Том 1 (1112429), страница 46
Текст из файла (страница 46)
Клеточные механизмы Хотя эти различия во времени действия усложнили нашу терминологию, они тем не менее говорят нам нечто важное о том, как работает нервная система, Поведение животных связано с явлениями самого различного временного масшта штаба. Сенсорные системы устроены так, чтобы воспринимать н обрабатывать информацию очень быстро, часто в течение миллисекунд. Аналогичным образом и двигательные системы могут обеспечивать очень быстрые движения, также в миллисекундном диапазоне, например при печатании на пишущей машинке или игре на фортепиано. Вместе с тем некоторые движения очень медленны; примеры — поддержание определенной позы у позвоночного или длительное сокращение мышцы, закрывающей раковину двустворчатого моллюска.
То же самое применимо и к центральной нервной системе, обеспечивающей и быструю инициацию произвольных движений, и медленную модуляцию состояний сна и бодрствования в течение дня и ночи, и постепенные изменения в процессе развития, созревания и старения. Один из наиболее глубоких вопросов, касающихся нервной системы, — как она координирует все эти виды активности, имеющие место одновременно в пределах одних и тех же нервных сетей, в одних и тех же нейронах? По крайней мере частично ответ, по-видимому, состоит в том, что она использует различные вещества, действующие на разные рецепторы с разным развитием действия во времени, как это обсуждалось выше.
Транспорт веществ К синаптической передаче и связанным с нею метаболическим процессам тесно примыкает вопрос о транспорте веществ в нервной клетке. Нейрон отнюдь не статическая структура, каким он предстает на микроскопических срезах; на молекулярном уровне нейрон находится в постоянном движении. Как отмечалось при обсуждении клеточных органелл в главе 4, в теле клетки происходит непрерывный синтез молекул медиатора, макромолекул и мембран пузырьков, которые движутся оттуда в аксон и дендриты (рис. 9.13), Некоторые из этих веществ выходят из окончаний аксона и поглощаются постсинаптическими клетками, как это было показано методом транснейронного транспорта меченых аминокислот, включаемых в белки.
Кроме того, окончаниями аксонов захватываются белки и в том числе ферменты, которые движутся по аксону к телу клетки; это служит основой для картирования проекций аксонов с помощью пероксидазы хрена. Аналогичное передвижение ряда веществ, включая медиаторы, ферменты и даже такие крупные молекулы, как производные нуклеозидов, происходит в дендрнтах. Некоторые из этих веществ захватываются из соседних окон- Ц Медиатора и модуляторы Рис. здз. Транспорт веществ в нервных клетках и между ними. чаний в процессе транснейронного транспорта.
Ионы и малые молекулы переходят прямо из клетки в клетку через каналы щелевых контактов. Таким образом, между всеми частями нейрона и между соседними нейронами постоянно существуют биохимический транспорт и связь. Эти перемещения осуществляются с разными скоростями. Транспорт аксоплазмы у млекопитающих, как указано в гл. 4, бывает медленным (около 1 мм в день) и быстрым (100— 400 мм в день). Интересно соотнести эти скорости с другими размерностями.
Это можно сделать, построив график зависимости расстояния от времени в логарифмическом масштабе (рис. 9.14). Самый быстрый транспорт в аксоне при пересчете даст около 5 мкм1с. Интересно, что это близко к скорости, которая была получена для диффузии фосфолипидов в клеточной мембране (она тоже показана на графике). Медленный транспорт осуществляется со скоростями порядка 0,01 мкм (1О нм)1с; это даже меньше, чем расчетная скорость диффузии белков в клеточной мембране. Эти оценки дают возможность подчеркнуть, что мембрана, как и внутреннее содержимое клетки, находится в динамическом состоянии. 231 У. Медпаторм и модрлягоры П. Клеточные механизмы ьв' в :е',р ьв +ав ~\ о'в ь .,Ъ вв вв е а вч ',в вз +Ф ва Ф Ф ,в вь в ве' вв ,,е ввв Ф" вв ~в в в вв о чв о вь в ов бв в в ° ,е ' о э + в"; +,в в' ье „~- во'Ь оч ~ „в +б',в о ье ев е вв в Э ь ввез Ф' в вв + ав' ~Ф~в ~+ е ео вся "" аа Ф в ве Ф в +в вв в ве вв + в + ва о+ мнс мс а мнн и день Ерема Рнс.
9.14. График, позволяющей оценнть схорость движения веществ и проведения активности в различных прострзнствениых н временнйх единицах. Меленькими точнзмн отмечены обычно употребляемые еднняцы. Если рассматривать транспорт сннаптнческнх меднаторов н мембран пузырьков, получится, что даже прн быстром транспорте на передвижение по самым коротким аксонам (длиной порядка миллиметра и меньше) потребовалось бы много минут, а в длинных аксонах это было бы делом нескольких часов. Это помогает объяснить, почему окончания аксонов содержат свой собственный механизм для сннтеза и обратного захвата медиатора, Однако в случае выходных синапсов на дендрнтах расстояния до тела клетки обычно меньше миллиметра, и такие сннапсы, по-вндимому, могут более непосредственно пользоваться ресурсами тела клетки при поддержании своей активности.
Для выходных сннапсов на самом теле клетки это, конечно, самоочевидно. Для сравнения на рис, 9.14 показаны также и другие скорости. Обратите внимание, что самая малая скорость нервного проведения более чем на пять порядков превышает самую большую скорость аксонного транспорта; даже самые медленные импульсы проходят один микрон быстрее, чем за микросекунду.
Диффузия сннаптнческого медиатора через щель (см. ранее в этой главе) осуществляется со скоростью около одного микрона в миллисекунду, что бл~зко к скорости потока крови в капиллярах. К этому читатель может, сам дрбавнть другие скорости н соотношения. Легко просматрявается об1цее правило — то, что фнзиологнческие процессы на микроскопических уровнях занимают невероятно малое время. По этой прнЧине отРезки времени для микроэлектродного аналнза сннаптнческнх функций обычно попадают в область миллисекунд.
Энергетический обмен и картироеание с помои(ью 2-дезоксиглюкози Обсуждая метаболические пути, мы отметили, что мозг позвоночных в своем энергетическом метаболизме практически полностью зависят от глюкозы. Глюкоза захватывается нейронами и фосфорнлнруется прн участии гексокнназы до глюкоза-6-фосфата. Как и в других клетках тела, она затем метаболнзируется в цитозоле через глнколитнческую цепь до пирувата, который входит в митохондрии и подвергается окнолнтельному метабо. лнзму в цикле лимонной кислоты.
Высвобождаемая при этом энергия запасается в форме аденозннтрнфосфата (АТР) н становится доступной для текущего метаболизма нейрона и для сиюминутных потребностей, связанных с нервной актив« пастью. Какие виды активности требуют энергии? Мы видели, что ионы движутся через мембранные каналы проводимости пассивно, однако градиенты концентраций поддерживаются метаболи. ческнм насосом, который требует энергии.
Гигантский аксая кальмара может часами генерировать потенциалы действия после подавления метаболизма ядом, поскольку пассивные ионные потоки малы по сравнению с имеющимся в наличии количеством ионов. Однако этн пропорции возрастают в более тонких аксонах, так как у ннх больше отношение площади поверхности к объему;всамыхтонких немиелиннзнрованных волокнах нмпульсная активность непосредственно зависит от метаболического. насоса. Аналогичные факторы действуют и в синапсах; сами по себе ионные токи пассивны, но восстановление н поддержание ионных концентраций требует энергии, равно как н синтез медиатора и циклические перестройки мембраны. Кроме того, повышенных скоростей накачивания ионов можно ожидать и в местах, где потенциал покоя мембраны относнтельно низок нз-за повышенной проницаемости для 1в(а+ (как в перехватах Ранвье и рецепторах сетчатки).
Обилие митохондрий в мелких ветвях аксонов и дендритов в значительной степени 11, Клеточные механизмы 9. Медиаторы и модуляторы 233 Нейрон Мозговой капилляр Зкстрекци глюкозы «аза-а-фасфет хдг-а- р Ь аопизируетсн Фасфогексозо- изамерезе цитозопе Глюкоз Фруктово а-фосфет 1 ! Цика пиманнай кнспоты Мнтоконари Р Рис. 9.13. Пути, участвующие в захвате и начальном метаболизме глюкозы и ее аналога — 2-дезоксиглюкозы — в нервных клетках. отражает энергетические потребности синапсов в этих местах. Таким образом, указанные типы активности требуют сиюминутных энергетических затрат, и сейчас существуют методы, которые используют это свойство для картирования распределения активности в мозге во время различных функциональных состояний.
Этот метод был внедрен Л. Соколовым и его сотрудниками из Национальных институтов здоровья; в нем используются особенности аналога глюкозы, 2-дезоксиглюкозы (2-ДГ), у которой при втором атоме углерода нет атома кислорода. Как показано на рис. 9.15, 2ДГ захватывается и фосфорилируется гексокиназой так же, как и глюкоза, Однако результирующий продукт, 2ДГ-6-Р, не является субстратом для фосфоглюкоизомеразы и не может участвовать далее в метаболическом цикле; он накапливается в тканях, Соколов и его сотрудники рассудили, что, пометив 2-ДГ радиоактивным углеродом ('"С) и введя ее в следовых количествах в организм животного, можно будет выявить места повышенного содержания "С-2ДГ-6-Р, помещая срезы мозговой ткани на рентгеновскую пленку.
Срезов можно сделать сколько угодно, так что картину активности, связанной с данным функциональным состоянием, можно картировать по всему мозгу. Этот метод был применен ко многим системам. Один из наиболее впечатляющих результатов был получен на зритель- Рис. 9,1б. Радиозвтографы, полученные с применением НС-2-дезокснглюкозы, А. Зрительная кора обезьяны после удалении одного глаза; стрелкамн указано слепое пятно.
(Зойо1о!1, !97?,) Б. Обонятельная луковвна после вдыхании крысой запаха змнланетата. Слева: раднавтограф, демонстрирующий три маленьких плотных очага (стрелки) и светлые промежутки между ними (светлая стрелка). На срезе, окрашенном по Нисслю, контуры плотных очагов точно накладываются на малые группы гломерул. (З(еттаг1 е1 а1., 1979.) ной системе. Например, обезьяне делали инъекцию спустя день после удаления одного глаза.
Радиоавтографы зрительной коры выявили чередующиеся темные и светлые полосы, соответствующие колонкам глазодоминантности, существование которых было продемонстрировано ранее электрофизиологическими и анатомическими методами (см. гл. 17). Эти результаты показаны на рис. 9.16Л. Так же успешно этот метод был применен на обонятельной системе, для которой относительно мало что известно о пространственных картинах активности. После инъекции крыса вдыхала некое пахучее вещество, что удивительным образом приводило к появлению небольших четко очерченных очагов активности в обонятельной луковице над слоем гломе- Кс Клеточные механавлы рул, где оканчиваются аксоны от обонятельных рецепторных клеток. Эти результаты показаны на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
