Інтегративні механізми

Інтегративні механізми

Введення

Експерименти, виконані на безхребетні внесли істотний внесок у розуміння клітинних і молекулярних механізмів нейронної сигналізації. Завдяки простій нервовій системі, безхребетні, такі як мухи, бджоли, мурашки, хробаки, равлики і ракоподібні, є зручними об'єктами для вивчення того, яким чином у нервовій системі відбувається інтеграція інформації та формування цілеспрямованої поведінки.

Наочним прикладом є ЦМС п'явки. У п'явки можна розрізнити окремі нейрони, вивчити їх біофізичні властивості, простежити контакти нейронів і визначити роль ідентифікованих нейронів в інтеграційних поведінкових актах, таких як рефлекси плавання або ухилення від перешкод. ЦНС п'явки складається з 21 стереотипного ганглія, в кожному з яких знаходиться близько 400 нейронів. Індивідуальні сенсорні нейрони, мотонейрони і інтернейрони можуть бути ідентифіковані як візуально, так і електрофізіологічних. Кожна механосенсорная клітина в ганглії, що реагує на дотик, тиск або больову стимуляцію, іннервує певну зону поверхні тіла. Сенсорні клітини передають інформацію до Інтернейрони і рухових нейронів через хімічні та електричні синапси. Після повторної стимуляції з фізіологічної частотою передача в сенсорних нейронах блокується в точках розгалуження аксонів. Це пов'язано з тим, що тонкі аксони в місцях розгалуження утворюють дочірні відростки, великі за розмірами, ніж материнська гілку. Цей механізм здатний забезпечити тимчасову ізоляцію чутливих клітин. Вивчаючи нейронні зв'язки безхребетних, можна, крім того, вивчати, яким чином окремі нейрони утворюють синаптичні контакти під час розвитку нервової системи або в процесі регенерації нейронів після пошкодження.

Клітинні механізми інтеграції та поведінки у п'явок, мурашок і бджіл

Мурахи і бджоли здатні до складних поведінкових реакцій. Це становить для дослідника привабливу можливість, вивчаючи поведінку цих безхребетних, зрозуміти принципові механізми інтеграції інформації в нервовій системі. Так, можна простежити зв'язок між поведінкою тваринного і фізіологічною активністю мозку, розглянувши при цьому, як себе ведуть окремі ідентифіковані нейрони. Аналізуючи шлях, пройдений мурахою чи бджолою, можна спробувати зрозуміти всю систему від властивостей фоторецепторів до нейронних мереж, які в цілому забезпечують подібну поведінку. Наприклад, пустельні мурашки мігрують на довгі дистанції в пошуках їжі. Під час пошуку мураха рухається зигзагом, «маятникообразное», проте після того, як джерело їжі знайдений, мураха розвертається і слід у напрямку до гнізда найкоротшим шляхом. Його ЦНС враховує всі рухи вправо і вліво, виконані мурахою під час пошуку їжі, розраховує його поточне положення відносно початкової точки і знаходить найкоротший шлях до неї. Це можливо тільки за допомогою точних координат, розрахованих на основі поляризованого світла сонця. Око пустельного мурашки містить особливу групу фоторецепторів, здатних сприймати поляризоване світло. Ці фоторецептори забезпечують ЦНС інформацією, необхідної для обліку рухів у просторі і розрахунку нового вектора руху. Мурахи і бджоли є прикладом того, як нервова система безхребетних за допомогою відносно невеликої кількості нейронів здатна виконувати досить складні розрахунки. Завдяки великій різноманітності нервових систем безхребетних, вони є улюбленим об'єктом для вивчення клітинних механізмів поведінки.

У цій книзі ми не раз зверталися до нейронів безхребетних для того, щоб проілюструвати фундаментальні механізми нейронної сигналізації. Так, наприклад, за допомогою великого за розмірами аксона кальмара і його гігантського синапсу були відкриті універсальні закони проведення потенціалу дії і принципи синаптичної передачі. Клітини інших безхребетних були використані для того, щоб проілюструвати пасивні електричні властивості мембран і механізми інгібування синаптичної передачі.

Вибір безхребетних в якості об'єктів досліджень часто пов'язаний з методичними проблемами. Ряд технічних проблем може бути простіше дозволено з використанням нервової системи безхребетних. По-перше, оскільки індивідуальні нервові клітини в них досить великі, то їх можна використовувати як для електрофізіологічних, так і для молекулярно-біологічних експериментів. По-друге, хоча у безхребетних вироблення певного типу поведінки вимагає певних зусиль, але воно завжди високостереотіпно, відтворено і досить легко може бути проаналізовано. По-третє, завдяки генетичним маніпуляціям, плодова мушка (Drosophifa melanogaster) і нематода Caenorhabditis elegans зіграли велику роль у вивченні механізмів розвитку нервової системи. Ці механізми залишилися настільки консервативними у процесі еволюції, що гени, що кодують рецептори або іонні канали, мають разюче схожі послідовності у мух, хробаків і вищих хребетних. Наприклад, у людини, так само як у дрозофіли або п'явки, гомеобоксние гени відповідальні за розвиток сегментів тулуба, основних відділів мозку і спеціалізованих органів, таких як очі.

У той же самий час треба підкреслити, що цікавість дослідників при вивченні нервової системи безхребетних не обмежується тільки вивченням тих принципів, які в подальшому можна використовувати для розуміння організації нервової системи вищих тварин або людини. Те, яким чином п'явка здійснює плавальні рухи, мураха орієнтується в просторі, бджола «танцює», цвіркун «співає» або мухи літають, все це є саме по собі дивно цікавою проблемою.

Від нейрона до поведінки і назад

Безхребетні надають можливість простежити шлях розвитку нейрона від народження окремої клітини до утворення відростків і формування зв'язків. На відповідному безхребетних з великими нейронами можна проаналізувати біофізичні властивості окремих клітин і спостерігати, як формується координоване поведінку всього організму. Аналогічно можна вивчати реакції на молекулярному рівні в клітинах при зміні поведінки тварини у відповідь на зовнішні впливи і закладені внутрішні програми. Подібного роду аналіз можливий завдяки тому, що поведінкові реакції безхребетних високостереотіпни і здійснюються за участю відносного невеликого числа нейронів, в той час як подібні реакції у ссавців вимагають участі тисяч нейронів.

Кожен вид нервової системи безхребетних має певні переваги для вивчень тієї чи іншої проблеми. Нейронні мережі, відповідальні за елементи координованого поведінки, такі як позние рефлекси, годування, добові ритми, реакції уникнення і плавання, були вивчені на річкових раках і равликів. ЦНС комах була використана для вивчення різних проблем, включаючи розвиток і регенерацію НС, політ і переміщення по землі, орієнтацію в просторі та керування при допомозі звуків. Кількість видів безхребетних і спектр розв'язуваних проблем настільки великі, що практично неможливо зробити загальний огляд даної теми. Наприклад, написано велику кількість монографій про молюсків Aplysia, п'явках, морський равлику Hermissenda, річкових раках та ізольованих культурах нервових клітин безхребетних.

Для подальшого обговорення ми вибрали нервові системи трьох безхребетних. П'явка, з її примітивним поведінкою, стереотипним будовою і функціями ЦНС і невеликою кількістю нервових клітин, дозволяє детально вивчити властивості, зв'язки та функції окремих нервових клітин. У бджіл ж і мурах вивчення починається з їхньої колективної поведінки, що дозволило детально дослідити механізми, що дозволяють даними комахам орієнтуватися в просторі, використовуючи поляризоване світло і магнітні поля.

Інтеграція інформації окремими нейронами в ЦНС п'явки

З часів Давньої Греції та Риму п'явки використовувалися лікарями для лікування хворих, що страждають такими захворюваннями, як епілепсія, стенокардія, туберкульоз, менінгіт і геморой - досить неприємне лікування, яке майже завжди приносило більше шкоди, ніж користі нещасних жертв. До XIX століття використання медичних п'явок прийняло такий масштаб, що вони практично зникли в Західній Європі. Тому Наполеон був змушений імпортувати близько 6 мільйонів п'явок на рік з Угорщини для лікування своїх солдатів. Ця «манія» хірудотерапіі принесла свої певні плоди: використання п'явок у медицині сприяло вивченню їх розмноження, розвитку і анатомії. У кінці XIX століття засновники експериментальної ембріології, такі як, наприклад, Уітман, вибрали саме п'явку для того, щоб простежити долю ранніх ембріональних клітин. Аналогічним чином їх НС була ретельно вивчена плеядою видатних анатомів, включаючи Рамон - і-Кахаля, Санчеса. Гаскелл, Дель Ріо Хортега, одуру і Ретціуса. Потім інтерес до п'явок впав і знову з'явився в I960 році, коли Стівен Куффлер і Давид Поттер ¹⁶⁾ вперше застосували сучасні нейрофізіологічні методики для вивчення властивостей її НС. Це сприяло початку інтенсивного вивчення її розвитку, біофізики та молекулярної біології, нервових зв'язків та поведінки.

Нервові клітини мурашок і бджіл менше за розміром і більш важкі для вивчення. Тим не менш, використовуючи високоточні спостереження та експерименти, можна розкрити клітинні і інтегративні механізми, що лежать в основі їх поведінки. Саме таким чином стало можливо аналізувати механізми сприйняття інформації, що використовуються при вирішенні завдань високої складності мурахами і бджолами. Такою задачею є виявлення віддаленої мети і потім пошук найкоротшого шляху назад до гнізда. Системний підхід до клітинної нейробіології можливий тільки при подібного роду аналізі: від поведінки до мозку, від цілого мозку до окремого нейрона. У наступних розділах, які присвячені сенсорним механізмам, сприйняття і рухової координації в ЦНС ссавців, ми знову побачимо, що відправною точкою в дослідженнях клітинних механізмів є саме поведінка (наприклад, локація джерела звуку в просторі).

Ганглії п'явки: напівавтономні одиниці

Тіло і НС п'явки сегментовано і складається з великого числа стереотипних повторюваних одиниць (сегментів), які мають подібну будову. Кожен сегмент иннервируется стереотипно влаштованим ганглієм, всі ганглії мають близьку будову. Навіть спеціалізований головний і хвостовий «мозок» складається з злилися гангліїв, і в ньому легко простежуються багато властивостей, характерні для сегментарного ганглія.

Кожен ганглій складається приблизно з 400 нейронів, які мають певну форму, розмір, розташування й розгалуження (branching pattern). Ганглій іннервіруетопределенную зону тіла за допомогою парних нервів, а також з'єднується з сусідніми та віддаленими частинами НС за допомогою додаткових пучків волокон (конектив). Інтеграція інформації здійснюється послідовно на наступних добре помітних етапах:

Рис. 1. ЦНС п'явки. (А) ЦНС п'явки представлена ланцюжком з 21 сегментарного ганглія, головного і хвостового ганглія («мозок»). Кожен сегмент тіла утворений п'ятьма круговими кільцями; центральне кільце містить нервові закінчення сенсорних органів, чутливих до світла і дотику (сенсілли). (В) Нервова ланцюжок знаходиться у вентральній частині тіла, в черевній лакуні. Ганглії, з'єднані один з одним пучками аксонів (конектив). парними корінцями іннервують стінку тіла. М'язи утворюють три основних шари: циркулярний, косою і поздовжній. Крім того, є дорзовентральние м'язи, скорочення яких уплощаются п'явку, а також м'язові волокна безпосередньо під шкірою, що утворюють при скороченні складки.

1. Кожен сегментарний ганглій отримує інформацію від кільцевидного ділянки тіла, який їм регулюється.

2. Сусідні ганглії впливають один на одного за допомогою прямих зв'язків.

3. Координована робота всієї нервової трубки і всього хробака регулюється термінальними гангліями, розташованими на обох кінцях тіла.

Напевно, найпривабливіше у вивченні п'явок - це те, як нервовий ганглій виглядає під мікроскопом, коли окремі нейрони добре помітні і мають дивно подібну будову від сегменту до сегменту, від особини до особини, від виду до виду (рис. 1). Дивлячись на це скупчення клітин, розташованих в строгому порядку, не можна не здивуватися: яким чином вони, ці окремі клітини, утворюють «мозок» і здатні регулювати рух тваринного, зупинки, ухилення від перешкод, спарювання, годування і чутливість? Крім естетичного задоволення від препарату, можна отримати і інтелектуальне, розкриваючи структуру зв'язків і логіку добре організованою НС на основі властивостей окремих клітин.

Перш ніж дізнатися, яким чином п'явка здійснює свої рухи, необхідно вивчити окремі клітини: їх властивості, з'єднання і функції.

Спостереження за екзоцитом і ендоцитозу в живих клітинах

Аналогічні експерименти були проведені з використання високо флуоресцентних міток для маркування завдаючи везикул. Запроваджена Бетца і колегами, ця методика дає важлива перевага, що кругообіг везикул можна спостерігати в живому препараті по викликуваним стимуляцією накопиченню та вивільненню мітки. Ці дослідження дозволили виявити, що в нормальних фізіологічних умовах повний цикл екзоцитозу зворотного захоплення і формування нових синаптичних везикул займає менше 1 хвилини; відновлення ж після більш інтенсивної стимуляції відбувається повільніше. Більш того, було показано, що захоплення флуоресцентних міток в пресинаптичні бутони культивованих гіппокампал'них нейронів відбувається квантовим чином, причому розмір кожного кванта відповідає захопленню однієї синаптичної везикули. Такого роду квантовий захоплення відбувається протягом секунд після початку стимуляції, припускаючи що поодинокі події екзоцитозу і ендоцитозу дуже близько пов'язані. Ця методика дозволяє аналізувати квантове вивільнення з окремих пресинаптичних бутонів без реєстрації постсинаптичних відповідей. Оскільки реєструючі електроди не потрібні, ці оптичні методи виявляються досить зручними при дослідженні пресинаптической функції і довготривалої пластичності.

Багатообіцяючим підходом для досліджень екзоцитозу везикул є використання не нейрональних секреторних клітин, наприклад, клітин молочної залози і хромафінних клітин, в яких екзоцитоз великих і щільних секреторних гранул може бути досліджений одночасно за допомогою світлової мікроскопії, електрофізіологічної реєстрації та амперометрией, яка дозволяє детектувати аміни, що виділяються цими клітинами. Злиття одиночних гранул з плазматичною мембраною може бути зареєстровано Петч-електродом у вигляді збільшення електричної ємності клітини, що виникає при додаванні мембранних гранул до клітинної поверхні; зворотний ж захоплення мембрани при ендоцитозу призводить до зменшення ємності. Алмерс зі співавторами в експериментах на хромафінних клітинах додали електрод з вугільного волокна всередину Петч-електрода, щоб виміряти вивільнення катехоламінів, що містяться в гранулах. Вивільнення зазвичай детектувати одночасно зі збільшенням ємності, як це можна було б припустити у випадку екзоцитозу і включення гранулярной мембрани в плазматичну. Однак приблизно 15% подій вивільнення супроводжувалися короткочасним і неповним збільшенням ємності. У цих випадках екзоцитоз, по всій видимості, відбувався через маленьке, що відкривається на короткий час отвір (fusion розі), яке потім швидко закривалося, дозволяючи гранулі відійти назад в цитоплазму без включення її в зовнішню мембрану. Такі події типу «поцілував і втік» (kiss and run) можуть дозволити звільнятися маленьким молекулам, наприклад, катехоламінів, чий запас може бути швидко відновлений, але затримувати при цьому великі білки, втрата яких може бути заповнена тільки шляхом синтезу абсолютно нових гранул в апараті Гольджі.

Зміни ємності, пов'язані з вивільненням множинних квантів, були виміряні в одиночних нервових закінченнях, виділених з ЦНС хребетних. Поки що технічно неможливо реєструвати зміну ємності, пов'язані зі злиттям одиночних синаптичних везикул. Хоча повне злиття синаптичних везикул з пресинаптичної мембраною явно відбувається під час інтенсивної стимуляції, залишається неясним, чи може відбуватися в нормальних фізіологічних умовах вивільнення за механізмом «поцілувати і втекти»

Література

Пенроуз Р. НОВИЙ УМ КОРОЛЯ. Про комп'ютери, мисленні і закони фізики.
Грегорі Р.Л. Розумний очей.
Леках В.А. Ключ к пониманию физиологии.
Гамов Г., Ичас М. Мистер Томпкинс внутри самого себя: Приключения в новой биологии.