Энтеральная нервная система

Местные регуляторные рефлексы в кишечнике в высшей степени сложны и обеспечиваются огромным числом нейронов. Энтеральная нервная система содержит более 10 миллионов нервных клеток, расположенных в стенке кишечника и выполняющих функции сенсорных нейронов, интернейронов и мотонейронов. Все известные медиаторы присутствуют в этой системе (а многие из них были впервые обнаружены в кишечнике). Анализ внутренних рефлекторных цепей существенно затруднен тем, что эти рефлексы очень сложны и включают множество связей. Функциональный анализ представляет серьезную проблему даже в таких простых системах, как кишечник лангуста. Когда Сельверстон и коллеги начинали изучение стоматогастрических ганглиев, состоящих всего из 30 нейронов, то казалось, что им удастся полностью в них разобраться. Однако несмотря на значительные успехи, достигнутые путем электрического отведения от идентифицированных нейронов, и даже на открытие некоторых основополагающих принципов нейробиологии, полного понимания по-прежнему нет. То, что казалось на первый взгляд простой системой регуляции работы кишечника, оказалось не жесткой и статичной, а пластичной и изменчивой структурой.

Регуляция вегетативных функций в гипоталамусе

Существенная часть процессов управления в вегетативной нервной системе обеспечивается гормонами. Секреция гормонов железами (такими, как щитовидные, половые и кора надпочечников) регулируется релизинг-факторами, секретируемыми в ЦНС (обсуждается в следующих разделах). В свою очередь, гормоны оказывают обратное действие на ЦНС, регулируя секрецию релизинг-факторов, и замыкают, таким образом, петлю обратной связи.

Гипоталамус - это отдел мозга, который регулирует интегративные вегетативные функции, включая температуру тела, аппетит, потребление воды, дефекацию, мочеиспускание, частоту сердечных сокращений, артериальное давление, половую деятельность, лактацию, а также, в более медленной временной шкале, рост тела. Точность гомеостатических механизмов обеспечивает возможность каждому из нас поддерживать температуру тела около 37° С, кровяное давление около 120/80 мм рт. ст., частоту сердечных сокращений 70 ударов в минуту, потребление и выделение воды на уровне 1,5 литров в день, постоянное продвижение пищи по пищеварительному тракту с соответствующей секрецией, необходимой для пищеварения и абсорбции на каждом из уровней. Гипоталамус - это также отдел мозга, в котором эмоции сопрягаются с вегетативными ответами: мысль о пище приводит к секреции слюны, ожидание физической нагрузки - к повышению симпатической активности и т. д.

Другой тонко регулируемой функцией гипоталамуса является генерация в высшей степени точных и регулярных ритмов. К числу медленных относятся ритмы, контролирующие эндокринную секрецию. Например, половая и репродуктивная функции осциллируют с недельной периодичностью, которая зависит от секреции клетками гипоталамуса пептидных гормонов. Последние, в свою очередь, действуют на железы передней доли гипофиза, вызывая выделение в кровоток других гормонов.

Нейроны гипоталамуса, высвобождающие гормоны

Хорошо изученным примером гормональной секреции нейронов гипоталамуса является секреция релизинг-фактора гонадотропина (GnRH, то же что LHRH). Основной функцией этих нейронов является секреция GnRH в «портальную систему» кровеносных сосудов, напрямую соединяющих гипоталамус с передней долей гипофиза. Нейронально освобождаемый GnRH, таким образом, избирательно действует на железы, которые не имеют прямой иннервации, обеспечивая центральной нервной системе возможность контролировать гормональную секрецию. Выделившийся релизинг-фактор затем разбавляется в крупных сосудах кровеносной системы, в результате чего уже не может, к примеру, влиять на синаптическую передачу в вегетативных ганглиях. В передней доле гипофиза (аденогипофизе) GnRH возбуждает особые клетки, секретируюшие гонадотропин, гормон, необходимый для обеспечения репродуктивных ритмов и функций.

Это краткое упрощенное изложение не отражает элегантных экспериментов Хэрриса, который впервые показал, что локальное выделение релизинг-факторов в гипоталамусе представляет собой важный регуляторный механизм. Его концепция доставки химических сигналов через систему кровеносных сосудов путем целенаправленного транспорта была поистине революционной.

Интенсивность и временные параметры стимулов кодируются в виде рецепторных потенциалов, возникающих в чувствительных окончаниях сенсорных клеток. Рецепторные потенциалы могут быть деполяриэационными или гиперполяризационными; они возрастают по амплитуде с увеличением интенсивности раздражителя и достигают состояния насыщения при более высоких уровнях стимула. Во время длительного раздражения рецепторные потенциалы адаптируются, что проявляется в снижении их амплитуды. Адаптация может происходить как быстро, так и медленно. Она обусловлена механическими, электрическими или биохимическими процессами, происходящими в различных типах клеток. Рецепторы, которые адаптируются медленно, кодируют длительность стимула. Быстро адаптирующиеся рецепторы специализируются на выявлении изменений параметров раздражителя.

Распределение и численность GnRH-секретирующих клеток

GnRH-секретируюшие клетки рассредоточены по всему гипоталамусу и не образуют четко локализованных ядер или скоплений. Среди них выделяются лишь GnRH-секретирующие клетки, расположенные вблизи передней доли гипофиза (в срединном возвышении гипоталамуса), которые, как показано в предыдущем разделе, обеспечивают секрецию гонадотропина гипофизом. Высвобождение самих релизинг-факторов обеспечивается гормонами, такими как гормоны половых желез, образующими обратную связь с мозгом, и синоптическими входами, использующими различные медиаторы, включая норадреналин, дофамин, гистамин, глутамат и ГАМК Характерной особенностью GnRH-секретирующих клеток является их небольшая численность: 1300 у крысы и 800 у мыши. Однако крысы и мыши (да и люди тоже) просто вымерли бы без этих немногочисленных и разрозненных клеток мозга. Второе замечательное свойство этих клеток связано с их онтогенетическим развитием. У эмбрионов крыс с 10 по 15 дни развития клетки-предшественники впервые появляются в участке обонятельной плакоды. Это регион, из которого впоследствии развивается обонятельный эпителий. После деления, клетки мигрируют вдоль аксонов обонятельного нерва и достигают гипоталамуса. Проводящие пути и молекулярные механизмы миграции GnRH-секретирующих клеток были изучены на эмбрионах, новорожденных опоссумах и в культурах клеток. Поскольку все эти клетки могут быть надежно помечены антителами, специфичными к GnRH, их можно количественно учитывать как в месте их происхождения, так и по ходу миграции. Нейроны других типов тоже мигрируют вдоль тех же аксональных путей, что и GnRH-ceкретирующие клетки. Однако, не достигнув гипоталамуса, они отклоняются в сторону, попадая в совершенно другие области мозга.

Наряду с GnRH--секретируюшими клетками в гипоталамусе существуют особые популяции нейронов, секретирующих другие гормоны, необходимые для обеспечения вегетативных функций. Обмен веществ, функция щитовидной железы, абсорбция солей в почках, а также рост зависят от релизинг-факторов, которые секретируются в портальную систему и воздействуют через нее на переднюю долю гипофиза.

Особые нейроны гипоталамуса, расположенные в супраоптическом и паравентрикулярном ядрах напрямую иннервируют заднюю долю гипофиза. Их окончания высвобождают в кровь антидиуретический гормон (ADH), называемый также вазопрессином, и окситоцин. Следовательно, регуляция абсорбции воды почками и сокращений матки напрямую зависит от импульсной активности нейронов гипоталамуса.

Циркадные ритмы

Особо важную роль в жизнедеятельности животных имеют циркадные ритмы, контролирующие суточный цикл и цикл сон--бодрствование. В отсутствие каких-либо внешних сигналов, 24-часовые ритмическиециклы поддерживаются внутренними часами в течение продолжительного времени (недели и месяцы) как у беспозвоночных, так и у позвоночных), и даже в эксплантатах и культурах нейронов). Внутренний механизм синхронизации может быть изменен (или «навязан») воздействием регулярно чередующихся световых и темновых стимулов. Вегетативные функции находятся под сильным влиянием биологических часов, которые действуют на шишковидную железу и секрецию мелатонина.

Сведения о клеточных и молекулярных механизмах, позволяющих нейронам обеспечивать регулярные суточные циклы, были получены как на беспозвоночных, так и на позвоночных. Например, в зрительных путях ракообразных существует скопление секреторных нервных клеток, называемое глазным стебельком (eyestalk). В этой структуре можно поддерживать ритмы метаболической активности, секреции и импульсных разрядов, даже если изолированный орган поддерживается в культуре. На такой органотипическои культуре было проведено отведение электрической активности пейсмекерных клеток, охарактеризованы пептиды, выделяемые этими клетками, и проанализированы механизмы их действия. Более того, было показано, что ритм активности пейсмекерных нейронов в культуре может быть изменен путем навязывания чередующихся световых и темновых периодов.

Примеры циркадных ритмов, генерируемых клетками в культуре.

У теплокровных ключевой структурой в гипоталамусе для генерации ритма внутренних часов является супрахиазматическое ядро (SCN). Важным входом этого ядра является проекция глаза. После разрушения супрахиазматического ядра у крыс теряется способность настраивать эндогенный ритм на частоту чередования световых и темновых периодов. Двигательная активность, потребление воды, циклы сна-бодрствования и гормональной секреции нарушаются. Если трансплантировать эмбриональные ткани гипоталамуса, содержащие SCN, хозяину, ритмическая активность которого была предварительно нарушена путем полного удаления SCN, то ритм его деятельности восстанавливается с новым периодом, соответствующим генотипу донора.

В нейронах супрахиазматического ядра частота спонтанных потенциалов действия увеличивается в течение дня и снижается ночью. За счет какого механизма устанавливается этот ритм? Этот вопрос был исследован на срезах SCN, поддерживаемых в культуре (органотипические срезы). Показано, что основным медиатором, используемым нейронами этого ядра, является ГАМК. Ером и коллеги показали, что нейроны SCN в срезах отвечают на ГАМК деполяризацией и повышением частоты разрядов в течение дня. Та же концентрация ГАМК, апплицированная ночью, вызывает гиперполяризацию и снижение частоты разрядов. Следовательно, как и в развиваюшейся ЦНС, ГАМК может быть как возбуждающим, так и тормозным медиатором. Тип ответа зависит от уровня внутриклеточной концентрации хлора. Если концентрация хлора внутри клетки низка, то хлорный потенциал равновесия (ЕCl) более отрицателен, чем потенциал покоя. Открывание ГАМК-чувствительных каналов позволяет ионам хлора входить в клетку и гиперполяризовать мембрану. С увеличением внутриклеточной концентрации хлора, ЕCl сдвигается в сторону более положительных, по сравнению с потенциалом покоя, значений. В результате ГАМК вызывает движение ионов хлора из клетки наружу и увеличивает деполяризацию (см. также Gribkoff et al. как альтернативную схему генерации ритма). Неизвестно, является ли изменение внутриклеточной концентрации хлора единственным механизмом, ответственным за генерацию ритма в нейронах SCN, и каков механизм, ответственный за изменения этой концентрации.

С помощью генетических методов были выявлены общие белки, которые в царстве животных связаны с периодичностью. Гены и белки, контролирующие циркадные ритмы, идентифицированы и клонированы у дрозофилы. У многих видов два таких белка, известные как per (period, период) frq (frequency, частота), были обнаружены в пейсмекерных областях, таких как супрахиазматическое ядро. У мух выключение гена per приводит к исчезновению циркадного ритма. Последующее включение этого гена восстанавливает ритм. Хотя пока не выявлено прямых связей между регуляторными белками и уровнем внутриклеточного хлора, важно то, что теперь мы можем пытаться объяснить циркадные ритмы с точки зрения генов и ионных концентраций на хорошо установленных группах нейронов.

Выводы

Вегетативная нервная система регулирует важнейшие функции всех внутренних органов и, в свою очередь, регулируется с помощью гормональных и сенсорных обратных связей.

Парасимпатические эффекты более сфокусированы по сравнению с диффузными эффектами симпатической активации.

АХ является основным медиатором, используемым для передачи в вегетативных ганглиях, в парасимпатических нервных окончаниях и в некоторых симпатических нервных окончаниях.

Норадреналин является основным медиатором для большинства симпатических окончаний. К числу других медиаторов относится ацетилхолин, пептиды и АТФ.

Одна и та же молекула (например, LHRH, называемая также GnRH) может действовать и как медиатор в синапсах, и как гормон в мозге.

Анализ эффектов, вызываемых вегетативной нервной системой, сложен ввиду разнообразия рецепторов и большого числа пептидов и непептидных медиаторов.

Адреналин выделяется в качестве гормона из мозгового слоя надпочечников в кровеносную систему, достигая рецепторов в клетках-мишенях, на которые не действует выделяемый из нервных окончаний медиатор.

Гипоталамус является областью мозга, управляющей общей активностью вегетативной нервной системы, а также регулирующей секрецию гормонов.

Гипоталамус, в свою очередь, подвержен влиянию высших центров ЦНС и гормонов.

Литература

1. Пенроуз Р. НОВЫЙ УМ КОРОЛЯ. О компьютерах, мышлении и законах физики.

2. Грегори Р.Л. Разумный глаз.

3. Леках В.А. Ключ к пониманию физиологии.

4. Гамов Г., Ичас М. Мистер Томпкинс внутри самого себя: Приключения в новой биологии.