Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга




Скачать 14.26 Mb.
НазваниеВаллас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга
страница5/169
Дата04.11.2012
Размер14.26 Mb.
ТипДокументы
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   169

§ 2. Сигналы нервных клеток


Для анализа событий во внешнем мире или внутри нашего тела, для передачи информации от клетки к клетке нейроны используют электрические и химические сигналы. Расстояние передачи сигнала может быть большим: от кончиков пальцев на ногах до спинного мозга. Различные сигналы прекрасно представлены все в той же сетчатке. В то время, когда Рамон-и-Кахаль рисовал стрелки на рис. 1.2А, почти не было информации об этих сигналах, что делает его достижения еще более примечательными.

Глава 1. Передача информации и структурная организация мозга                             21

Ступени переработки информации можно последовательно проследить: свет падает на фоторецепторы и генерирует электрические сигналы, которые воздействуют на биполярные клетки. От биполярных клеток сигналы передаются к ганглиозным клеткам и от них к высшим центрам мозга, которые и осуществляют восприятие внешнего мира. В следующих разделах рассматриваются свойства сигналов и пути переработки информации.
Классы электрических сигналов

Электрические сигналы нервных клеток могут быть разделены на два основных класса. Во-первых, это локальные градуальные потенциалы (см. рис. 1.8), которые вызываются такими внешними стимулами, как свет, падающий на фоторецепторы глаза, звуковая волна, деформирующая волосковые клетки уха, или прикосновение, механически смещающее отросток сенсорной клетки в коже. Сходны по характеристикам, но существенно отличаются по происхождению сигналы, генерируемые в синапсах — соединениях между клетками, которые мы обсудим позже. Все эти сигналы градуальны и привязаны к месту возникновения, а их распространение зависит от пассивных характеристик нервных клеток.

Потенциалы действия составляют вторую основную категорию (см. рис. 1.9). Потенциалы действия вызываются локальными градуальными потенциалами. В отличие от локальных потенциалов, они быстро распространяются на большие расстояния — например, от глаза до высших центров по волокнам ганглиозных клеток, составляющих оптический нерв, или от моторных клеток в спинном мозге к мышцам ноги. Второе отличие потенциалов действия состоит в том, что они фиксированы по амплитуде и длительности, как точки в азбуке Морзе. Крайне существенно понимать, что потенциалы действия, путешествующие по волокнам оптического нерва не являются эпифеноменами, присутствующими лишь в наших представлениях о работе мозга. Они являются единственной формой сигнализации, которая снабжает мозг информацией о внешнем мире.

Передача сигнала от сетчатки может быть представлена следующей упрощенной схемой:

Свет



Локальный градуальный сигнал в фоторецепторе



Локальный градуальный сигнал в биполярной клетке



Локальный градуальный сигнал в ганглиозной клетке



Потенциал действия в ганглиозной клетке



Проведение сигнала к высшим центрам.
Универсальность электрических сигналов

Важным свойством электрических сигналов является то, что они фактически идентичны во всех нервных клетках организма независимо от того, запускают ли они движение, передают ли информацию о цветах, формах или болезненных стимулах, или соединяют различные области мозга. Вторым важным свойством сигналов является то, что они настолько одинаковы у разных животных, что даже умудренный опытом исследователь не способен точно отличить запись потенциала действия от нервного волокна кита, мыши, обезьяны или профессора. В этом смысле потенциалы действия могут считаться стереотипными единицами. Они являются универсальным эталоном для обмена информацией во всех исследованных нервных системах. В мозге не типы сигналов, а огромное количество клеток (от 1010 до 1012 нейронов) и разнообразие связей обеспечивают сложность выполняемых задач.

Эта идея была высказана в 1868 году немецким физиком и биологом Германом фон Гельмгольцем. Беря за основу гипотетические принципы, задолго до обнаружения известных сейчас фактов, он писал2):

Нервные волокна часто сравнивают с телеграфными проводами, пересекающими местность, и это сравнение хорошо приспособлено для иллюстрации удивительных и важных особенностей их образа действия. В телеграфной сети везде мы обнаруживаем те же медные или стальные провода, несущие только один вид движения, поток электричества, но вызывающие самые разные результаты на разных станциях в соответствии с дополнительной аппаратурой, с которой провода соединены. На одной станции эффект состоит в звонке колокольчика, на другой сигнал просто передается дальше, на третьей вступает в работу записывающий аппарат. ...Говоря коротко, каждое из... различных действий, вызываемых

22 Раздел I. Введение



Рис. 1.6.   Техника   регистрации электрической активности. (А) Кончик тонкого металлического электрода расположен близко к нервной  клетке в коре.  (В)   Внутриклеточная регистрация производится заполненной  проводящей жидкостью стеклянной микропипеткой, введенной в клетку. (С) Внутриклеточное отведение также делается пэтч-пипеткой, которая прилипает к клеточной мембране.

Fig. 1.6. Electrical Recording Techniques. (A) The tip of a fine wire electrode is located close to a nerve cell in the cortex. (The wire above the tip is insulated.) Extracellular recording allows one to record from a single cell or from a group of cells. (B) Intracellular recordings are made with a fluid-filled glass capillary that has a tip of less than 1 /urn in diameter, which is inserted into a neuron across the cell membrane. At rest there is a potential difference of about 70 mV, the inside negative with respect to the outside. This difference is known as the resting potential. (C) Intracellular recordings are also made with patch electrodes. A patch electrode has a larger tip than that of an intracellular microelectrode; the tip makes an extremely tight seal with the cell membrane. If the seal is intact the currents that flow as a single ion channel in the membrane opens or closes can be recorded. Alternatively, as shown here, the cell membrane can be ruptured to allow the diffusion of molecules between the pipette and the intracellular fluid of the cell (whole-cell patch clamp).

электричеством, может быть вызвано и передана проводом в любую необходимую точку. При этом β проводе происходит один и тот же процесс, приводящий к самым разным последствиям. ...Та разница, которую мы видим при возбуждении различных нервов, заключается только в рознице самих органов, к которым присоединен нерв и которым передается состояние возбуждения.

На самом деле, как будет показано в главе 6, небольшая разница в амплитуде и длительности очевидна в потенциалах действия разных нейронов. Утверждение, что все потенциалы действия одинаковы, равносильно утверждению, что все дубы одинаковы.
Техника записи сигналов от нейронов с помощью электродов

Для решения некоторых задач существенно регистрировать активность одного нейрона или даже одного ионного канала, тогда как для других задач необходима суммарная активность многих нейронов. Ниже коротко суммируются основные приемы для записи активности нейронов, используемые для обсуждения в следующих главах.

Впервые запись потенциалов действия от нерва была сделана от периферических нервов экстра клеточным и электродами. Пропускание тока между парой серебряных проводников вызывало потенциал действия, тогда как вторая пара таких же электродов на некотором расстоянии регистрировала ответ. В центральной нервной системе регистрация от нейрона или группы нейронов производится экстраклеточным электродом, который состоит из проводника в изолирующей оболочке или из стеклянного капилляра, заполненного проводящим солевым раствором (рис. 1.6А).

С помощью внутриклеточного микроэлектрода мы можем прямо измерять разницу потенциала между наружной и внутренней средой клетки, так же как возбуждение, торможение и возникновение импульсов. Стеклянный микроэлектрод, заполненный солевым раствором и с кончиком менее 0,1 мм в диаметре, вводится в клетку с помощью микроманипулятора (рис. 1.6В). Микроэлектроды также используют для пропускания тока через мембрану или внутриклеточной инъекции молекул в цитоплазму.

Глава 1. Передача информации и структурная организация мозга                          23

Часто используется прием измерения мембранного потенциала, известный как пэтч-кламп целой клетки. Стеклянная пипетка со сравнительно большим полированным кончиком придвигается к поверхности клетки, где она прилипает к мембране и образует прочное соединение. После нарушения целостности мембраны внутри пипетки жидкость в пипетке прямо контактирует с внутриклеточной жидкостью.
Неинваэивные методы регистрации нейронной активности

Используя метод оптической регистрации, можно проследить передачу информации в некоторых препаратах мозга без использования электродов. Специально созданные красители, которые связываются с клеточной мембраной, изменяют абсорбцию проходящего света или флуоресценцию при изменениях мембранного потенциала клетки, что можно объективно регистрировать. Существуют и такие неинвазивные методы, как позитронно-эмиссионная томография и магнитно-резонансная томография (МРТ), которые позволяют определить, какие области мозга бодрствующего человека активизируются при предъявлении стимулов или при движении. Получаемое с помощью МРТ изображение на рис. 1.7 показывает области, активируемые при предъявлении зрительного стимула.

Ретинограмма отражает суммарную активность сетчатки, электроэнцефалограмма — суммарную активность мозга. Эти методы в основном используются для диагностики нарушений функций мозга.
Распределение локальных градуальных потенциалов и пассивные электрические свойства нейронов

В схемах Рамона-и-Кахаля, отображающих клеточное строение мозга (см. рис. 1.2А), просвечивает идея о том, что освещение сетчатки изменяет активность фоторецепторов и эти изменения отражаются в активности нервных волокон, выходящих из глаза. Для такой передачи информации сигналы должны распространяться не только от клетки к клетке, но и вдоль клетки, от одного ее конца до другого. Как, например, электрический сигнал, генерируемый на контактирующем с фоторецептором конце биполярной клетки, распространяется вдоль нейрона и достигает терминали, которая расположена около ганглиозной клетки?

Для того чтобы ответить на этот вопрос, полезно рассмотреть соответствующие структуры, которые передают сигналы. Биполярную клетку можно рассматривать как длинный цилиндр, наполненный водным раствором солей (диссоциированных на положительно и отрицательно заряженные ионы) и белков, отделенный от экстраклеточного раствора мембраной. Внутриклеточный и экстраклеточный растворы осмотически одинаковы, но имеют разный ионный состав. Ионы двигаются по специальным ионным каналам, которые образованы белковыми молекулами, пронизывающими мембрану. Электрические и химические стимулы вызывают открытие или закрытие каналов для ионов кальция, натрия, калия и хлора.

В результате различий в концентрации ионов по обе стороны мембраны и из-за избирательности каналов для определенных ионов образуется потенциал покоя клетки. В покое внутреннее содержимое клетки отрицательно заряжено по отношению к наружной среде (см. рис. 1.6). Детальная информация о молекулярной структуре ионных каналов и принципов прохождения через них ионов дана в главе 2.

Строение и свойства нейрона определяют способность проведения электрических сигналов. Во-первых, внутриклеточная жидкость, цитоплазма (аксоплазма в отростке клетки, аксоне) примерно в 107 раз хуже проводит электричество, чем металлический проводник. Одной из причин является то, что плотность переносчиков заряда, ионов, в несколько раз меньше, чем электронов в металле; кроме того, подвижность ионов невелика. Во-вторых, протекание тока вдоль аксона на большое расстояние осложняется тем, что мембрана не является идеальным изолятором. Соответственно, величина тока, текущего вдоль волокна, быстро уменьшается из-за утечки через ионные каналы мембраны. Тот факт, что нервные волокна очень малы (обычно не более 20 микрон (мкм) в диаметре у позвоночных), еще больше уменьшает количество проводимого тока. Алан Ходжкин дал интересную иллюстрацию этих свойств распространения электрического сигнала3) ·

Если специалист по электричеству посмотрит на нервную систему, то сразу увидит, что передача сигнала по нервным волокном является огромной проблемой. Диаметр аксона в нерве

24 Раздел I. Введение



Рис. 1.7. Изображение живого мозга с помощью МРТ.

Fig. 1.7. Magnetic Resonance Imaging of Living Brain. The subject was presented with visual stimuli that caused activity to be generated in the lateral geniculate nucleus (labeled with the bounded arrow) deep within the brain (see Figure 1.1 and Chapter 20) and the visual cortex. The color represents the level of activity, white corresponding to high and grey to low. (After Ugurbil et al., 1999; image kindly provided by K. Ugurbil.)


варьирует от 0,1 до 20 микрон. Внутреннее содержимое содержит ионы и является неплохим проводником электричества. Однако, волокно невелико и его продольное сопротивление очень высоко. Простой расчет показывает, что в волокне диаметром 1 микрон и сопротивлением 100 Ом/см удельное сопротивление составит около 1010 Ом/см. Это означает, что электрическое сопротивление маленького нервного волокна длиной в 1 метр равно сопротивлению 1010 миль 0,2 мм медной проволоки, то есть проволоки длиной в десять раз больше, чем от Земли до планеты Сатурн.

Таким образом, пассивное проведение электрических сигналов затруднено и ограничено расстоянием 1-2 мм. Кроме того, когда такой сигнал короток, его форма может быть сильно искажена и его амплитуда еще уменьшена емкостью клеточной мембраны. Тем не менее, локальные потенциалы очень важны для вызова и проведения распространяющегося сигнала.
Распространение изменений потенциала в биполярных клетках и фоторецепторах

Фоторецепторы и биполярные клетки невелики по длине, поэтому локальный градуальный сигнал может эффективно распространяться от одного конца клетки до другого. Электрический сигнал, который отражает попадание света на фоторецептор, генерируется в наружном сегменте палочек или колбочек. Оттуда сигнал пассивно распространяется вдоль клетки до терминали на биполярной клетке. Если бы рецептор или биполярная клетка были длиннее (несколько миллиметров в длину), то локальный потенциал из-за сильного ослабления не достиг бы терминали и не смог влиять на следующую в цепи клетку. Биполярные клетки и фоторецепторы представляют собой исключение из общего правила, которое гласит, что для переноса информации вдоль нейрона необходимы потенциалы действия. Ганглиозные клетки обладают длинным (несколько сантиметров) аксоном и поэтому должны генерировать потенциалы действия для эффективного распространения сигнала в оптический нерв. Записи активности, показанные на рис. 1.8, сделаны от тел клеток. Локальные потенциалы возникают на дендритах в результате синаптических воздействий и пассивно распространяются к месту отведения.
Свойства потенциалов действия

Одним из основных свойств потенциала действия является то, что это взрывное, пороговое событие, возникающее по закону «все-или-ничего». Потенциал действия возникает в ганглиозной клетке в тех случаях, когда приходящие от биполярных и амакриновых клеток сигналы достигают некоторого критического уровня (порога) мембранного потенциала. У потенциала действия (ПД) есть четко определенный порог, после достижения которого амплитуда и длительность ПД не зависят от параметров стимуляции. Большие по амплитуде стимулы не вызывают большие по амплитуде ПД, равно как и длинные стимулы не приводят к появлению более длинных ПД.

Глава 1. Передача информации и структурная организация мозга                           25

Рис. 1.8. Локальные градуальные потенциалы.

Fig. 1.8. Localized   Graded   Potentials Intracellular recordings are made from (A) a bipolar cell and (B) a ganglion cell with microelectrodes. (A) When light is absorbed by the photoreceptors, it gives rise to a signal that in turn produces a localized graded response in the bipolar cell. The resting potential across the membrane is reduced (the trace moves in an upward direction). This effect is known as a depolarization. The size of the signal in the bipolar cell depends on the intensity of illumination, hence the term "graded". The depolarization spreads to the far end of the bipolar cell passively. As it spreads, it becomes smaller in amplitude owing to the poor conducting properties of neurons. At the terminal of the bipolar cell the depolarization causes the release of the chemical transmitter. (B) The transmitter produces a local graded potential in the ganglion cell. Because it is localized, the potential cannot spread for more than 1 mm (at most) along the axon. Whereas the bipolar cell is short enough for a local potential to spread to its endings, the ganglion cell has an axon several centimeters long. In these illustrations the local potentials were recorded from the cell bodies and were produced by transmitters acting on the dendrites. (A after Kaneko and Hashimoto, 1969; В after Baylor and Fettiplace, 1977.)



На рис. 1.9 показано, что ПД представляет собой короткий электрический импульс амплитудой около 0,1 В. Длительность ПД около 1 миллисекунды (мс), и он быстро движется вдоль нервного волокна от одного конца к другому.

Все фазы ПД должны быть полностью закончены до начала возникновения следующего ПД. После каждого ПД существует период вынужденного молчания (рефрактерный период), во время которого инициация ПД невозможна. Частота ритмических ПД определяется рефрактерным периодом.
Распространение ПД вдоль нервных волокон

Каждый импульс вызывает электрические токи, распространяющиеся пассивно перед ним по аксону. Хотя результирующий локальный потенциал быстро угасает с расстоянием, он все же превышает порог. Таким образом, ПД производит электрический стимул области ак-

26 Раздел I. Введение



Рис. 1.9. Регистрация потенциала   действия   ганглиозной   клетки  сетчатки внутриклеточным микроэлектродом.

Fig. 1.9. Action Potential recorded from a retinal ganglion cell with an intracellular microelectrode. When the stimulus, in this case current injected into the cell through the microelectrode, causes a depolarizing response that exceeds the threshold, the all-or-nothing action potential is initiated. During the action potential the inside of the neuron becomes positive. The action potential propagates along the axon of the ganglion cell to its terminal where it causes transmitter to be released. (After Baylor and Fettiplace, 1977.)

сома, в которую будет распространяться. Наиболее быстрые ПД распространяются по волокнам большого диаметра со скоростью около 120 метров в секунду (430 км/час), что и определяет возможность быстрой передачи информации на большие по сравнению с размером тела клетки расстояния.
ПД как нейронный код

Учитывая, что каждый ПД имеет фиксированную амплитуду, неясно, в чем же отражается величина стимула. Интенсивность кодируется частотой ПД. Более эффективный зрительный стимул вызывает большую деполяризацию и, как следствие, более высокую частоту генерации ПД в ганглиозной клетке (рис. 1.10). Такое обобщение впервые было сделано Е. Эдрианом4), который показал, что частота ПД в чувствительном окончании кожного нерва зависит от интенсивности стимула. Кроме того, он обнаружил, что более сильный стимул активирует большее количество чувствительных волокон.
Синапсы: области межклеточной коммуникации

Фоторецепторы влияют на биполярные клетки, которые влияют на ганглионарные клетки и так далее, что в конечном счете приводит к восприятию зрительного образа. Структура, через которую одна клетка передает информацию другой, известна как синапс. Механизм синаптической передачи представляет собой основную тему исследований в современной нейробиологии. Через синаптические взаимодействия нейроны, подобные ганглиозной клетке, интегрируют информацию о сигналах во многих фоторецепторах, производя на выходе новый собственный информационный сигнал для нервной сети.
Химически опосредованная синаптическая передача

На рис. 1.11 показана сложно организованная структура, с помощью которой фоторецептор контактирует с биполярными клетками. Пресинаптическая терминаль фоторецептора отделена от биполярной клетки щелью, заполненной экстраклеточной жидкостью. Это пространство слишком велико для прохождения токов, генерируемых фоторецептором. Вместо этого терминаль фоторецептора выделяет медиатор (иначе, трансмиттер или нейропередатчик), который хранится в пресинаптических пузырьках. Медиатор (в данном случае глутамат) диффундирует через синаптическую щель и реагирует со специфическими молекулами белка (рецепторами), которые находятся в постсинаптической мембране биполярной

Глава 1. Передача информации и структурная организация мозга                           27

 





Рис. 1.10. Частота как показатель интенсивности сигнала в ганглиозной клетке сетчатки.

Fig. 1.10. Frequency as a Signal of Intensity in a retinal ganglion cell. Depolarizing current passed through the microelectrode produces local potentials. Larger currents produce larger local potentials and higher frequencies of firing. (After Baylor and Fettiplace, 1979.)

Рис. 1.11. Структура синапса. (А) Основные свойства синапса между фоторецептором и биполярной клеткой. (В) Электронная микрофотография типичного синапса в сетчатке обезьяны.

Fig. 1.11. Structure of a Synapse. (A) These drawings show the principal features of synaptic structures made by a photoreceptor on a bipolar cell. (B) This electron micrograph shows the appearance of a typical synapse in the retina of a macaque monkey. The vesicles that store transmitter are in the presynaptic terminal; a narrow cleft separates the pre- and postsynaptic membranes. The postsynaptic membrane is densely stained. Transmitter released from the presynaptic amacrine cell diffuses across the cleft to interact with receptors on the postsynaptic ganglion cell. (Micrograph kindly provided by Y. Tsukamoto and P. Sterling.)

клетки. Следует отличать «хеморецепторы», реагирующие на молекулы, и «сенсорные рецепторы», реагирующие на внешние стимулы, например, фоторецептор. Медиаторы, синтезируемые и выделяемые нейроном, и рецепторы мембраны могут быть идентифицированы и визуализованы некоторыми методиками, включающими мечение антителами.

Активация молекул рецепторов биполярной клетки глутаматом приводит к появлению градуального локального потенциала, который распространяется по нейрону. Чем больше медиатора выделяется, тем выше его концентрация в щели, тем больше рецепторов активируется и тем больше локальный потенциал. Все эти события происходят быстро, примерно за 1 мс. Основные принципы синаптической передачи были впервые описаны Катцом, Куффлером и соавторами5), которые использовали ответы мышечных рецепторов как очень чувствительную биомодель с хорошим разрешением по времени для измерения выделения медиатора.
Возбуждение и торможение

Особенностью синаптической передачи, продемонстрированной на примере взаимодействия между фоторецептором и биполярной клеткой, является возможность торможения

28 Раздел I. Введение

 



Рис. 1.12. Возбуждение и торможение. (А) Возбуждение ганглиозной клетки при освещении сетчатки. (В] Освещение другой группы фоторецепторов вызывав! торможение, выражающееся в гиперполяризации и отдалении от порога генерации потенциала действия.

Ид. 1.12. Excitation and Inhibition. Intracellular recordings from a ganglion cell showing excitatory and inhibitor) synaptic potentials. (A) A ganglion cell is depolarized bj continuous release of excitatory transmitter during retinal illumination. If  the depolarizing synaptic potential i; large enough, threshold is crossed and action potential· are initiated in the ganglion cell. (B) Illumination ol a different group of photoreceptors causes inhibition Hyperpolarization of the membrane makes it more dif ficult to initiate an action potential. (After Baylor anc Fettiplace, 1979.)

или возбуждения в зависимости от набора рецепторов в постсинаптической клетке. Например, один из видов глутаматных рецепторов на биполярной клетке реагирует на глутамат возбуждением (деполяризацией), которое распространяется до терминалей на другом конце клетки и приводит к высвобождению медиатора. Другой класс биполярных клеток содержит глутаматные рецепторы другого вида, которые реагируют торможением. В этом случае события происходят в той же последовательности, но приводят к уменьшению выброса медиатора. Примеры возбудительных и тормозных потенциалов в ганглиозной клетке показаны на рис. 1.12.

Во всех нейронах нервной системы соотношение возбудительных и тормозных входов определяет возможность достижения порога инициации потенциала действия. Например, ганглиозная клетка получает и возбудительные, и тормозные входы. Если порог преодолен, то новый сигнал в виде ПД будет послан к высшим центрам, если нет, то сигнала не будет. В моторных клетках спинного мозга, например, возбудительные и тормозные влияния от разных волокон определяют, будет или нет произведено движение, контролируемое данными мотонейронами. Подобные мотонейроны получают около 10000 входов от волокон (рис. 1.1 3А). Эти волокна выделяют медиаторы, которые приближают или отдаляют от порога возникновения ПД мембранный потенциал. Отдельные клетки в мозжечке получают более чем 100000 входов.
Электрическая передача

Хотя основной способ передачи информации осуществляется через химическую передачу, некоторые клетки в сетчатке и других областях нервной системы связаны специализированными соединениями, в которых происходит электрическая передача информации. Пре- и постсинаптические мембраны в таких соединениях близко расположены и связаны каналами, которые соединяют внутриклеточное содержимое двух клеток. Такое соединение позволяет локальным потенциалам и даже потенциалам действия прямо распространяться от клетки к клетке без химического передатчика. Продукты метаболизма и красители также могут распространяться от клетки к клетке. В сетчатке есть так называемые горизонтальные клетки, которые электрически связаны таким способом. Благодаря этому свойству градуальные потенциалы могут распространяться от одной к другой горизонтальной клетке, сильно влияя на процесс переработки зрительной информации в сетчатке. Электрические синапсы обнаружены и между другими клетками тела, например между эпителиальными клетками, мышечными волокнами кишечника и сердца.

Глава 1. Передача информации и структурная организация мозга                           29



Рис. 1.13. Множественные связи отдельных нейронов. (А) Примерно 10000 пресинаптических аксонов конвергируют и образуют синаптические окончания на поверхности мотонейрона спинного мозга. (В) Дивергенция аксона одной горизонтальной клетки.

Fig. 1.13. Multiple Connections of Individual Neurons. (A) Approximately 10 000 presynaptic axons converge to form endings that are distributed over the surface of a motor neuron in the spinal cord. This drawing is based on a reconstruction made from electron micrographs. (B) This drawing shows the divergence of the axon of a single horizontal cell that branches extensively to supply many postsynaptic target cells. (A from Poritsky, 1969; В after Fisher and Boycott 1974.)
Модуляция синаптической эффективности

Химически опосредованная синаптическая передача информации очень лабильна. Основные изменения происходят в количестве медиатора, выделяемого при достижении пресинаптической терминали потенциалом действия или градуальным потенциалом. Фоторецептор сетчатки может служить примером: количество медиатора глутамата, выделяемого палочкой или колбочкой в ответ на стандартный световой стимул, может быть увеличено или уменьшено в зависимости от обратной связи на терминаль от горизонтальных клеток, которые получают входы от фоторецепторов. Эта цепь обратной связи играет критическую роль в адаптации глаза к различным уровням освещения.

Другие механизмы, влияющие на величину выброса медиатора, зависят от предыстории импульсной активности. Во время или после залпа импульсов в нейроне количество выделяемого им медиатора может существенно увеличиваться или уменьшаться в зависимости от частоты и длительности предшествуюшей импульсной активности. Модуляция эффективности может происходить и в постсинапсе. Долговременная и кратковременная пластичность находится в фокусе внимания нейробиологов.
Интегративные механизмы

Каждый нейрон в центральной нервной системе учитывает все приходящие влияния и на их основе создает свое импульсное «послание» с новым значением. Термин интеграция впервые был применен Ч. Шеррингтоном 6), который также ввел в обиход термин «синапс».

Ганглиозные клетки сетчатки опять же могут служить примером способности к интеграции. С. Куффлер7) впервые показал, что ганглиозные клетки отвечают наиболее сильно на небольшое световое или темновое пятно размером в несколько рецепторов в определенной области сетчатки. Такое пятно вызывает отчетливый залп потенциалов действия (рис. 1.14А). Большое пятно, освещающее ту же область сетчатки, менее эффективно. Это происходит потому, что другая группа фоторецепторов, расположенная вокруг активированных, также реагирует на свет. Действие этих фоторецепторов тормозит активность ганглиозных клеток (рис. 1.14В). Суммация возбуждающего действия маленького пятна и тормозный эффект расположенных вокруг рецепторов приводят к тому, что ганглиозные клетки относительно слабо чувствительны к диффузному свету (рис. 1.14С).

Таким образом, значение сигнала ганглиозной клетки не просто отражает «свет» или «темноту», но и соотносится с паттерном кон-

30 Раздел I. Введение



Рис. 1.14.    Интеграция  информации ганглиозными клетками. (А) Небольшое пятно света вызывает сильный разряд клетки. (В) Свет в виде кольца тормозит ганглиозную клетку. (С) Освещение всех фоторецепторов приводит к слабому разряду клетки.

Fig. 1.14. Integration by Ganglion Celts. Extracellular recordings made from a single ganglion cell in the retina of a lightly anesthetized cat while patterns of light were presented to the eye (see Figure 1.15). (A) A small spot of light presented to a centrally located group of photoreceptors gives rise to excitation and a brisk discharge of action potentials. (B) Light presented as a ring, or annulus, to illuminate a circumferential group of photoreceptors gives rise to inhibition of the ganglion cell which prevents the cell from firing. Removal of the inhibition at the end of illumination is equivalent to excitation, which gives rise to a burst of action potentials. (C) Illumination of both groups of receptors causes integration of excitation and inhibition and a weak discharge of action potentials. (After Kuffler, 1953.)

трастности светового стимула в поле зрения. Такой сложный сигнал возникает из-за того, что на каждую ганглиозную клетку приходят сигналы от многих фоторецепторов. Специфические связи, опосредованные биполярными, горизонтальными и амакриновыми клетками, определяют специфический паттерн светового стимула, оптимальным образом активирующий каждую конкретную ганглиозную клетку.
Сложность информации, передаваемой потенциалами действия

Еще более сложную информацию о зрительных стимулах несут ПД нервных клеток новой коры, получающих сигнал через три переключения после сетчатки 8). Появление ПД в нейронах коры зависит от паттерна освещения сетчатки, который может быть специфичным для разных клеток. Например, один тип клеток избирательно отвечает на полоску света специфической ориентации (вертикальная, горизонтальная или наклонная), которая движется в определенном направлении в определенной части поля зрения (рис. 1.15). Параметры разрядов такой клетки не зависят от диффузного освещения или от появления полоски неоптимальной ориентации, или от движения в неправильном направлении. Таким образом, ПД в таком нейроне дают точную информацию о зрительном стимуле в высшие центры мозга. Подобная детализация значения, передаваемая стереотипными ПД, может быть объяснена точностью образования связей между клетками низкого порядка с кортикальными клетками и способом интеграции входных сигналов (суммация градуальных потенциалов).

Переработка информации может быть представлена в следующем виде:

сигнал фоторецептора несет информацию об изменении интенсивности освещения в данной области поля зрения;

сигнал ганглиозной клетки несет информацию о контрасте;

сигнал кортикального нейрона несет информацию о наличии ориентированной полоски света.

Сложная интеграция информации происходит в других сенсорных системах. Например, направление и локализация механиче-

Глава 1. Передача информации и структурная организация мозга                           31

 



Рис. 1.15. Передача информации потенциалами действия. (А) Ответ клетки зрительной коры кошки на предъявление вертикальной полоски света. (В-Е) Ответы на стимулы другой ориентации.

Fig. 1.15. Information Conveyed by Action Potentials. Extracellular recordings from a neuron in the cerebral cortex of a lightly anesthetized cat. Action potentials in this cell indicate that a bar of light that is almost vertical shines on one particular part of the visual field. The small drawings to the left of the graphs show how visual stimuli such as bars or edges with different orientations and positions are presented to the eye. (A) The cortical cell fires a burst of action potentials when the light stimulus consists of a vertical bar of light in one particular part of the visual field. (B-E) Bars with different orientations or diffuse light fail to evoke action potentials. The cortical cell integrates information arriving by way of relays from a large number of photoreceptors, some of which (corresponding to those illuminated by the vertical bar) give rise to excitation on the cortical cell, the others giving rise to inhibition. (After Hubel and Wiesel, 1959.)

ского стимула кончиков пальцев служат избирательным стимулом для конкретных нейронов той области неокортекса, в которой происходит переработка информации о направлении тактильной стимуляции.

Можно сделать два важных заключения о принципах переработки информации в нервной системе: (1) нервные клетки играют роль составляющих элементов для «построения» восприятия; (2) значение сигнала нейрона может быть очень сложным и зависеть от входных сигналов.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   169

Похожие:

Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconВаллас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга
Настоящее издание осуществлено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект №02-04-62007)
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconБоггс У., Боггс М. Uml и Rational Rose/ Пер с англ
Бадд Т. Объектно-ориентированное программирование в действии./ Пер с англ. – Спб.: Питер, 1997
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconДжеффри М. Медицина неотложных состояний: пер с англ. / Дж. М. Катэрино, С. Кахан; пер с англ под ред. Д. А. Струтынского
...
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconАнастази А. А 64 Дифференциальная психология. Индивидуальные и групповые разли- чия в поведении /Пер с англ
Пер с англ. — М.: Апрель Пресс, Изд-во эксмо-пресс, 2001. — 752 с. (Серия «Кафедра психологии»)
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconАхо А. Компиляторы: Принципы, технологии, инструменты: Пер с англ./ А. Ахо, Р. Сети, Д. Ульман
Учебный курс mcse: Пер с англ. 2-е изд., перераб. М.: Рус. Редакция, 2001. 672 с. Isbn 5-7502-0183-Х: 35,00 грн
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconМорган М.; Пер с англ. А. Дикарёв, О. Сиротенко
Послание с того края Земли / Морган М.; Пер с англ. А. Дикарёв, О. Сиротенко. М.: Ид «Гаятри», 2005. 152 с.: (Терра Мистика)
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconНовые поступления литературы (июль сентябрь 2002) математика инв. 62350 в 161. 8 Б 93
Одномерные вариационные задачи. Введение / Пер с англ. Рожковская Т. Н.; Ред пер. Уральцева Н. Н. Новосибирск: Научная книга, 2002....
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconБир С. Мозг фирмы: Пер с англ
Бир С. Мозг фирмы: Пер с англ. М.: Радио и связь, 1993. — 416 с.: ил. Isbn 5-256-00426-3
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconЦитренбаум Ч., Кинг М., Коэн У. Ц 59 Гипнотерапия вредных привычек /Пер с англ. Л. В. Ерашовой
Ц 59 Гипнотерапия вредных привычек/Пер с англ. Л. В. Ерашовой. — М.: Не­зави­симая фирма “Класс”, 1998. — 192 с. — (Библиотека психологии...
Валлас Б., Фукс П. От нейрона к мозгу / Пер с англ. П. М. Балабана, А. В. Галкина, Р. А. Гиниатуллина, Р. Н. Хазипова, Л. С. Хируга iconЛитература Мэдник С., Донован Дж. Операционные системы: Пер с англ. М. Мир, 1987. 792с
Дейтел Г. Введение в операционные системы: Пер с англ. М.: Мир, 1987. т 359с., т 398с
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница