Мозг, общение нейронов и энергетическая эффективность. Нейронные связи головного мозга: формирование, развитие рецепторов, улучшение работы головного мозга и создание новых нейронных связей За что отвечают нейроны в мозге

Нервная система представляется наиболее сложной частью человеческого организма. В ее состав включаются около 85 миллиардов нервных и глиальных клеток. На сегодняшний день ученым удалось исследовать всего лишь 5 % нейронов. Другие 95% до сих пор остаются загадкой, поэтому проводятся многочисленные исследования данных компонентов мозга человека.

Рассмотрим, как устроен мозг человека, а именно его клеточную структуру.

Строение нейрона составляют 3 основные составляющие части:

1. Клеточное тело

Данная часть нервной клетки является ключевой, в состав которой входит цитоплазма и ядра, в совокупности создающие протоплазму, на поверхности которого образуется мембранная граница, состоящая из двух слое липидов. На мембранной поверхности находятся белки, представляющие форму глобул.

Нервные клетки коры состоят из тел, содержащих в себе ядро, а также ряд органелл, включая интенсивно и эффективно развивающуюся площадь рассеивания шероховатой формы, которая обладает активными рибосомами.

2. Дендриты и аксон

Аксон представляется продолжительным отростком, который эффективно приспосабливается к возбуждающим процессам от тела человека.

Дендриты имеют совсем иную анатомическую структуру. Их главное отличие от аксона то, что они имеют значительно меньшую длину, а также характеризуются наличием аномально развитых отростков, которые выполняют функции основного участка. В этом участке начинают возникать тормозящие синапсы, благодаря чему существует способность непосредственно влиять на сам нейрон.

Значительная часть нейронов в больше степени состоит из дендритов, при этом имеется всего один аксон. Одна нервная клетка имеет множество связей с другими клетками. В некоторых случаях количество данных связей превышает 25000.

Синапс – это место, где формируется контактный процесс между двумя клетками. Основной функцией является передача импульсов между различными клетками, при этом частота сигнала может изменяться в зависимости от скорости и типов передачи этого сигнала.

Как правило, чтобы начался возбуждающий процесс нервной клетки, в роли раздражителей могут выступить несколько возбуждающих синапсов.

Что собой представляет тройной мозг человека

Еще в 1962 году ученый-нейробиолог Пол Маклин выделил три мозга человека, а именно:

Рептильный

Этот рептильный тип мозга человека существует более чем 100 млн. лет. Он оказывает значительное влияние на поведенческие качества человека. Его главной функцией является управление базовым поведением, которое включает в себя такие функции как:

Размножение на основе человеческих инстинктов
Агрессия
Желание все контролировать
Следовать определенным шаблонам
Имитировать, обманывать
Бороться за влияние над другими

Также рептильный головной мозг человека характеризуется такими особенностями как хладнокровие по отношению к другим, отсутствием сопереживания, полное безразличие к последствиям своих действий, в отношении к другим. Также данный тип не способен распознавать воображаемую угрозу с реальной опасностью. Вследствие этого, в некоторых ситуациях, данный мозг полностью подчиняет разум и тело человека.

Эмоциональный (лимбическая система)

Представляется мозгом млекопитающего, возраст которого составляет около 50 млн. лет.

Отвечает за такие функциональные особенности особи как:

Выживание, самосохранение и самозащита
Управляет социальным поведением, включая материнскую заботу и воспитание
Учавствует в регулировании функций органов, обоняния, инстинктивного поведения, памяти, состояния сна и бодрствования и ряда других

Данный мозг практически полностью идентичен мозгу животных.

Визуальный

Является мозгом, выполняющим функции нашего мышления. Другими словами это рациональный разум. Является наиболее молодой структурой, возраст которой не превышает 3 млн. лет.

Представляется тем, что мы именуем рассудком, который включает в себя такие способности как;

Размышлять
Проводить умозаключения
Способность анализировать

Выделяется наличием пространственного мышления, где возникают свойственные визуальные изображения.

Классификация нейронов

На сегодняшний день выделяется ряд классификация нейронных клеток. Одна из распространенных классификаций нейронов выделяется по числу отростков и месту их локализации, а именно:

Мультиполярные. Данные клетки характеризуются большим скоплением в ЦНС. Представляются с одним аксоном и несколькими дендритами.
Биполярные. Характеризуются одним аксоном и одним дендритом и располагаются в сетчатке глаза, обонятельной ткани, а также в слуховом и вестибулярном центре.

Также в зависимости выполняемых функций, нейроны подразделяются на 3 большие группы:

1. Афферентные

Отвечают за процесс передачи сигналов от рецепторов в отдел ЦНС. Различаются как:

Первичные. Первичные располагаются в спинальных ядрах, которые связываются с рецепторами.
Вторичные. Находятся в зрительных буграх и выполняют функции передачи сигналов в вышележащие отделы. Данный тип клеток не вступает в связь с рецепторами, а принимают сигналы от клеток-нейроцитов.

2. Эфферентные или двигательные

Этот тип формирует передачу импульса к остальным центрам и органам человеческого организма. Например, нейроны двигательной зоны больших полушарий – пирамидные, которые передают сигнал моторным нейронам спинномозгового отдела. Ключевая особенность моторных эфферентных нейронов – это наличие аксон значительной протяженности, обладающий высокой скоростью передачи сигнала возбуждения.

Эфферентные нервные клетки разных отделов мозговой коры связывают между собой эти отделы. Эти нейронные связи головного мозга обеспечивают отношения внутри полушарий и между ними, следовательно, которые отвечают за функционирование мозга в процессе обучения, распознавания объектов, утомляемости и т. п.

3. Вставочные или ассоциативные

Данный тип осуществляет взаимодействие между нейронами, а также обрабатывает данные, которые были переданы от чувствительных клеток и затем передают ее другим вставочным или моторным нервным клеткам. Эти клетки представляются меньшим размером, в сравнении с афферентными и эфферентными клетками. Аксоны представлены небольшой протяженностью, однако сеть дендритов довольно обширна.

Специалисты сделали вывод, что непосредственными нервными клетками, которые локализованы в головном мозге, являются ассоциативные нейроны мозга, а остальные регулируют деятельность мозга вне его самого.

Восстанавливаются ли нервные клетки

Современная наука уделяет достаточно внимания процессам гибели и восстановления нервных клеток. Весь организм человека имеет возможность восстанавливаться, но имеют ли такую возможность нервные клетки мозга?

Еще в процессе зачатия организм настраивается на отмирание нервных клеток.

Ряд ученых утверждает, что количество отираемых клеток составляет около 1% в год. Исходя из этого утверждения, получается, что головной мозг уже износился бы вплоть до потери способностей выполнять элементарные вещи. Однако такого процесса не происходит, и мозг продолжает функционировать до самой своей смерти.

Каждая ткань организма самостоятельно восстанавливает себя путем деления «живых» клеток. Однако после ряда исследований нервной клетки люди установили, что клетка не делится. Утверждается, что новые клетки головного мозга образуются вследствие нейрогенеза, который запускается еще во внутриутробном периоде и продолжается на протяжении всей жизни.

Нейрогенез – это синтез новые нейронов с предшественников – стволовых клеток, которые впоследствии дифференцируются и формируются в зрелые нейроны.

Такой процесс был впервые описан в 1960 году, однако в то время данный процесс ничем подкреплялся.

Дальнейшие исследования подтвердили, что нейрогенез может происходить в определенных мозговых областях. Одной из таких областей выступает пространство вокруг мозговых желудочков. Ко второму участку можно отнести гиппокамп, который располагается непосредственно возле желудочков. Гиппокамп, выполняет функции нашей памяти, мышления и эмоций.

Вследствие этого способности к запоминанию и размышлению формируются в процессе жизнедеятельность под влиянием различных факторов. Как можно отметить из вышесказанного, наш головного мозг, определение структур которого, хоть и было выполнено всего на 5%, все же выделяется ряд фактов, которые подтверждают способность нервных клеток восстанавливаться.

Заключение

Не стоит забывать, что для полноценного функционирования нервных клеток следует знать, как улучшить нейронные связи головного мозга. Многие специалисты отмечают, что главный залог здоровых нейронов – это здоровое питание и образ жизни и только затем может использоваться дополнительная фармакологическая поддержка.

Организуйте свой сон, откажитесь от алкоголя, курения и в конечном итоге ваши нервные клетки скажут вам спасибо.

Главный компонент мозга человека или другого млекопитающего – нейрон (другое название – неврон). Именно эти клетки образуют нервную ткань. Наличие невронов помогает приспособиться к условиям окружающей среды, чувствовать, мыслить. С их помощью передается сигнал в нужный участок тела. Для этой цели используются нейромедиаторы. Зная строение нейрона, его особенности, можно понять суть многих заболеваний и процессов в тканях мозга.

В рефлекторных дугах именно нейроны отвечают за рефлексы, регуляцию функций организма. Трудно найти в организме другой вид клеток, который отличался бы таким многообразием форм, размеров, функций, строения, реактивности. Мы выясним каждое различие, проведем их сравнение. В нервной ткани содержатся нейроны и нейроглия. Подробно рассмотрим строение и функции нейрона.

Благодаря своему строению нейрон является уникальной клеткой с высокой специализацией. Он не только проводит электрические импульсы, но и генерирует их. В ходе онтогенеза нейроны утратили возможность размножаться. При этом в организме присутствуют разновидности нейронов, каждой из которых отводится своя функция.

Нейроны покрыты крайне тонкой и при этом очень чувствительной мембраной. Ее называют нейролеммой. Все нервные волокна, а точнее их аксоны, покрыты миелином. Миелиновая оболочка состоит из глиальных клеток. Контакт между двумя нейронами называется синапс.

Строение

Внешне нейроны очень необычны. У них есть отростки, количество которых может варьироваться от одного до множества. Каждый участок выполняет свою функцию. По форме нейрон напоминает звезду, которая находится в постоянном движении. Его формируют:

сома (тело);
дендриты и аксоны (отростки).

Аксон и дендрит есть в строении любого нейрона взрослого организма. Именно они проводят биоэлектрические сигналы, без которых не могут происходить никакие процессы в человеческом теле.

Выделяют разные виды нейронов. Их отличие кроется в форме, размере, количестве дендритов. Мы подробно рассмотрим строение и виды нейронов, разделение их на группы, проведем сравнение типов. Зная виды нейронов и их функции, легко понять, как устроен мозг и ЦНС.

Анатомия невронов отличается сложностью. Каждый вид имеет свои особенности строения, свойства. Ими заполнено все пространство головного и спинного мозга. В теле каждого человека встречается несколько видов. Они могут участвовать в разных процессах. При этом данные клетки в процессе эволюции утратили способность к делению. Их количество и связь относительно стабильны.

Нейрон – это конечный пункт, который подает и принимает биоэлектрический сигнал. Эти клетки обеспечивают абсолютно все процессы в теле и имеют первостепенную важность для организма.

В теле нервных волокон содержится нейроплазма и чаще всего одно ядро. Отростки специализируются на определенных функциях. Они делятся на два вида – дендриты и аксоны. Название дендритов связано с формой отростков. Они действительно похожи на дерево, которое сильно ветвится. Размер отростков – от пары микрометров до 1-1,5 м. Клетка с аксоном без дендритов встречается только на стадии эмбрионального развития.

Задача отростков – воспринимать поступающие раздражения и проводить импульс к телу непосредственно нейрона. Аксон нейрона отводит от его тела нервные импульсы. У неврона лишь один аксон, но он может иметь ветви. При этом появляется несколько нервных окончаний (два и больше). Дендритов может быть много.

По аксону постоянно курсируют пузырьки, которые содержат ферменты, нейросекреты, гликопротеиды. Они направляются от центра. Скорость движения некоторых из них – 1-3 мм в сутки. Такой ток называют медленным. Если же скорость движения 5-10 мм в час, подобный ток относят к быстрому.

Если веточки аксона отходят от тела неврона, то дендрит ветвится. У него много веточек, а конечные являются самыми тонкими. В среднем насчитывается 5-15 дендритов. Они существенно увеличивают поверхность нервных волокон. Именно благодаря дендритам, невроны легко контактируют с другими нервными клетками. Клетки с множеством дендритов называют мультиполярными. Их в мозге больше всего.

А вот биполярные располагаются в сетчатке и аппарате внутреннего уха. У них лишь один аксон и дендрит.

Не существует нервных клеток, у которых вовсе нет отростков. В организме взрослого человека присутствуют невроны, у которых минимум есть по одному аксону и дендриту. Лишь у нейробластов эмбриона есть единственный отросток – аксон. В будущем на смену таким клеткам приходят полноценные.

В нейронах, как и во множестве других клеток, присутствуют органеллы. Это постоянные составляющие, без которых они не способны существовать. Органеллы расположены глубоко внутри клеток, в цитоплазме.

У невронов есть крупное круглое ядро, в котором содержится деконденсированный хроматин. В каждом ядре имеется 1-2 довольно крупных ядрышка. В ядрах в большинстве случаев содержится диплоидный набор хромосом. Задача ядра – регулировать непосредственный синтез белков. В нервных клетках синтезируется много РНК и белков.

Нейроплазма содержит развитую структуру внутреннего метаболизма. Тут много митохондрий, рибосом, есть комплекс Гольджи. Также есть субстанция Ниссля, которая синтезирует белок нервных клеток. Данная субстанция находится вокруг ядра, а также на периферии тела, в дендритах. Без всех этих компонентов не получится передать или принять биоэлектрический сигнал.

В цитоплазме нервных волокон имеются элементы опорно-двигательной системы. Они располагаются в теле и отростках. Нейроплазма постоянно обновляет свой белковый состав. Она перемещается двумя механизмами – медленным и быстрым.

Постоянное обновление белков в невронах можно рассматривать, как модификацию внутриклеточной регенерации. Популяция их при этом не меняется, так как они не делятся.

Форма

У невронов могут быть разные формы тела: звездчатые, веретенообразные, шаровидные, в форме груши, пирамиды и т.д. Они составляют различные отделы головного и спинного мозга:

звездчатые – это мотонейроны спинного мозга;
шаровидные создают чувствительные клетки спинномозговых узлов;
пирамидные составляют кору головного мозга;
грушевидные создают ткань мозжечка;
веретенообразные входят в состав ткани коры больших полушарий.

Есть и другая классификация. Она делит нейроны по строению отростков и их числу:

униполярные (отросток лишь один);
биполярные (есть пара отростков);
мультиполярные (отростков много).

Униполярные структуры не имеют дендритов, они не встречаются у взрослых, а наблюдаются в ходе развития эмбриона. У взрослых есть псевдоуниполярные клетки, у которых есть один аксон. Он разветвляется на два отростка в месте выхода из клеточного тела.

У биполярных невронов по одному дендриту и аксону. Их можно найти в сетчатке глаз. Они передают импульс от фоторецепторов к ганглионарным клеткам. Именно клетки ганглии образуют зрительный нерв.

Большую часть нервной системы составляют невроны с мультиполярной структурой. У них много дендритов.

Размеры

Разные типы нейронов могут существенно отличаться по размерам (5-120 мкм). Есть очень короткие, а есть просто гигантские. Средний размер – 10-30 мкм. Самые большие из них – мотонейроны (они есть в спинном мозге) и пирамиды Беца (этих гигантов можно найти в больших полушариях мозга). Перечисленные типы нейронов относятся к двигательным или эфферентным. Они столь велики потому, что должны принимать очень много аксонов от остальных нервных волокон.

Удивительно, но отдельные мотонейроны, расположенные в спинном мозге, имеют около 10-ти тыс. синапсисов. Бывает, что длина одного отростка достигает 1-1,5 м.

Классификация по функциям

Существует также классификация нейронов, которая учитывает их функции. В ней выделяют нейроны:

чувствительные;
вставочные;
двигательные.

Благодаря «двигательным» клеткам приказы отправляются к мышцам и железам. Они отправляют импульсы от центра к периферии. А вот по чувствительным клеткам сигнал отправляется от периферии непосредственно к центру.

Итак, нейроны классифицируют по:

форме;
функциям;
числу отростков.

Невроны могут быть не только в головном, но и в спинном мозге. Они также присутствуют в сетчатке глаз. Данные клетки выполняют сразу несколько функций, они обеспечивают:

восприятие внешней среды;
раздражение внутренней среды.

Нейроны участвуют в процессе возбуждения и торможения мозга. Полученные сигналы отправляются в ЦНС благодаря работе чувствительных нейронов. Тут импульс перехватывается и передается через волокно в нужную зону. Его анализирует множество вставочных нейронов головного или спинного мозга. Дальнейшую работу выполняет двигательный нейрон.

Нейроглия

Невроны не способны делиться, потому и появилось утверждение, что нервные клетки не восстанавливаются. Именно поэтому их следует оберегать с особой тщательностью. С основной функцией «няни» справляется нейроглия. Она находится между нервными волокнами.

Эти мелкие клетки отделяют нейроны друг от друга, удерживают их на своем месте. У них длинный список функций. Благодаря нейроглии сохраняется постоянная система установленных связей, обеспечивается расположение, питание и восстановление нейронов, выделяются отдельные медиаторы, фагоцитируется генетически чужое.

Нейрон, или нервная клетка – это электрически возбуждаемая клетка, которая обрабатывает и передает информацию с помощью электрических и химических сигналов. Эти сигналы между нейронами осуществляются через специальные соединения, называемые синапсами. Нейроны могут соединяться друг с другом, образуя нейронные сети. Нейроны являются основными компонентами головного и спинного мозга центральной нервной системы (ЦНС) и вегетативных ганглиев периферической нервной системы. Существует несколько типов специализированных нейронов. Сенсорные нейроны реагируют на раздражители, такие как прикосновение, звук или свет и все другие раздражители, воздействующие на клетки сенсорных органов, которые затем посылают сигналы в спинной и головной мозг. Моторные нейроны получают сигналы от головного и спинного мозга, вызывая мышечные сокращения и влияя на гландулярные выходы. Интернейроны соединяют нейроны с другими нейронами в той же области мозга или спинной мозг в нейронных сетях.

Типичный нейрон состоит из тела клетки (сомы), дендритов и аксона. Термин «нейрит» используется для описания дендрита или аксона, особенно на его недифференцированной стадии. Дендриты представляют собой тонкие структуры, которые возникают из тела клетки, часто распространяются на сотни микрометров и разветвляются несколько раз, что приводит к возникновению сложного «дендритного дерева». Аксон (также называемый нервным волокном при миелинизации) является специальным клеточным расширением (процессом), который возникает из тела клетки в месте, называемом холмом аксона, и перемещается на расстояние до 1 метра у людей или даже больше у других видов животных. Нервные волокна часто соединяются в пучки, а в периферической нервной системе пучки этих пучков образуют нервы (как пряди из проволочных кабелей). Тело клетки нейрона часто вызывает рост множественных дендритов, но не более чем на один аксон, хотя аксон может разветвляться сотни раз. В большинстве синапсов, сигналы посылаются от аксона одного нейрона к дендриту другого. Однако, из этих правил существует множество исключений: например, нейроны могут не иметь дендритов или не иметь аксона, а синапсы могут связывать аксон с другим аксоном или дендрит с другим дендритом. Все нейроны являются электрически возбуждаемыми, поддерживая градиенты напряжения на своих мембранах с помощью ионных насосов с метаболическим действием, которые объединяются с ионными каналами, встроенными в мембрану, для генерирования внутриклеточных или внеклеточных концентраций ионов, таких как натрий, калий, хлорид и кальций. Изменения в поперечном мембранном напряжении могут изменять функцию зависимых от напряжения ионных каналов. Если напряжение изменяется достаточно сильно, генерируется электрохимический импульс «все или ничего», называемый потенциалом действия, который быстро перемещается вдоль аксона клетки и активирует синаптические связи с другими клетками. В большинстве случаев, нейроны генерируются специальными типами стволовых клеток. Нейроны во взрослом мозге обычно не подвергаются клеточному делению. Астроциты представляют собой звездообразные глиальные клетки, которые также, как было обнаружено, превращаются в нейроны в силу характерной плюрипотентности стволовых клеток. В зрелом возрасте, в большинстве областей мозга нейрогенез в большинстве случаев прекращается. Тем не менее, есть убедительные доказательства генерации значительного числа новых нейронов в двух областях мозга, гиппокампе и обонятельной луковице.

Обзор

Нейрон – это специализированный тип клеток, обнаруженный в телах всех живых организмов. Только губки и несколько других более простых организмов не имеют нейронов. Особенностями, которые определяют нейрон, являются электрическая возбудимость и наличие синапсов, которые являются сложными мембранными переходами, которые передают сигналы другим клеткам. Нейроны тела, а также глиальные клетки, которые придают им структурную и метаболическую поддержку, вместе составляют нервную систему. У позвоночных, большинство нейронов относятся к центральной нервной системе, но некоторые из них находятся в периферических ганглиях, и многие сенсорные нейроны расположены в сенсорных органах, таких как сетчатка и улитка. Типичный нейрон делится на три части: тело сомы или клетки, дендриты и аксон. Сома обычно компактна; аксон и дендриты – это нити, которые выходят из сомы. Дендриты обычно обильно ветвятся, становятся тоньше с каждым ветвлением и расширяют свои самые отдаленные ветви на несколько сотен микрометров от сомы. Аксон покидает сому в месте набухания, называемом холмом аксона, и может простираться на большие расстояния, что приводит к появлению сотен ветвей. В отличие от дендритов, аксон обычно имеет одинаковый диаметр по всей длине. Сома может «вырастить» многочисленные дендриты, но не более чем один аксон. Синаптические сигналы от других нейронов принимаются сомой и дендритами; сигналы к другим нейронам передаются аксоном. Таким образом, типичный синапс представляет собой контакт между аксоном одного нейрона и дендритом или сомой другого. Синаптические сигналы могут быть возбуждающими или тормозящими. Если чистое возбуждение, полученное нейроном за короткий промежуток времени, достаточно велико, нейрон генерирует короткий импульс, называемый потенциалом действия, который возникает у сомы и быстро распространяется вдоль аксона, активируя синапсы на другие нейроны по мере его поступления. Многие нейроны вписываются в вышеизложенную схему во всех отношениях, но есть и исключения для большинства ее частей. Нет нейронов, у которых нет сомы, но есть нейроны, у которых нет дендритов, и нейроны, у которых отсутствует аксон. Кроме того, в дополнение к типичным аксодендритным и аксосомным синапсам, существуют аксоаксические (аксон-аксонные) и дендродрендритные (дендрит-дендритные) синапсы. Ключом к нейронной функции является синаптическая сигнализация, которая частично является электрической, и частично – химической. Электрический аспект зависит от свойств мембраны нейрона. Как и все клетки животных, клеточное тело каждого нейрона окружено плазматической мембраной, двухслойной липидной молекулой со многими типами белковых структур, встроенных в нее. Липидный бислой является мощным электрическим изолятором, но в нейронах многие белковые структуры, встроенные в мембрану, являются электрически активными. К ним относятся ионные каналы, которые позволяют электрически заряженным ионам течь через мембрану, и ионные насосы, которые активно переносят ионы с одной стороны мембраны на другую. Большинство ионных каналов проницаемы только для конкретных типов ионов. Некоторые ионные каналы потенциалзависимы, что означает, что они могут переключаться между открытыми и закрытыми состояниями, изменяя разность потенциалов на мембране. Другие химически зависимы, что означает, что они могут переключаться между открытым и закрытым состояниями путем взаимодействия с химическими веществами, которые диффундируют через внеклеточную жидкость. Взаимодействия между ионными каналами и ионными насосами создают разность потенциалов на мембране, обычно немного меньше 1/10 вольт на базовой линии. Это напряжение имеет две функции: во-первых, оно обеспечивает источник питания для ассортимента зависимого от напряжения белкового оборудования, встроенного в мембрану; во-вторых, оно обеспечивает основу для передачи электрического сигнала между различными частями мембраны. Нейроны «общаются» при помощи химических и электрических синапсов в процессе, известном как нейротрансмиссия, также называемом синаптической трансмиссией. Основным процессом, который запускает высвобождение нейротрансмиттеров, является потенциал действия, распространяющийся электрический сигнал, который генерируется при использовании электрически возбудимой мембраны нейрона. Это также известно как волна деполяризации.

Анатомия и гистология

Нейроны являются высокоспециализированными относительно обработки и передачи клеточных сигналов. Учитывая разнообразие их функций, выполняемых в разных частях нервной системы, существует, как ожидается, широкое разнообразие нейронов по форме, размеру и электрохимическим свойствам. Например, сома нейрона может варьироваться от 4 до 100 микрометров в диаметре. Сома – тело нейрона. Поскольку она содержит ядро, здесь происходит большая часть синтеза белка. Ядро может иметь диаметр от 3 до 18 микрометров. Дендриты нейрона являются клеточными расширениями со многими ветвями. Эту общую форму и структуру метафорически называют дендритным деревом. Большая часть входа в нейрон происходит через дендритный позвоночник. Аксон – более тонкая, подобная кабелю проекция, которая может растягиваться на десятки, сотни или даже десятки тысяч раз диаметра сомы в длину. Аксон переносит нервные сигналы от сомы (а также возвращает некоторые типы информации). У многих нейронов есть только один аксон, но этот аксон может и, как правило, подвергнется, обширному ветвлению, позволяющему «общаться» со многими клетками-мишенями. Часть аксона, где он появляется из сомы, называется аксональным холмом. Помимо того, что аксональный холм является анатомической структурой, он также является частью нейрона, который имеет наибольшую плотность зависимых от напряжения натриевых каналов. Это делает его наиболее легковозбуждаемой частью нейрона и зоной инициации всплеска для аксона: в электрофизиологических терминах, он имеет наибольший порог потенциального отрицательного воздействия. В то время как аксон и аксональный холм обычно участвуют в оттоке информации, этот регион также может получать данные от других нейронов. Терминаль аксона содержит синапсы, специализированные структуры, в которых химические вещества нейротрансмиттеров высвобождаются для связи с целевыми нейронами. Каноническое представление нейрона связывает специальные функции с его различными анатомическими компонентами; однако, дендриты и аксоны часто действуют так, что это противоречит их так называемой основной функции. Аксоны и дендриты в центральной нервной системе обычно имеют толщину около одного микрометра, а некоторые в периферической нервной системе намного толще. Сома обычно составляет около 10-25 микрометров в диаметре и часто не намного больше, чем содержащееся в ней ядро клетки. Самый длинный аксон человеческого моторного нейрона может быть более метра длиной, от основания позвоночника до пальцев ног. Сенсорные нейроны могут иметь аксоны, которые начинаются от пальцев ног и продолжаются до задней колонки спинного мозга, более 1,5 метров у взрослых. Жирафы имеют одиночные аксоны длиной несколько метров по всей длине шеи. Большая часть того, что известно об аксональной функции, происходит от изучения гигантского аксона кальмара, идеального экспериментального препарата из-за его относительно огромного размера (толщиной 0,5-1 миллиметра, длиной несколько сантиметров). Полностью дифференцированные нейроны постоянно постмитотичны, однако исследования, начиная с 2002 года, показывают, что дополнительные нейроны во всем мозге могут развиваться из нервных стволовых клеток в процессе нейрогенеза. Они встречаются во всем мозге, но особенно сконцентрированы в субвентрикулярной зоне и субгранулярной зоне .

Гистология и внутренняя структура

Многочисленные микроскопические скопления, называемые веществом Ниссля (или тела Ниссля), видны, когда тела нервных клеток окрашиваются базофильным («любящим основание») красителем. Эти структуры состоят из грубого эндоплазматического ретикулума и связанной с ним рибосомальной РНК. Эти структуры были названы в честь немецкого психиатра и невропатолога Франца Ниссли (1860-1919). Они участвуют в синтезе белка, и их известность можно объяснить тем, что нервные клетки очень метаболически активны. Базофильные красители, такие как анилин или (слабо) гематоксилин выделяют отрицательно заряженные компоненты и поэтому связываются с фосфатным скелетом рибосомной РНК. Тело клетки нейрона поддерживается сложной сеткой структурных белков, называемых нейрофиламентами, которые собираются в более крупные нейрофибриллы. Некоторые нейроны также содержат пигментные гранулы, такие как нейромеланин (коричневато-черный пигмент, который является побочным продуктом синтеза катехоламинов) и липофусцин (желтовато-коричневый пигмент), оба из которых накапливаются с возрастом. Другими структурными белками, которые важны для нейрональной функции, являются актин и тубулин из микротрубочек. Актин преимущественно наблюдается на кончиках аксонов и дендриты – в ходе нейронального развития. Существуют разные внутренние структурные характеристики между аксонами и дендритами. Типичные аксоны почти никогда не содержат рибосом, кроме некоторых в начальном сегменте. Дендриты содержат гранулированный эндоплазматический ретикулум или рибосомы в уменьшающихся количествах, когда расстояние от тела клетки увеличивается.

Классификация

Нейроны существуют в разных формах и размерах и могут быть классифицированы по их морфологии и функции. Анатомист Камилло Гольджи сгруппировал нейроны на два типа; тип I с длинными аксонами, используемыми для перемещения сигналов на большие расстояния и тип II с короткими аксонами, которые часто можно путать с дендритами. Клетки типа I могут быть дополнительно разделены по тому, где находится тело клетки или сома. Основная морфология нейронов I типа, представленная спинальными двигательными нейронами, состоит из клеточного тела, называемого сомой, и длинного тонкого аксона, покрытого миелиновой оболочкой. Вокруг тела клетки находится ветвящееся дендритное дерево, которое получает сигналы от других нейронов. Конец аксона имеет ветвящиеся терминалы (терминали аксона), которые высвобождают нейротрансмиттеры в щель, называемую синаптической щелью между терминалями и дендритами следующего нейрона.

Структурная классификация

Полярность

Большинство нейронов могут быть анатомически охарактеризованы как:

Униполярные или псевдоуниполярные: дендрит и аксон производятся в ходе одного и того же процесса.

Биполярные: аксон и одиночный дендрит на противоположных концах сомы.

Многополярный: два или более дендрита, отдельно от аксона:

Гольджи I: нейроны с длительно выступающими аксональными процессами; примерами являются пирамидальные клетки, клетки Пуркинье и клетки переднего рога.

Гольджи II: нейроны, аксоновский процесс которых реализуется локально; лучшим примером является гранулярная клетка.

Анаксонический: аксон нельзя отличить от дендритов.

Другие

Кроме того, некоторые уникальные типы нейронов могут быть идентифицированы в соответствии с их расположением в нервной системе и различной формой. Вот некоторые примеры:

Миоэпителиальная клетка, интернейроны, образующие плотное сплетение терминалей вокруг сомы клеток-мишеней, обнаружены в коре и мозжечке.

Клетка Бетца, крупные моторные нейроны.

Клетка Лугаро, интернейроны мозжечка.

Средние колючие нейроны, большинство нейронов в полосатом теле.

Клетки Пуркинье, огромные нейроны в мозжечке, тип многополярного нейрона Гольджи I.

Пирамидальные клетки, нейроны с треугольной сомой, тип Гольджи I.

Клетки Реншоу, нейроны с обоими концами, связанные с альфа-двигательными нейронами.

Однополярные кисти, интернейроны с уникальным дендритом, заканчивающиеся кистообразным пучком.

Гранулярная клетка, тип нейронов Гольджи II.

Передние роговые клетки, мотонейроны, расположенные в спинном мозге.

Шпиндельные клетки, интернейроны, которые соединяют широко разделенные области мозга.

Функциональная классификация

Направление

Афферентные нейроны передают информацию из тканей и органов в центральную нервную систему и также называются сенсорными нейронами.

Эфферентные нейроны передают сигналы от центральной нервной системы к эффекторным клеткам и также называются двигательными нейронами.

Интернейроны соединяют нейроны в определенных областях центральной нервной системы.

Афферентные и эфферентные нейроны также относятся, в основном, к нейронам, которые, соответственно, приносят информацию или отправляют информацию из мозга.

Действие на другие нейроны

Нейрон воздействует на другие нейроны, высвобождая нейротрансмиттер, который связывается с химическими рецепторами. Влияние на постсинаптический нейрон определяется не пресинаптическим нейроном или нейротрансмиттером, а типом активируемого рецептора. Нейротрансмиттер можно рассматривать как ключ, а рецептор – как замок: один и тот же ключ можно использовать для открытия многих разных типов замков. Рецепторы могут быть классифицированы как возбуждающие (приводящие к увеличению скорости выстреливания), ингибирующие (приводящие к снижению скорости выстреливания) или модулирующие (вызывающие долговременные эффекты, не имеющие прямого отношения к скорости выстреливания). Два наиболее распространенных нейротрансмиттера в мозге, глутамат и ГАМК, имеют действия, которые в значительной степени непротиворечивы. Глутамат действует на несколько разных типов рецепторов и обладает эффектами, которые возбуждаются при ионотропных рецепторах и обладают модулирующим эффектом при метаботропных рецепторах. Аналогично, ГАМК действует на несколько разных типов рецепторов, но все они имеют эффекты (по крайней мере, у взрослых животных), которые являются ингибиторными. Из-за этой согласованности, нейробиологи часто используют упрощенную терминологию, говоря о клетках, которые высвобождают глутамат, как о «возбуждающих нейронах», и клетках, которые высвобождают ГАМК, как об «ингибирующих нейронах». Поскольку более 90% нейронов в головном мозге высвобождают либо глутамат, либо ГАМК, эти обозначения охватывают подавляющее большинство нейронов. Существуют также другие типы нейронов, которые оказывают последовательное воздействие на свои мишени, например, «возбуждающие» двигательные нейроны в спинном мозге, которые высвобождают ацетилхолин, и «тормозные» спинальные нейроны, которые высвобождают глицин. Однако, различие между возбуждающим и тормозящим нейротрансмиттерами не является абсолютным. Скорее, это зависит от класса химических рецепторов, присутствующих на постсинаптических нейронах. В принципе, один нейрон, высвобождающий один нейротрансмиттер, может оказывать возбуждающее воздействие на некоторые мишени, тормозящие эффекты на другие, а также модулирующие эффекты на третьи. Например, фоторецепторные клетки в сетчатке постоянно высвобождают нейротрансмиттер глутамат в отсутствие света. Так называемые OFF биполярные клетки, как и большинство нейронов, возбуждаются высвобожденным глутаматом. Однако, соседние целевые нейроны, называемые ON биполярными клетками, вместо этого ингибируются глутаматом, поскольку они не имеют типичных ионотропных глутаматных рецепторов и вместо этого экспрессируют класс ингибирующих метаботропных глутаматных рецепторов. В присутствии света, фоторецепторы прекращают высвобождать глутамат, который освобождает ON биполярные клетки от торможения, активируя их; это одновременно устраняет возбуждение из биполярных клеток OFF, заставляя их «замолчать». Можно определить тип ингибирующего эффекта, который пресинаптический нейрон будет оказывать на постсинаптический нейрон, на основе белков, которые экспрессирует пресинаптический нейрон. Экспрессирующие паравальбумин нейроны обычно гасят выходной сигнал постсинаптического нейрона в зрительной коре, тогда как нейроны, экспрессирующие соматостатин, обычно блокируют дендритные входы в постсинаптический нейрон .

Модели разряда

Нейроны обладают внутренними электросопротивляющими свойствами, такими как колебания осцилляций трансмембранного напряжения. Поэтому нейроны можно классифицировать по их электрофизиологическим характеристикам:

Классификация по производству нейротрансмиттеров

Холинергические нейроны – ацетилхолин. Ацетилхолин высвобождается из пресинаптических нейронов в синаптическую щель. Он действует как лиганд как для лиганд-ионных каналов, так и для метаботропных (GPCR) мускариновых рецепторов. Никотиновые рецепторы представляют собой пентамерные лиганд-ионные каналы, состоящие из альфа- и бета-субъединиц, которые связывают никотин. Связывание лиганда открывает канал, вызывающий приток деполяризации Na+ и увеличивает вероятность высвобождения пресинаптического нейротрансмиттера. Ацетилхолин синтезируют из холина и ацетил-кофермента А.

ГАМКергические нейроны – гамма-аминомасляная кислота. ГАМК является одним из двух нейроингибиторов в ЦНС, другим является глицин. ГАМК имеет гомологичную функцию для ацетилхолина, генерируя анионные каналы, которые позволяют хлор-ионам входить в постсинаптический нейрон. Хлор вызывает гиперполяризацию в нейроне, уменьшая вероятность срабатывания потенциала действия, когда напряжение становится более отрицательным (напомним, что для выстреливания потенциала действия необходимо достичь положительного порога напряжения). ГАМК синтезируется из глутамат-нейротрансмиттеров ферментами глутаматной декарбоксилазы.

Глутаматергические нейроны – глутамат. Глутамат является одним из двух первичных возбуждающих аминокислотных нейротрансмиттеров, а другим является аспартат. Глутаматные рецепторы являются одной из четырех категорий, три из которых являются лиганд-связанными ионными каналами, и один из которых представляет собой рецептор, связанный с G-белком (часто называемый GPCR). Рецепторы альфа-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазол-пропионовой кислоты (AMPA) и рецепторы каината функционируют как катионные каналы, проницаемые для каналов Na+ -катиона, опосредующие быструю возбуждающую синаптическую трансмиссию.

NMDA-рецепторы являются другим катионным каналом, более проницаемым для Са2 +. Функция NMDA-рецепторов зависит от связывания рецептора глицина как соагониста в порах канала. NMDA-рецепторы не функционируют без присутствия обоих лигандов.

Метаботропные рецепторы, GPCR, модулируют синаптическую передачу и постсинаптическую возбудимость.

Глютамат может вызвать экситотоксичность, когда поток крови в мозг прерывается, что приводит к повреждению головного мозга. Когда подавляется кровоток, глутамат высвобождается из пресинаптических нейронов, вызывая активацию рецепторов NMDA и AMPA больше, чем обычно, вне условий стресса, приводя к повышению уровней Ca2 + и Na +, входящих в постсинаптический нейрон и вызывающих повреждение клеток. Глутамат синтезируется из аминокислотного глутамина ферментом глутамат-синтазой.

Допаминергические нейроны – допамин. Допамин представляет собой нейротрансмиттер, который действует на рецепторы типа D1 (D1 и D5), которые увеличивают рецепторы уровень cAMP и PKA и D2 (D2, D3 и D4), которые активируют Gi-связанные рецепторы, которые уменьшают cAMP и PKA. Допамин связан с настроением и поведением и модулирует как до, так и постсинаптическую нейротрансмиссию. Потеря дофаминовых нейронов в чёрном веществе связана с болезнью Паркинсона. Допамин синтезируется из аминокислоты тирозина. Тирозин катализируется в левадопу (или L-DOPA) тирозингидролазой, а левадопа затем превращается в допамин с помощью аминокислоты декарбоксилазы.

Серотонинергические нейроны – серотонин. Серотонин (5-гидрокситриптамин, 5-НТ) может действовать как возбуждающее или ингибирующее вещество. Из четырех рецепторных классов 5-HT, 3 являются GPCR и 1 является лиганд-катионным каналом. Серотонин синтезируется из триптофана при помощи триптофангидроксилазы, а затем дополнительно декарбоксилазы ароматических кислот. Отсутствие 5-НТ у постсинаптических нейронов было связано с депрессией. Препараты, такие как Prozac и Zoloft, блокирующие пресинаптический серотониновый транспортер, используются для лечения некоторых заболеваний.

Связь

Нейроны «общаются» друг с другом через синапсы, при этом терминали аксона или en passant bouton (тип терминалей, расположенных вдоль длины аксона) одной ячейки связывают другой дендрит нейронов, сому или, реже, аксон. Нейроны, такие как клетки Пуркинье в мозжечке, могут иметь более 1000 дендритных ветвей, связывающих их с десятками тысяч других клеток; другие нейроны, такие как магноцеллюлярные нейроны супраоптического ядра, имеют только один или два дендрита, каждый из которых получает тысячи синапсов. Синапсы могут быть возбуждающими либо тормозящими, и могут либо увеличивать, либо уменьшать активность в целевом нейроне, соответственно. Некоторые нейроны также взаимодействуют через электрические синапсы, которые являются прямыми электрически проводящими переходами между клетками. В химическом синапсе, процесс синаптической передачи заключается в следующем: когда потенциал действия достигает терминали аксонов, он открывает потенциалзависимые кальциевые каналы, позволяя ионам кальция входить в терминаль. Кальций заставляет синаптические везикулы, заполненные молекулами нейротрансмиттера, сливаться с мембраной, высвобождая их содержимое в синаптическую щель. Нейротрансмиттеры диффундируют через синаптическую щель и активируют рецепторы на постсинаптическом нейроне. Высокий уровень цитозольного кальция в терминале аксона также вызывает поглощение митохондриального кальция, что, в свою очередь, активирует митохондриальный энергетический метаболизм для получения АТФ для поддержки непрерывной нейротрансмиссии . Человеческий мозг имеет огромное количество синапсов. Каждый из ста миллиардов нейронов имеют, в среднем, 7000 синаптических связей с другими нейронами. Было подсчитано, что мозг трехлетнего ребенка имеет около 1 квадриллиона синапсов. Это число уменьшается с возрастом, стабилизируясь по взрослой жизни. Оценки для взрослых отличаются, начиная от 100 до 500 трлн. .

Механизмы распространения потенциалов действия

В 1937 году Джон Захари Янг предположил, что гигантский аксон кальмара может быть использован для изучения электрических свойств нейронов. Будучи более крупными, но схожими по своей природе с человеческими нейронами, клетки кальмаров было легче изучать. Путем вставки электродов в аксоны гигантских кальмаров, были сделаны точные измерения мембранного потенциала. Клеточная мембрана аксона и сома содержит потенциалзависимые ионные каналы, которые позволяют нейрону генерировать и распространять электрический сигнал (потенциал действия). Эти сигналы генерируются и распространяются заряжающими ионами, включая натрий (Na +), калий (K +), хлорид (Cl-) и кальций (Ca2 +). Существует несколько стимулов, которые могут активировать нейрон, приводя к электрической активности, включая давление, растяжение, химические передатчики и изменения электрического потенциала на клеточной мембране. Стимулы вызывают выделение конкретных ионных каналов внутри клеточной мембраны, приводя к потоку ионов через клеточную мембрану, изменяя мембранный потенциал. Тонкие нейроны и аксоны требуют меньше метаболических затрат для создания и переноса потенциалов действия, но более толстые аксоны быстрее передают импульсы. Чтобы свести к минимуму расходы на метаболизм, сохраняя при этом высокую проводимость, многие нейроны имеют изоляционные оболочки миелина вокруг своих аксонов. Оболочки образованы глиальными клетками: олигодендроцитами в центральной нервной системе и клетками Шванна в периферической нервной системе. Оболочка позволяет потенциалам действиям двигаться быстрее, чем в немиелинизированных аксонах того же диаметра, при этом используя меньше энергии. Миелиновая оболочка в периферических нервах обычно протекает вдоль аксона в срезах длиной около 1 мм, перемежающихся неочищенными узлами Ранвье, которые содержат высокую плотность потенциалзависимых ионных каналов. Рассеянный склероз – это неврологическое расстройство, которое возникает в результате демиелинизации аксонов в центральной нервной системе. Некоторые нейроны не генерируют потенциалы действия, а вместо этого генерируют градуированный электрический сигнал, который, в свою очередь, вызывает градуированное высвобождение нейротрансмиттера. Такие нейроны, как правило, являются сенсорными нейронами или интернейронами, потому что они не могут переносить сигналы на большие расстояния.

Нейронное кодирование

Нейронное кодирование связано с тем, как сенсорная и другая информация представлена в мозге нейронами. Основная цель изучения нейронного кодирования состоит в том, чтобы охарактеризовать взаимосвязь между стимулом и индивидуальными или ансамблевыми нейронными ответами, а также отношения между электрическими действиями нейронов в этом ансамбле. Считается, что нейроны могут кодировать как цифровую, так и аналоговую информацию.

Принцип «все или ничего»

Проведение нервных импульсов является примером реакции «все или ничего». Другими словами, если нейрон реагирует, он должен ответить полностью. Большая интенсивность стимуляции не дает более сильного сигнала, но может привести к более высокой частоте выстреливания. Существуют различные типы рецепторной реакции на стимул, медленно адаптируемые или тонические рецепторы реагируют на устойчивый стимул и дают устойчивую скорость выстреливания. Эти тонические рецепторы чаще всего реагируют на повышенную интенсивность стимула, увеличивая частоту выстреливания, обычно в качестве силовой функции стимула, нанесенного на импульсы в секунду. Это можно сравнить с внутренним свойством света, где для получения большей интенсивности конкретной частоты (цвета) должно быть больше фотонов, поскольку фотоны не могут стать «сильнее» для определенной частоты. Существует ряд других типов рецепторов, которые называются быстро адаптирующимися, или фазическими, рецепторами, у которых выстреливание уменьшается или останавливается при устойчивом стимуле; примеры включают в себя: кожа при касании объекта заставляет нейроны выстреливать, но, если объект поддерживает постоянное давление на кожу, нейроны прекращают выстреливать. Нейроны кожи и мышц, реагирующие на давление и вибрацию, имеют фильтрующие вспомогательные структуры, которые помогают им функционировать. Пациниальная оболочка – одна из таких структур. Он имеет концентрические слои, как у лука, которые образуются вокруг терминала аксона. В присутствии давления и при деформировании корпуса, механический стимул переносится на аксон, который выстреливает. Если давление устойчивое, стимул отсутствует; таким образом, как правило, эти нейроны реагируют на временную деполяризацию во время начальной деформации и снова, когда давление удаляется, что заставляет корпус снова менять форму. Другие типы адаптации важны для расширения функции ряда других нейронов .

История

Место нейрона в качестве основного функционального блока нервной системы было впервые признано в конце 19 века благодаря работе испанского анатома Сантьяго-Рамон-и-Кахаля . Чтобы сделать структуру отдельных нейронов видимой, Рамон-и-Кахаль улучшил процесс окрашивания серебром, который был разработан Камилло Гольджи. Улучшенный процесс включает в себя метод под названием «двойная пропитка», который используется до сих пор. В 1888 году Рамон-и-Кахаль опубликовал статью о птичьем мозжечке. В этой статье ученый говорит, что не смог найти доказательства анастомоза между аксонами и дендритами и называет каждый нервный элемент «абсолютно автономным кантоном». Это стало известно как доктрина нейрона, один из центральных принципов современной нейронауки. В 1891 году, немецкий анатом Генрих Вильгельм Вальдейер написал очень влиятельный обзор о доктрине нейронов, в котором он ввел термин «нейрон» для описания анатомической и физиологической единицы нервной системы. Метод серебрения – чрезвычайно полезный метод нейроанатомических исследований, потому что, по неизвестным причинам, он окрашивает очень небольшой процент клеток в ткани, поэтому можно видеть полную микроструктуру отдельных нейронов без большого перекрытия с другими клетками в плотно упакованном мозге.

Нейронная доктрина

Нейронная доктрина – это фундаментальная идея о том, что нейроны являются основными структурными и функциональными единицами нервной системы. Теория была выдвинута Сантьяго-Рамоном-и-Кахалем в конце 19 века. Он считал, что нейроны являются дискретными клетками (не связанными в сеть), действующими как метаболически различные единицы. Более поздние открытия дали несколько уточнений простейшей форме доктрины. Например, глиальные клетки, которые не считаются нейронами, играют важную роль в обработке информации. Кроме того, электрические синапсы более распространены, чем считалось ранее , что означает наличие прямых цитоплазматических связей между нейронами. На самом деле, есть примеры нейронов, образующих еще более сильную связь: гигантский аксон кальмара возникает из слияния нескольких аксонов. Рамон-и-Кахаль также постулировал Закон динамической поляризации, в котором говорится, что нейрон принимает сигналы у своих дендритов и тела клетки и передает их, как потенциалы действия, вдоль аксона в одном направлении: от тела клетки . В Законе динамической поляризации есть важные исключения; дендриты могут служить синаптическими выходными участками нейронов, а аксоны могут принимать синаптические входы.

Нейроны в мозге

Количество нейронов в мозге резко варьируется у разных видов животных . Взрослый человеческий мозг содержит около 85-86 миллиардов нейронов, 16,3 миллиарда из которых находятся в коре головного мозга и 69 миллиардов – в мозжечке. В отличие от этого, нематод-червь Caenorhabditis elegans имеет всего 302 нейрона, что делает его идеальным экспериментальным предметом, поскольку ученые смогли отобразить все нейроны этого организма. Плодовая мушка Drosophila melanogaster, распространенный объект биологических экспериментов, имеет около 100000 нейронов и демонстрирует достаточно сложное поведение. Многие свойства нейронов, начиная от типа нейротрансмиттеров, используемых для формирования ионного канала, поддерживаются у разных видов, что позволяет ученым изучать процессы, происходящие в более сложных организмах, на гораздо более простых экспериментальных системах.

Неврологические расстройства

Амиотрофия Шарко-Мари-Тута – это гетерогенное наследственное расстройство нервов (нейропатия), которое характеризуется потерей мышечной ткани и ощущения прикосновения, преимущественно в ногах, а также в руках на поздних стадиях болезни. В настоящее время это заболевание является неизлечимым и одним из наиболее распространенных наследственных неврологических расстройств, которым страдает 37 из 100000 человек. Болезнь Альцгеймера (БА) является нейродегенеративным заболеванием, характеризующимся прогрессирующим ухудшением познавательной способности, а также снижением активности в повседневной жизни и нейропсихиатрическими симптомами или поведенческими изменениями. Наиболее ярким ранним симптомом БА является потеря кратковременной памяти (амнезия), которая обычно проявляется как незначительная забывчивость, которая становится все более выраженной с прогрессированием болезни с относительным сохранением более старых воспоминаний. По мере развития расстройства, когнитивные (интеллектуальные) нарушения распространяются на области языка (афазия), движения (апраксия) и узнавание (агнозия), а также на такие функции, как принятие решений и планирование. Болезнь Паркинсона (БП) является дегенеративным расстройством центральной нервной системы, которое часто ухудшает двигательные навыки и речь пациента. Болезнь Паркинсона относится к группе состояний, называемых двигательными расстройствами. Она характеризуется ригидностью мышц, тремором, замедлением физических движений (брадикинезия), а в крайних случаях – потерей физических движений (акинезия). Основные симптомы являются результатом снижения стимуляции моторной коры базальными ганглиями, что обычно вызвано недостаточным образованием и действием допамина, который вырабатывается в допаминергических нейронах головного мозга. Вторичные симптомы могут включать когнитивную дисфункцию высокого уровня и неявные языковые проблемы. БП является как хроническим, так и прогрессирующим заболеванием. Миастения – это нервно-мышечное заболевание, приводящее к колебательной мышечной слабости и утомляемости во время выполнения простых действий. Слабость обычно вызвана циркулирующими антителами, которые блокируют ацетилхолиновые рецепторы на постсинаптической нервно-мышечной линии, ингибируя стимулирующий эффект нейротрансмиттера ацетилхолина. Миастению лечат при помощи иммунодепрессантов, ингибиторов холинэстеразы и, в отдельных случаях, тимэктомии.

Демиелинизация

Демиелинизация – это потеря миелиновой оболочки, изолирующей нервы. Когда миелин распадается, проводимость сигналов вдоль нерва может быть нарушена или потеряна, а нерв, в конечном итоге, перестает работать. Это приводит к определенным нейродегенеративным расстройствам, таким как рассеянный склероз и хроническая воспалительная демиелинизирующая полинейропатия.

Аксональная дегенерация

Хотя большинство ответных реакций на повреждение включают в себя сигнализацию притока кальция для содействия повторному уплотнению отделенных частей, аксональные травмы первоначально приводят к острой дегенерации аксонов, представляющуют собой быстрое разделение проксимального и дистального концов в течение 30 минут после травмы. После этого наступает дегенерация с набуханием аксолемы, и, в конечном итоге, это приводит к образованию бусиноподобных структур. Гранулярный распад аксонального цитоскелета и внутренних органелл происходит после декомпозиции аксолемы. Ранние изменения включают накопление митохондрий в паранопальных областях в месте повреждения. Эндоплазматический ретикулум разрушается, а митохондрии разбухают, и, в конечном итоге, распадаются. Дезинтеграция зависит от убиквитиновой и кальпаиновой протеаз (вызванных притоком ионов кальция), предполагая, что аксональная дегенерация является активным процессом. Таким образом, аксон подвергается полной фрагментации. Этот процесс занимает около 24 часов в периферической нервной системе и длится дольше в ЦНС. В настоящее время неизвестно, какие сигнальные пути ведут к дегенерации аксолемы.

Нейрогенез

Было продемонстрировано, что нейрогенез может иногда возникать в мозге позвоночных взрослых, что привело к спорам в 1999 году . Более поздние исследования возраста нейронов человека свидетельствуют о том, что этот процесс происходит только у меньшинства клеток, и подавляющее большинство нейронов, содержащих неокортекс, были сформированы до рождения и сохраняются без замены. Тело содержит различные типы стволовых клеток, которые способны дифференцироваться в нейроны. В докладе, опубликованном в журнале Nature, было показано, что исследователи нашли способ трансформировать клетки кожи человека в рабочие нервные клетки, используя процесс, называемый трансдифференцировкой, в котором «клетки вынуждены принимать новые идентичности».

Регенерация нервов

Al, Martini, Frederic Et. Anatomy and Physiology" 2007 Ed.2007 Edition. Rex Bookstore, Inc. p. 288. ISBN 978-971-23-4807-5.

Sabbatini R.M.E. April–July 2003. Neurons and Synapses: The History of Its Discovery. Brain & Mind Magazine, 17. Retrieved March 19, 2007

Нейрон - электрически возбудимая клетка, которая обрабатывает, хранит и передает информацию с помощью электрических и химических сигналов. Клетка содержит ядро, тело клетки и отростки (дендриты и аксоны). В головном мозге человека насчитывается в среднем около 65 миллиардов нейронов. Нейроны соединяются между собой, формируя таким образом человеческие функции мозга, память, отделы и сознание.

Видите это изображение выше? С помощью этого странного изображения нейробиологи Массачусетского технологического института смогли активировать отдельные нейроны мозга. Используя лучшую из доступных модель зрительной нейронной сети мозга, ученые разработали новый способ точного управления отдельными нейронами и их популяциями в середине этой сети. В ходе испытания на животных команда показала, что информация, полученная из вычислительной модели, позволила им создавать изображения, которые сильно активировали определенные нейроны мозга.

Свежий вкусен сам по себе, из винограда делают замечательные , а если высушить виноград — получится сладкий изюм. Но какие ещё плюсы несёт в себе эта ягода с богатейшей историей? Исследователи из Школы медицины на горе Синай пришли к выводу, что на основе винограда можно создать эффективное и безопасное средство против депрессии, которое будет обладать минимальными побочными эффектами для здоровья человека.

Экология жизни. Наука и открытия: Человек освоил морские глубины и воздушные просторы, проник в тайны космоса и земных недр. Он научился противостоять многим болезням

Человек освоил морские глубины и воздушные просторы, проник в тайны космоса и земных недр. Он научился противостоять многим болезням и стал жить дольше. Он пытается манипулировать генами, «выращивать» органы для трансплантации и путем клонирования «творить» живых существ.

Но для него по-прежнему остается величайшей загадкой, как функционирует его собственный мозг, как с помощью обычных электрических импульсов и небольшого набора нейромедиаторов нервная система не только координирует работу миллиардов клеток организма, но и обеспечивает возможность познавать, мыслить, запоминать, испытывать широчайшую гамму эмоций.

На пути к постижению этих процессов человек должен, прежде всего, понять, как функционируют отдельные нервные клетки (нейроны).

Величайшая загадка - как функционирует мозг

Живые электросети

По приблизительным оценкам, в нервной системе человека более 100 млрд нейронов . Все структуры нервной клетки ориентированы на выполнение важнейшей для организма задачи – получение, переработка, проведение и передача информации, закодированной в виде электрических или химических сигналов (нервных импульсов).

Нейрон состоит из тела диаметром от 3 до 100 мкм, содержащего ядро, развитый белок-синтезирующий аппарат и другие органеллы, а также отростков: одного аксона, и нескольких, как правило, ветвящихся, дендритов. Длина аксонов обычно заметно превосходит размеры дентритов, в отдельных случаях достигая десятков сантиметров и даже метров.

Например, гигантский аксон кальмараимеет толщину около 1 мм и несколько метров в длину; экспериментаторы не преминули воспользоваться такой удобной моделью, и опыты именно с нейронами кальмаров послужили выяснению механизма передачи нервных импульсов.

Снаружи нервная клетка окружена оболочкой (цитолеммой), которая не только обеспечивает обмен веществ между клеткой и окружающей средой, но также способна проводить нервный импульс.

Дело в том, что между внутреннней поверхностью мембраны нейрона и внешней средой постоянно поддерживается разность электрических потенциалов. Это происходит благодаря работе так называемых «ионных насосов» – белковых комплексов, осуществляющих активный транспорт положительно заряженных ионов калия и натрия через мембрану.

Такой активный перенос, а также постоянно протекающая пассивная диффузия ионов через поры в мембране обуславливают в покое отрицательный относительно внешней среды заряд с внутренней стороны мембраны нейрона.

Если раздражение нейрона превышает определенную пороговую величину, то в точке стимуляции возникает серия химических и электрических изменений (активное поступление ионов натрия в нейрон и кратковременное изменение заряда с внутренней стороны мембраны с отрицательного на положительный), которые распространяются по всей нервной клетке.

В отличие от простого электрического разряда, который из-за сопротивления нейрона будет постепенно ослабевать и сумеет преодолеть лишь короткое расстояние, нервный импульс в процессе распространения постоянно восстанавливается .

Основными функциями нервной клетки являются:

восприятие внешних раздражений (рецепторная функция),
их переработка (интегративная функция),
передача нервных влияний на другие нейроны или различные рабочие органы (эффекторная функция).

По дендритам – инженеры назвали бы их «приемниками» – импульсы поступают в тело нервной клетки, а по аксону – «передатчику» – идут от ее тела к мышцам, железам или другим нейронам.

В зоне контакта

Аксон имеет тысячи ответвлений, которые тянутся к дендритам других нейронов. Зона функционального контакта аксонов и дендритов называется синапсом .

Чем больше синапсов на нервной клетке, тем больше воспринимается различных раздражений и, следовательно, шире сфера влияний на ее деятельность и возможность участия нервной клетки в разнообразных реакциях организма. На телах крупных мотонейронов спинного мозга может насчитываться до 20 тыс синапсов.

В синапсе происходит преобразование электрических сигналов в химические и обратно. Передача возбуждения осуществляется с помощью биологически активных веществ – нейромедиаторов (ацетилхолина, адреналина, некоторых аминокислот, нейропептидов и др.). О ни содержатся в особых пузырьках, находящихся в окончаниях аксонов – пресинаптической части.

Когда нервный импульс достигает пресинаптической части, происходит выброс нейромедиаторов в синаптическую щель, они связываются с рецепторами, расположенными на теле или отростках второго нейрона (постсинаптической части), что приводит к генерации электрического сигнала – постсинаптического потенциала.

Величина электрического сигнала прямо пропорциональна количеству нейромедиатора.

Одни синапсы вызывают деполяризацию нейрона, другие – гиперполяризацию; первые являются возбуждающими, вторые – тормозящими.

После прекращения выделения медиатора происходит удаление его остатков из синаптической щели и возвращение рецепторов постсинаптической мембраны в исходное состояние. Результат суммации сотен и тысяч возбуждающих и тормозных импульсов, одновременно стекающихся к нейрону, определяет, будет ли он в данный момент генерировать нервный импульс.

Нейрокомпьютеры

Попытка смоделировать принципы работы биологических нейронных сетей привела к созданию такого устройства переработки информации как нейрокомпьютер .

В отличие от цифровых систем, представляющих собой комбинации процессорных и запоминающих блоков, нейропроцессоры содержат память, распределенную в связях (своего рода синапсах) между очень простыми процессорами, которые формально могут быть названы нейронами.

Нейрокомпьютеры не программируют в традиционном смысле этого слова, а «обучают», настраивая эффективность всех «синаптических» связей между составляющими их «нейронами».

Основными сферами применения нейрокомпьютеров их разработчики видят:

распознавание визуальных и звуковых образов;
экономическое, финансовое, политическое прогнозирование;
управление в реальном времени производственными процессами, ракетами, самолетами;
оптимизация при конструировании технических устройств и т.д.

«Голова – предмет темный…»

Нейроны можно разбить на три большие группы:

рецепторные,
промежуточные,
эффекторные.

Рецепторные нейроны обеспечивают ввод в мозг сенсорной информации. Они трансформируют сигналы, поступающие на органы чувств (оптические сигналы в сетчатке глаза, акустические – в ушной улитке, обонятельные – в хеморецепторах носа и др.), в электрическую импульсацию своих аксонов.

Промежуточные нейроны осуществляют обработку информации, получаемой от рецепторов, и генерируют управляющие сигналы для эффекторов. Нейроны этой группы образуют центральную нервную систему (ЦНС).

Эффекторные нейроны передают приходящие на них сигналы исполнительным органам. Результат деятельности нервной системы – та или иная активность, в основе которой лежит сокращение или расслабление мышц либо секреция или прекращение секреции желез. Именно с работой мышц и желез связан любой способ нашего самовыражения.

Если принципы функционирования рецепторных и эффекторных нейронов более или менее понятны ученым, то промежуточный этап, на котором организм «переваривает» поступившую информацию и принимает решение о том, как на нее отреагировать, понятен лишь на уровне простейших рефлекторных дуг.

В большинстве же случаев нейрофизиологический механизм формирования тех или иных реакций остается загадкой. Не даром в научно-популярной литературе головной мозг человека часто сравнивают с «черным ящиком».

«…В вашей голове живут 30 млрд нейронов, хранящих ваши знания, навыки, накопленный жизненный опыт. После 25 лет размышлений данный факт кажется мне не менее поразительным, чем раньше. Тончайшая пленка, состоящая из нервных клеток, видит, чувствует, творит наше мировоззрение. Это просто невероятно! Наслаждение теплотой летнего дня и смелые мечты о будущем – все создается этими клетками… Ничего другого не существует: никакой магии, никакого специального соуса, только нейроны, исполняющие информационный танец,» – писал в своей книге «Об интеллекте» известнейший разработчик компьютеров, основатель Редвудского института нейрологии (США) Джефф Хокинс.

Уже более полувека тысячи ученых-нейрофизиологов во всем мире пытаются понять хореографию этого «информационного танца», однако на сегодня известны лишь его отдельные фигуры и па, не позволяющие создать универсальную теорию функционирования головного мозга.

Следует отметить, что многие работы в области нейрофизиологии посвящены так называемой «функциональной локализации» – выяснению того, какой нейрон, группа нейронов или целая область мозга активируется в тех или иных ситуациях.

На сегодня накоплен огромный массив информации о том, какие нейроны у человека, крысы, обезьяны избирательно активируются при наблюдении различных объектов, вдыхании феромонов, прослушивании музыки, разучивании стихотворений и т.д.

Правда, иногда подобные опыты кажутся несколько курьезными. Так, еще в 70-е годы прошлого века одним из исследователей в мозге у крысы были обнаружены «нейроны зеленого крокодильчика»: эти клетки активировались, когда бегущее по лабиринту животное среди прочих предметов натыкалось на уже знакомую ему игрушку маленького зеленого крокодильчика.

А другим ученым позднее в мозге у человека был локализован нейрон, «реагирующий» на фотографию президента США Била Клинтона.

Все эти данные подтверждают теорию о том, что нейроны в головном мозге специализированы , однако ни в коей мере не объясняют, почему и каким образом происходит эта специализация.

Лишь в общих чертах понятны ученым нейрофизиологические механизмы обучения и памяти. Предполагается, что в процессе запоминания информации происходит формирование новых функциональных контактов между нейронами коры головного мозга.

Иными словами, нейрофизиологическим «следом» памяти являются синапсы. Чем больше возникает новых синапсов, тем «богаче» память индивидуума. Типичная клетка в коре головного мозга образует несколько (до 10) тысяч синапсов. С учетом общего числа нейронов коры получается, что всего здесь могут сформироваться сотни миллиардов функциональных контактов!

Под влиянием каких-либо ощущений, мыслей или эмоций происходит припоминание – возбуждение отдельных нейронов активизирует весь ансамбль, ответственный за хранение той или иной информации.

В 2000 г шведскому фармакологу Арвиду Карлссону и американским нейробиологам Полу Грингарду и Эрику Кенделу была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине за открытия, касающиеся «передачи сигналов в нервной системе».

Ученые продемонстрировали, что память большинства живых существ работает благодаря действию так называемых нейротрансмиттеров – дофамина, норадреналина и серотонина , эффект которых в отличие от классических нейромедиаторов развивается не за миллисекунды, а за сотни миллисекунд, секунды и даже часы. Именно этим и обусловлено их длительное, модулирующее влияние на функции нервных клеток, их роль в управлении сложными состояниями нервной системы – воспоминаниями, эмоциями, настроениями.

Следует также отметить, что величина сигнала, генерируемого на постсинаптической мембране, может быть различной даже при одинаковой величине исходного сигнала, достигшего пресинаптической части. Эти различия определяет так называемая эффективность, или вес, синапса, который может изменяться в процессе функционирования межнейронного контакта.

По мнению многих исследователей, изменение эффективности синапсов также играет немаловажную роль в работе памяти. Возможно, часто используемая человеком информация хранится в нейронных сетях, связанных высокоэффективными синапсами, и поэтому быстро и легко «вспоминается». В то же время, синапсы, участвующие в хранении второстепенных, редко «извлекаемых» данных, по-видимому, характеризуются низкой эффективностью.

А все-таки они восстанавливаются!

Одна из наиболее волнующих с медицинской точки зрения проблем нейробиологии – возможность регенерации нервной ткани . Известно, что перерезанные или поврежденные волокна нейронов периферической нервной системы, окруженные неврилеммой (оболочкой из специализированных клеток), могут регенерировать, если тело клетки сохранилось в целости. Ниже места перерезки неврилемма сохраняется в виде трубчатой структуры, и та часть аксона, которая осталась связанной с телом клетки, растет по этой трубке, пока не достигнет нервного окончания. Таким образом восстанавливается функция поврежденного нейрона.

Аксоны в ЦНС не окружены неврилеммой и поэтому, по-видимому, не способны вновь прорастать к месту прежнего окончания.

В то же время, до недавнего времени нейрофизиологи считали, что в течение жизни человека новые нейроны в ЦНС не образуются.

«Нервные клетки не восстанавливаются!», – предостерегали нас ученые. Предполагалось, что поддержание нервной системы в «рабочем состоянии» даже при серьезных заболеваниях и травмах происходит благодаря ее исключительной пластичности: функции погибших нейронов берут на себя их оставшиеся в живых «коллеги», которые увеличиваются в размерах и формируют новые связи.

Высокую, но не беспредельную эффективность подобной компенсации можно проиллюстрировать на примере болезни Паркинсона, при которой происходит постепенное отмирание нейронов. Оказывается, пока в головном мозге не погибнет около 90% нейронов, клинические симптомы заболевания (дрожание конечностей, неустойчивая походка, слабоумие) не проявляются, то есть человек выглядит практически здоровым. Получается, что одна живая нервная клетка может функционально заменить девять погибших!

В настоящее время доказано, что в головном мозге взрослых млекопитающих образование новых нервных клеток (нейрогенез) все же происходит. Еще в 1965 г было показано, что новые нейроны регулярно появляются у взрослых крыс в гиппокампе – области мозга отвечающей за ранние фазы обучения и памяти.

Спустя 15 лет ученые показали, что в мозге птиц новые нервные клетки появляются на протяжении всей жизни. Однако исследования мозга взрослых приматов на предмет нейрогенеза не давали обнадеживающих результатов.

Лишь около 10 лет назад американские ученые разработали методику, которая доказала, что в мозге обезьян в течение всей жизнииз нейрональных стволовых клеток продуцируются новые нейроны. Исследователи вводили животным специальное вещество-метку (бромдиоксиуридин), которое включалось в ДНК только делящихся клеток.

Так было обнаружено, что новые клетки начинали размножаться в субвентрикулярной зоне и уже оттуда мигрировали в кору, где и созревали до взрослого состояния. Новые нейроны обнаруживались в зонах головного мозга, связанных с когнитивными функциями, и не возникали в зонах, реализующих более примитивный уровень анализа.

В связи с этим ученые предположили, что новые нейроны могут быть важны для процесса обучения и памяти .

В пользу данной гипотезы говорит также следующее: большой процент новых нейронов гибнет в первые недели после того, как они родились; однако в тех ситуациях, когда происходит постоянное обучение, доля выживших нейронов значительно выше, чем тогда, когда они «не востребованы» – когда животное лишено возможности образовывать новый опыт.

На сегодня установлены универсальные механизмы гибели нейронов при различных заболеваниях:

1) повышение уровня свободных радикалов и окислительное повреждение мембран нейронов;

2) нарушение деятельности митохондрий нейронов;

3) неблагоприятное действие избытка возбуждающих нейротрансмиттеров глутамата и аспартата, приводящее к гиперактивации специфических рецепторов, избыточному накоплению внутриклеточного кальция, развитию окислительного стресса и гибели нейрона (феномен эксайтотоксичности).

Исходя из этого, в качестве лекарственных средств – нейропротекторов в неврологии используют:

препараты с антиоксидантными свойствами (витамины Е и С, др.),
корректоры тканевого дыхания (коэнзим Q10, янтарная кислота, рибофлавини, др),
а также блокаторы рецепторов глутамата (мемантин, др.).

Примерно в то же время была подтверждена возможность появления новых нейронов из стволовых клеток в головном мозге взрослого человека: патологоанатомическое исследование пациентов, получавших при жизни бромдиоксиуридин с терапевтической целью, показало, что нейроны, содержащие данное вещество-метку, обнаруживаются практически во всех отделах мозга, включая кору больших полушарий.

Этот феномен всесторонне исследуется с целью лечения различных нейродегенеративных заболеваний, прежде всего болезней Альцгеймера и Паркинсона, ставших настоящим бичом для «стареющего» населения развитых стран.

В экспериментах для трансплантации используют как нейрональные стволовые клетки, которые и у эмбриона, и у взрослого человека располагаются вокруг желудочков головного мозга, так и эмбриональные стволовые клетки, способные превращаться практически в любые клетки организма.

К сожалению, на сегодняшний день врачи не могут разрешить основную проблему, связанную с пересадкой нейрональных стволовых клеток: их активное размножение в организме реципиента в 30-40% случаев приводит к образованию злокачественных опухолей.

Несмотря на это, специалисты не теряют оптимизма и называют трансплантацию стволовых клетокодним из наиболее перспективных подходов в терапии нейродегенеративных заболеваний. опубликовано . Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта .