Беркинблит, Глаголева - Электричество в живых организмах (Квант) - 1988 (947484), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Описанные нейроны могут выраба тывать и передавать достаточно слоя(ные команды, нап ример, для управления движениями. Конечно, такое управление осуществляет не одна клетка, а система ваанмодействующих между собой нейронов. Рассмотрим на нескольких примерах, как такие клеточные системы могут управлять некоторыми дзян~опиями, Как бабочка складывает крылья В 1984 г. на биологической олимпиаде школьников МГУ была предложена следующая задача: «Известно, что бабочка-крапивница предпочитает температуру 36 'С. Если на улице холодно и солнце не светит, бабочка сидит с закрытыми крыльями.
Если холодно, но светит солнце, бабочка раскрывает крылья. Но как только температура достигает 36 'С, бабочка складывает крылья. Нарисуйте схему соединения нейронов, которая обеспечивала бы такое поведение бабочким Задача была дана в 10-и классе и оказалась «убойной». Никто из школьников не получил за нее «отлично», так как ии одной работоспособной схемы предложено не было, а многие школьники вообще не могли понять, что от них требуется. Эта задача, как очень многие задачи по биологии, не имеет однозначного ответа.
Можно придумать много схем, удовлетворяющих ее условиям. Придумаем одну из воаможных. Преп«де всего, можно предположить, что крыльями бабочки по аналогии с мышцами-антагонистами у человека должны управлять две группы мыащ: «опускатели» крыла и «подниматели» крыла. Каждой группой управ- лают свои МН, которые мы будем обозначать МН, и МН„. На эти МН доляскы поступать сигналы о температуре и солнечном свете. Тут также возможны разные решения.
Пусть клетка Т возбуждается и посылает импульсы, только если температура выше 36 'С («тепло»), а клетка С вЂ” когда светит солнце («свет») (рис. 52). По условию задачи при свете крылья раскрываются, поэтому соединим световой рецептор с МЕ1, (рис. 52, б). Когда же температура поднимется выше 36'С и заработает тепловой рецептор, крылья долл<им закрыться. Значит, надо соединить клетку Т с МН» возбуждающей связью. Мышцу-антагониста (опускатель крыла) надо при этом затормозить; для этого надо соединить тепловой рецептор с МН, тормозной связью. Но один и тот я<е нейрон, как правило, не бывает и возбуждающим, и тормозным, поэтому для создания термен<ения надо поместить в эту линию 208 ма, в которой есть вставочный нейрон СА, все время работающий сам по себе (такие нейроны называют спонтанноактивными).
Он будет все время стремиться закрыть крылья, которые будут закрыты всегда, кроме ситуации, когда одновременно работают рецепторы Х и С; в этом случае они возбуждают интернейрон ИН 2. Цифра «2» указывает, что его порог так высок, что свет и холод по одиночке не способны его возбудить. Этот интернейроп при возбуждении откроет крылья и затормозит спонтанно активный интернейрон (СА). Вы видите, что в этой схеме мы обошлись всего двумя типами рецепторов. Правда, один из интернейронов в атой схеме обладает более хитрыми свойствами, чем стандартный нейрон: он может работать сампо себе.
О таких нейронах мы поговорим дальше в этой главе. Инженеры часто решают такие же задачи, как только что решенная нами. Например, во многих домах есть лифт, Допустим, что лифт пришел на первый этаж и дверь открылась. Если никто не войдет в него, дверь закроется. Если войдет, но ничего не будет делать, дверь останется открытой. Если войдет н нажмет кнопку — дверь закроется и включится двигатель. Тут тоже есть «МН» для двери и для двигателя, есть рецепторы веса и нажатия на кнопку, есть свой «мозг», но не из нейронов, а из реле. Существует целая теория, позволягощая строить нужные логические схемы для разных задач. Как плавает пиявка Схему поведения бабочки мы выдумалп сами: как она управляет своими крыльями на самом деле — неизвестно.
А есть ли случаи, когда удалось разобраться в связях реально существующих нейронных схем и понять, как они работа>оту Надо сказать честно, что в случае позвоночных ясивотных такие успехи довольно скромны: слишком мпого у них нейронов. Но в случае беспозвоночных, у которых в ганглиях (нервных узлах) часто всего несколько сотен нейронов (причем каждый нейрон можно «узнать в лицо», так как он имеет особую форму, особое положение внутри ганглия и т.
п.), успехи более впечатля>ощие. Мы рассказе»> вам для примера, как устроена нейронная сеть, обеспечивающая плавание пиявки. Когда пиявка плывет, в кая«дом сегменте ее тела поочередно сокращаются то спинные, то брюшные продольные 210 мышцы, так что сегмент выгибается то вверх, то вниа. Сокращение в каждом сегменте возникает немного позднее, чем в предыдущем сегменте. В результате по телу пиявки бежит волна, тело периодически изгибается и пиявка плывет.
Как же устроено, что мышцы спины и брюшка сокращаются поочередно? Рассмотрим только один сегмент. В каждом сегменте пиявки имеется свой ганглий, а в нем — около 200 нейронов. Часть из них — МН, управляющие продольными мышцами (рис.
53). При этом у пиявки,— в отличие от нас, но Рлс. 53. Нейронный генератор плавании пинали: а — мыищы н мотонейроны, используемые при плавании (ВМН— возбул<дающио матонейроны,ТМН— тормозные мото- нейроны); б — генератор из четырех нейронов, образующих тормозное кольцо Спинные мышцы пин т<'.<й днтн ти/ Грюшныемышцы 2И подобно многим другим беспозвоночным — есть и возбуясдающие, и тормозные МН (у нас, т, е, млекопитающих, МН могут только возбуждать мышечные волокна), причем тормозные МН тормозят не только мышцу, но и возбуждающие МН. В ганглин находится так называемый генератор плавания, образованный четырьмя нейронами (рис.
53, б). При плавании на все зти нейроны приходит возбуждающий сигнал. Как же работает эта система< Схема на рис. 53, 6 совершенно симметрична, но реально при подготовке к плаванию какие-то нейроны начинают возбуждаться чуть раньше других, Пусть, например, первым возбудился нейрон 1, он сейчас же затормозит нейроны 8 и 4, и они будут «молчать».
Нейрон 2 никем не тормозится и возбудится под действием общего сигнала вслед за нейроном 1. Когда это произойдет, затормозятся нейроны 1 и 4. Теперь нейрон 8 никем не тормоаится и через некоторое время он заработает, затормозив нейроны 1 и 2. Таким образом, нейроны 1 — 4 будут поочередно возбут<сдаться, Когда будет возбуждаться нейрон 1, он будет тормозить тормозные МН спинных мышц, тогда возбуждающий МН заставит зги мышцы сократиться, и данный сегмент изогнется выпуклостью вниз. Когда будет возбуждаться нейрон 8, сегмент будет изгибаться в противоположную сторону. (Заметьте, что все нейроны в втой схеме тормозные. Они работают, так скааать, по принципу «минус на минус дает плюсе.) Впервые такое «тормозное кольцо» придумал советский ученый В. Л.
Дунин-Барковский. А лет через десять такое кольцо открыли у пиявки сотрудники Г. Стента— знаменитого генетика, который последние годы увлекся нейронными сетями беспозвоночных. «Батареи» из нейроиов Мы могли бы рассказать вам еще немало о таких относительно простых схемах из нейронов, объясняющих, как отдергивается от прикосновения и уползает в норку дождевой червь, как плавает морской ангел *), размахивая своими крыльями (это выяснили московские ученые, работающие в группе академика И. М.
Гельфанда), как жует пищу улитка и т. д. Однако перейдем к позвоночным. Дело в том, что, как уже упоминалось, в нервной системе позвоночных, как правило, выполнением любой функции занимаются не единицы или десятки, а тысячи и десятки тысяч клеток. В наших схемах фигурировали одиночные нейроны и одиночные рецепторы — каждый изображал несколько сходных клеток, имеющихся у беспозвоночных. А у позвоночных животных даже система, управляющая отдельной мышцей, более сложна: так, каждой круппой мышцей кошки или человека управляет своя группа мотонейронов — так называемый мотонейронный пул (МН-пул).
В МН-пул входят тысячи нервных клеток, многочисленные разветвления аксонов которых оканчиваются на мышечных волокнах. Через мотонейронный пул н происходит управление работой мышцы, которая сама по себе тоже является довольно слоигяым механизмом. Например, изучая работу икроножной мыпщы кошки, ученые обнаружили, что, когда кошка стоит, возбуждаются только такие мышечные волокна, которые обеспечивают относительно слабое напряжение мышцы, но зато могут работать длительное вре- е) Морской ангел — шо моллюск; другие моллюски ползают иа иоге, а у атого из ноги образовались «крмльиы иа которых ои «порхает> в воде. 2«2 мя, не утомляясь; когда кошка бежит рысью, добавляются и другие, более «сильные» волокна; когда же кошка пускается в галоп, спасаясь бегством, или прыгает за добычей, подключаются особые мышечные волокна, которые могут работать относительно недолго («утомляемые»), но зато развивают большое усилие.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
