Нейробиологический подход

Нейробиология - общее название для отрасли науки, занимающейся изучением нервной системы и ее главного органа - мозга. Она включает анализ на многих уровнях, начиная с рассмотрения химической структуры отдельных молекул и кончая исследованием сложнейших поведенческих явлений.

Ученые, пытающиеся понять, как работает мозг при взаимодействии человека или животного с окружающей средой, могут выбрать одну из двух главных стратегий. Можно начать сверху, с уровня поведения, и идти вниз: например, начать с реакции на такой раздражитель, как громкий звук или вспышка света, и выяснить, какие части мозга необходимы для восприятия данного стимула и ответа на него. Один из путей осуществления этого подхода заключается в том, чтобы удалять часть за частью и смотреть, какие из них нужны для ответной реакции, а какие - нет. Приблизительно так же мы вынимаем из телевизора транзисторы, чтобы проверить, какие из них связаны с изображением и какие со звуком. Но можно начать и снизу, рассмотреть основные элементы, составляющие мозг, затем понять, как они собраны и работают вместе при специфических формах поведения. Обе стратегии могут быть эффективны, но для наших целей мы воспользуемся второй из них - методом «снизу вверх».

Говоря об основных структурах нервной системы и их функциях, мы будем намеренно ограничивать употребление специальных терминов, применяемых учеными. Вы должны знать, однако, что подробное и точное описание немыслимо без терминологии. Вам, вероятно, уже знаком довольно длинный список частей тела, и вскоре вам придется усвоить не менее длинный перечень названий частей мозга и образующих их клеток. Ступив на этот путь, вы в конце концов должны будете запомнить ряд специальных терминов для обозначения определенных структур и процессов, так как они необходимы для детального и точного обсуждения функций мозга и их нарушений.

Нейроны
Отдельные нервные клетки, или нейроны, выполняют свои функции не как изолированные единицы, подобно клеткам печени или почек. Работа 50 миллиардов (или около того) нейронов нашего мозга состоит в том, что они получают сигналы от каких-то других нервных клеток и передают их третьим.
Передающие и принимающие клетки объединены в нервные цепи или сети (см. рис. 26). Отдельный нейрон с дивергентной структурой (от лат. diverge - отклоняюсь) может посылать сигналы тысяче и даже большему числу других нейронов. Но чаще один такой нейрон соединяется всего лишь с несколькими определенными нейронами. Точно так же какой-либо нейрон может получать входную информацию от других нейронов с помощью одной, нескольких или многих входных связей, если на нем сходятся конвергентные пути (от лат. converge - приближаюсь, схожусь). Конечно, все зависит от того, какую именно клетку мы рассматриваем и в какую сеть она оказалась включенной в процессе развития. Вероятно, в каждый момент времени активна лишь небольшая часть путей, оканчивающихся на данном нейроне.

Действительные места соединения - специфические точки на поверхности нервных клеток, где происходит их контакт, - называются синапсами (synapsis; греч. «соприкосновение», «соединение»), а сам процесс передачи информации в этих местах - синоптической передачей.

При взаимодействии нейронов с помощью синаптической передачи посылающая сигнал (пресинаптическая) клетка выделяет определенное вещество на рецепторную поверхность воспринимающего (постсинаптического) нейрона. Это вещество, называемое нейромедиатором, служит молекулярным посредником для передачи информации от передающей клетки к воспринимающей.
Нейромедиатор замыкает цепь, осуществляя химическую передачу информации через синоптическую щель - структурный разрыв между передающей и воспринимающей клетками в месте синапса.

Рис. 26. Нервная сеть.
Крупный нейрон с множеством дендритов получает информацию, через синаптический контакт с другим нейроном (в левом верхнем углу).
С помощью миелинизированного аксона образуется синаптический контакт с третьим нейроном (внизу).
Поверхность нейронов изображена без клеток глии, которые окружают отросток, направленный к капилляру (справа вверху).

Рис. 27. Изображение синапса.

Рис. 28. Внутреннее строение типичного нейрона. Микротрубочки обеспечивают
структурную жесткость, а также транспортировку материалов, синтезируемых в теле клетки и предназначенных для использования в окончании аксона
(внизу). В этом окончании находятся синоптические пузырьки, содержащие
медиатор, а также пузырьки, выполняющие иные функции. На поверхности
постсинаптического дендрита показаны предполагаемые места рецепторов для медиатора (см. также рис. 29).

Особенности нервных клеток
Нейроны обладают рядом признаков, общих для всех клеток тела. Независимо от своего местонахождения и функций любой нейрон, как и всякая другая клетка, имеет плазматическую мембрану, определяющую границы индивидуальной клетки. Когда нейрон взаимодействует с другими нейронами или улавливает изменения в локальной среде, он делает это с помощью плазматической мембраны и заключенных в ней молекулярных механизмов.

Все, что находится внутри плазматической мембраны (кроме ядра), называется цитоплазмой. Здесь содержатся цитоплазматические органеллы, необходимые для существования нейрона и выполнения им своей работы (см. рис. 28).
Митохондрии обеспечивают клетку энергией, используя сахар и кислород для синтеза специальных высокоэнергетических молекул, расходуемых клеткой по мере надобности. Микротрубочки - тонкие опорные структуры - помогают нейрону сохранять определенную форму. Сеть внутренних мембранных канальцев, с помощью которых клетка распределяет продукты, необходимые для ее функционирования, называется эндоплазматическим ретикуломом.

Существует два вида эндоплазматического ретикулума. Мембраны «шероховатого», или гранулярного, ретикулума усеяны рибосомами, необходимыми клетке для синтеза секретируемых ею белковых веществ. Обилие элементов шероховатого ретикулума в цитоплазме нейронов характеризует их как клетки с весьма интенсивной секреторной деятельностью. Белки, предназначенные только для внутриклеточного использования, синтезируются на многочисленных рибосомах, не прикрепленных к мембранам ретикулума, а находящихся в цитоплазме в свободном состоянии (). Другой вид эндоплазматического ретикулума называют «гладким».
Органеллы, построенные из мембран гладкого ретикулума, упаковывают продукты, предназначенные для секреции, в «мешочки» из таких мембран для последующего переноса их к поверхности клетки, где они выводятся наружу. Гладкий эндоплазматический ретикулум называют также аппаратом Гольджи, по имени итальянца Эмилио Гольджи, который впервые разработал метод окраски этой внутренней структуры, сделавший возможным ее микроскопическое изучение. В центре цитоплазмы находится клеточное ядро. Здесь у нейронов, как и у всех клеток с ядрами, содержится генетическая информация, закодированная в химической структуре генов. В соответствии с этой информацией полностью сформированная клетка синтезирует специфические вещества, которые определяют форму, химизм и функции этой клетки. В отличие от большинства других клеток тела зрелые нейроны не могут делиться, и генетически обусловленные продукты любого нейрона должны обеспечивать сохранение и изменение его функций на протяжении всей его жизни.

Нейроны сильно различаются по своей форме, по связям, которые они образуют, и способам функционирования. Наиболее очевидное отличие нейронов от других клеток заключается в разнообразии их размеров и формы. Большинство клеток тела имеет шарообразную, кубическую или пластинчатую форму. Для нейронов же характерны неправильные очертания: у них имеются отростки, часто многочисленные и разветвленные. Эти отростки - живые «провода», с помощью которых образуются нейронные цепи.
Нервная клетка имеет один главный отросток, называемый аксоном (греч. axōn - ось), по которому она передает информацию следующей клетке в нейронной цепи. Если нейрон образует выходные связи с большим числом других клеток, его аксон многократно ветвится, чтобы сигналы могли дойти до каждой из них.
Другие отростки нейрона называются дендритами. Этот термин, происходящий от греческого слова dendron - «дерево», означает, что они имеют древовидную форму. На дендритах и на поверхности центральной части нейрона, окружающей ядро (и называемой перикарионом, или телом клетки), находятся входные синапсы, образуемые аксонами других нейронов. Благодаря этому каждый нейрон оказывается звеном той или иной нейронной сети.

В разных участках цитоплазмы нейрона содержатся различные наборы специальных молекулярных продуктов и органелл. Шероховатый эндоплазматический ретикулум и свободные рибосомы обнаружены только в цитоплазме тела клетки и в дендритах. В аксонах эти органеллы отсутствуют, и поэтому синтез белка здесь невозможен. Окончания аксонов содержат органеллы, называемые синоптическими пузырьками, в которых находятся молекулы медиатора, выделяемого нейроном. Полагают, что каждый синаптический пузырек несет в себе тысячи молекул вещества, которое используется нейроном для передачи сигналов другим нейронам (см. рис. 29). Рис. 29.Схема выброса медиатора и процессов, происходящих в гипотетическом центральном синапсе.