Нормальная физиология (стоматологический факультет)

Нейрон состоит из тела и отростков. Различают короткие отростки (дендриты) и длинные (аксоны).
Информация к нейронам поступает посредством синапсов. На теле и отростках одного нейрона может быть от нескольких до 200 000 синапсов. Выходящий сигнал покидает нейрон через аксон. Все нейроны организованы в нейрональные сети, которые определяют функцию центральной нервной системы.
Передаточная функция нейронов. Импульсы возбуждения передаются нейронами по их отросткам. Аксоны нейронов формируют нервные стволы (нервы). По нерву распространяется потенциал действия. Распространение потенциала действия есть способ передачи информации.
Классификация нервов:
1. Афферентные.
2. Эфферентные: двигательные – вызывающие фазную и тоническую активность мышц; сосудодвигательные; секреторные; трофические.
По характеру влияния все эфферентные нервы делятся на:
а) пусковые, вызывающие переход клеток от спокойного в активное состояние);
б) коррегирующие, контролирующие автоматическую деятельность клеток.
По строению нервы делятся на: безмиелиновые (безмякотные) и миелиновые (мякотные). Миелиновые и безмиелиновые нервы отличаются друг от друга по скорости передачи возбуждения.

Первый закон – «закон физиологической целостности нерва». Проведение по нерву нарушается не только при его механическом повреждении, но и в условиях нарушения физиологической целостности – снижении возбудимости, вызванной охлаждением или нагреванием, анестетиком.
Второй закон – «закон двустороннего проведения возбуждения по нерву». От места возникновения возбуждение по нерву может распространяться в обе стороны от места раздражения. В естественных условиях возбуждение распространяется от тела нейрона по аксону – ортодромно. Передача возбуждения по аксону к телу нейрона носит название антидромного.
Третий закон – «закон изолированного проведения возбуждения по нерву». Возбуждение, распространяющееся по определенному волокну, не передается на соседнее волокно. Это позволяет целенаправленно передавать его по смешанным нервам, состоящим из афферентных и эфферентных нервных волокон.

В 1885 году Герман создал теорию «малых токов», объясняющую механизм проведения возбуждения по нерву, которая затем была подтверждена и развита Ращевским (1936), Ходкиным (1939, 1964), Насоновым (1959).
Если в какой-то части нервного волокна развивается возбуждение, то наружная часть мембраны в этом месте приобретает отрицательный заряд. Рядом расположенная мембрана нервного волокна на наружной поверхности имеет положительный заряд. Между возбужденным участком мембраны и невозбужденным формируется разность потенциалов и возникает маленький локальный постоянный ток, силовые линии которого возникают между деполяризованным участком мембраны и рядом расположенными с ним невозбужденными участками. В результате действия этого постоянного тока в невозбужденном участке, расположенном рядом с возбужденным электротонически происходит уменьшение разности потенциалов (катэлектротон), что сопровождается увеличением проницаемости мембраны для ионов натрия. Это, в свою очередь, приводит к еще более значительной деполяризации в этом участке. Как только сдвиг потенциала в этом участке превышает критический уровень деполяризации, немедленно активируются потенциалзависимые натриевые каналы и ионы натрия устремляются внутрь клетки, вызывая развитие потенциала действия на этом участке нервного волокна. Затем эти вновь деполяризованные участки вызывают локальный ток с новыми участками мембраны, вызывая дальнейшее распространение возбуждения.
В естественных условиях потенциал действия возникает в соме нервной клетки и распространяется ортодромно от центра к периферии, на месте возникновения потенциала действия развивается рефрактерность, поэтому волна возбуждения назад не возвращается.
Необходимо заметить, что пиковый потенциал возникает, если деполяризация достаточна, а возбудимость высока.
Теория распространения возбуждения малыми токами подтверждается кабельными свойствами нервного волокна. Аксоплазма обладает очень высоким сопротивлением. Это сопротивление определяется малым диаметром нерва. В связи с высоким внутренним сопротивлением возбуждение передается по плазматической мембране, а не по осевому цилиндру. Снаружи силовые линии тока проходят по межклеточной жидкости, которая является лучшим проводником, чем акссоплазма.
Значение внешней среды для возбуждения малыми токами доказал Ходжкин. Если поместить нерв в масло, что приводит к увеличению внешнего сопротивления, скорость проведения возбуждения снижается на 30%. Если в масло поместить металлические стружки, проведение по нерву увеличивается. Во влажном воздухе скорость проведения по нерву уменьшается в 2 раза.

В безмякотных волокнах местные токи вызывают непрерывную деполяризацию мембраны до критического уровня с последующей генерацией потенциала действия практически на всем протяжении нервного волокна. Такое проведение возбуждения называется непрерывным.
Фактор надежности (ФН) (гарантийный фактор) – это отношение величины потенциала действия к величине порога деполяризации (Vt).

В безмякотных волокнах скорость распространения возбуждения колеблется от нескольких см до нескольких метров в секунду и зависит от диаметра волокна, чем толще волокно, тем более быстро распространяется возбуждение, т.к. уменьшается внутреннее сопротивление. Распространение возбуждения по мякотному волокну обладает следующими особенностями:
• скачки нервного импульса увеличивают скорость проведения возбуждения по нерву в 5-50 раз;
• сальтаторное (salto,ит. – прыжок) проведение возбуждения сохраняет энергию в аксоне, так как энергетические субстраты расходуются только для восстановления потенциала в области перехватов Ранвье.
Скорость проведения возбуждения в миелиновом нервном волокне прямо пропорциональна диаметру нервного волокна: V ~ d, а скорость проведения возбуждения по немиелинизированному нервному волокну V ~ $\sqrt {d}$.

Амплитуда электрических импульсов зависит от силы приложенного раздражителя. При слабой силе раздражителя возникает небольшой ответ, по мере усиления раздражения амплитуда потенциала возрастает, достигая максимальной величины, и затем остается постоянным несмотря на дальнейшее увеличение силы раздражителя.
Это объясняется тем, что пороги раздражения отдельных волокон отличаются друг от друга и при увеличении силы раздражителя вовлекаются все новые и новые нервные волокна, тем самым приводя к увеличению величины электрических импульсов, отводимых от целого нервного ствола.
Смешанные нервы, в противоположность одиночному аксону, обладают потенциалом, состоящим из нескольких пиков. Это является следствием факта, что смешанные нервы состоят из семейства волокон, обладающих разной скоростью проведения возбуждения. Следовательно, когда все волокна возбуждены, потенциал действия в быстро-проводящих волокнах достигает записывающих электродов быстрее, чем потенциал действия по медленно проводящим нервным волокнам. Чем больше расстоя¬ние между стимулирующим и отводящим электродами, тем отчётливее можно записать составной характер потенциала действия нервного ствола.
Амплитуда составного ПД зависит от силы раздражителя, а его форма зависит от числа и типа волокон.
Эрлангер и Гассер разделили нервы млекопитающих на три типа: А, В, и С. Тип А подразделяется на волокна α, β, γ и δ.
Характеристика нервных волокон дана в таблице 2.


Понятие синапса было введено Ч.Шеррингтоном. Слово «синапс» берёт происхождение от греческого слова, которое обозначает смыкать, соединять.
Синапс – это структура, которая обеспечивает морфо-функциональную связь окончания аксона или какой-то другой части клетки с дендритом, телом или аксоном другого нейрона или в некоторых случаях с мышечной или железистой клеткой.
С точки зрения функции синапсы можно разделить на химические и электрические.
Электрические синапсы (эфапсы) – это образования, в которых возбуждение передается в форме «скачка» с одной клетки (окончания пресинаптической клетки) на мембрану другой клетки (постсинаптическую). Мембраны этих клеток плотно соприкасаются друг с другом. Поэтому между ними существует низкое сопротивление, благодаря которому ионы проходят относительно легко. Электрические синапсы встречаются, например, между некоторыми нейронами в латеральных вестибулярных ядрах продолговатого мозга.
Однако, большинство синапсов – это химические синапсы, т.е. передача сигнала в них происходит химическим путем. Нейромышечный синапс – это специализированная область, где окончание двигательного нейрона оканчивается на мембране поперечно-полосатого мышечного волокна.
Контакт между окончанием аксона нейрона автономной нервной системы и гладкой мышцей или сердечной мышцей является менее специализированным образованием по сравнению с нервно-мышечным синапсом, и передача в нем в большей степени является диффузным процессом.
По типу физиологических процессов, развивающихся в конечном счёте в синапсах, они делятся на возбуждающие и тормозные. Те и другие встречаются в центральной нервной системе. Нервно-мышечные синапсы являются только возбуждающими.

Синапс состоит из 5 обязательных компонентов.
1. Пресинаптическая структура.
2. Синаптическая щель.
3. Постсинаптическая структура.
4. Медиатор.
5. Инактивационная система.

Пресинаптическая структура. Это расширение окончания аксона диаметром 1/3 мкм, лишенное мякотной оболочки (швановская клетка сохраняется). Часть мембраны расширения аксона, обращенная к синаптической щели, называется пресинаптической мембраной. Эта мембрана является электровозбудимой. Все пресинаптические образования содержат:
а) гранулярные пузырьки, в которых находится медиатор;
б) митохондрии;
в) цистерны гладкого эндоплазматического ретикулума;
г) на внутренней поверхности пресинаптической мембраны располагаются гексонально расположенные бугорки. Полагают, что эти образования могли бы проводить отдельные пузырьки к мембране, где они опорожняются в синаптическую щель путем экзоцитоза.
Синаптическая щель. Это пространство между пре- и постсинаптической мембраной. Ширина его равна 10-50 нм. Это пространство заполнено электронноплотным веществом. В нервно-мышечном синапсе это пространство заполнено базальной мембраной, представляющей собой сетчатые волокна (микротрубочки), сквозь которые свободно проходит межклеточная жидкость.
Постсинаптическая мембрана. Это мембрана эффекторной клетки, расположенная под пресинаптическим образованием. В отличие от пресинаптическай мембраны на ней в нервно-мышечном синапсе образуется много складок, формирующих синаптические щели (0,2-0,8 мкм).Каждой складке соответствует активная зона пресинаптической мембраны. Постсинаптическая мембрана – является хемовозбудимой, то есть ее потенциал изменяется в результате изменения проницаемости для ионов, а проницаемость постсинаптической мембраны изменяется после взаимодействия медиатора с рецептором, расположенным на ней.
Снаружи нервное окончание в нейро-мышечном синапсе покрыто телами швановских клеток, которые периодически со средним интервалом 1-3 мкм проникает в пространство щели и делят его на множество ячеек, каждая из которых соответствует 1, 2 или реже 4 активным зонам. Ячеек 300-100. Следовательно, в синапсе всего имеется около 200 активных зон.
Медиатор (нейромедиатор). Передача возбуждения в химическом синапсе происходит химическим путем, посредством высвобождения из пресинаптической структуры химического вещества, называемого медиатором (посредником).
В нервно-мышечном синапсе медиатором является ацетилхолин.
В отличие от нейро-мышечного синапса в синапсах ЦНС встречается большое количество медиаторов. В ЦНС выделено более чем 40 веществ, которые отвечают всем свойствам медиатора. Имеются также вещества, которые входят в группу «кандидаты в медиаторы». Классификация медиаторов представлена в таблице 3.
Низкомолекулярные медиаторы принимают активное участие при передаче сенсорных сигналов в мозг и внутри мозга, а также двигательные сигналы назад к мышце. С другой стороны, нейропептиды обычно вызывают длительно существующий эффект. Например, изменение числа рецепторов, длительное закрытие ионных каналов и даже возможно длительное изменение числа синапсов.
Синтез медиатора осуществляется как в теле нейрона, так и в пресинаптической структуре из материала, который поставляется туда аксоплазматическим током. Исключение составляет оксид азота, который не образуется заранее и не запасается в синаптических пузырьках. Он синтезируется в момент необходимости и сразу же высвобождается в синаптическую щель. Весь это процесс продолжается несколько секунд, что гораздо быстрее, чем образование и высвобождение медиатора, запасенного в везикулах.
Дейл обнаружил, что в синаптических терминалях одного и того же аксона образуется только один медиатор. То есть, один нейрон – один медиатор. В последнее время показано, что существуют синапсы, в которых одновременно могут высвобождаться несколько медиаторов. Причём, одним из них очень часто является пептид.


К тормозным медиаторам относятся ГАМК и глицин.
Система инактивации медиатора.
После высвобождения медиатор должен быть разрушен. Для этого существует система инактивации медиатора.
Инактивация медиатора происходит следующими путями:
1. Ферментативное расщепление при помощи фермента, расположенного на поверхности постсинаптической мембраны или базальной мембраны, разрушающего медиатор.
2. Система обратного захвата медиатора, расположенная в пресинаптической мембране.
3. Диффузия медиатора в окружающую тканевую жидкость.
Например, в нервно-мышечном синапсе, выделившийся медиатор Ach разрушается ферментом ацетилхолин-эстеразой на холин и ацетат, которые в свою очередь захватываются пресинаптическим образованием, затем при помощи фермента холинацетилазы в присутствии ацетил-СоА соединяются, превращаясь в ацетилхолин. Последний поступает в пузырек и хранится в пресинаптическом образовании.

Общая картина этого процесса следующая. При поступлении пикового потенциала по аксону к пресинаптической мембране пузырьки с медиатором приближаются к ней, разрушаются и выделяют медиатор в синаптическую щель. Медиатор достигает постсинаптической мембраны, изменяет ее проницаемость для ионов и тем самым приводит к развитию на ней деполяризации (т.е. возбуждению) или гиперполяризации (т.е.) торможению клетки.

В пресинаптической мембране содержится большое количество потенциал-зависимых кальциевых каналов. Когда потенциал действия деполяризует пресинаптическую мембрану, большое число ионов Са²⁺ и Na⁺ поступает в окончание аксона. Затем Са²⁺ соединяется с белком кальмодулином и активирует Са²⁺ /кальмодулин-киназу 11, которая в свою очередь фосфорилирует белковый комплекс, состоящий из 4-х белков, расложенный на поверхности синаптического пузырька. Считается, что при помощи этого белкового комплекса пузырек прикрепляется к цитоскелету нервного окончания. Его фосфорилирование устраняет эту связь пузырька с цитоскелетом, что позволяет двигаться синаптическому пузырьку по направлению к синаптической мембране, где он склеивается с ней и выбрасывает свое содержимое.
Кроме того, ионы Са²⁺, поступившие в синаптическую терминаль связываются с белковыми молекулами, расположенными на внутренней поверхности пресинаптической мембраны в местах, называемых местом высвобождения или активной зоной. Это, в свою очередь, заставляет близко расположенные везикулы связываться с мембраной и затем выбрасывать своё содержимое наружу путём экзоцитоза.
Обычно несколько пузырьков высвобождают свой медиатор в синаптическую щель. В одном пузырьке содержится от 2000 до 10000 молекул ацетилхолина. Это количество получило название - квант медиатора. В пресинаптической терминали имеется достаточное количество пузырьков, чтобы обеспечить передачу от нескольких сотен до 10000 потенциалов действия.

Действие медиатора на постсинаптическую мембрану.
Рецепторы. На постсинаптической мембране имеется большое количество рецепторных белков. Эти рецепторы имеют два главных компонента.
1. Связывающий компонент, который выступает над мембраной в синаптическую щель. К нему присоединяется медиатор, выделившийся из пресинаптического окончания.
2. Ионофорный компонент. Он представляет собой путь через мембрану в клетку. Это либо а) химически-активируемый ионный канал, либо б) активатор вторичного посредника. Этот белок располагается на внутренней поверхности мембраны и способен активировать различные вещества, находящиеся внутри постсинаптической клетки.
Ионные каналы. Химически активируемый канал (лиганд-активируемые каналы) обычно делятся на 3 типа:
1) натриевый канал, через него проходят, главным образом, ионы Na⁺;
2) калиевый канал, через него проходят, главным образом, ионы К⁺;
3) хлорный канал, через него проходят, главным образом, ионы С1^-.
Открытие Na⁺ канала приводит к деполяризации мембраны нейрона и развитию местного возбуждения. Следовательно, медиаторы, которые открывают Na+-каналы, называются возбуждающие медиаторы. С другой стороны, открытие каналов С1^- или К+ затормаживает нейрон, а медиаторы, которые их открывают называются тормозными медиаторами. (ГАМК, глицин).
Система вторичных посредников. Активация вторичных посредников может происходить следующим путем. Имеется несколько типов систем посредников: в нейронах наиболее часто встречается группа белков, называемая G-белками. G-белок состоит из 3-х субъединиц (α, β и γ). После активации рецептора от белкового комплекса отсоединяется α-субъединица и свободно движется в цитоплазме, α-субъединица внутри клетки выполняет множество различных функций:
1) открывает специфические каналы на постсинаптической мембране клетки;
2) активирует в клетке образование ц-АМФ, которая активирует многочисленные метаболические пути;
3) активирует генный аппарат в ядре, что приводит к образованию дополнительных рецепторов на постсинаптической мембране;
4) активирует внутриклеточные ферменты.
Подобные изменения могут увеличивать или снижать активность синапса на минуты, дни, месяцы или даже годы. Следовательно, медиаторы, которые вызывают подобные эффекты иногда называются синаптическими модуляторами. В последнее время показано, что такие модуляторы являются важными в развитии некоторых процессов памяти.
Постсинаптические потенциалы. Постсинаптические потенциалы были изучены при помощи микроэлектродной техники. Различают возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП) и тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП).

Возбуждающий постсинаптический потенциал.
ВПСП – является следствием деполяризации постсинаптической клеточной мембраны, возникающей после активации пресинаптического образования (рис.16).
Выделившийся из пресинаптического окончания медиатор взаимодействует с рецептором постсинаптической мембраны, который связан натриевым ионным каналом. После этого открывается ионный канал и входящие внутрь клетки ионы Na⁺ в области постсинаптической мембраны формируют деполяризацию. Своего пика она достигает через 1-1,5 мсек и затем экспоненциально уменьшается с постоянной времени равной 1/е, где е = 2,718. Однако этот процесс зависит от медиатора и свойств постсинаптической мембраны, во время этого потенциала возбудимость нейрона увеличивается, а такой потенциал называется возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП).
Один сам по себе ВПСП маленький, но при повторных циклах выброса медиатора ВПСП суммируется. В результате деполяризации постсинаптической мембраны разность потенциалов уменьшается с -70 мВ до -50 мВ. В результате этого между постсинаптической мембраной и рядом расположенной с ней электровозбудимой мембраной клетки возникает разность потенциалов и возникает маленький постоянный ток, силовые линии которого входят в области постсинаптической мембраны и выходят в рядом расположенном участке элекровозбудимой мембраны клетки увеличивая проводимость его к ионам натрия. В этом участке также развивается деполяризация, которая, достигая критического уровня, запускает развитие потенциала действия в клетке.
Тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП). В некоторых синапсах после выделения медиатора на постсинаптической мембране развивается гиперполяризация (рис.17). Во время этого потенциала возбудимость нейрона уменьшается.
ТПСП развивается вследствие локального увеличения проницаемости мембраны для ионов хлора. Когда выделившейся медиатор взаимодействует с рецептором постсинаптической мембраны открывается канал для ионов С1^-. Ионы хлора входят внутрь клетки, увеличивая разность потенциалов на мембране. Однако, проницаемость постсинаптической мембраны быстро восстанавливается. Снижение возбудимости нейрона во время генерации ТПСП связана с увеличением порога деполяризации.

ТПСП также будет возникать после открытия каналов для ионов К⁺, которые выходят из клетки и увеличивают количество положительных зарядов на внешней поверхности мембраны, создавая гиперполяризацию. Кроме того, ТПСП может развиваться посредством закрытия каналов для Na⁺ или Са⁺⁺. Миниатюрные потенциалы – это потенциалы, которые развиваются на пресинаптической мембране клетки, в результате спонтанного высвобождения нескольких квантов медиатора.

1. Синаптическая задержка. Это время возбуждения пресинаптической мембраны до возбуждения эффекторной клетки. В это время происходит секреция медиатора, его взаимодействие с рецептором, расположенным на постсинаптической мембране, изменение ее проницаемости для ионов, развитие постсинаптического потенциала и электротонические взаимодействия постсинаптической мембраны с внесинаптической мембраной клетки.
2. Одностороннее проведение. В химическом синапсе возбуждение передается химическим путем. Следовательно, поскольку медиатор содержится в пресинаптическом образовании, а рецептор на постсинаптической мембране, то возбуждение может передаваться от пре- к постсинаптической мембране.
3. Суммация возбуждений. Особенности нервной системы в том, что, как правило, на один импульс возбуждения выделяется недостаточно медиатора, чтобы привести в состояние возбужде¬ния эффекторный нейрон. Поэтому только при ритмическом пос¬туплении раздражителей обычно возникает возбуждение постсинаптического нейрона. Следовательно, на постсинаптической мембране происходит суммация маленьких ВПСП, возникающих при выбросе медиатора в ответ на каждый потенциал действия.
4. Трансформация ритма. Это изменение числа выходных сигналов по сравнению с входящими.

Триггерные зоны нейрона – это та часть клетки, где происходит генерация потенциала действия. К такой зоне в нейроне относят аксонный холмик или начальный сегмент. Это место, где тело нейрона переходит в аксон. И в этой части нейрона не имеется миелиновой оболочки. Потенциал покоя аксонного холмика ниже, чем в других участках сомы нейрона – составляя примерно –60 мВ. Порог деполяризации этого участка на 10-20 мВ ниже, а, следовательно, возбудимость его выше, чем остальной мембраны клетки. Мембрана аксоннго холмика отличается от мембраны сомы нейрона:
1) она свободна от синапсов,
2) здесь имеется несколько видов ионных каналов:
В связи с низким мембранным потенциалом и низким порогом деполяризации аксонного холмика здесь возникает потенциал действия нейрона, который имеет 2 компонента: НС - потенциал начального сегмента. Он равен 20-40 мВ и СД- сомато-дендритный потенциал (60-80 мВ). Следовательно, после того как потенциал действия возникает в области аксонного холмика, он распространяется с одной стороны на тело и дендриты нейрона, а с другой стороны на аксон. Сомато-дендритный потенциал имеет важное значение для согласования метаболических процессов, происходящих в аксоне нейрона.