у каждого эмбриона, и тогда они остаются обособленными, либо общей, тогда соответственно и полость для обоих зародышей будет общей.

При многоплодной беременности развитие плодов, как правило, протекает более или менее равномерно, разница в их массе невелика. Расположение плодов в матке может быть различным, но чаще оба плода находятся в продольном положении и головном предлежании.

14.11.5. Латентная стадия беременности

У некоторых животных (косули, норки, горностаи, соболи, полевые мыши, крысы и др.) оплодотворенная яйцеклетка длительное время не прикрепляется к матке. У соболя, например, сезон спаривания бывает в июле, а щенение самок происходит в апреле-мае. У этих животных в феврале-марте в матке обнаруживаются свободные, еще не прикрепленные бластоцисты. Истинная беременность от начала образования плаценты до родов продолжается в этих случаях 27-30 дней. Период от оплодотворения до прикрепления зародыша получил название латентной стадии беременности. Она связывается с появлением в этот период гормональной неактивности желтых тел. Латентная стадия беременности представляет собой особую форму биологического приспособления, позволяющую животному давать потомство в наиболее благоприятный для его кормления и воспитания сезон года.

14.11.6. Беременность у животных

Беременность является особенностью отдельных видов низших позвоночных животных, таких как некоторые рыбы (скаты, акулы, бельдюга и др.), амфибии (альпийская саламандра). Беременность имеет место и у рептилий (живородящая ящерица, гадюки), относящихся к высшим позвоночным. Весьма характерно, что у рептилий один и тот же вид может быть и живородящим, и яйцекладущим. В этом случае все определяют условия окружающей среды. У живородящих рыб, амфибий и рептилий во время беременности образуется своеобразная желточная плацента, отдаленно напоминающая плаценту млекопитающих.

Из высших млекопитающих непродолжительной и не такой относительно сложной является беременность у сумчатых. Например, у гигантского кенгуру она длится всего 39 дней. Детеныш рождается недоразвитым и все последующее немалое время (примерно 8 мес) развивается в сумке на животе матери. У высших млекопитающих начальные стадии развития оплодотворенной яйцеклетки проходят в свободном состоянии, после чего у китообразных, копытных, хоботных происходит прикрепление зародыша к стенке матки, а у части насекомоядных, грызунов, человекообразных обезьян - внедрение в стенку матки. Значительно колеблется и продолжительность беременности у разных видов - от 19-20 дней у мышей до 660 дней у слонов.

В зависимости от экологических условий окружения у разных видов животных эмбрионы развиваются не только по-разному, но и рождаются с разной степенью зрелости (козленок, способный вскоре после рождения следовать за матерью, и лисенок, остающийся продолжительное время слепым и беспомощным). Борьбой за существование служит и такое явление, как плодовитость. У крупных животных (китообразные, мозоленогие) беременность продолжительная и одноплодная, другие виды, например, копытные и хищные животные, характеризуются укороченной беременностью с несколькими плодами в помете. Для грызунов характерна не только многоплодность, но и многопометность. Это означает, что животное приносит несколько многоплодных пометов за один сезон размножения.

14.12. РОДЫ

Роды - физиологический процесс изгнания из матки через родовые пути плода по достижении им жизнеспособности, а также плаценты с околоплодными оболочками и околоплодными водами. Родовой акт - сложный многозвеньевой процесс, возникающий и завершающийся в результате взаимодействия многих систем организма. В возникновении родов наибольшая роль принадлежит нейрогуморальной и гормональной системе матери и плодоплацентарному комплексу (рис. 14.12).

В последней стадии беременности перед родами в материнском организме наблюдается преобладание тормозных процессов в высших отделах мозга и

Рис. 14.12 Основные гормональные и нервные механизмы. связанные средами

Цифры 1-7 указывают на возможную последовательность событий, вызывающих сокращение стенки матки; 8 - афференты, 9 - эфференты

повышение возбудимости спинного мозга, что приводит к снижению порога рефлекторной и мышечной возбудимости матки. При этом усиливаются интероцептивные влияния с половой сферы. Становясь надпороговыми, эти интероцептивные влияния могут способствовать началу и развитию родового акта.

Для наступления родов большое значение имеют взаимоотношения прогестерона и эстрогенов. Пока в организме беременной существует и поддерживается между ними физиологическое равновесие, сократительной деятельности матки не происходит. Вырабатываемый желтым телом, а затем плацентой прогестерон снижает возбудимость маточной мускулатуры, что позволяет ей растягиваться под давлением плодного пузыря до значительных размеров.

Под влиянием одной из фракций эстрогенов - эстрадиола - происходит повышение чувствительности матки к медиаторам и особенно к ацетилхолину, выделяющимся окончаниями моторных нейронов местной сети метасимпатической нервной системы. Повышение возбудимости матки ведет к прекращению ее свободного растяжения, повышению внутриматочного давления, напряжению стенки матки. При этом возрастает чувствительность мышечной оболочки матки (миометрия) к окситоцину, вызывающему ее сокращения. Окситоцин в большом количестве накапливается в организме перед родами.

В повышении возбудимости сократительных мышечных элементов матки наряду с ацетилхолином и окситоцином большое значение принадлежит серотонину, гистамину, кининовой системе, простагландинам (см. разд. 5.2). Серотонин, например, обеспечивает проницаемость клеточных мембран для ионов Са2+, которые активируют ферментативные системы, необходимые для сокращения мышечной клетки. Эстрогены, серотонин и катехоламины изменяют соотношение адренергических компонентов, усиливающих функцию ?-адренорецепторов и облегчающих высвобождение прогестерона от связи с белком клеток матки.

Комплекс нейрогуморальных и эндокринных изменений, происходящих в материнском организме перед родами, составляет родовую доминанту. В этих условиях большая роль в наступлении родовой деятельности принадлежит импульсам с интероцепторов матки. Они исходят от созревшего плода, который начинает усиленно двигаться. По подчревным и внутренностным тазовым нервам афферентная импульсация достигает спинальных, супраспинальных и корковых структур мозга (см. рис. 14.5). Когда возбудимость матки и сила интероцептивного раздражения достигают определенного предела, мускулатура матки начинает ритмически сокращаться, появляются регулярные родовые схватки. В течение родов выделяют три периода: раскрытие шейки матки изгнание плода, последовый период.

В первом периоде во время схваток, длящихся несколько часов, происходит сокращение мышечных волокон матки, смещение их относительно друг друга и растяжение. Волна сокращений распространяется сверху вниз, от одного рога к другому, затем переходит на тело и далее захватывает нижний сегмент с убывающей продолжительностью и интенсивностью. С каждой схваткой возникает укорочение и расширение шейки матки. Раскрытию шейки способствует плодный пузырь. Во время схваток давление в нем повышается и он смещается в сторону шейки матки, где встречает меньше препятствий. В результате шейка матки сглаживается, ее канал превращается в растянутую трубку, через которую возможно прохождение плода. После раскрытия шейки матки под влиянием повышенного внутриматочного давления разрывается оболочка плодного пузыря, плодные воды вытекают, увлажняя поверхность половых путей.

Во втором периоде происходит изгнание плода из матки. Оно осуществляется за счет потуг - одновременного ритмичного сокращения мышц матки и брюшного пресса. В результате плод продвигается по родовому каналу в соответствии с направлением его оси, совершая при этом сгибательные, разгибательные и вращательные движения.

После рождения пересекают пуповину, отделяя тем самым новорожденного от последа (рис. 14.13). Пуповина представляет собой шнуровидное образование, соединяющее плод с плацентой, через сосуды которого осуществляется плодоплацентарное кровообращение. Пуповина входит в состав последа. Хищники после родов перегрызают пуповину, у других животных она обрывается под тяжестью новорожденного.

Третий период родов, завершающий, - последовый. В нем происходит отслоение плаценты и выделение последа. Послед - совокупность внезародышевых частей плодного яйца, обеспечивающая двустороннюю связь между плодом и организмом матери. Послед состоит из плаценты, плодных оболочек и пуповины. Они связаны в анатомическом и функциональном отношениях и выполняют сложные функции в течение беременности и родов. После рождения плода функциональная активность последа угасает и он выделяется из полости матки, отсюда и его название.

Рис. 14.13 Схема изменений в кровеносной системе, происходящих при рождении ПП- правое предсердие; ЛП - левое предсердие;

ПЖ - правый желудочек; ЛЖ - левый желудочек.

Механизм отслойки плаценты основан на том, что под влиянием сокращения матки размер плацентарной площадки уменьшается, так как плацента не обладает способностью к сокращению и начинает отслаиваться. Плацента рождается своей плодовой поверхностью, которая тянет за собой плодовый мешок со скопившимися в нем сгустками крови.

У женщин последовый период начинается с момента рождения плода и завершается выделением последа. У животных отделение последа происходит через несколько часов после родов, но у хищных послед выходит вместе с плодом.

Продолжительность родов у первородящих женщин составляет 15-20 ч, у повторнородящих - 10-12 ч. У животных роды чаще всего происходят ночью. Считают, что в этот период снижается возбудимость коры больших полушарий, понижается ее тормозное влияние на подкорковые структуры, что способствует благоприятному течению родовой деятельности. Процесс родов могут затормозить и даже прервать действия внешних раздражителей, таких как внезапный

шум, яркое освещение и т. д.

По многолетним устоявшимся представлениям сроки наступления родов находятся под сугубо гормональным контролем, им же и регулируются. Между тем результаты недавних исследований показали, что у целого ряда млекопитающих значительную роль в родовом процессе играет плод (см. рис. 14.2). Явление это, судя по всему, имеет большой адаптивный смысл, так как обеспечивает рождение плода именно на такой стадии развития, когда плод уже способен к относительно самостоятельному существованию. Имеется точка зрения, что начальные этапы изгнания плода вызываются некими еще не установленными окончательно факторами. Эти факторы якобы заставляют гипоталамус плода стимулировать секрецию кортикотропина гипофизом. Как свидетельствует одно из современных представлений, сигналом для начала родов служит "фетальный стресс". Стресс этот возникает в результате иммунологического отторжения зрелого плода материнским организмом.

14.13. ОСОБЕННОСТИ РАЗМНОЖЕНИЯ ПТИЦ

Половой процесс птиц имеет ряд характерных черт. В связи с этим особое значение приобретает физиология репродуктивного аппарата домашних птиц, таких как куры-несушки, основная хозяйственно полезная ценность которых связана именно с деятельностью органов размножения.

Половое созревание яйценосных пород кур завершается к 4-5 мес, более крупных мясных - к 6-8 мес, петушки созревают несколько раньше. Длительность половой деятельности домашней птицы следующая: петух - до 4 лет, курица - до 6, индюк - до 3, индейка - до 5, селезень и утка - до 4, гусак - до 5, гусыня - до 8 лет.

14.13.1. Физиология органов размножения самцов

Семенники у самцов расположены в брюшной полости в области трех последних ребер. В период половой деятельности семенники становятся крупнее. В их извитых канальцах образуются сперматозоиды. Затем через семявыносящие канальцы, которые впадают в придаток семенника, сперматозоиды переходят в семяпровод, открывающийся в стенке клоаки сосочком. Придатки семенников развиты слабо, придаточных желез у птиц не имеется. Совокупительного органа у петуха также нет, он вводит семя, прижимая свою клоаку к клоаке самки. У селезней и гусаков копулятивный орган (половой член) имеется. Он состоит из фиброзной ткани, образующей пещеристое тело. На его поверхности спирально проходит семенной желоб, который при эрекции превращается в канал..

Количество эякулята у петуха достигает 0,8 мл, количество сперматозоидов в 1 мл составляет 5-7 млрд., однако при частом совокуплении число сперматозоидов снижается. По форме сперматозоиды отличаются от спермиев млекопитающих.

С наступлением линьки половая активность петуха постепенно ослабевает и наступает состояние полового покоя. В отличие от яйцеклеток сперматозоиды могут длительное время сохраняться в яйцеводе кур, не теряя своей оплодотворяющей способности. Например, куры несут оплодотворенные яйца еще в течение 20 дней после отсадки самцов, у индеек и гусынь этот срок более продолжителен. У регулярно спаривающихся кур все отделы яйцевода заполнены сперматозоидами. После спаривания спермин не сразу появляются в воронке яйцевода, где происходит оплодотворение. Первые оплодотворенные яйца курица несет лишь на третий день.

14.13.2. Физиология органов размножения самок

У птиц функционирует только левый яичник; правый, хотя и закладывается, вскоре редуцируется. Соответственно у птиц имеется только один яйцевод, состоящий из воронки, белковой части, перешейка, "матки" ("известковой" части) и влагалища, которое открывается в клоаку (рис. 14.14). Общая длина яйцевода у кур-несушек достигает 60 см.

Яичник подвешен на брыжейке под передней долей почки. Его глубокий слой образует сосудистую зону, поверхностный слой - фолликулы разной величины и зрелости. Они прикреплены на богатых кровеносными сосудами выростах серозной оболочки. В разгар яйцекладки яичник напоминает кисть винограда; у курицы-несушки в нем содержится от 500 до 3500 яйцеклеток. Развиваясь и накапливая желток, яйцеклетки превращаются в яичные желтки, достигающие примерно 35-40 мм в диаметре. На образование желтка таких размеров требуется около двух недель. На поверхности желтка находится зародышевый диск, представляющий собой белое пятнышко величиной 1-2 мм. Это и есть собственно яйцеклетка (рис. 14.15).

В яичнике периодически возникает овуляция. Она происходит быстро, в течение 1-2 мин. После разрыва фолликулярной оболочки созревший желток проскальзывает в воронку яйцевода, который при этом перистальтически сокращается и продвигает его в направлении клоаки. Движению желтка способствует мерцательный эпителий стенки яйцевода. Прохождение по верхней части яйцевода до белковой длится около 15-18 мин. В белковой части, длина которой 30-40 см, формируемое яйцо находится 3-3,5 ч. При продвижении желток вращается вокруг продольной оси, что происходит благодаря спиральному расположению слизистой оболочки яйцевода. В процессе вращения он постепенно окружается четырьмя слоями белка, выделяемого железами яйцевода.

Сначала желток окружается тонким слоем плотного белка, который вследствие вращения желтка образует на его полюсах шнурообразные тяжи - градинки (см. рис. 14.15). Благодаря градинкам желток постоянно удерживается в центре яйца. Здесь, в белковой части яйцевода откладывается 40-50% белка остальной - в перешейке и матке, где яйцо находится до 1,5 и 20 ч соответственно. В перешейке начинается образование подскорлупной оболочки, состоящей из двух листков, которые у тупого конца яйца отходят друг от друга и образуют в этом месте воздушную камеру - пугу.

С попаданием яйца в матку начинается образование его известковой оболочки - скорлупы. Она откладывается на яйце медленно. Во время образования скорлупы происходит усиление кровоснабжения матки, в результате чего в ее клетки увеличивается поступление солей кальция, которые выделяются в полость матки. В скорлупе имеется большое число пор, через которые осуществляется газообмен и испарение воды, что играет важную роль в развитии зародыша. Большее количество пор расположено на тупом конце яйца, в связи с чем при хранении яиц в сухом месте увеличиваются размеры пути.

Акт яйцекладки происходит через влагалище - широкое мускулистое образование, по длине соответствующее длине яйца. Во время снесения яйца матка опускается, выворачиваются влагалище и клоака. В результате этого яйцо выскальзывает наружу через верхний край влагалища, не соприкасаясь практически ни с влагалищем, ни с клоакой. Этот процесс выведения яйца осуществляется благодаря сокращению мышц клоаки.

Процесс формирования яйца в яйцеводе продолжается от 23 до 30 ч, при этом оплодотворенное яйцо более 80% времени находится в известковой части яйцевода. У большинства кур-несушек овуляция наступает через 10-30 мин после снесения предыдущего яйца. Таким образом, овуляция и оплодотворение происходят с незначительным интервалом, не превышающим 20 мин. Если за это время оплодотворения не произошло, то яйцо остается неоплодотворенным, даже если в яйцеводе присутствуют сперматозоиды.

Оплодотворение осуществляется в воронке яйцевода. В этом случае сперматозоиды проникают в яйцо через покрывающие его две нежные пленки. Процесс дробления оплодотворенной яйцеклетки начинается через 4-5 ч после овуляции. Он возникает, когда яйцо находится в перешейке. При попадании зиготы в матку количество бластомеров составляет 4-8, а спустя 1 ч после оплодотворения, т. е. к моменту откладывания, достигает 256. В таком состоянии яйцо более трех недель может сохранять способность к дальнейшему развитию, если будут созданы соответствующие температурные условия и влажность.

Процесс яйцекладки у птиц регулируется нейрогуморальными механизмами. Подобно млекопитающим, созревание фолликулов в их яичнике стимулируется гонадотропным гормоном

Рис. 14.14 Органы, размножения курицы 1 - яичник с фолликулами, 2 - оболочка фолликула, 3 - белковая часть яйцевода, 4 - брыжейка, 5 - сосуды, 6 - перешеек, 7 - матка, 8 - клоака, 9 - прямая кишка, 10 - выходная часть, 11 - воронка.

Рис. 14.15 Яйцо курицы 1 - белковая оболочка, 2,10 - белый желток, 3 - зародышевый диск, 4 - желточная оболочка, 5 - известковая скорлупа, б - внутренний слой скорлуповой оболочки, 7 - наружный слой скорлуповой оболочки, 8 - воздушная камера, 9 - градинка, 11 - желтый желток.

передней доли гипофиза. Еще один гормон гипофиза - лютеинизирующий - контролирует процесс овуляции. Наряду с этим ряд гормонов образуется и в самом яичнике. Это эстрин, или фолликулярный гормон, синтезирующийся в клетках фолликулов, и прогестерон, или гормон желтого тела.

Под влиянием эстрина происходят увеличение яйцевода и стимуляция деятельности его желез. Повышая метаболизм, эстрин регулирует его таким образом, чтобы обеспечить синтез и доставку необходимых для образования яйца веществ. Прогестерон синтезируется в овулировавшем фолликуле яичника. Считают, что этот гормон регулирует время откладывания яйца.

В естественных условиях яйцекладка у птиц, как правило, бывает весной. Однако у кур благодаря систематическому отбору на яйценосность удается получить почти непрерывную яйцекладку в течение всего года. В этом случае одним из наиболее важных факторов является длина светового дня. Освещенность стимулирует функцию гипоталамо-гипофизарной системы, что неизменно отражается на яйцекладке. Отрицательно влияет на яйценоскость линька с ее наступлением яйцекладка прекращается. Прекращается она и 'при очень холодной температуре. Внешние раздражители также оказывают влияние на яйцекладку. Если спугнуть несущуюся курицу, то процесс яйцекладки может значительно задержаться или даже произойти на следующий день. Испуг несушки может не только оттянуть яйцекладку, но при этом ухудшить качество яйца. В нем при этом появляются кровавые точки.

14.13.3. Инкубация

Развитие зародыша у птиц осуществляется при помощи инкубации. Различают естественную инкубацию - развитие зародыша под наседкой (насиживание) и искусственную инкубацию - развитие зародыша в инкубаторе. Наблюдения над насиживанием показывают, что лучшее развитие зародышей в яйцах происходит при перемежающейся температуре 37-40 оС. Этот факт и учитывают при создании режима в инкубаторах. При искусственной инкубации продолжительность эмбрионального развития составляет у КУР 20-21 сут, уток и индеек - 27-28, гусей - 29-30 сут.

В первые 5-6 сут инкубации эмбрион развивается наиболее интенсивно В этот период его питание происходит за счет желтка, который разжижается в результате ферментативного воздействия, а также из перемещающейся в желток жидкой части белковой оболочки. С 12 сут у куриных эмбрионов наступает интенсивное расходование белков, которые полностью используются к моменту вылупления цыпленка. Неусвоенная часть желтка вместе со стенкой желточного мешка втягивается перед вылуплением цыпленка в его брюшную полость где и переваривается.

14.14. ЛАКТАЦИЯ

Вскармливание потомства молоком матери является одним из важнейших проявлений половой функции, а также биологических приспособлений у млекопитающих - высших позвоночных животных и человека. Их анатомическим признаком служат молочные железы, функция которых состоит в образовании и выведении молока из молочных желез т е лактации. Лактацией называется помимо того и период времени, на протяжении которого происходит выделение молока. В целом объем секретируемого молока и продолжительность его выделения у всех видов млекопитающих рассчитан на обеспечение пищей новорожденного потомства. Исключение составляют высокопродуктивные сельскохозяйственные животные (коровы, козы и др.), УДОИ которых во много раз превосходят потребности собственного потомства и являются основой для развития молочной промышленности.

Во время беременности в молочных железах происходит ряд структурных и функциональных изменений, подготавливающих железы к отделению молока. начинающемуся непосредственно после родов. Изменения эти, так же как и процессы, поддерживающие молочные железы в состоянии готовности к лактации, контролируются эндокринными факторами на протяжении беременности и рефлекторными влияниями в период вскармливания потомства.

Строение молочных желез. Молочные железы являются кожными железами с экзокринным типом секреции, генетически связанными с потовыми железами. И хотя у разных животных они имеют разную форму, по-разному расположены, выделяют молоко неодинакового состава, тем не менее все они имеют

единый план строения.

Железы представляют собой симметричные образования. У хищных, грызунов и других они расположены вентрально по сторонам от средней линии тела, у парнокопытных (коровы, овцы) и непарнокопытных (лошади) - в паховой области, у полуобезьян одна пара на груди и нередко еще одна пара на животе. У летучих мышей и обезьян одна пара на груди. У многоплодных форм железы лежат вдоль всей брюшной поверхности тела, число их может достигать более 20, хотя чаще наблюдается 1-8 пар желез и сосков. Размеры сосков, их форма зависят от видовой принадлежности. У клоачных млекопитающих (утконос, ехидна) соски вообще отсутствуют. У ластоногих китообразных соски скрыты в кожных складках и не выступают наружу даже после родов. .

У женщин молочные, или грудные, железы располагаются на передней поверхности грудной клетки на уровне от III до VI или VII ребер. Форма, размеры, положение желез зависят от возраста женщины, степени развития ее половых органов, от периода беременности, менструального цикла и индивидуальных особенностей.

Молочные железы у однопроходных состоят из трубчатых мешков с покрывающими их снаружи гладкомышечными клетками. Мешки открываются в сумки волос на специальном железистом поле. Более сложное строение желез у живородящих млекопитающих. Их железы альвеолярного типа, а железистое поле представлено ограниченной областью в виде выпячивания - соска. В зависимости от характера выводных протоков принято различать истинные соски и ложные. На вершине первых открываются многочисленные выводные протоки желез. Этот тип характерен для большинства сумчатых, обезьян и человека. Ложные характеризуются тем, что внутри соска имеется общий выводной канал, открывающийся одним отверстием. Такой тип характерен для копытных и хищных.

Рис. 14.16 Упрощенная схема строения молочной железы

1 - грудная мышца, 2 - альвеолы молочной железы, 3 - млечный проток, 4 - млечные синусы, 5 - отверстия протоков на соске, 6 - пигментированный участок (околососковый кружок), 7 - поддерживающая строма, 8 - жировая ткань.

Молочная железа является сложно организованным образованием. В ней различают собственно железистые структуры, паренхиму и строму, представленную соединительной тканью. У половозрелой женщины молочная железа состоит из 15-25 обособленных долей (рис. 14.16). Доли отделены друг от друга прослойками рыхлой соединительной ткани с жировыми вкраплениями в которых проходят сосудисто-нервные пучки. Каждая доля представляет собой сложную альвеолярную железку с самостоятельным млечным протоком. По ходу проток расширяется и образует млечный синус, в котором накапливается образовавшееся в альвеолах молоко. Проток открывается самостоятельным отверстием на вершине соска.

В свою очередь каждая доля состоит из более мелких долек молочной железы, которые образованы многократно ветвящимися млечными протоками. Протоки эти вне периода лактации заканчиваются слепыми трубочками на которых в период лактации образуются альвеолы. Стенки альвеол выстланы однослойным кубическим эпителием, кнаружи от которого располагаются корзинчатые миоэпителиоциты. Во время лактации эпителиальные клетки трансформируются в крупные секретирующие клетки - лактоциты, вершины которых обращены в просвет альвеолы. Характерно, что цитоплазма клеток буквально нафарширована митохондриями, а у вершины клетки сконцентрированы капельки жира, белковые гранулы и вакуоли. Это и понятно, так как секреция молока осуществляется по апокриновому типу посредством отшнуровывания клеточных верхушек вместе с накопленными включениями. Последующее формирование молока продолжается в полости альвеолы. Необходимо заметить, что, во-первых, альвеолы выделяют секрет не одновременно, и, во-вторых, секреторный цикл лактоцитов многократно повторяется. В период наполнения секретом лактоциты имеют цилиндрическую или кубическую форму, а после его выведения становятся плоскими. Альвеолы окружены слоем сократительной миоэпителиальной ткани, участвующей в выведении молока

Увеличение молочных желез во время беременности связано с развитием их секреторных областей под влиянием эстрогенов, прогестерона, кортикостероидов, гормона роста, пролактина, плацентарного лактогена. Однако на всем протяжении беременности наличие в крови прогестерона подавляет образование молока. При родах, когда уровень прогестерона снижается, подавление

действия пролактина прекращается и он стимулирует альвеолы к секреции молока.

Секреция молока. Полный цикл лактации включает развитие железы (маммогенез), возникновение секреции молока после родов (лактогенез), развитие и поддержание выделения молока (лактопоэз).

У млекопитающих особое значение для подготовки и поддержания процесса лактации имеет пролактин, участвующий также в регуляции широкого спектра процессов, в том числе роста организма. Гормон имеет много периферических органов-мишеней, включая молочную железу, печень, надпочечники половые железы, однако ни один гормон периферического органа не выполняет функции обратной связи для клеток, синтезирующих пролактин. Уровень базальной секреции пролактина у мужчин и женщин одинаков. Его секреция существенно повышается во время беременности в ответ на действие эстрогенов

и поддерживается во время лактации за счет рефлекторной стимуляции при грудном кормлении.

Молочные железы начинают развиваться у человека на 6-й неделе внутриутробной жизни. Сосок же формируется в течение первых двух лет после рождения ребенка. У мужчин на этом развитие молочных желез приостанавливается. По гистологическому строению они сходны с железами новорожденных. у женщин же развитие желез продолжается, и к 17-летнему возрасту оно практически завершается, хотя до наступления беременности в состоянии желез и возникают изменения, связанные с менструальным циклом. Полным развитием с образованием альвеол молочная железа характеризуется лишь при беременности и лактации. В этот период она увеличивается в размерах, расширяются млечные протоки и вокруг них возникает густая сеть кровеносных сосудов.

После родов в течение первых 2-3 дней лактации выделяется так называемое молозиво - более густой секрет, нежели зрелое молоко, клейкой консистенции, желтого цвета. Цвет молозива зависит от. окраски входящего в него жира, богатого каротиноидами. По своему составу молозиво ближе к тканям организма новорожденного, чем зрелое грудное молоко. Набор аминокислот молозива занимает промежуточное место между белковыми фракциями зрелого молока и фракциями крови. По-видимому, это один из механизмов, способствующий адаптации организма новорожденного в период перехода от плацентарного питания к питанию грудным молоком. В молозивный период лактации отмечено повышение концентрации иммуноглобулинов всех классов. Особенно это касается наиболее биологически активного класса IgA, которые синтезируются в клетках молочной железы. Молозиво богато и гормонами, особенно кортикостероидами. Это приобретает особое значение в первые дни жизни новорожденного, так как функции ряда органов и систем его организма являются еще незрелыми, а активный иммунитет пока находится в стадии становления. Следовательно, естественное вскармливание новорожденных с первых моментов появления на свет обеспечивает местную пассивную иммунологическую защиту его пищеварительного тракта.

Количество зрелого грудного молока у женщин-рожениц постепенно возрастает и достигает максимальных величин к 8-9-й неделе. После этого оно, как правило, остается стабильным и составляет 1-1,5 л в сутки.

В процессе лактогенеза и лактопоэза эпителиальные клетки молочной железы проходят несколько последовательных стадий секреторного цикла. Во-первых, начинается поглощение из тканевой жидкости предшественников молока и последующее накопление этих предшественников в клетке. Во-вторых, возникает собственный внутриэпителиальный синтез сложных специфических молекул секрета. В-третьих, образуются гранулы или капли секрета, куда включается синтезируемый продукт. В-четвертых, осуществляется внутриклеточный транспорт гранул к апикальной поверхности клетки. В-пятых, происходит выход секрета в просвет альвеолы. С завершением этого цикла окончательный состав молока еще не сформирован, наступает следующий этап, называемый "созреванием" молока. Суть его состоит в реабсорбции некоторых компонентов секрета, сбалансировании углеводного и минерального состава. Процесс созревания молока осуществляется в емкостной системе железы.

Расширение и пролиферация млечных ходов, а также значительное развитие альвеол молочной железы, т. е. стимуляция лактогенеза происходит под влиянием эстрогенов, прогестерона, пролактина, соматотропного гормона, лактогенина и других гормонов. Следует иметь в виду, что полный комплекс лактационных гормонов пока что не выяснен. Однако считается, что снижение уровня эстрогенов и прогестерона после родов стимулирует секрецию гипофизарного пролактина и, по-видимому, других гормонов лактогенного комплекса. В свою очередь выделение пролактина контролируется гипоталамусом, в котором вырабатывается особый пролактин-рилизинг фактор.

Особая роль в регуляции лактации отводится окситоцину, стимулирующему отделение молока. Нейроны, секретирующие окситоцин, сочетают свойства нервной и эндокринной клетки одновременно. Как классические нейроны, они имеют на своей поверхности множество синапсов. Мембранный потенциал клетки

Рис. 14.17 Регуляция молоковыведения СО, ПВ - супраоптическое и паравентрикулярное нейросекреторные ядра гипоталамуса соответственно. АГ - аденогипофиз, НГ - нейрогипофиз, МЭ - миоэпителий альвеол, А - альвеола.

может меняться в широких пределах - от деполяризации до гиперполяризации. Как только возникший потенциал действия достигает аксонных терминалей в задней доле гипофиза, он открывает кальциевые каналы, по которым соответствующие ионы по градиенту концентрации поступают в клетку. Повышение концентрации внутриклеточного кальция вызывает движение секреторных гранул, содержащих окситоцин, по направлению к клеточной мембране и выброс содержимого из клетки. В отличие от типичного нейрона, но аналогично типичной эндокринной клетке продукт секреции - окситоцин - выделяется не в синаптическую щель, а во внеклеточное пространство. Отсюда посредством диффузии окситоцин попадает в капилляры, общий кровоток, к органам-мишеням.

Выведение молока из молочной железы связано с простой рефлекторной реакцией: когда младенец сосет грудь, он стимулирует рецепторы соска. Возникающие при этом импульсы через спинной мозг

направляются в гипоталамическую область. Гипоталамус секретирует окситоцин, выделяющийся через заднюю долю гипофиза. Окситоцин вызывает сокращение миоэпителиальной ткани, окружающей альвеолы, и молоко через протоки и синусы выталкивается из сосков (рис. 14.17).

Молоко является сложной биологической жидкостью, содержащей пищевые вещества в оптимальных соотношениях. Оно служит наилучшей пищей для ребенка первого года жизни, обеспечивая его полноценное развитие.

Белки женского молока относятся к идеальным, их биологическая ценность достигает 100%, 18 белковых фракций идентичны белкам сыворотки крови. В женском молоке присутствуют четыре класса иммуноглобулинов - A, G, М, D. Из них наибольшее значение принадлежит глобулину А. Благодаря низкой протеолитической активности желудочного сока детей первых месяцев жизни и присутствию ингибитора трипсина в пищеварительном тракте ребенка не происходит разрушения иммуноглобулинов, что обеспечивает устойчивость детей этого возраста к инфекционным заболеваниям.

Количество жира в женском и коровьем молоке почти одинаково (3,5-3,8%), однако жир грудного молока усваивается несравненно лучше (до 95%). Более высокое содержание ненасыщенных жирных кислот оказывает сберегающее действие на белок пищи, повышает его усвояемость, способствует проявлению физиологического действия витаминов, особенно Bi, С и повышает устойчивость организма к инфекциям. Основным углеводом молока является лактоза. В грудном молоке ее количество составляет 7,0-7,5%, в коровьем - 4,0-4,5%. Содержащийся в лактозе моносахарид галактоза в течение первых недель жизни используется для образования галактоцереброзидов. В грудном молоке содержится также оптимальное количество минеральных солей, соотношение концентраций которых является гарантией их наилучшей утилизации.

Молоко синтезируется из метаболитов, содержащихся в крови: лактоза из глюкозы под действием фермента лактозосинтетазы, белки - из аминокислот жиры - из жирных кислот, глицерола и ацетата. Одного только материнского молока достаточно, чтобы младенец ежедневно прибавлял в весе 25-30 г.

Молочная железа выполняет и функцию избирательного барьера для ряда лекарственных веществ, принимаемых матерью. Между тем алкоголь, никотин, кофеин, йод, ацетилсалициловая кислота, некоторые снотворные ^наркотические вещества и т. д. могут легко переходить в молоко, что необходимо учитывать в период лактации.

В естественных условиях уровень секреции молока определяется не только потребностями потомства, но и скоростью опорожнения железы; особенно отчетливо это выступает у диких видов. У коров при 10-месячной лактации максимальная величина молокообразовательного процесса приходится на 6-7 неделю лактации, у овец - на 3 неделю. Общее количество секретируемого молока наиболее высоко у крупных животных. Например, некоторые киты выделяют его в сутки до 200-250 л. Однако большая интенсивность молочной продукции характерна для мелких видов млекопитающих. Если исходить из расчета на единицу массы тела, крыса, например, производит молока в 13 раз больше коровы.

С окончанием лактации в молочной железе происходит ряд структурных перестроек и она подвергается функциональной инволюции. В климактерическом периоде у женщин в связи со снижением функции яичников и, как следствие, падением уровня эстрогенных гормонов и повышением секреции фолликулостимулирующего гормона гипофиза постепенно наступает инволюция секреторных структур железы. Происходит исчезновение альвеол, спадение млечных протоков и сморщивание железистых долек, замещение железистой ткани фиброзной и жировой тканями, железа уменьшается в размерах.

В условиях лактации, как правило, происходит подавление овуляции. Таким образом, женщина находится в состоянии физиологической контрацепции до тех пор, пока не восстановятся гормональные изменения, вызванные беременностью и лактацией.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Физиологическое значение репродуктивной системы сводится к двум основным функциям. Первая обеспечивает образование половых клеток - овоцитов и сперматозоидов, слияние которых при оплодотворении дает начало развитию зародыша. Эту функцию часто обозначают как генеративную. Вторая функция - эндокринная. Она состоит в продукции половых гормонов, которые оказывают влияние на все процессы, связанные с размножением, начиная с дифференцировки половых признаков и кончая возникновением беременности, развитием плода, выращиванием потомства.

У обоих полов репродуктивная система состоит из половых желез или гонад, и органов полового пути. В мужском организме к последним относятся семявыносящие пути, предстательная железа, семенные пузырьки, половой член; в женском - яйцеводы, матка и влагалище, а также тесно связанные с половой системой молочные железы.

Размножение возможно только с наступлением полового созревания организма. Созревание состоит в том, что половые органы достигают полного развития, а в половых железах начинают вырабатываться половые гормоны и половые клетки. Вся совокупность процессов, обеспечивающих размножение, носит циклический характер. На определенном этапе развития у созревающего организма появляются доминанты полового сближения, оплодотворения, беременности, родовая доминанта. Весь период завершается фазой лактации, обеспечивающей дальнейшее развитие нового организма, подготавливая его к следующему биологическому циклу.

Мужские половые клетки - сперматозоиды. - образуются в семенных канальцах. Они открыты в 1677 г. А. Левенгуком. Сперматозоиды образуются непрерывно и выводятся наружу при половом акте. Сформировавшись в семенных канальцах, они затем переходят в придаток семенника, где пребывают длительное время. Здесь сперматозоиды подготавливаются к продвижению на значительные расстояния, к длительному пребыванию в половых путях самки. Смесь секретов семенников и их придатков, а также семенных пузырьков, предстательной железы, бульбоуретральных желез и желез мочеиспускательного канала носит название спермы.

Яйцеклетки млекопитающих образуются в фолликулах яичников. Впервые их обнаружил и описал русский ученый академик К. М. Бэр в 1827 г. Каждая яйцеклетка окружена слоем фолликулярного эпителия, продуцирующего эстрогенные гормоны. Постепенно фолликул превращается в довольно крупный граафов пузырек, внутри которого помещается яйцеклетка. В развитии фолликула различают четыре фазы: созревание, овуляцию, образование на месте овулировавшего фолликула желтого тела и фазу рассасывания желтого тела. От количества овулировавших фолликулов и оплодотворенных в один период размножения яйцеклеток зависит количество приплода.

В организме самки млекопитающих и в ее половом аппарате в определенные периоды создаются благоприятные условия для оплодотворения яйцеклеток и развития зародышей. По частоте возникновения в течение года этих циклов млекопитающих разделяют на моноэстральных и полиэстральных. Большинство животных, живущих на воле, размножается один раз в год и имеет один период половой активности, во время которого животные спариваются. Вторую группу составляют многие хозяйственно-полезные животные, большинство грызунов и человек. У них в течение года циклы повторяются многократно.

Каждый половой цикл состоит из следующих фаз, или стадий: предовуляционной, овуляционной, послеовуляционной, покоя. Каждая стадия полового цикла характеризуется рядом изменений не только в половом аппарате, но и в организме в целом.

У женщин половой цикл принято называть менструальным циклом. Условно он определяется от первого дня наступившей менструации до первого дня следующей менструации. Менструация возникает в послеовуляционном периоде, если почему-либо не произошло оплодотворения, и на месте лопнувшего фолликула вслед за овуляцией образуется эндокринная железа - желтое тело, продуцирующее гормон прогестерон. С исчезновением желтого тела слизистая оболочка матки подвергается обратному развитию. У высших обезьян и человека ее целостность нарушается, в результате чего возникает кровотечение - менструация. Нормальной длительностью менструального цикла у женщин считается 28 сут, продолжительность менструаций - 2-3 сут.

При спаривании, или половом акте, в половые пути самки вводится сперма самца. Половой акт представляет сложнорефлекторный процесс, в нем участвует ряд безусловных и условных рефлексов. У самцов и самок основными безусловными рефлексами являются: рефлекс полового влечения (рефлекс отыскивания самки или самца), обнимательный рефлекс, рефлекс подготовки половых органов (эрекция), совокупительный рефлекс, рефлекс выделения гамет. В осуществлении безусловных половых рефлексов принимает участие соматическая, симпатическая, парасимпатическая и отчасти метасимпатическая нервная система.

У млекопитающих осеменение внутреннее, оно может быть влагалищным и маточным. При первом эякулят попадает во влагалище, откуда сперматозоиды, активно двигаясь, переходят в матку. При втором типе сперма вводится непосредственно в матку. У человека влагалищный тип эякуляции. Период, в течение которого сперматозоиды в половых путях самки сохраняют способность к оплодотворению, как правило, незначителен. У человека он ограничивается 2 сут. Оплодотворение происходит в основном в ближайшей к яичнику трети яйцевода. Специфической особенностью оплодотворения является проникновение сперматозоидов в цитоплазму яйцеклетки, слияние их ядер и образование зиготы - оплодотворенной яйцеклетки, способной расти, развиваться и давать начало новому организму.

Состояние самки от оплодотворения до рождения плода называют беременностью. В эмбриональном развитии организма млекопитающих различают зародышевый, предплодный и плодный периоды. У отдельных видов животных развитие зародыша имеет ряд особенностей, касающихся характера прикрепления эмбриона к стенке матки и условий его питания. Вначале зародыш получает пищевые вещества с помощью осмоса. Этими веществами являются выделения маточных желез, транссудат крови и лимфы. Позже питание происходит за счет крови материнского организма. Последнее осуществляется через плаценту - образование, развивающееся из наружной оболочки плода и слизистой оболочки матки. Кровеносные сосуды плода и кровеносные сосуды матери входят в плаценте в тесное соприкосновение, отделяясь друг от друга эндотелием капилляров. Кровь матери и кровь плода, однако, никогда не смешиваются.

Плацента - не простая перегородка, она обладает сложными биологическими функциями. Переход веществ из крови матери в кровь плода происходит строго избирательно. Избирательная способность плаценты пропускать одни вещества и задерживать или подвергать биологической обработке другие получила название плацентарного барьера. Таким образом, на протяжении всей беременности функционирует система мать-плацента-плод. Материнский организм обеспечивает оптимальные условия для развития плода,

У плода процессы ассимиляции преобладают над процессами диссимиляции, что обеспечивает его быстрый рост. Легкие у плода не функционируют, из-за чего его кровообращение существенно отличается от кровообращения взрослых организмов. Оно связано с плацентой и называется плацентарным. Кишечник у плода начинает функционировать лишь во второй половине эмбрионального периода. Движения плода прослеживаются в середине беременности. Головной мозг плода находится в состоянии покоя, условнорефлекторной деятельности у него нет, эндокринные железы функционируют.

Результатом законченного эмбрионального развития плода являются роды. Они осуществляются благодаря сокращениям мускулатуры матки и брюшного пресса. Процесс родов делят на три фазы: раскрытие родовых путей, изгнание плода, послеродовая фаза. Родовой акт состоит из ряда рефлексов, многие из которых начинаются с интероцепторов матки. В возникновении родов наибольшая роль принадлежит нейрогуморальной и гормональной системе матери и плацентарному комплексу. Во время третьей фазы родов выходят плодные оболочки - послед.

Важнейшим анатомическим признаком млекопитающих животных и человека являются молочные железы. Они относятся к системе органов размножения. Образование молока после родов и его выведение из, молочных желез - лактация - одно из важнейших биологических приспособлений. Молоко - естественная пища новорожденных, которую, как указывал И. П. Павлов, приготовила сама природа. Молоко имеет сложный химический состав и по биологической ценности превосходит все другие продукты питания. В нем содержится более 100 различных веществ, в том числе более 30 жирных кислот 20 аминокислот, 17 витаминов, много ферментов, около 40 минеральных веществ и другие. Ряд соединений, такие как казеин и лактоза, ни в каких других природных продуктах не встречаются.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Алексеева Л. В. Полицикличность размножения у приматов и антропогенез. М., 1977.

Бабичев В. Н. Нейрогуморальная регуляция овариального цикла. М., 1984. Биология развития млекопитающих. Методы / Под ред. М. Манка. М., 1990.

Вундер П. А. Эндокринология пола. М., 1980.

Герасимова Л. И., Лупандин Ю. В. Физиология репродукции. Петрозаводск, 1997.

Гормональная регуляция размножения у млекопитающих / Под ред. К. Остина., Р. Шорта. М. 1987.

Грачев И. И., Алексеев Н. П. Роль рецепторов в регуляции лактации. Л., 1980.

Донован Б. Т., Верф Тен Бош Дж. Физиология полового развития. М., 1974.

Држевецкая И. А. Основы физиологии обмена веществ и эндокринной системы. М., 1994.

Зеленская Т. М. Эндокринные взаимоотношения и тестикулярные антитела. Киев, 1981.

Новиков С. Н. Феромоны и размножение млекопитающих. Физиологические аспекты. Л. 1988.

Ноздрачев А. Д., Чернышева М. П. Висцеральные рефлексы. Л., 1989.

Савченко О. Н., Арутюнян Н. А., Степанов М. Г. Экспериментальное бесплодие: Эндокринологические аспекты. СПб., 1992.

Савченков Ю. И., Лобынцев К. С. Очерки физиологии и морфологии функциональной системы мать-плод. М., 1980.

Самойлов А. П. Так называемый секс. Л., 1991.

Смит Дж. М. Эволюция полового размножения. М., 1981.

Чернышева М. П. Гормоны животных. Введение в физиологическую эндокринологию. СПб. 1995.

15 ФИЗИОЛОГИЯ СТАРЕНИЯ

ВЕХИ ИСТОРИИ

IV в. до н. э. - Аристотель (Древняя Греция) отметил связь между продолжительностью жизни организмов и протяженностью периода их роста (соотношение 5-6 : 1).

II в. - Вей Поян (Wei Po-Yang, Китай) первым высказал идею о существовании "философского камня", который должен превращать другие металлы в золото и давать человеку вечную молодость. Этот эликсир алхимики искали на протяжении многих веков.

XVII в. - X. Гюйгенс (Ch. Huygens, Нидерланды) впервые рассчитал среднюю продолжительность жизни.

1817 - Дж. Паркинсон (J. Parkinson, Великобритания) дал описание болезни пожилых людей, внешние проявления которой- тремор головы и конечностей, нарушение походки и речи (болезнь Паркинсона).

1825 - Б. Гомпертц (В. Gompertz, Великобритания) показал, что смертность растет с возрастом в геометрической прогрессии и дал математическое выражение этой зависимости.

1860 - У. Мейкем (W. Makeham, Великобритания) сформулировал уравнение, описывающее динамику смертности. Это уравнение (Гомпертца-Мейкема) и сейчас широко применяется в геронтологии.

1882 - А. Вейсманн (A. Weismann, Германия) предположил, что продолжительность жизни обусловлена ограниченной способностью соматических клеток к размножению.

1889 - Ш. Браун-Секар (Ch. Brown-Sequard, Франция) в опытах на себе показал, что введение вытяжек из семенников животных приводит к временному омоложению.

1903 - И. И. Мечников (Россия) в "Этюдах о природе человека" причиной старения назвал отравление организма продуктами жизнедеятельность кишечной микрофлоры.

1904 - О. Вернер (О. Werner, Германия) описал прогерию взрослых (синдром Вернера) - наследственное заболевание, проявляющееся тем, что задолго до наступления пожилого возраста формируются характерные для старческого организма нарушения (катаракта, атрофия эпидермиса и скелетных мышц, сахарный диабет и т. д.).

1907 - А. Альцгеймер (A. Alzheimer, Германия) описал старческое слабоумие (болезнь Альцгеймера).

1908 - М. Рубнер (М. Rubner, Германия), сравнивая животных разных видов, обнаружил обратную зависимость между продолжительностью жизни и интенсивностью метаболизма.

1912 - А. Каррель (A. Carrel, Франция) заявил, что клетки многоклеточного организма могут размножаться in vitro неограниченно (потенциальное бессмертие соматических клеток), отвергнув гипотезу Вейсманна.

1940 - А. А. Богомолец (СССР) первопричину старения определил как изменение соединительной ткани, связанное с потерей коллоидами своих свойств.

1955 - Ф. Верцар (F. Verzar, Швейцария) создал теорию поперечных сшивок: причиной старения являются дисульфидные мостики, возникающие в макромолекулах и ограничивающие их функции.

1956 - Д. Харман (D. Harman, США) создал теорию свободных радикалов, повреждающих ДНК и тем самым вызывающих старение.

1959 - Л. Силард (Сцилард, L. Szilard, США) предложил теорию, согласно которой причиной старения является радиационное повреждение хромосом.

1964 - Л. Хейфлик (L. Hayflick, США) показал, что клетки, полученные из многоклеточного организма (фибробласты человека), in vitro претерпевают ограниченное число делений, после чего погибают (возврат к взглядам Вейсманна).

1969 - Р. Уолфорд (R. Walford, США) создал иммунологическую теорию старения: программированные изменения клеток иммунной системы детерминируют максимальную продолжительность жизни.

1990-е - Бурное развитие исследований, направленных на продление активной жизни человека. При Российской академии наук создается Геронтологическое общество, возникают специализированные кафедры, центры и институты, проводятся Всероссийские съезды и Международные конгрессы геронтологов и гериатров.

Задачей биологии старения является выяснение первичных механизмов, установление их взаимосвязи в процессе жизнедеятельности организма, определение возрастных особенностей адаптации организма к окружающей среде.

15.1. ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ЖИЗНИ И ПРЕДМЕТ ФИЗИОЛОГИИ СТАРЕНИЯ

Человек - единственное существо, знающее о неизбежности своей смерти. Его естественное неприятие этой мысли привело к бесчисленным попыткам найти эликсир бессмертия. Первый по времени появления из известных литературных источников - "Легенда о Гильгамеше" (Шумер, ок. 2000 г. до н. э.) - посвящен именно этому сюжету. Вместо достижения бессмертия человечество добилось значительного увеличения средней продолжительности жизни. Если в доисторические времена она равнялась примерно 20 годам, от Средних веков до XIX в. - 30, то к началу XX в. успехи медицины (главным образом - в предупреждении инфекционных болезней), увеличили среднюю продолжительность жизни человека до 45 лет. Сейчас в благополучных обществах она составляет примерно 75 лет для мужчин и 80 - для женщин (рис. 15.1).

Таким образом, в некоторых странах продолжительность жизни за последние полтора столетия возросла в 2,5 раза, и возникла новая проблема - старение населения. Так, в США уже сейчас возраст 3 млн граждан превышает 85 лет, и ожидается, что к 2020 г. их будет вдвое больше.

Рис. 15.1 Увеличение продолжительности жизни в XX веке (женщины, жительницы развитых стран)

Кривая выживаемости составлена в процентах от числа всех родившихся. М50 - средняя продолжительность жизни, то есть возраст, в котором половина родившихся еще жива. Видно постепенное увеличение этого показателя по мере повышения качества жизни.

Целью физиологии старения и гериатрии (от греч. geron - старик и iatreia - лечение) является обеспечение человеку возможности активной жизни до 80 лет.

Согласно классификации возрастов ВОЗ, "старостью" называется только промежуток жизни между 75-м и 90-м годами жизни. До достижения 75-летнего возраста человек именуется "пожилым".

Заметим, что наибольшая продолжительность жизни среди животных составляет от 60-80 (слон) до 150 лет (черепахи). Продолжительность жизни животных часто выражается экспоненциальной зависимостью (рис. 15.2).

Теоретически предметом физиологии старения является только здоровый организм человека или животного. Все случаи хронических заболеваний исключаются. Однако смерть от старости, если она вообще имеет место, явление очень редкое: практически каждый организм умирает от приобретенных болезней, но не от самого факта старения и изнашивания. Подсчитано, что если бы были устранены заболевания сердечно-сосудистой системы и рак, то половина людей могла бы дожить почти до 100 лет. На этом основан второй, реалистический, подход, в соответствии с которым физиология старения изучает всех индивидов, достигших преклонного Возраста.

Теории старения. Единой теории старения до сих пор не создано (табл. 15.1). Существующие теории (которые правильнее было бы называть гипотезами) объединяются в две большие группы - генетическую и негенетическую. Сторонники первых считают, что причина старения - в изменении информации, передаваемой от ДНК к синтезируемым в организме белкам. Другая, негенетическая, группа теорий утверждает, что синтез белковых и прочих молекул в течение всей жизни происходит в основном правильно и только потом эти молекулы повреждаются в результате воздействия факторов внешней среды;

накопление таких повреждений и составляет суть процесса старения.

Генетические теории. Один из вариантов генетической теории предполагает существование специальных генов старения. В соответствии с этими взглядами, суть процесса старения - не в нарушении генетической информации, а в том, что в определенный момент жизни экспрессируются соответствующие гены и начинается осуществление изначально заложенной программы старения.

Подобное предположение можно обосновать тем, что удлинение индивидуальной жизни организмов при ограниченности пищевой базы вида препятствовало бы развитию новых организмов и тем самым задерживало бы процессы изменчивости и приспособления вида к меняющимся условиям внешней среды. Впервые подобную мысль высказал А. Вейсманн в 1891 г. Ранее он предложил искать причины старения на клеточном уровне.

У человека описано наследственное заболевание - прогерия (от греч. progeros - преждевременно состарившийся) взрослых, или синдром Вернера, при котором задолго до наступления пожилого возраста формируются такие характерные для старческого организма нарушения, как катаракта, артериосклероз, сахарный диабет, злокачественные опухоли, поседение и атрофия кожи. Синдром Вернера можно рассматривать как генетическую

Таблица 15.1

Теории старения

Теория

Главная идея

Современное состояние

Измененных белков

Происходящие со временем претрансляционные изменения в молекулах меняют их конформацию и ферментативную активность, работа клетки нарушается

Подтверждена, точный механизм неясен

Соматических мутаций

Соматические мутации изменяют генетическую информацию и снижают эффективность работы клетки до уровня ее гибели

В нескольких случаях не подтверждена, но образование опухолей по крайней мере отчасти - результат соматических мутаций

Повреждения и восстановления ДНК

В клетке есть механизмы, восстанавливающие ДНК после ее повреждений. По мере старения эффективность восстановления снижается

Подтверждена, точно роль этих механизмов не известна

Катастрофы ошибок

Нарушение транскрипции и/или трансляции снижает эффективность работы клетки до уровня ее гибели.

Не подтверждена, но в измененном виде соответствует некоторым фактам

Дисдифферен-циации

Нарушение механизмов активации/репрессии генов приводит к синтезу ненужных белков, что снижает эффективность работы клетки до уровня ее гибели

Вероятна

Окислительного повреждения, или свободных радикалов

Продолжительность жизни обратно пропорциональна степени окислительного повреждения и прямо пропорциональна активности антиоксидантной защиты.

Подтверждена в некоторых случаях, возможна - и во многих других

Накопления отходов (метаболи-тов)

Отходы обмена веществ (метаболиты) накапливаются в клетке и снижают эффективность ее работы до уровня гибели, если они не удаляются или не растворяются при делении клетки

Возможна, особенно в новой интерпретации, но мало вероятна

Посттрансляционных изменений в белках

Со време.нем происходит химическая модификация важных молекул (например, коллагена), что нарушает функции клетки и снижает эффективность работы организма до уровня его гибели. Поперечные сшивки в молекулах белка - часть этого механизма

Подтверждена

"Носилось и износилось"

Повреждения тканей происходят ежедневно в процессе нормальной жизни. Они нарушают работу организма до уровня его гибели

Подтверждена в ограниченном числе случаев (например, потеря зубов ведет к голоданию). В измененном виде стали частью других теорий

Метаболические теории

Продолжительность жизни обратно пропорциональна величине основного обмена

В исходном виде опровергнуты, превращенные в теорию свободных радикалов, возможно, верны

Генетические теории

Изменения в экспрессии генов вызывают соответствующие изменения в клетках. Предполагается участие множества меха-

внутри- и межклеточном уровнях.

Подтверждены, но нет единого генетического механизма

Апоптоза

Программированное самоубийство клеток вызывается внеклеточными командами

Старые клетки несут на себе белки, но фаги, опознают их и уничтожают.

Подтверждена. Неспособность вызвать или подавить апоптоз, возможно, ответственна за многие заболевания. Роль в здоровом старении неясна

Подтверждена для ограниченного числа случаев

Нейроэндокринные теории

Нарушения в клетках, выполняющих специфические интегративные функции, ведут к нарушению гомеостаза, старению и смерти

Подтверждены для старения женской репродуктивной системы и других случаев. Возможно подходят и для многих

Иммунологические теории

Продолжительность жизни зависит от специальных генов иммунной системы, одни аллели продляют ее, другие - сокращают. Эти же гены, возможно, регулируют и нейроэндокринную систему. Нарушение этих механизмов снижает эффективность работы организма до уровня его гибели

Вероятны

модель преждевременного старения. При детской прогерии (синдроме Гилфорда) признаки старения появляются еще до периода полового созревания, а смерть наступает до 30-летнего возраста от заболеваний сердечно-сосудистой системы.

Представление о существовании генетической программы старения подтверждается еще и тем, что нормальные диплоидные клетки человеческого организма (например, фибробласты) in vitro могут претерпевать только ограниченное (несколько десятков) число делений. Есть также данные о том, что in vitro клетки человека (долгоживущего существа) претерпевают больше делений, чем клетки мыши (короткоживущего), и что чем старше донор, тем к меньшему количеству делений способны его клетки. Однако, если этим и можно обьяснить процесс старения, смерть от старости имеет другие причины: клетки даже очень старых людей способны делиться еще примерно 20 раз (что намного превышает продолжительность предстоящей жизни человека).

Различные факторы внешней среды способны вызвать изменения в молекулах ДНК. Среди таких факторов первое место занимают ионизирующие излучения: естественные (космические и от скоплений радиоактивных элементов в земной коре) и искусственные. Свободные радикалы, образование которых происходит в организме постоянно, также способны повреждать ДНК. Существуют и другие мутагенные факторы - физические и химические (например, курение). Считается, что именно курение является причиной того, что мужчины живут в среднем на несколько лет меньше, чем женщины.

В молодом организме эффективно работает система ферментов, предназначенных для восстановления возникающих в ДНК дефектов. В старости эффективность этой системы снижается. В результате из определенных участков ДНК исчезают метильные группы. Накопление "ошибок" в молекулах ДНК приводит к синтезу "неправильных" белков, в том числе ферментов со сниженной активностью, и появлению нежелательных белков, например, таких, которые способствуют развитию злокачественных опухолей.

Негенетические теории. В течение жизни индивида молекулы, из которых состоит его организм, повреждаются. Наиболее важны изменения в белках и углеводах. Так, в белках происходит окисление некоторых аминокислотных остатков, гликолизирование (присоединение боковой углеводной цепи) и образование поперечных сшивок (дисульфидных мостиков), усиливающих межмолекулярные связи и ограничивающих функции белковых молекул. Эти модификации молекул с возрастом накапливаются: например, содержание окисленных белков в коже старых крыс может достигать 30-50% .Нарастает количество "сшитых" белков в головном мозгу. При прогерии содержание окисленных белков в организме молодых людей достигает того же уровня, что и у 80-летних.

Структурные модификации белков-ферментов приводят к нарушению их функций. Протеиназы, предназначенные для разрушения окисленных белков, сами модифицируются, и активность их падает. Возникает дефицит пероксид-дисмутазы и каталазы, которые должны инактивировать возникающие свободные радикалы. Избыток свободных радикалов дополнительно повреждает клеточные мембраны. Накопление ошибок в структуре белков препятствует делению клеток.

Накопление свободных радикалов приводит к деструктивному окислению длинноцепочечных углеводородных соединений в клеточных мембранах, в результате чего меняются их свойства, например, снижается текучесть мембран синаптосом. Происходящее в течение жизни изменение молекул снижает прочность молекул и нарушает их функции.

Неоднократно предпринимались попытки объединить обе основные группы теорий старения. Первый вариант объединения сводился к тому, что под действием внешних и внутренних повреждающих факторов нарушается структура молекул ДНК и РНК, в результате чего происходит синтез "неправильных" (незапрограммированных генетически) белков, в том числе ферментов (РНК-полимераз); они в свою очередь обусловливают синтез "неправильных" молекул РНК и так далее, по механизму порочного круга. Сам по себе этот процесс не приводит к смерти организма: когда количество "неправильных" молекул РНК достигает критического уровня, включается механизм самоингибирования и возникает состояние равновесия между синтезами "правильных" и "неправильных" молекул. Второй вариант: в течение жизни происходит окисление белков, в том числе и ферментов, ответственных за поддержание структуры ДНК. В результате в ДНК накапливаются ошибки, что приводит к появлению "неправильных" белковых молекул и т. д.

15.2. ПРОЯВЛЕНИЯ СТАРЕНИЯ

Главным признаком наступления старости является снижение способности адаптироваться к изменению среды - физической и социальной. В стабильной среде трудно отличить старый организм от молодого. Различия проявляются в ответах на действие стрессоров - температурных, пищевых, эмоциональных, социальных и др. Ответ старческого организма замедлен и не достигает той же величины, что у молодого. Другой важнейший признак наступления старости - снижение репродуктивной функции.

Опорно-двигательный аппарат и двигательные функции. Минерализация костной ткани в старческом организме уменьшается - развивается сенильный остеопороз (от лат. senilis - старческий и греч. osteon - кость и poros - отверстие) (рис. 15.3). Кости становятся более хрупкими, частота переломов возрастает. Особенно часты у старых людей возникающие при падениях переломы лучевой кости (в так называемом "типичном месте" - у лучезапястного сустава) и шейки бедренной кости. Последний на долгие месяцы ограничивает физическую активность человека, что часто приводит к гипостатической

Рис. 15.3 Возрастные изменения плотности костной ткани (мг/мм3) предплечий у женщин

Значения для правого предплечья (а) постоянно выше, чем левого (б), видимо, в результате более частого упражнения правой руки у правшей, составляющих в популяции большинство.

(застойной) пневмонии и смерти. Возрастные изменения в обмене кальция можно задержать, разумно ограничивая потребление пищи.

В глубокой старости изменения в хрящах проявляются деформацией суставов, особенно коленных, что приводит к искривлению нижних конечностей. Усиливается искривление позвоночника с образованием выпуклости, обращенной кзади (кифоз). Нарушение нервной регуляции движений (например, при развитии болезни Паркинсона - см. ниже) в совокупности с изменениями в костной системе делают походку шаткой и неуверенной. Точные движения пальцев рук нарушаются. Появляется тремор - дрожание головы и кистей.

Кровь и внутренняя среда организма. Уже в зрелом возрасте начинается замещение костного мозга жировой и соединительной тканями. К старости количество активных клеток костного мозга уменьшается вдвое. Ослабление эритропоэза проявляется снижением количества ретикулоцитов в периферической крови. Снижаются также количество эритроцитов, содержание в них гемоглобина и АТФ. Часто наблюдается дефицит факторов кроветворения:

витамина B12 (кобаламина), фолиевой кислоты и железа. Лейкопоэз с возрастом изменяется меньше, чем эритропоэз. Частичная инволюция лимфоидной ткани заметна в миндалинах, селезенке, лимфатических узлах. Общее содержание белков в плазме крови остается почти неизменным, но нарушается баланс между альбуминами (их количество снижается) и глобулинами (растет), что проявляется увеличением скорости оседания эритроцитов (СОЭ).

Активность свертывающей системы крови с возрастом увеличивается (растет содержание фибриногена и фактора VIII). Только отчасти это компенсируется активацией противосвертывающей системы - снижением количества тромбоцитов и ростом содержания гепарина. Соответственно возрастает вероятность тромбозов, эмболии и ишемических инсультов.

Иммунная система. Согласно одной из теорий, старение - это комплекс генетически запрограммированных, осуществляемых через посредство гипоталамуса изменений в иммунной системе. Наиболее заметные сдвиги происходят в реакции гиперчувствительности замедленного типа, резистентности к опухолевым клеткам, вирусам и простейшим. Все это повышает риск возникновения злокачественных опухолей, инфекционных, аутоиммунных и других заболеваний. Психическое напряжение и особенно депрессия также сопровождаются ослаблением иммунитета.

В большей степени страдает клеточный иммунитет. Снижается эффективность деятельности иммунных клеток, но не общее число лимфоцитов, гранулоцитов или фагоцитирующая функция нейтрофилов. Т-клетки - наиболее

Рис. 15.4 Возрастные изменения физической работоспособности

А - максимальная частота сердечных сокращений (ударов/мин); Б - максимальное потребление кислорода (л/мин) при выполнении пробы на велоэргометре. Двое мужчин регулярно выполняли эту пробу на протяжении 40-50 лет.

Рис. 15.5 Возрастное снижение сердечного индекса (а), физической работоспособности (б) и аккомодационной способности глаз (в) человека, в процентах от исходного уровня

чувствительный к старению компонент иммунной системы. Ослабление их функции происходит параллельно инволюции вилочковой железы (тимуса). Секреция гормонов тимуса, необходимых для созревания Т- и В-лимфоцитов, начинает снижаться уже с третьего десятилетия жизни. В 50 лет тимус имеет массу менее 15% от таковой в раннем взрослом периоде. Повышается активность естественных киллеров.

Гуморальный иммунитет с возрастом меняется меньше, чем клеточный, и В-клетки функционируют относительно нормально. Некоторые изменения в них, возможно, вызваны нарушением функции Т-хелперов. Снижается содержание иммуноглобулинов классов А и G. Уменьшен ответ антителообразования на новые антигены, но не на повторное проникновение их в организм. Ослабление системы иммунного надзора приводит к увеличению концентраций циркулирующих в крови аутоантител и комплексов "антиген-антитело". Эти сдвиги коррелируют с повышением смертности.

Сердечно-сосудистая система. В сердце мышечные волокна частично замещаются соединительной тканью, вблизи клеточных ядер откладывается специфический бурый пигмент - маркёр старости - липофусцин. Клетки проводящей системы сердца частично замещаются коллагеном, что приводит к нарушению передачи возбуждения. Возникновение эктопических очагов возбуждения нарушает сердечный ритм. Склероз коронарных (венечных) сосудов сердца снижает кровоснабжение миокарда, что при выполнении физических нагрузок проявляется снижением максимальной частоты сердечных сокращений (рис. 15.4), ударного (систолического) объема и сердечного выброса (минутного объема кровообращения, или дебита сердца), а также сердечного индекса (рис. 15.5). Восстановление сердечного ритма после физических нагрузок происходит медленнее, чем в молодом возрасте.

В стенке артерий эластические волокна и гладкие мышцы частично

Рис. 15.6 Систолическое (верхние кривые) и диастолическое (нижние кривые) кровяное давление (мм pm.cm.) у мужчин (А) и женщин (Б) различного возраста

замещаются коллагеном, что проявляется снижением упругости сосудистой стенки. Проницаемость капилляров также падает. Ослабляются рефлексы, регулирующие просвет сосудов. Растет общее периферическое сопротивление сосудистой системы и артериальное давление (рис. 15.6). Однако феномен гипертензии пожилого возраста нельзя полностью обьяснить только снижением эластичности сосудов: подобные изменения сосудов происходят у всех людей, но гипертонической болезнью страдает лишь 2/3 пожилых.

Формирование атеросклеротических бляшек (очаговых утолщений внутренней оболочки артерий) способствует тромбозу с особенно тяжелыми последствиями в случае поражения сосудов сердца и головного мозга. Скорость развития атеросклероза определяется взаимодействием генетических факторов, питания и физической активности человека.

Система органов дыхания. Остеохондроз грудной клетки ограничивает ее экскурсии. Масса легких не уменьшается (рис. 15.7), но уменьшение числа эластических волокон снижает растяжимость и упругость легочной ткани. Скопление слизи в бронхах и ухудшение ее выведения увеличивает сопротивление дыхательных путей потоку воздуха. Альвеолы расширяются, часть перегородок между ними исчезает. Перечисленные изменения уменьшают вентиляцию альвеол и жизненную емкость легких. Функциональная остаточная емкость легких и объем мертвого пространства увеличиваются. Снижается число легочных капилляров. Это проявляется учащением дыхания в покое, снижением максимального минутного объема дыхания при физических нагрузках и, соответственно, величины переносимых нагрузок (см. рис. 15.4, 15.5).

Питание, пищеварение и обмен веществ. В старческом возрасте в результате стирания и выпадения зубов нарушается процесс жевания, что отражается на полноте переваривания некоторых компонентов пищи и приводит к отказу от потребления необходимых организму продуктов, требующих пережевывания, например, сырых овощей. Нарушение слюноотделения проявляется ощущением сухости во рту и затруднением проглатывания пищевого комка. I В эпителии пищевода происходят атрофические изменения. Нарушается его перистальтика и процесс проталкивания пищи в желудок. Тонус кардиального сфинктера снижается, что приводит к желудочно-пищеводному рефлюксу (забросу желудочного содержимого обратно в пищевод) и сопровождается неприятными ощущениями.

Слизистая оболочка желудка постепенно атрофируется. Его моторная и секреторная функции ослабляются, в частности, уже в зрелом возрасте снижается секреция соляной кислоты.

Атрофические изменения происходят и в поджелудочной железе (см. рис. 15.7). Снижается активность панкреатического сока - протеолитическая, липолитическая и амилолитическая.

Масса печени (см. рис. 15.7) и величина кровотока в ней уменьшаются. Интенсивность синтеза белков в печени и содержание их в плазме крови снижаются. Это увеличивает риск возникновения отеков. Активность печеночных ферментов падает, что проявляется более медленным расщеплением и выведением из организма лекарственных веществ. В жёлчном пузыре из-за снижения его тонуса происходит застой жёлчи, что часто сопровождается образованием конкрементов (камней).

Рис. 15.7 Изменение массы органов (г) в зависимости от возраста человека

а - печень, б - головной мозг, в - легкие, г - почки, д - селезенка, е - поджелудочная железа.

Тонус стенки тонкой кишки с возрастом уменьшается, ее длина возрастает. Количество микроворсинок и интенсивность пристеночного пищеварения падают. Регенерация слизистой оболочки кишки замедляется. Снижается всасывание некоторых пищевых веществ, в том числе водорастворимых витаминов. Задержка пищи компенсирует снижение интенсивности пищеварительных процессов.

В толстой кишке также происходит ослабление моторной функции и ее рефлекторной регуляции, что приводит к длительным запорам. Их развитию противодействуют грубая пища и физическая активность. В глубокой старости развиваются недостаточность сфинктеров с соответствующими последствиями.

Менее эффективная утилизация жиров приводит к увеличению доли липидов в организме. Усиливается свободнорадикальное окисление липидов. Уровень холестерина и липопротеидов низкой и очень низкой плотности в плазме крови растет, соответственно снижается доля липопротеидов высокой плотности. Все это значительно увеличивает вероятность образования атеросклеротических бляшек. Снижение эффективности эндокринной части поджелудочной железы затрудняет утилизацию глюкозы и увеличивает риск развития сахарного диабета.

Обмен энергии и терморегуляция. Старение снижает эффективность всей системы терморегуляции. Оценка температуры внешней среды и собственного тела становится менее точной, замедляется и ослабевает ответ теплопродукции (сократительного термогенеза) и теплоотдачи (потоотделения и реакции перераспределения кровотока) на изменение температуры окружающей среды. Снижается величина основного обмена (примерно на 20%), физическая активность и средняя температура тела (иногда бывает ниже 35 °С). Субъективно пожилые люди хуже переносят снижение температуры окружающей среды, чем ее повышение.

Выделение. По мере старения организма уменьшаются: масса почек (см. рис. 15.7), число нефронов (примерно на 1/3), почечный кровоток, скорость клубочковой фильтрации, концентрационная способность и клиренс многих веществ, в том числе лекарственных.

У мужчин после 60 лет нередко развивается аденома (доброкачественная опухоль) предстательной железы (простаты), которая постепенно сдавливает мочеиспускательный канал и препятствует выведению мочи, вынуждая больного подвергнуться хирургической операции.

Стенки мочевыводящих путей теряют эластичность, емкость их возрастает, соответственно растет вероятность рефлюкса мочи и восходящего распространения инфекции. Снижение растяжимости мочевого пузыря приводит к тому, что позывы к мочеиспусканию учащаются. Регуляция сфинктеров ослабевает, что проявляется частичным недержанием мочи.

Кожа. В коже происходят облитерация (заращение) артериол и дилатация вен. Количество анастомозов растет за счет снижения числа активных капилляров. Кровоснабжение кожи ухудшается. В сочетании с пролиферацией эпителия это делает кожу сухой, морщинистой и дряблой. Снижение эластичности и бактерицидных свойств кожи увеличивает вероятность ее травмирования. На участках, открытых солнцу, развиваются клоны мутантных клеток, вызывающие появление пигментных пятен. Волосы редеют, теряют пигмент (седеют) и выпадают. Ногти растут медленнее, утолщаются и становятся ломкими.

Репродукция. После 50 лет сперматогенез ослабевает, концентрация тестостерона в крови снижается. Главные возрастные изменения происходят непосредственно в яичках, но у многих пожилых мужчин обнаруживаются нарушения и в гипоталамо-гипофизарной регуляции половых желез.

Способность к оплодотворению (подвижность сперматозоидов) теряется значительно раньше, чем способность произвести половой акт. Перерывы между половыми актами становятся дольше, хотя у некоторых индивидов угасание половой функции происходит удивительно поздно. Главная причина импотенции пожилых - атеросклероз артерий и изменения в венозной системе половых органов. Психогенные нарушения у них редко становятся главной причиной снижения потенции, но часто присоединяются в качестве вторичного фактора. В последние годы созданы медикаменты, поддерживающие потенцию и в пожилом возрасте, например виагра. Снижение уровня тестостерона не приводит к изменениям внешности и психики, подобным тем, которые отмечаются при раннем нарушении функции мужских половых желез (евнухоидизме).

У женщин в возрасте около 50 лет происходит климакс: менструации становятся слабыми и нерегулярными, затем исчезают вовсе, овуляции прекращаются, желтое тело не образуется, концентрации эстрогенов и прогестерона падают. Развивается атрофия вульвы, влагалища и уретры, часто возникают доброкачественные опухоли (миомы) матки. Климакс сопровождается нестабильностью сосудистого тонуса ("приливы"), потливостью, неустойчивостью настроения, раздражительностью, иногда преходящей депрессией. Эти явления могут длиться в течение нескольких лет до и после последней менструации. На седьмом десятилетии жизни происходит инволюция матки.

Эндокринная система. Процесс старения сопровождается многочисленными нарушениями функций эндокринной системы. Часто трудно определить, что является причиной этих нарушений - собственно старость или нераспознанные болезни, ее сопровождающие.

У старых животных концентрации большинства гормонов снижены, что прослеживается на всех уровнях эндокринной системы: рилизинг-факторов гипоталамуса, тропных и эффекторных гормонов. Еще более разница между молодым и старым организмами заметна при сравнении не базальных уровней секреции, а реакций эндокринных желез на внешнее воздействие. Так, гипофиз старых крыс отвечает на действие рилизинг-факторов гипоталамуса (либеринов) секрецией меньшего количества тройных гормонов. Чувствительность желез-мишеней к тропным гормонам также ослабевает. Подобные изменения прослежены в гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой и гипоталамо-гипофизарно-тиреоидной системах.

Искусственно восполняя недостающие в гипофизе старых крыс вещества, можно задержать или обратить вспять ослабление репродуктивной функции, развитие опухолей и инволюцию вилочковой железы (тимуса).

Еще одна причина ослабления эндокринной регуляции - возрастные изменения структуры гормонов и, соответственно, их активности. Так, по мере старения меняется молекулярная масса и снижается активность тиреотропина (ТТГ). Возрастные изменения происходят и на рецепторном уровне - снижается способность клеток-мишеней отвечать на воздействие гормонов. Следующий уровень возрастных изменений - пострецепторный механизм вторичных посредников: например, меняется ответ мобилизации кальция на действие гормонов и нейротрансмиттеров. Искусственным введением кальция в клетку в некоторых случаях удается предотвратить снижение ее ответа на гормоны. Возможно, это подсказывает новую стратегию терапии. Происходят изменения и в связывании кальция в клетке.

По мере старения организма всасывание кальция в кишке и реабсорбция фосфора в почках снижаются. В ответ растет секреция паратирина (паратгормона) и уменьшается содержание (витамин D)-гормона (1,25-дигидроксикальциферола). Резорбция кальция из костной ткани усиливается. В результате уровень кальция в крови остается неизменным. Эффективность регуляции обмена кальция падает: ослабляется чувствительность стенки кишки к (витамин D)-гормону, паращитовидных желез - к концентрации кальция в крови, почек - к паратирину (снижается количество паратириновых рецепторов).

В старости усиливается образование катехоламинов в симпатической части автономной нервной системы. С другой стороны, ослабляются эффекты, передаваемые воздействием катехоламинов на адренорецепторы. Все это суживает диапазон возможных ответов на экстремальные воздействия внешней среды. Возможно, дополнительные количества катехоламинов нужны для лучшей утилизации нутриентов: действуя на адипоциты, катехоламины усиливают липолиз. Через (?-адренорецепторы печени они активируют и гликогенолиз.

В старости происходят изменения в регуляции обмена глюкозы. Количество ?-клеток в поджелудочной железе уменьшается. В ответ на рост концентрации глюкозы они высвобождают в кровь меньшее количество инсулина. Обратная связь, подавляющая выброс глюкозы печенью (при повышений ее концентрации в крови), действует медленнее. Активность инсулина падает, соответственно, нарушается поглощение глюкозы мышцами. Результатом этих изменений является снижение толерантности к глюкозе, а иногда и развитие сахарного диабета.

По мере старения ослабляется стероидогенез. Главная причина этого-недостаток в надпочечниках субстрата для него. При этом эфиры холестерина присутствуют в клетках коры надпочечников, но запасенный холестерин не расщепляется в достаточной степени или не транспортируется ближе к митохондриям, где его утилизация должна начаться отсечением боковых ветвей. В ответ растет активность энзимов, отсекающих эти цепи.

Сенсорные системы. Изменения липидов роговицы приводят к появлению у ее края помутнения (старческой дуги). Эластичность хрусталика снижается, что ограничивает диапазон аккомодации: после 55 лет он составляет менее 2 дптр - старческая дальнозоркость (пресбиопия) (см. рис. 15.5). Прозрачность хрусталика снижается, иногда он мутнеет (катаракта). Прозрачность стекловидного тела также снижается. Закупорка венозного синуса склеры (шлеммова канала) нарушает циркуляцию влаги. Дистрофия сетчатки снижает остроту зрения вдаль:

после 80 лет - до 0,6, после 85 - до 0,3. Слабеют световая, цветовая и контрастная чувствительность. К этим изменениям могут добавляться глаукома (повышение внутриглазного давления) и атрофия зрительного нерва.

Способность воспринимать и обрабатывать слуховую информацию также снижается. Растет жесткость базилярной мембраны улитки, атрофируется спиральный орган, дегенерирует сосудистая полоска, отмирает часть нейронов спирального ганглия. Атрофия волокон слухового нерва меняет его частотные характеристики. Атрофические изменения происходят и в продолговатом мозгу, и в нейронах слуховой зоны коры больших полушарий. В результате снижается восприятие высоких частот (выше 2 кГц) - старческая тугоухость (пресбиакузис) (рис. 15.8) и затрудняется понимание речи. Изменения в звукопроводящей системе (остеопороз слуховых косточек и атрофия суставов между ними - отосклероз) имеют меньшее значение.

Рис. 15.8 Возрастные изменения уровня слышимости (дБ) звуков различных частот. Справа - возраст (лет)

Снижается число вкусовых луковиц, особенно в передней части языка, что приводит к ослаблению ощущений: сначала - сладкого, потом - кислого и горького. Образование слюны уменьшается. В далеко зашедших случаях вкусовая чувствительность утрачивается настолько, что пища теряет вкус, аппетит пропадает, процесс питания нарушается.

Атрофия слизистой оболочки полости носа и дегенерация обонятельных нейронов ослабляют восприятие запахов.

Снижаются и все прочие виды чувствительности: болевая, температурная, тактильная, вибрационная и соматическая. В очень глубокой старости в коже отмечается уменьшение числа телец Пачини и Мейсснера.

Центральная нервная система и психические функции. Большая часть изменений в мозгу происходит между 50 и 60 годами, но некоторые заметны только после 70. Масса мозга (см. рис. 15.7) и количество нейронов в мозгу к старости снижается. Атрофия части нейронов происходит в коре больших полушарий и в базальных ядрах. Наиболее выражен этот процесс в черном веществе и голубоватом пятне: потеря может составить 30-40% нейронов, что проявляется шаткостью походки и нарушением точности движений. При болезни Паркинсона здесь теряется до 70% клеток, и это приводит к резкому нарушению двигательных функций, в том числе к появлению тремора головы и конечностей. В гиппокампе - части лимбической системы, ответственной за

Рис. 15.9 Гибель одних нейронов мозга отчасти компенсируется удлинением дендритов других. После 80 лет длина дендритов вновь уменьшается

Представлены нейроны гиппокампа здоровых людей в возрасте 50-60 (I), 70-80 (II) и после 90 лет (Ш), а также при болезни Альцгеймера (IV).

обучение, память и эмоции, - за вторую половину жизни утрачивается 20% нейронов. В гипоталамусе, мозжечке, стволовых структурах и спинном мозгу количество нервных клеток меняется незначительно. Если же в гипоталамусе - высшем центре автономной (вегетативной) регуляции - происходят существенные изменения, они могут проявиться в виде коронарной недостаточности, гипертензии, сахарного диабета и других патологических процессов.

Потери нейронов в некоторых областях мозга, возможно, отчасти компенсируются увеличением количества связей между оставшимися клетками. В гиппокампе людей в возрасте от 40-50 до 70 лет обнаружено удлинение дендритов (рис. 15.9). Число астроцитов (способных выделять факторы роста нейронов и их отростков) в это время также увеличивается. После 80 лет дендриты вновь укорачиваются. Возрастные изменения в липидах миелина приводят к истончению миелиновой оболочки, что проявляется в изменении скорости и эффективности проведения нервных импульсов. Концентрация медиаторов синаптической передачи (нейротрансмиттеров) и скорость самой передачи снижаются. Значительный дефицит дофамина в мозгу - один из главных компонентов патогенеза болезни Паркинсона.

На молекулярном уровне в стареющем мозге отмечены изменения, послужившие основой для теорий старения (см. рис. 15.9): замедление фосфорилирования макромолекул, метилирования ДНК и гистонов, а также замедление репарации поврежденных молекул ДНК. В опытах на грызунах активацией антиоксидантной системы удавалось снизить в мозгу уровень окисленных белков, восстановить (до уровня молодых) активность некоторых ключевых ферментов и способность животных проходить успешно лабиринт.

Электроэнцефалография стареющего мозга показывает увеличение доли низкочастотных колебаний.

Различные рефлексы у пожилых людей ослаблены, их пороги повышены, латентный период удлинен. При заболеваниях нервной системы, а в глубокой старости и у здоровых людей, могут проявляться патологические рефлексы (автоматизмы и др.). У животных по мере старения нарушается способность к образованию условных рефлексов: снижаются сила, уравновешенность и подвижность нервных процессов.

В старости ухудшаются все три основных процесса памяти: запоминание, хранение и воспроизведение информации. Больше страдает кратковременная память. В связи с этим способность к обучению снижается. В качестве компенсации человек вместо механического запоминания больше использует логическое. Приобретенный опыт во многом компенсирует снижение логических способностей. Некоторые же люди сохраняют в старости способность к запоминанию и обучению почти полностью. Если они затрудняются быстро вспомнить место или время прошлых событий, то через несколько часов делают это. В отсутствие спешки пожилые способны выполнять тесты на умственную деятельность (кроме самых сложных, например, математических) так же хорошо, как и молодые. Нарушения умственной деятельности может не происходить до глубокой старости. Некоторые ученые продуктивно работали и после 80 лет.

Общая продолжительность сна и доля в нем парадоксального сна снижаются. Человек чаще просыпается. Недостаточность ночного сна он стремится возместить сном дневным.

Темперамент (тип высшей нервной деятельности) с возрастом остается прежним, но характер меняется. Усиливаются обидчивость, тревожность и эгоцентризм. Ипохондричность пожилых людей часто проявляется в повышенной склонности к приему различных лекарств и в потребности подробно обсуждать состояние своего здоровья. Ухудшение здоровья усиливает депрессию и вызывает появление суицидных настроений. Главное проявление старческой психики - снижение способности к адаптации в меняющихся социальных условиях. В качестве средства защиты старые люди часто стараются отдалиться от мира, обьясняя это тем, что они не одобряют новых порядков по моральным соображениям.

Для поддержания интеллектуальных способностей особенно важна сохранность мозгового кровотока. Кровоснабжение мозга у здоровых людей с возрастом не снижается. Различные заболевания, появляющиеся главным образом в пожилом и старческом возрасте (например, атеросклероз), могут приводить к локальному нарушению кровотока в одной из областей мозга, что влечет за собой гибель многих нейронов. Стойкое сужение сосуда вызывает ишемический инсульт. Разрыв сосуда и кровоизлияние в ткань мозга приводят к геморрагическому инсульту.

Когда на нормальный процесс старения наслаиваются результаты болезней Альцгеймера, Паркинсона и множественных инсультов, наступает состояние старческой деменции (слабоумия). Этим страдают 5% людей в возрасте от 65 до 75 лет. В следующем десятилетии жизни число больных возрастает уже до 20%. После 85 лет, по некоторым данным, только половина людей сохраняет здравый ум. Человек теряет способность считать, читать и писать. Его эмоции и память на недавние события слабеют. Речь становится бессвязной.

Часто причиной старческого слабоумия является болезнь Альцгеймера. В 21-й хромосоме пожилого человека мутирует ген, кодирующий предшественник ?-амилоидного белка. Мутантная форма ускоряет отложение ?-амилоида в межклеточном пространстве и в сосудах мозга. В гиппокампе и других важных для процессов обучения структурах цитоплазма нейронов заполняется пучками спиральных белковых филаментов - нейрофибриллярными клубками. Изменения цитоскелета мешают передаче нервных импульсов. В интерстиции гиппокампа появляются старческие бляшки - агрегаты ?-амилоидных белков. Накопление ?-амилоидных белков изолирует лимбическую систему и ассоциативные зоны коры от остального мозга, что приводит к ухудшению памяти, абстрактного мышления и речи. Развитие болезни Альцгеймера также связывают с возрастными изменениями в гипоталамо-гипофизарно-адреналовой системе. В частности у таких больных отмечены изменения в нейронах, содержащих кортикотропин-рилизинг фактор. Сенсорные, двигательные и гомеостатические функции организма при этой болезни долгое время регулируются не менее эффективно, чем в здоровом организме. Однако в далеко зашедших, случаях могут наступить судороги и смерть.

Многие факты относительно ?-амилоидных белков еще ждут своего объяснения. Непонятно, почему эти белки, долгие годы присутствуя в мозгу, остаются инертными и только в старости повреждают нейроны. Возможно, (?-амилоидные белки способствуют образованию в мозгу каких-то других веществ, способных нарушать работу нейронов. Возможно, они делают нейроны и глию более восприимчивыми к воздействию других повреждающих факторов. ?-амилоидные белки обнаруживаются только в головном мозгу, тогда как их предшественник может синтезироваться и вне мозга. В одних областях (например, в гиппокампе) они откладываются в больших количествах, а в мозжечке-в очень малых (или не откладываются вовсе). Пока не удалось ответить на вопрос, препятствует ли высокая умственная активность образованию и отложению в мозгу ?-амилоидных белков.

Частичная деструкция богатых липидами наружных мембран нейронов приводит к образованию особого липопротеида - липофусцина, который в виде гранул откладывается в цитоплазме нейронов. Образованию липофусцина способствует дефицит токоферола (витамина Е). Неясно, нарушают ли гранулы липофусцина функции нейронов или они просто маркеры долгожительства.

15.3. ПРОФИЛАКТИКА СТАРЕНИЯ

Профилактика преждевременного старения основана на рациональном питании и достаточном уровне физической активности человека. После 50 лет человек должен ограничить поступление углеводов с пищей, особенно моно- и дисахаридов.

Потребление больших количеств очищенных углеводов усиливает обмен катехоламинов и повышает риск развития гипертензии. Умеренное ограничение потребления поваренной соли также полезно для профилактики гипертензии. Количество жиров в пище должно быть снижено, необходимые липиды организм должен получать в виде растительных и рыбных продуктов, богатых ненасыщенными жирными кислотами.

Крысы, которых содержат на сокращенном рационе и вынуждают к регулярной физической активности, лучше научаются прохождению лабиринта, живут на 30% дольше, и у них обнаруживают меньше функциональных, биохимических и иммунологических изменений, свойственных старости. Однако такой рационально ограниченной диеты человек должен придерживаться большую часть жизни. Резкое ограничение питания в старости может только ускорить проявления старения, в частности развитие слабоумия.

Одновременно следует повысить содержание в суточном рационе незаменимых аминокислот (до 1,2-1,5 г полноценных белков на 1 кг массы тела) и кальция - за счет молочных продуктов (для задержки развития остеопороза). Потребление витамина Е (токоферола) задерживает развитие возрастных изменений в мозгу грызунов, однако его влияние на старение мозга человека пока не доказано. Для сохранения интеллектуальных способностей пожилым людям рекомендуют особую умеренность в потреблении алкоголя и седативных средств.

Физическая активность, витамины-антиоксиданты (С, Е, Р-каротин) и микроэлементы (например, цинк), своевременная коррекция психической депрессии, ограничение потребления алкоголя задерживают старение иммунной системы и уменьшают риск инфекционных заболеваний.

Пищевые волокна, содержащиеся в овощах и фруктах, снижают вероятность возникновения сахарного диабета и стимулируют двигательную функцию кишечника. Овощи и фрукты обеспечивают стареющий организм достаточным количеством витаминов.

В связи с возрастной инволюцией центральных органов иммунной системы (вилочковая железа) и нейроэндокринной системы (шишковидное тело) актуальным является вопрос о восстановлении утраченных ими функций. С этой целью из названных органов были выделены и внедрены в медицинскую практику пептидные препараты тималин и эпиталамин, которые эффективно предотвращают преждевременное старение и в эксперименте способствуют продлению жизни животных до верхнего видового предела. В последние годы на основе этих препаратов были искусственно синтезированы пептиды вилон и эпиталон, обладающие еще более высокой геропротекторной активностью.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Согласно генетической теории, старение вызывается либо экспрессией специальных генов, либо тем, что в течение жизни в молекулах ДНК накапливаются повреждения от воздействия ионизирующих излучений, свободных радикалов и других факторов. В результате синтезируются "неправильные" белки с нарушенными функциями.

Негенетическая теория утверждает, что синтез белков происходит правильно, и только потом они повреждаются под действием тех же факторов; накопление таких повреждений и составляет суть процесса старения. В белках накапливаются "поперечные сшивки" - дисульфидные мостики, ограничивающие функции молекул. Активность ферментов, предназначенных для репарации дефектов в ДНК, снижается.

Главный признак старости - снижение способности адаптироваться к изменению среды. Результаты старения проявляются в замедленных и ослабленных ответах на действие стрессоров - температурных, пищевых, эмоциональных, социальных и прочих. Другой важнейший признак старости - утрата репродуктивной функции. Сперматогенез ослабевает, концентрация тестостерона в крови снижается. У женщин прекращаются менструации.

Минерализация костной ткани в старческом организме уменьшается - развивается остеопороз. Костный мозг замещается жировой и соединительной тканями. Снижается количество эритроцитов и содержание гемоглобина. Происходит частичная инволюция лимфоидной ткани. Активность свертывающей системы крови возрастает. Увеличивается вероятность тромбозов, эмболии и инсультов.

Снижается резистентность к опухолевым клеткам, вирусам и простейшим. В большей степени страдает клеточный иммунитет. Снижается иммунный ответ.

В сердце мышечные волокна частично замещаются соединительной тканью. Снижается ударный объем и сердечный выброс. В артериях эластические волокна и гладкие мышцы частично замещаются коллагеном, упругость их стенки снижается. Усиливается образование катехоламинов. Растет артериальное давление. Уровни холестерина и липопротеидов низкой и очень низкой плотности в плазме крови увеличиваются, на стенках сосудов образуются атеросклеротические бляшки, вызывая тромбоз сосудов.

Растяжимость и упругость легочной ткани уменьшаются. Сопротивление току воздуха возрастает. Уменьшается вентиляция альвеол и жизненная емкость легких. Снижается способность переносить физические нагрузки.

Моторная и секреторная функции желудка ослабляются. Снижается активность панкреатического сока и жёлчи. В жёлчном пузыре образуются камни. Ухудшается всасывание некоторых пищевых веществ. Ослабляется двигательная функция толстой кишки, возникают запоры.

Падает эффективность эндокринной части поджелудочной железы, увеличивается риск развития сахарного диабета. Эффективность системы терморегуляции ослабевает, снижается величина основного обмена. Концентрационная способность почек и клиренс многих веществ снижаются. У мужчин нередко развивается аденома предстательной железы, препятствующая выведению мочи.

Кровоснабжение кожи ухудшается, снижение ее эластичности и бактерицидных свойств увеличивает вероятность травмирования.

Уровни большинства гормонов в крови снижаются. Взаимодействие гормонов с клеточными рецепторами ослабевает.

Чувствительность сенсорных систем снижается, часть нейронов мозга погибает. Точные движения нарушаются, появляется тремор. Миелиновые оболочки истончаются, скорость проведения возбуждения уменьшается. В мозге накапливаются агрегаты ?-амилоидных белков. В цитоплазме нейронов откладывается липофусцин. Страдает кратковременная память. Снижается способность к социальной адаптации. Иногда развивается болезнь Альцгеймера - старческое слабоумие.

Средняя продолжительность жизни в развитых странах приближается к 80 годам. Возникает потребность обеспечить пожилым и старым людям возможность активной жизни. Профилактика старения основана на рациональном питании, достаточном уровне физической и умственной активности человека и применении лекарств - геропротекторов.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Анисимов В. Н., Соловьев М. В. Эволюция концепций в геронтологии. СПб., 1999.

Биология старения / Отв. ред. В. В. Фролькис. Л., 1982.

Бутенко Г. М., Войтенко В. П. Генетические и иммунологические механизмы возрастной патологии. Киев, 1982.

Гаврилов Л. А., Гаврилова Н. С. Биология продолжительности жизни. М., 1991.

Дильман В. М. Четыре модели медицины. Л., 1987.

Зomuн A. И., Зотина Р. С. Феноменологическая теория развития, роста и старения организма. М., 1993.

Конопля Е. Ф., Гацко Г. Г.. Милютин А. А. Гормоны и старение. Мембранные механизмы гормональной регуляции. Минск, 1991.

Котельников Г. П., Яковлев О. Г., Захарова Н. О. Геронтология и гериатрия. Самара, 1997.

Лоркушко О. В., Чеботарев Д. Ф., Калиновская Е. Г. Гериатрия в терапевтической практике. Киев, 1993.

Мелентьев А С., Гасилин В. С., Гусев Е. И. и др. Гериатрические аспекты внутренних болезней. М.,1995.

Морозов В. Г., Хавинсон В. X. Пептидные биорегуляторы (25-летний опыт экспериментального и клинического изучения). СПб., 1996.

Морозов В. Г., Хавинсон В. X., Малинин В. В. Пептидные тимомиметики. СПб., 2000.

Практическая гериатрия: Руководство для врачей / Под ред. Г. П. Котельникова, О. Г. Яковлева Самара, 1995.

Фролькис В. В., Мурадян X. К. Экспериментальные пути продления жизни. Л., 1988.

Фролькис В. В., Мурадян X. К. Старение. Эволюция и продление жизни. Киев, 1992.

Хавинсон В. X., Морозов В. Г. Препараты эпифиза и тимуса в геронтологии. СПб., 1992.