Спонтанная двигательная активность. Спонтанная физическая нетренировочная активность и ее нехватка В режиме дефицита спонтанная активность резко падает

Чтобы быть эффективными, большинство кодов нуждается в некотором стабильном уровне Работа Бернса и других, вне веяного сомнения, установила, что активность центральной нервной системы обладает такой стабильностью Нервная ткань спонтанно генерирует электрические потенциалы Мозг, как и сердце, непрерывно пульсирует И, так же как в сердце, такую пульсацию вызывают медленные потенциалы, а возникновение этих последних зависит от определенных констант химического окружения, в котором находится пульсирующая 1кань (рис IV-5).

Рис IV-5. Церебральная симфония (Verzeano et al, 1970).

Серии тщательно проведенных исследований в лаборатории Бернса (1958) дали исчерпывающий ответ на вопрос, который долгое время оставался фантастическим: может ли мозг сохранять активность даже в том случае, если он полностью изолирован (нейронально) от другой нервной ткани? Результаты этих экспериментов, как это часто бывает, не подтвердили полностью ни представления о том, что активность головного мозга «спонтанна», ни представления о мозге как находящейся в покое tabula rasa, на которую записывается сенсорный опыт. Берне обнаружил, что даже у неанестезированного животного изолированная полоска коры остается неактивной до тех пор, пока к ней хотя бы на короткое время не будет приложено электрическое раздражение; другие же данные (Echlin et al., 1952; Gerard and Joung, 1937; Henry and Scoville, 1952; Ingvar, 1955; Libet and Gerard, 1939) указывают на то, что спонтанная активность существует и в таких препаратах. В любом случае, даже если принять осторожный вывод, сделанный Бёрнсом, несколько сильных электрических раздражителей, приложенных к поверхности коры, вызывают серию разрядов нейронной активности, которая обычно продолжается в течение многих минут (или даже часов) после прекращения стимуляции.

Периодические волны возбуждения могут быть получены и в диффузно организованной нервной ткани при ее электрическом раздражении. Они сходны с волнами возбуждения, возникающими в неанестезированной коре головного мозга в ответ на воздействие нескольких редких стимулов. Эффекты, длящиеся многие часы, наблюдались после короткой стимуляции интактной актинии (Batham and Pantin, 1950). Недавно был описан люминесцентный ответ у морских «анютиных глазок» (вид цветного коралла): после серий раздражений эти колонии начали люминесцировать спонтанно, а не только в ответ на стимуляцию. Для объяснения этого явления следует обратиться к механизму медленных изменений состояния нервной ткани (элементарной форме памяти, связанной с медленными потенциалами?) Эти изменения обусловлены влиянием окружающей среды и зависят, разумеется, от предшествующей активности организма. Но они также имеют свои внутренние закономерности и свой собственный ритм активности, который вызывает повторные изменения состояний нервной ткани, что делает их в каждый момент времени лишь частично зависимыми от влияний окружающей среды.

Короче говоря, принято считать, что группы нейронов того типа, которые найдены в коре головного мозга, в отсутствие непрерывного сенсорного воздействия находятся в состоянии покоя. Однако эти группы нейронов могут легко приходить в состояние- возбуждения и обнаруживать длительную активность. Значит, можно считать, что во время «покоя» они находятся в состоянии ниже порога непрерывного самовозбуждения. У интактного млекопитающего есть механизм, который поддерживает возбуждение центральной нервной системы выше этого уровня покоя. Таким механизмом является спонтанный разряд рецепторов.

Р. Гранит (1955) подробно рассказал о том, каким образом им «завладела мысль, что спонтанная активность является составной частью работы сенсорных систем». Он проследил историю этого вопроса от ранних наблюдений лорда Э. Эдриана и И. Зоттермана (1926), Э. Эдриана и Б. Мэттьюза (1927а, б), выполненных на мышцах и препаратах зрительного нерва, до его собственных разносторонних экспериментальных исследований. Более того, его данные подтверждают предположение, что эта «спонтанная» активность органов чувств делает их одним из наиболее важных «энергизаторов», или активизаторов, мозга. Сейчас мы можем добавить к этому, что, вероятно, эта спонтанная активность является той основой, тем уровнем, на котором и по отношению к которому осуществляется нейронное кодирование. Берне также представил данные, подтверждающие такое предположение (1968). С помощью микроэлектродов он обнаружил, что примерно 1/3 большого числа обследованных им клеток мозга в течение всего времени, пока он вел от них запись, показала устойчивость средней частоты своих разрядов. Эти нейроны реагировали на стимуляцию либо возрастанием частоты разрядов, либо их торможением. Всякий раз вслед за этим наступал период, во время которого активность нейрона менялась реципрокно реакции. В результате происходила компенсация изменений средней частоты разрядов нейрона, вызванных стимуляцией. Таким образом, эти клетки создают мощную стабильную базу, от которой зависит основная характеристика кодирования и перекодирования: пространственные структуры возбуждения могут возникать за счет возрастания спонтанной активности в одном месте и одновременного ее торможения в другом.

Развитие патологического процесса в мышце или иннервирующих ее нервных элементах вызывает сложную перестройку структуры и организации деятельности ДЕ и мышечных волокон, составляющих их. Изменения ЭМГ проявляются спонтанной активностью мышечных волокон и двигательных единиц и изменением структуры ПД ДЕ, отражающих изменение размеров ДЕ и плотности распределения мышечных волокон в зоне отведения электродом.

Некоторые из этих изменений - появление спонтанной активности мышечных волокон и нарушение структуры ДЕ - могут быть определены только при использовании игольчатых электродов, другие - появление спонтанных разрядов ДЕ и нарушение организации деятельности ДЕ - как при игольчатом, так и при накожном отведении.

Спонтанная активность мышечных волокон и ДЕ при заболеваниях периферического нейромоторного аппарата

Спонтанная активность - электрические явления, регистрируемые в мышце при отсутствии произвольной активности или искусственной ее стимуляции. К числу форм спонтанной активности, имеющих диагностическое значение, относятся потенциалы фибрилляций (ПФ), положительные острые волны (ПОВ) и потенциалы фасцикуляций, миотонические и псевдомиотонические разряды.

ПФ являются ПД одного, в редких случаях нескольких мышечных волокон. Обычно выявляются в виде повторяющихся разрядов частотой от 0,1 до 150 в секунду. Длительность ПФ до 5 мс. Амплитуда до 500 мкВ. При регистрации ПФ обычно прослушивается характерный «хрустящий» звук.

Потенциалы фибрилляций различной амплитуды, длительности, зарегистрированные в денервированной мышце в состоянии полного расслабления. Масштаб каждой клетки соответствует по вертикали 50 мкВ, по горизонтали 10 мс.

ПОВ - колебания потенциалов характерной формы - быстрое позитивное отклонение потенциала, за которым следует медленное возвращение потенциала в сторону негативности. Может заканчиваться длительной негативной фазой низкой амплитуды.

Длительность ПОВ варьирует в широких пределах - от 2 до 100 мс.

Амплитуда также различна - от 20 до 4000 мкВ. ПОВ обычно регистрируется в виде разрядов частотой от 0,1 до 200 в секунду.

Положительные острые волны различной амплитуды и длительности, зарегистрированные в денервированной мышце через 1 мес (а) и 5 мес (б) после денервации. Масштаб каждой клетки соответствует по вертикали 50 мкВ, по горизонтали 10 мс.

В соответствии с современными представлениями о механизмах функционирования двигательных единиц мотонейрон обладает двумя типами влияний на мышечные волокна: информационным, реализуемым путем выделения в окончаниях двигательных нервов определенного количества квантов ацетилхолина, и неинформационным (трофическим), реализуемым неизвестными веществами, вероятно, также и ацетилхолином .

Изучение характера информационных влияний в клинической практике возможно при анализе параметров длительности и формы ПД ДЕ, а изучение состояния трофической функции связано с исследованием спонтанной активности мышечных волокон - ПФ и ПОВ. При этом весьма информативными оказались анализ динамики амплитуды, частоты, а также характеристик межимпульсных интервалов различных форм спонтанной активности мышечных волокон [Касаткина Л. Ф., 1976; Buchthal F., Rosenfalck P., 1966].

Показано, что наблюдение за динамикой отдельных форм спонтанной активности (ПФ и ПОВ) являемся оптимальным способом наблюдения за динамикой патологического процесса в мышцах при любом виде нервно-мышечных заболеваний [Касаткина Л. Ф., Булгаков С. П., Гехт Б. М., Гундаров В. П., 1975).

Появление ПФ и ПОВ свидетельствует о лишении мышечных волокон контакта с иннервирующими их аксонами двигательных нервов. Это может быть следствием денервации, длительного нарушения нервномышечной передачи или механического разъединения мышечного волокна от той его части, которая находится в контакте с нервом.

ПФ могут наблюдаться также при некоторых обменных расстройствах. Поэтому прямого отношения к установлению диагноза выявление. ПФ и ПОВ не имеет. Однако наблюдение за динамикой выраженности и формы спонтанной активности, а также сопоставление спонтанной активности и динамики параметров ПД ДЕ практически всегда позволяет высказать суждение о характере патологического процесса.

В случаях денервации при травмах и воспалительных заболеваниях периферических нервов нарушение проведения нервных импульсов проявляется исчезновением ПД ДЕ. Через 4 - 16 сут после начала заболевания (в зависимости от удаленности процесса денервации) частота выявления ПФ возрастает - от единичных ПФ в отдельных участках мышцы до резко выраженных, когда несколько ПФ регистрируется в любом месте локализации электрода в мышце.

На фоне обилия ПФ появляются и ПОВ, интенсивность которых и частота в разряде увеличиваются по мере нарастания денервационных изменений в мышечных волокнах. По мере дегенерации волокон число регистрируемых ПФ уменьшается, а число и размеры ПОВ нарастают, причем преобладают ПОВ большой амплитуды и длительности. Через 18 мес после нарушения функции нерва регистрируются только гигантские ПОВ.

В тех случаях, когда намечается восстановление функции нерва, выраженность спонтанной активности уменьшается, что является хорошим прогностическим признаком, предшествующим появлению ПД ДЕ. По мере появления ПД ДЕ и их укрупнения спонтанная активность уменьшается. Однако ее можно обнаружить и через много месяцев после клинического выздоровления. При более мягко протекающем воспалении мотонейронов или аксонов первым признаком патологического процесса служит появление ПФ, а затем ПОВ и только позднее наблюдается изменение структуры ПД ДЕ. В этих случаях по типу изменения ПД ДЕ можно оценить стадию денервационного процесса, а по частоте выявлений ПФ и ПОВ - остроту заболевания.

ПД ДЕ, возникающие в мышце в период ее полного произвольного расслабления.

Появление потенциалов фасцикуляций свидетельствует об изменении функционального состояния мотонейронов. При генерализованных заболеваниях мотонейронов спинного мозга фасцикуляции регистрируются во всех мышцах. При локальных заболеваниях спинного мозга фасцикуляции ограничиваются несколькими сегментами, причем после разрушения или гибели мотонейронов потенциалы фасцикуляций исчезают.

Однако в этих случаях выявляются иные признаки гибели мотонейронов - увеличение длительности ПД сохранившихся ДЕ и спонтанная активность мышечных волокон. Амплитуда и длительность потенциалов фасцикуляций варьируют в очень широких пределах и полностью совпадают с динамикой амплитуды и длительности ПД ДЕ в данной мышце, поэтому по динамике параметров потенциалов фасцикуляций можно косвенно судить и о динамике денервационно-реиннервационного процесса в данной мышце.

Потенциалы фасцикуляций, зарегистрированные в дельтовидной мышце у больного с генерализованным нейрональным процессом. Масштаб каждой клетки соответствует по вертикали 50 мкВ, по горизонтали 10 мс.

Частота их колеблется в весьма широких пределах - от 1 в несколько минут до 10 в секунду.

К числу форм спонтанной активности мышечных волокон, имеющих диагностическое значение, следует отнести миотонические и псевдомиотонические разряды.

Миотонический разряд - высокочастотный разряд двухфазных (позитивно-негативных) ПД или ПОВ, вызываемый произвольным движением или шевелением иглы. Амплитуда и частота разряда нарастают и убывают, что отражается в появлении при прослушивании разряда характерного звука «пикирующего бомбардировщика».

Электрическую активность мышцы - ЭМГ - записывают при помощи наложенных на кожу электродов (поверхностная ЭМГ) либо введенных в мышцу игольчатых электродов (игольчатая ЭМГ). Характер патологических изменений ЭМГ зависит от уровня поражения двигательной единицы .

В расслабленной мышце электрическая активность отсутствует. Спонтанная активность ( рис. 361.3) появляется при различных нервно-мышечных заболеваниях - особенно тех, которые сопровождаются денервацией или воспалением мышц. Типичный, хотя и не обязательный признак денервации при игольчатой ЭМГ - потенциалы фибрилляций и положительные острые волны (спонтанные патологические разряды отдельных мышечных волокон, обусловленные их повышенной возбудимостью), а также регулярно повторяющиеся комплексы разрядов. Эти виды спонтанной активности встречаются также при травмах и некоторых заболеваниях мышц - особенно воспалительных, таких, как полимиозит . При острых нейропатиях патологическая спонтанная активность появляется вначале в проксимальных мышцах и длительное время - иногда в течение 4-6 нед - не распространяется на дистальные.

Спонтанная активность пораженной мышцы сохраняется неопределенно долго - либо до реиннервации, либо до полной атрофии мышцы. Потенциалы фасцикуляций (спонтанные потенциалы действия двигательных единиц) характерны для медленно прогрессирующих нервно-мышечных заболеваний - особенно тех, которые сопровождаются гибелью спинальных мотонейронов (например, ). Миотонические разряды (высокочастотная активность отдельных мышечных волокон, волнообразно нарастающая и уменьшающаяся по частоте и амплитуде) - признак миотонии (атрофической или врожденной), но могут также наблюдаться при полимиозите и некоторых других, редких заболеваниях.

Слабое произвольное сокращение мышцы сопровождается активацией небольшого количества двигательных единиц . При этом регистрируются потенциалы действия мышечных волокон тех двигательных единиц, которые находятся вблизи от игольчатого электрода ( рис. 361.3). Параметры потенциалов действия двигательных единиц зависят от типа мышцы и возраста больного - в норме они имеют длительность от 5 до 15 мс, амплитуду от 200 мкВ до 2 мВ и состоят из двух или трех фаз. Количество возбужденных двигательных единиц пропорционально силе произвольного сокращения мышцы. По мере ее нарастания возбуждается все большее количество двигательных единиц (вовлечение) и увеличивается частота генерируемых в них импульсов. При максимальной силе сокращения мышцы активируется такое большое количество двигательных единиц, что отдельные потенциалы действия сливаются в так называемую интерференционную активность, регистрируемую при поверхностной ЭМГ.

ЭМГ позволяет подтвердить диагноз нервно-мышечного заболевания, а также разграничить нейрогенные и первичные мышечные расстройства. При нейрогенных заболеваниях ЭМГ разных мышц дает возможность уточнить уровень поражения: передние рога, передний корешок, нервное сплетение, периферический нерв или его окончание. Для того же, чтобы выяснить этиологию заболевания, помимо ЭМГ необходимы лабораторные и клинические данные.

При остром поражении периферического или черепно-мозгового нерва ЭМГ позволяет оценить степень нарушения иннервации. При хронических или дегенеративных заболеваниях, таких, как боковой амиотрофический склероз , ЭМГ дает возможность судить об активности и прогрессировании патологического процесса. Это дает важную для прогноза информацию.

Для анализа ЭМГ применяют различные количественные методы. Обычно вычисляют среднюю амплитуду и длительность 20 потенциалов действия двигательной единицы . Макро-ЭМГ дает информацию о количестве мышечных волокон в двигательной единице и о количестве двигательных единиц в мышце. Сканирующая ЭМГ - метод, основанный на компьютерном анализе электрической активности мышц, - позволяет оценивать распределение потенциалов действия двигательных единиц, а также пространственное и временное соотношение активности отдельных волокон в пределах двигательной единицы. Последние два метода не находят широкого применения в клинической практике.

Позволяет предположить, что нейроактивное вещество может образовываться в результате обработки ТЭПФ. 

У тараканов и раков, отравление которых ДДТ зашло настолько далеко, что оно носит необратимый характер, спонтанная активность центральной нервной системы депрессирована или почти отсутствует. Если нервную цепочку таких тараканов тщательно препарировать и промыть в физиологическом растворе , то к ней возвращается более высокий уровень спонтанной активности . В этом случае промыванием удаляются какие-то 

Изоклины системы при параметрах, соответствующих мембране аксона, показаны на рис. ХХШ.27. Особая точка устойчива (расположена на левой ветви), и мембрана не обладает спонтанной активностью . Уровень потенциала покоя принят условно за нуль. Нри изменении параметров изоклины деформируются. Если при этом особая точка станет неустойчивой (сместится с левой ветви изоклины d(f/dt = О на среднюю), то возникнет спонтанная активность (рис. ХХШ.28,1). Если 

    I - спонтанная активность (особая точка 8 неустойчива, лежит на средней ветви) пунктиром показана проекция предельного цикла системы на плоскость  

Очень интересно, что даже после победы миогенной теории идея спонтанной активности длительное время была чужда многим биологам. Они говорили, что всякая реакция должна быть ответом на какое-то воздействие, подобно рефлексу. По их мнению, признать, что мышечные клетки могут сокращаться сами по себе,- все равно, что отказаться от принципа причинности . Сокращение сердечных клеток готовы были объяснить чем угодно, но только не их собственными свойствами (например, особыми фантастическими гормонами или даже действием космических лучей). Наше поколение еще застало горячие дискуссии по этому поводу. 

Выше было показано, как нервные клетки проводят, перерабатывают и регистрируют электрические сигналы, а затем посылают их мышцам, чтобы вызвать их Сокращение. Но откуда берутся эти сигналы Имеются два спонтанное возбуждение и сенсорные стимулы. Существуют спонтанно активные нейроны , например нейроны мозга , задающие ритм дыхания весьма сложная картина самопроизвольной активности может генерироваться в одиночной клетке с помощью надлежащих комбинаций ионных каналов тех типов, с которыми мы уже встречались при обсуждении механизмов переработки информации нейронами. Прием сенсорной информации тоже основан на уже известных нам принципах, но в нем участвуют клетки весьма разнообразных и удивительных типов. 

Лица с мономорфными а-волнами в среднем проявляют себя активными , стабильными и надежными людьми. Пробанды с высокой вероятностью обнаруживают признаки высокой спонтанной активности и упорства точность в работе, особенно в условиях стресса, и кратковременная память -самые сильные их качества. С другой стороны, переработка информации протекает у них не очень быстро. 

Токсические концентрации. Для животных. Мыши. При двухчасовом воздействии минимальные концентрации , вызывающие боковое положение, 30-35 мг/л, наркоз - 35 мг/л, смерть - 50 мг/л (Лазарев). 17 мг/л вызывают большое снижение спонтанной активности белых мы-Ц1ей (Геппель и др.). Морские свинки . 21 мг/л вызывает 

В гемолимфе американского таракана Periplaneta ameri ana L, отравленного ДДТ, накапливается токсичное вещество . Химический анализ показал отсутствие существенных количеств ДДТ в такой гемолимфе. Инъекция чувствительным и устойчивы.м к ДДТ тараканам гемолимфы, взятой из тараканов, находившихся в фазе прострации в результате отравления ДДТ, вызывала типичные симптомы отравления ДДТ. Далее, эта же гемолимфа приводила к повышению спонтанной активности нервной цепочки , выделенной из неотравленного таракана. После короткого периода сильного возбуждения активность внезапно падала и наступало блокирование. Так как сам ДДТ не оказывает прямого действия на центральную нервную систему, высказано предположение, что указанные выше явления вызываются каким-то иным соединением. 

Если первоначальным перфузатом ТЭПФ, которы.м омывали нервную цепочку , снова залить последнюю, то спонтанная активность снова сильно возрастает по сравнению с нормальной, затем постепенно снижается до низкого уровня, а в некоторых случаях наступает блокирование. Как и раньше, промывание свежим 10 3 М раствором ТЭПФ возвращает нерву его первоначальную спонтанную активность. 

Из тараканов. Нейроактивное вещество из гемолимфы тараканов, находящихся в фазе прострации в результате отравления ДДТ, частично выделено хроматографическим путем . После проявления хроматогра.мм активное вещество извлекали из отдельных частей хроматограмм экстракцией физиологическим раствором , после чего определяли действие экстрактов на спонтанную активность нервной цепочки таракана. Применяя различные растворители и повторно разделяя нейроактив-ные фракции хро.матографическим путем, получили хорошее отделение нейроактивного вещества от различных веществ , находившихся в гемолимфе. Вследствие потери вещества или его биологической активности при многочисленных операциях хрол1атографического разделения, а также по причине трудности получения больших количеств гемолимфы таракана попытки подобрать соединения для качественного распознавания этого вещества были проведены лишь с ограниченным набором соединений, причем только одно из них дало положительные результаты. Обработка хроматограмм диазотированным п-нитроанилином привела к появлению окрашенных в красный цвет пятен в местах локализации биологически активных веществ экстракта из гемолимфы. На хроматограммах экстрактов из гемолимфы нормальных тараканов красные пятна не появлялись в местах, соответствующих Rj активного вещества. 

Кровь раков, отравленных ДДТ, обрабатывали таким же путем, как и гемолимфу тараканов, и она оказалась нейроактивной в опытах с нервной цепочкой рака и таракана и вызывала сначала возбуждение, вслед за которым следовала депрессия спонтанной активности . Отмечено лищь одно различие вещество из крови рака более активно действовало на нервы рака, чем на нервы 

До сих пор обсуждение базировалось на классической картине действия ФОС, т. е. предполагалось, что ФОС влияет па нервную систему насекомых Ттутем угнетения холинэстеразы , что в свою очередь приводит к нарушениям функции ацетилхолина. Исследование Штернбурга и др. поставило под сомнение ценность этого предположения. Они взяли изолированную цепочку американского таракана и поместили ее в физиологический раствор при этом наблюдалась высокая спонтанная активность . Затем заменили эту жидкость на 10 М ТЭПФ в физиологическом растворе и, как и ожидалось, наступила быстрая и полная блокада. Смесь ТЭПФ с физиологическим раствором была временно убрана назовем эту смесь т. После этого препарат несколько раз промыли свежеприготовленной смесью ТЭПФ с физиологическим раствором , в результате чего восстановилась нормальная спонтанная активность . Если затем снова обрабатывали препарат смесью Т, то наблюдалось возбуждение с последующей блокадой. 

Рассчитанные на ЭВМ нуль-изоклины приведены на рис. XXIII.27. Изоклина d(f/dt = О имеет N-образную форму , что обеспечивает генерацию импульса . Особая точка расположена на левой ветви изоклины d(f/dt = О и устойчива. Это соответствует отсутствию спонтанной активности в исходных уравнениях Ходжкина- Хаксли. 

Однако около ста лет тому назад английский физиолог Гаскелл подверг эту теорию серьезной критике и выдвинул ряд аргументов в пользу того, что к самопроизвольной ритмической активности способны сами мышечные клетки некоторых участков сердца (миогенная теория). Свыше полувека шла плодотворная научная дискуссия, которая в конце концов привела к победе миогенной теории. Оказалось, что в сердце действитйньно есть два участка особой мышечной ткани , клетки которой обладают спонтанной активностью . Один участок находится в правом предсердии (его называют сино-атриальным узлом), другой - на границе предсердия и желудочка (так называемый атрио-вентрикулярный узел). Первый обладает более частым ритмом и определяет работу сердца в нормальных условиях (тогда говорят, что у сердца синусовый ритм), второй является запасным если первый узел останавливается, то через некоторое время начинает работать второй участок и сердце начинает биться снова, хотя и в более редком ритме. Если выделить из того или другого участка отдельные мышечные клетки и поместить их в питательную среду , то эти клетки продолжают сокращаться в свойственном им ритме синусные - чаще, ат-рио-вентрикулярные - реже. 

Мы говорили, что палочки сетчатки реагируют на возбуждение всего одной молекулы родопсина. Но такое возбуждение может возникнуть не только под действием света , но и под действием тепловых шумов. В результате высокой чувствительности палочек в сетчатке должны все время возникать сигналы ложной тревоги . Однако в действительности и в сетчатке имеется система борьбы с шумами, основанная на том же принципе. Палочки связаны между собой ЭС, что ведет к усреднению сдвигов их потенциала, так что все происходит так же, как в электрорецепторах (только там усредняется сигнал в волокне, получающем сигналы от многих рецепторов, а в сетчатке - прямо в системе рецепторов). А еще вспомните объединение через высокопроницаемые контакты спонтанно активных клеток синусного узла сердца, дающее регулярный сердечный ритм и устраняющее колебания, присущие одиночной клетке (шум). Мы видим, что природа

ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2010, том 60, № 4, с. 387-396

ОБЗОРЫ, ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ

УДК 612.822.3

СПОНТАННАЯ АКТИВНОСТЬ В РАЗВИВАЮЩИХСЯ НЕЙРОННЫХ СЕТЯХ

© 2010 г. М. Г. Шерозия, А. В. Егоров

Учреждение Российской академии наук Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва,

e-mail: [email protected] Поступила в редакцию 7.09.2009 г. Принята в печать 26.10.2009 г.

Спонтанная активность является отличительной чертой развивающейся нервной системы. Предполагается, что спонтанная активность играет ключевую роль при формировании нейро-сети и созревании нейронов. Наиболее интенсивно спонтанная активность нейронов исследовалась в гиппокампе, коре больших полушарий, сетчатке и спинном мозге у эмбрионов и новорожденных животных. В статье приведен обзор основных результатов исследований спонтанной активности в развивающейся нервной системе и обсуждаются возможные механизмы ее генерации.

Ключевые слова:развитие, гиппокамп, кора, сетчатка, спинной мозг, спонтанная сетевая активность.

Spontaneous Network Activity of the Developing Nervous System

M. G. Sheroziya, A. V. Egorov

Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, Russian Academy of Sciences, Moscow,

e-mail: [email protected]

A review. Spontaneous periodic network activity is a characteristic feature of the developing nervous system. It is believed that early spontaneous activity is involved in the modulation of several processes during brain maturation, including neuronal growth and network construction. Periodic spontaneous network activity was observed and studied in detail in hippocampus, cortex, retina and spinal cord of embryos and newborn animals. Principal studies of spontaneous network activity in the developing nervous system are reviewed, and possible mechanisms of its generation are discussed.

Key words: development, hippocampus, cortex, retina, spinal cord, spontaneous network activity.

Спонтанная активность является отличительной чертой развивающейся нервной системы. Предполагается, что спонтанная активность играет ключевую роль при формировании нейросети и созревании нейронов. Спонтанная активность наблюдается уже у нейронных предшественников . Обычно такая активность регистрируется как флуктуации концентрации внутриклеточного кальция или кальциевые спайки . С формированием первых контактов между нейронами электрических синапсов появляется синхронизированная спонтанная активность. Далее, с развитием в онтогенезе химических синапсов, появляются новые типы синхронной спонтанной активности . Начиная с момента появления химических синапсов, синхронную активность нейронов можно считать сетевой в обычном смысле слова. Сетевая спонтанная активность нейронов в период эмбрионального и постнатального развития достаточно интенсивно изучалась на многих структурах центральной нервной системы позвоночных, в особенности на гиппокампе, коре мозга, сетчатке и в спинном мозге.

ГИППОКАМП И НОВАЯ КОРА

Первая в онтогенезе синхронная активность групп нейронов в гиппокампе мышей появляется за несколько дней до рождения

Небольшие ансамбли нейронов в срезах гиппокампа синхронно генерируют пачки спайков, что сопровождается увеличением внутриклеточного кальция. Эта первая синхронная активность небольших групп нейронов была названа авторами "synchronous plateau assemblies" (SPA). SPA-активность генерировалась за счет электрических контактов между нейронами, поскольку под действием блокаторов электрических синапсов SPA-ак-тивность исчезала. Пик SPA-активности приходился на момент рождения, а к концу второй недели жизни этот вид спонтанной активности исчезал. Та же группа исследователей обнаружила аналогичную, связанную с электрическими синапсами SPA-активность в коре мозга новорожденных крыс . Ранее другими авторами у новорожденных животных была показана зависящая от электрических контактов между нейронами синхронизация нейронных доменов, которые затем, предположительно, развиваются в кортикальные колонки . Синхронная активность больших групп нейронов, зависящая от электрических синапсов, также была показана на специально приготовленных толстых срезах коры новорожденных животных . Связь между такой синхронизацией и SPA-активностью пока остается непонятной. Возможно, SPA-активность представляет собой более раннюю форму такой синхронизации.

С развитием химических синапсов появляются другие типы синхронной спонтанной активности. Вероятно, наиболее известным видом спонтанной активности у новорожденных животных являются так называемые гигантские деполяризационные потенциалы (giant depolarizing potentials, GDP), впервые показанные на срезах гиппокампа крыс . GDP регистрировались внутриклеточно и представляли собой пачки спайков длительностью примерно 0.3 с, следовавшие с частотой приблизительно 0.1 Гц. Наряду с антагонистами глутаматной синаптической передачи GDP блокировались или подавлялись действием пикротоксина и бикукуллина. Таким образом, была показана важная роль ГАМКергической системы в генерации GDP и впервые обнаружено необычное возбуждающее действие ГАМК в гиппокампе новорожденных животных . GDP наблюдались в большей части пирамидных клеток гиппокампа новорожденных крыс и полно -стью пропадали к концу второй недели жизни. Пик GDP-активности в гиппокампе но-

ворожденных животных приходился на 7- 10-й дни жизни . Хотя SPA-активность появляется в онтогенезе раньше GDP, согласно работе со 2-го дня жизни (приблизительное время появления GDP) GDP и SPA-активности сосуществуют в гиппокампе и находятся в противофазе друг к другу, т.е. усиление GDP приводит к ослаблению SPA-активности, и наоборот. При блокировке GDP антагонистами синаптической передачи клетки среза гиппокампа генерировали SPA-активность .

Обладающая похожими свойствами спонтанная GDP-активность также была обнаружена в коре мозга новорожденных крыс . Интересно, однако, что в коре ранее был зарегистрирован еще один вид спонтанной активности, связанной с химическими синапсами , получивший название "early network oscillations" (ENOs). В гиппо-кампе такой активности не наблюдалось. ENOs представляла собой периодичные синхронные изменения концентрации внутриклеточного кальция в небольших группах нейронов. На горизонтальных срезах мозга ENOs-активность распространялась вдоль коры как волна со скоростью 2 мм/с. ENOs-активность исчезала к 5-7-му дню жизни, а пик приходился на момент рождения. ENOs-активность исчезала под действием уже малых концентраций блокаторов АМПА/каи-натных рецепторов . Таким образом, в коре в отличие от гиппокампа спонтанная глутамат-зависимая ENOs-активность появлялась в процессе развития раньше GDP, генерацию которых многие исследователи объясняют возбуждающим действием ГАМК .

Переход в онтогенезе от электрических синапсов к химическим при генерации спонтанной активности показан также для вызванных осцилляций. Так, вызванные карба-холом (агонист мускариновых рецепторов) спонтанные осцилляции на срезах коры у новорожденных животных и животных недельного возраста зависели от электрических и химических синапсов соответственно .

Способность нейронов гиппокампа и коры генерировать ГАМК-зависимые GDP можно связать с последовательным развитием ГАМК-и глутаматергических систем мозга . Согласно ряду работ ГАМКергическая система формируется раньше глутаматной: ГАМКер-гические интернейроны созревают раньше глутаматных пирамидных клеток, интерней-

роны также являются источником и целью формирования первых синапсов . Исходно ГАМКергические синапсы возбуждающие, что связано с высокой (до 40 мМ) внутриклеточной концентрацией ионов хлора по сравнению с обычной концентрацией у взрослых (примерно 7 мМ). Если у взрослых активация ГАМКергических синапсов ведет к входу отрицательно заряженных ионов хлора внутрь клетки и, таким образом, к гиперполяризации мембраны, то у новорожденных происходит обратное - выход ионов хлора и деполяризация мембраны. По мере формирования глутаматных синапсов с возрастом ГАМКергические синапсы постепенно превращаются в тормозные. Предполагается, что именно таким образом поддерживается баланс между возбуждением и торможением в развивающемся мозге . Способность нейронов коры и гиппокампа генерировать ГАМК-зависимые GDP по времени приблизительно коррелирует с деполяризующим действием ГАМК.

Высокое содержание ионов хлора во внутриклеточной жидкости нейронов новорожденных животных связано с разной по времени экспрессией двух основных хлорных ко-транспортеров . Вкачивающий хлор внутрь клетки ко-транспортер NKCC1 экспрессиру-ется раньше выкачивающего хлор KCC2. Интересно, что экспрессия KCC2 и соответственно время, в течение которого ГАМК будет оставаться деполяризующей, зависит от спонтанной активности клеток. Так, на культурах нейронов было показано, что хроническая блокировка ГАМКА-рецепторов предотвращает экспрессию KCC2, при этом концентрация внутриклеточного хлора не уменьшается и ГАМК остается деполяризующим медиатором . Блокировка глутамат-ных рецепторов или быстрых натриевых каналов не приводила к изменениям в экспрессии KCC2. Таким образом, было доказано, что спонтанные миниатюрные ГАМКергиче-ские постсинаптические токи (ПСТ) необходимы для экспрессии KCC2, уменьшения концентрации внутриклеточного хлора и превращения ГАМК в тормозный медиатор .

Однако прямых доказательств необходимости сетевой спонтанной активности, такой как GDP, для формирования нейросети в коре и гиппокампе пока нет, хотя такие предположения высказывались . Пик GDP-ак-тивности у крыс приходится на конец пер-

вой, начало второй недели жизни. Основные связи к этому времени уже частично установлены, например перфорантный путь и синапсы мшистых волокон в гиппокампе крыс начинают формироваться еще до рождения . В экспериментах на срезах было показано, что GDP способны вызывать долговременную потенциацию в формирующихся "молчащих" синапсах гиппокампа новорожденных крыс . Вызванная так

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст . Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут

ГИППОКАМП И НЕЙРОТРАНСПЛАНТАЦИЯ

ЖУРАВЛЕВА З.Н. - 2004 г.