Екологія життя. Наука і відкриття: Людина освоїв морські глибини і повітряні простори, проник в таємниці космосу і земних надр. Він навчився протистояти багатьом хворобам
Людина освоїв морські глибини і повітряні простори, проник в таємниці космосу і земних надр. Він навчився протистояти багатьом хворобам і став жити довше. Він намагається маніпулювати генами, «вирощувати» органи для трансплантації і шляхом клонування «творити» живих істот.
Але для нього як і раніше залишається найбільшою загадкою, як функціонує його власний мозок, як за допомогою звичайних електричних імпульсів і невеликого набору нейромедіаторів нервова система не тільки координує роботу мільярдів клітин організму, але і забезпечує можливість пізнавати, мислити, запам'ятовувати, відчувати найширшу гаму емоцій .
На шляху до осягнення цих процесів людина повинна, перш за все, зрозуміти, як функціонують окремі нервові клітини (нейрони).
живі електромережі
За приблизними оцінками, в нервовій системі людини більш 100 млрд нейронів. Всі структури нервової клітини орієнтовані на виконання найважливішої для організму завдання - отримання, переробка, проведення та передача інформації, закодованої у вигляді електричних або хімічних сигналів (нервових імпульсів).
Нейрон складається з тіла діаметром від 3 до 100 мкм, що містить ядро, розвинений білок-синтезує апарат та інші органели, а також відростків: одного аксона, і декількох, як правило, розгалужених, дендритів. Довжина аксонів зазвичай помітно перевершує розміри дентрітов, в окремих випадках досягаючи десятків сантиметрів і навіть метрів.
Наприклад, гігантський аксон кальмараімеет товщину близько 1 мм і кілька метрів в довжину; експериментатори скористалися такою зручною моделлю, і досліди саме з нейронами кальмарів послужили з'ясування механізму передачі нервових імпульсів.
Зовні нервова клітина оточена оболонкою (цитолеммой), яка не тільки забезпечує обмін речовин між клітиною і навколишнім середовищем, але також здатна проводити нервовий імпульс.
Справа в тому, що між внутренннего поверхнею мембрани нейрона і зовнішнім середовищем постійно підтримується різниця електричних потенціалів. Це відбувається завдяки роботі так званих «іонних насосів» - білкових комплексів, які здійснюють активний транспорт позитивно заряджених іонів калію і натрію через мембрану.
Такий активний перенос, а також постійно протікає пасивна дифузія іонів через пори в мембрані обумовлюють в спокої негативний щодо зовнішнього середовища заряд з внутрішньої сторони мембрани нейрона.
Якщо роздратування нейрона перевищує певну межу величину, то в точці стимуляції виникає серія хімічних і електричних змін (активне надходження іонів натрію в нейрон і короткочасне зміна заряду з внутрішньої сторони мембрани з негативного на позитивний), які поширюються по всій нервовій клітині.
На відміну від простого електричного розряду, який через опір нейрона буде поступово слабшати і зуміє подолати лише короткий відстань, нервовий імпульс в процесі поширення постійно відновлюється.
Основними функціями нервової клітини є:
- сприйняття зовнішніх подразнень (рецепторна функція),
- їх переробка (інтегративна функція),
- передача нервових впливів на інші нейрони або різні робочі органи (ефекторна функція).
За дендрита - інженери назвали б їх «приймачами» - імпульси надходять в тіло нервової клітини, а по аксону - «передавача» - йдуть від її тіла до м'язів, залоз або інших нейронів.
У зоні контакту
Аксон має тисячі відгалужень, які тягнуться до дендритам інших нейронів. Зона функціонального контакту аксонів і дендритів називається синапсом.
Чим більше синапсів на нервовій клітині, тим більше сприймається різних подразнень і, отже, ширше сфера впливів на її діяльність і можливість участі нервової клітини в різноманітних реакціях організму. На тілах великих мотонейронів спинного мозку може налічуватися до 20 тис синапсів.
У синапсі відбувається перетворення електричних сигналів в хімічні і назад. Передача збудження здійснюється за допомогою біологічно активних речовин - нейромедіаторів (ацетилхоліну, адреналіну, деяких амінокислот, нейропептидів і ін.). Про ні містяться в особливих бульбашках, що знаходяться в закінченнях аксонів - пресинаптичної частини.
Коли нервовий імпульс досягає пресинаптичної частини, відбувається викид нейромедіаторів в синаптичну щілину, вони зв'язуються з рецепторами, розташованими на тілі або відростках другого нейрона (постсинаптичної частини), що призводить до генерації електричного сигналу - постсинаптичного потенціалу.
Величина електричного сигналу прямо пропорційна кількості нейромедіатора.
Одні синапси викликають деполяризацію нейрона, інші - гіперполяризацію; перші є збудливими, другі - що гальмують.
Після припинення виділення медіатора відбувається видалення його залишків з синаптичної щілини і повернення рецепторів постсинаптичної мембрани в початковий стан. Результат сумації сотень і тисяч збуджуючих і гальмівних імпульсів, одночасно що стікаються до нейрона, визначає, чи буде він в даний момент генерувати нервовий імпульс.
нейрокомп'ютери
Спроба змоделювати принципи роботи біологічних нейронних мереж привела до створення такого пристрою переробки інформації як нейрокомп'ютер.
На відміну від цифрових систем, що представляють собою комбінації процесорних і запам'ятовуючих блоків, нейропроцесори містять пам'ять, розподілену в зв'язках (свого роду синапсах) між дуже простими процесорами, які формально можуть бути названі нейронами.
Нейрокомп'ютери НЕ програмують в традиційному сенсі цього слова, а «навчають», налаштовуючи ефективність всіх «синаптичних» зв'язків між складовими їх «нейронами».
Основними сферами застосування нейрокомп'ютерів їх розробники бачать:
- розпізнавання візуальних і звукових образів;
- економічне, фінансове, політичне прогнозування;
- управління в реальному часі виробничими процесами, ракетами, літаками;
- оптимізація при конструюванні технічних пристроїв і т.д.
«Голова - предмет темний ...»
Нейрони можна розбити на три великі групи:
- рецепторні,
- проміжні,
- ефекторні.
Рецепторні нейрони забезпечують введення в мозок сенсорної інформації. Вони трансформують сигнали, що надходять на органи чуття (оптичні сигнали в сітківці ока, акустичні - в вушної равлику, нюхові - в хеморецепторах носа і ін.), В електричну імпульсація своїх аксонів.
Проміжні нейрони здійснюють обробку інформації, одержуваної від рецепторів, і генерують сигнали для ефекторів. Нейрони цієї групи утворюють центральну нервову систему (ЦНС).
Ефекторні нейрони передають що приходять на них сигнали виконавчим органам. Результат діяльності нервової системи - та чи інша активність, в основі якої лежить скорочення або розслаблення м'язів або секреція або припинення секреції залоз. Саме з роботою м'язів і залоз пов'язаний будь-який спосіб нашого самовираження.
Якщо принципи функціонування рецепторних і ефекторних нейронів більш-менш зрозумілі вченим, то проміжний етап, на якому організм «перетравлює» надійшла, і приймає рішення про те, як на неї відреагувати, зрозумілий лише на рівні найпростіших рефлекторних дуг.
У більшості ж випадків нейрофизиологический механізм формування тих чи інших реакцій залишається загадкою. Не дарма в науково-популярній літературі головний мозок людини часто порівнюють з «чорним ящиком».
«... У вашій голові живуть 30 млрд нейронів, що зберігають ваші знання, навички, накопичений життєвий досвід. Після 25 років роздумів даний факт здається мені не менш вражаючим, ніж раніше. Найтонша плівка, що складається з нервових клітин, бачить, відчуває, творить наше світогляд. Це просто неймовірно! Насолода теплотою літнього дня і сміливі мрії про майбутнє - все створюється цими клітинами ... Нічого іншого не існує: ніякої магії, ніякого спеціального соусу, тільки нейрони, які виконують інформаційний танець, "- писав у своїй книзі« Про інтелекті »відомий розробник комп'ютерів, засновник Редвудского інституту нейрології (США) Джефф Хокінс.
Уже понад півстоліття тисячі вчених-нейрофізіологів у всьому світі намагаються зрозуміти хореографію цього «інформаційного танцю», однак на сьогодні відомі лише його окремі фігури і па, що не дозволяють створити універсальну теорію функціонування головного мозку.
Слід зазначити, що багато роботи в галузі нейрофізіології присвячені так званій «функціональної локалізації» - з'ясування того, який нейрон, група нейронів або ціла область мозку активується в тих чи інших ситуаціях.
На сьогодні накопичено величезний масив інформації про те, які нейрони у людини, щури, мавпи вибірково активуються при спостереженні різних об'єктів, вдиханні феромонів, прослуховуванні музики, разучивании віршів і т.д.
Правда, іноді подібні досліди здаються кілька курйозними. Так, ще в 70-ті роки минулого століття одним з дослідників в мозку у щура були виявлені «нейрони зеленого крокодильчика»: ці клітини активувалися, коли біжить по лабіринту тварина серед інших предметів натикалося на вже знайому йому іграшку маленького зеленого крокодильчика.
А іншим вченим пізніше в мозку у людини була локалізована нейрон, «реагує» на фотографію президента США Біла Клінтона.
Всі ці дані підтверджують теорію про те, що нейрони в головному мозку спеціалізовані, однак ні в якій мірі не пояснюють, чому і яким чином відбувається ця спеціалізація.
Лише в загальних рисах зрозумілі вченим нейрофізіологічні механізми навчання і пам'яті. Передбачається, що в процесі запам'ятовування інформації відбувається формування нових функціональних контактів між нейронами кори головного мозку.
Іншими словами, нейрофизиологическим «слідом» пам'яті є синапси. Чим більше виникає нових синапсів, тим «багатшими» пам'ять індивідуума. Типова клітина в корі головного мозку утворює кілька (до 10) тисяч синапсів. З урахуванням загального числа нейронів кори виходить, що всього тут можуть сформуватися сотні мільярдів функціональних контактів!
Під впливом будь-яких відчуттів, думок або емоцій відбувається пригадування - збудження окремих нейронів активізує весь ансамбль, відповідальний за зберігання тієї чи іншої інформації.
У 2000 р шведському фармакології Арвіду Карлссон і американським нейробіологам Полу Грінгард і Еріку Кендел була присуджена Нобелівська премія з фізіології та медицини за відкриття, що стосуються «передачі сигналів в нервовій системі».
Учені продемонстрували, що пам'ять більшості живих істот працює завдяки дії так званих нейротрансмітерів - дофаміну, норадреналіну і серотоніну, ефект яких на відміну від класичних нейромедіаторів розвивається не за мілісекунди, а за сотні мілісекунд, секунди і навіть годинник. Саме цим і зумовлено їх тривале, модулюючий вплив на функції нервових клітин, їх роль в управлінні складними станами нервової системи - спогадами, емоціями, настроями.
Слід також зазначити, що величина сигналу, що генерується на постсинаптичні мембрані, може бути різною навіть при однаковій величині вихідного сигналу, який досяг пресинаптичної частини. Ці відмінності визначає так звана ефективність, або вага, синапсу, який може змінюватися в процесі функціонування міжнейронної контакту.
На думку багатьох дослідників, зміна ефективності синапсів також грає важливу роль в роботі пам'яті. Можливо, часто використовувана людиною інформація зберігається в нейронних мережах, пов'язаних високоефективними синапсами, і тому швидко і легко «згадується». У той же час, синапси, які беруть участь в зберіганні другорядних, рідко «витягають» даних, мабуть, характеризуються низькою ефективністю.
А все-таки вони відновлюються!
Одна з найбільш хвилюючих з медичної точки зору проблем нейробіології - можливість регенерації нервової тканини. Відомо, що перерізані або пошкоджені волокна нейронів периферичної нервової системи, оточені неврілеммой (оболонкою зі спеціалізованих клітин), можуть регенерувати, якщо тіло клітини збереглося в цілості. Нижче місця перерізання неврілемма зберігається у вигляді трубчастої структури, і та частина аксона, яка залишилася пов'язаної з тілом клітини, росте по цій трубці, поки не досягне нервового закінчення. Таким чином відновлюється функція пошкодженого нейрона.
Аксони в ЦНС не оточений неврілеммой і тому, мабуть, не здатні знову проростати до місця колишнього закінчення.
У той же час, до недавнього часу нейрофізіологи вважали, що протягом життя людини нові нейрони в ЦНС не утворюються.
«Нервові клітини не відновлюються!», - застерігали нас вчені. Передбачалося, що підтримка нервової системи в «робочому стані» навіть при серйозних захворюваннях і травмах відбувається завдяки її виключній пластичності: функції загиблих нейронів беруть на себе їх залишилися в живих «колеги», які збільшуються в розмірах і формують нові зв'язки.
Високу, але не безмежну ефективність подібної компенсації можна проілюструвати на прикладі хвороби Паркінсона, при якій відбувається поступове відмирання нейронів. Виявляється, поки в головному мозку не згине близько 90% нейронів, клінічні симптоми захворювання (тремтіння кінцівок, нестійка хода, слабоумство) не виявляються, тобто людина виглядає практично здоровим. Виходить, що одна жива нервова клітина може функціонально замінити дев'ять загиблих!
В даний час доведено, що в головному мозку дорослих ссавців утворення нових нервових клітин (нейрогенез) все ж відбувається. Ще в 1965 р було показано, що нові нейрони регулярно з'являються у дорослих щурів в гіпокампі - області мозку відповідає за ранні фази навчання і пам'яті.
Через 15 років вчені показали, що в мозку птахів нові нервові клітини з'являються протягом усього життя. Однак дослідження мозку дорослих приматів на предмет нейрогенезу не давали обнадійливих результатів.
Лише близько 10 років тому американські вчені розробили методику, яка довела, що в мозку мавп протягом всієї жізнііз нейрональних стовбурових клітин продукуються нові нейрони. Дослідники вводили тваринам спеціальну речовину-мітку (бромдіоксіурідін), яке включалося в ДНК тільки клітин, які діляться.
Так було виявлено, що нові клітини починали розмножуватися в субвентрікулярной зоні і вже звідти мігрували в кору, де і дозрівали до дорослого стану. Нові нейрони виявлялися в зонах головного мозку, пов'язаних з когнітивними функціями, і не виникали в зонах, що реалізують більш примітивний рівень аналізу.
У зв'язку з цим вчені припустили, що нові нейрони можуть бути важливі для процесу навчання і пам'яті.
На користь цієї гіпотези говорить також наступне: великий відсоток нових нейронів гине в перші тижні після того, як вони народилися; проте в тих ситуаціях, коли відбувається постійне навчання, частка тих, що вижили нейронів значно вище, ніж тоді, коли вони «не затребувані» - коли тварина позбавлене можливості утворювати новий досвід.
На сьогодні встановлено універсальні механізми загибелі нейронів при різних захворюваннях:
1) підвищення рівня вільних радикалів і окисне пошкодження мембран нейронів;
2) порушення діяльності мітохондрій нейронів;
3) несприятливий вплив надлишку збуджуючих нейротрансмітерів глутамата і аспартату, що приводить до гіперактивації специфічних рецепторів, надмірного накопичення внутрішньоклітинного кальцію, розвитку окисного стресу і загибелі нейрона (феномен ексайтотоксічності).
Виходячи з цього, в якості лікарських засобів - нейропротекторів в неврології використовують:
- препарати з антиоксидантними властивостями (вітаміни Е і С, ін.),
- коректори тканинного дихання (коензим Q10, бурштинова кислота, рибофлавін, ін),
- а також блокатори рецепторів глутамату (мемантін, ін.).
Приблизно в той же час була підтверджена можливість появи нових нейронів зі стовбурових клітин в головному мозку дорослої людини: патологоанатомічне дослідження пацієнтів, які отримували за життя бромдіоксіурідін з терапевтичною метою, показало, що нейрони, що містять цю речовину-мітку, виявляються практично у всіх відділах мозку, включаючи кору великих півкуль.
Цей феномен всебічно досліджується з метою лікування різних нейродегенеративних захворювань, перш за все хвороб Альцгеймера і Паркінсона, які стали справжнім бичем для «старіючого» населення розвинених країн.
В експериментах для трансплантації використовують як нейрональні стовбурові клітини, які і у ембріона, і у дорослої людини розташовуються навколо шлуночків головного мозку, так і ембріональні стовбурові клітини, здатні перетворюватися практично в будь-які клітини організму.
На жаль, на сьогоднішній день лікарі не можуть дозволити основну проблему, пов'язану з пересадкою нейрональних стовбурових клітин: їх активне розмноження в організмі реципієнта в 30-40% випадків призводить до утворення злоякісних пухлин.
Незважаючи на це, фахівці не втрачають оптимізму і називають трансплантацію стовбурових клетокоднім з найбільш перспективних підходів в терапії нейродегенеративних захворювань. Опубліковано econet.ru . Если у вас вініклі питання по Цій темі, задайте їх фахівцям и читачам нашого проекту тут .
Автор: Тетяна Ткаченко
PS І пам'ятайте, всього лише змінюючи свою свідомість - ми разом змінюємо світ! © econet
