Структурно-функциональная организация нервной системы и ее роль в зубной боли

Чтобы понять, в чем заключаются функции мозга, нужно четко уяснить, из каких единиц состоит нервная система.

В основе современного представления о структуре и функции ЦНС лежит нейронная теория, рассматривающая мозг как результат функционального объединения отдельных клеточных элементов — нейронов.

Кора головного мозга человека содержит около 25 миллиардов таких клеток.

В 1834 г. испанский нейрогистолог Рамон-и-Кахаль предложил принцип построения нервной ткани из элементарных единиц (нейронов), имеющих самостоятельное значение в анатомическом, генетическом, функциональном, трофическом, патологическом и поведенческом смысле — 6 свойств нейрона. С тех пор в исследованиях центральной и периферической нервных систем нейронная теория Кахаля является общепризнанной.

Нервная система имеет довольно сложное строение. В ее состав, кроме нейронов входят нервные волокна и нейроглия. Нейроны являются основной структурно-функциональной частью нервной системы.

Нейрон — это нервная клетка с отростками, различными по величине, форме и числу. Нейрон специализирован в такой степени, что способен принимать определенные формы сигналов, отвечать специальными сигналами, проводить раздражение и в то же время создавать специальные контакты с другими нейронами, эффекторами или рецепторами. В каждой нервной клетке можно выделить четыре основные элемента: тело (сому), дендриты, аксон и пресинаптическое окончание аксона. Каждый из них выполняет определенную функцию.

Тело нейрона содержит различные внутриклеточные компоненты (ядро, рибосомы, лизосомы, эндоплазматический ретикулум, комплекс Гольджи, митохондрии), необходимые для обеспечения жизнедеятельности всей клетки. Мембрана тела большинства нейронов покрыта синапсами. Таким образом, тело нейрона играет важную роль в восприятии и интеграции сигналов, поступающих от других нейронов. От тела клетки также берут начало дендриты и аксон.

Дендриты — древовидно разветвляющиеся выросты от тела нейрона — являются конвергентной системой сбора информации, которая к ним поступает или через синапсы от других нейронов, или прямо из окружающей среды.

Мембрана дендритов содержит значительное число белковых молекул, выполняющих функцию химических рецепторов, обладающих специфической чувствительностью к определенным химическим веществам. Эти вещества участвуют в передаче сигналов с клетки на клетку и являются медиаторами синаптического возбуждения и торможения.

Аксоны (нейриты), представляющие собой осевоцилиндрический длинный одиночный отросток, специализируются на проведении потенциала действия (нервного импульса) на большие расстояния. Калибр аксона обычно прямо пропорционален его функции и физиологическому назначению. В аксоне содержатся специальные образования (синаптические пузырьки), содержащие химические медиаторы (ацетилхо-лин), и пресинаптическое окончание.

Количество и характер отростков, выходящих из тела нейрона, могут значительно варьировать. В соответствии с этим нейроны делятся на униполярные, псевдоуниполярные, биполярные и мультиполярные. Последние особенно характерны для ЦНС.

По функции различают три основных типа нейронов: афферентные (чувствительные), вставочные (интернунциаль-ные) и эфферентные (двигательные). Первичные афферентные нейроны воспринимают сигналы, возникающие в рецепторных окончаниях органов чувств, и проводят их в ЦНС.

Вступая в пределы ЦНС, окончания отростков первичных афферентных нейронов устанавливают синаптические контакты со вставочными, а иногда и непосредственно с эфферентными, нейронами. Вставочные нейроны обеспечивают связь между различными афферентными и эфферентными нейронами.

Аксоны эфферентных нейронов (например, мотонейроны спинного мозга) выходят далеко за пределы ЦНС и иннервируют скелетную мускулатуру Многие эфферентные нейроны передают сигналы посредством других нервных клеток.

К ним можно отнести нейроны различных отделов мозга, аксоны которых идут в составе длинных нисходящих трактов к спинному мозгу. Это — пирамидные клетки моторной области коры, руброспинальные, ретикулоспинальные и вестибулос-пинальные нейроны, импульсы от которых поступают к спи-нальным мотонейронам.

Отростки нейронов формируют нервные волокна. В зависимости от того, имеют ли они слой миелина, они делятся на безмиелиновые (безмякотные) и миелиновые (мякот-ные). Миелиновое волокно состоит из осевого цилиндра, являющегося продолжением аксона нейрона, слоя миелина и шванновской оболочки. Осевой цилиндр состоит из аксоплазмы и нейрофибрилл, играющих важную роль в регенерации нервного волокна.

Миелиновая оболочка

Миелиновая оболочка (содержит высокий процент холестерина), окутывающая осевой цилиндр, не сплошная, а прерывается через определенные промежутки в перехватах Ранвье. Внеклеточная среда в месте перехвата Ранвье отделена от окружающего пространства сплошной базальной мембраной, перекинутой через область перехвата. Миелин помогает увеличить скорость проведения нервных импульсов (Bunge R.P., 1968).

Благодаря наличию миелина в месте расположения перехватов Ранвье возникают биоэлектрические токи. Они действуют на значительном расстоянии, т.е. до расположения следующего перехвата. Миелиновая оболочка «ограничивает вхождение токов», распространяющихся вокруг Мякотные волокна входят в состав так называемой «соматической», безмякотные — в состав вегетативной нервных систем.

Нейроглия. Нервные клетки обычно окружены вспомогательными клетками, которые называются глиальными. Глиальные клетки более многочисленны, чем нейроны, и составляют почти половину объема ЦНС. Глиальные клетки отделены от нейронов межклеточной щелью (интерстициальное пространство) шириной 15—20 мм. Интерстициальное пространство занимает 12—14% общего объема мозга.

Глиальные клетки служат опорным и защитным аппаратом для нейронов. Кроме того, они осуществляют метаболические функции. Различают макро- и микроглию. В свою очередь, макроглия состоит из астроцитарной глии и олигодендроглии. Астроцитар-ная глия — синтициальное образование, состоящее из крупных многоотростчатых астроцитов.

Отростки, соединяясь, образуют балки, между которыми находятся нервные клетки. Распределение астроцитов в ЦНС в общем равномерное, однако в белом веществе они расположены несколько реже. Для астроцитов характерно наличие большого количества отростков, которые лучеобразно отходят от клеточного тела. Олигодендроглия выполняет опорную функцию преимущественно для отростков нейронов, сопровождая их на всем протяжении до концевых аппаратов.

Олигодендроциты находятся как в сером, так и в белом веществе. Там они располагаются рядами между нервными волокнами, образуя своими отростками миелиновую оболочку нервов (интерфасцикулярная олигодендроглия). Микроглия (глия Hortega) является наименьшим глиальным элементом в ЦНС Ее меньше, чем астроцитов и олигодендроглии. Она состоит из мелких отростчатых клеток, встречающихся вокруг нейронов. Обладая высокой подвижностью и способностью к фагоцитозу, микроглия выполняет в ЦНС защитную (сторожевую) функцию. Известно, что микроглия особенно сильно активируется при тех болезненных состояниях, когда происходит сильный распад нервной ткани.



В основе деятельности мозга лежат механизмы, обеспечивающие передачу электрических сигналов с нейрона на нейрон через межклеточные соединения — синапсы. Понятие синапса (специализированного контакта между нейронами) введено в 1906 году английским физиологом Чарльзом Шеррингтоном. В настоящее время известны химические и электрические синапсы.

Электрические синапсы (эфансы) обнаруживаются во многих тканях (нейроны, миокард, гладкие мышцы) и характеризуются электрической передачей потенциала действия, так как мембраны смежных клеток имеют плотные контакты с низким электрическим сопротивлением. Однако синапсы с химическим механизмом передачи составляют большую часть синаптического аппарата ЦНС человека.

Химический синапс представляет собой сложное структурно-функциональное образование, в котором следует различать пресинаптический и постсинаптический элементы. Пресинаптический элемент, обычно находящийся в конце аксона, представляется в виде своеобразного утолщения — синаптической бляшки, содержащей пузырьки с особыми химическими веществами (в частности, с ацетилхолином). Под влиянием возбуждения ацетилхолин (АХ) выделяется из пузырьков и попадает в синаптическую щель, через которую он воздействует на рецепторы постсинаптического элемента, вызывая в нем электрический потенциал действия и обеспечивая тем самым транссинаптическую передачу сигналов.

В области синаптической щели существует также энзиматическая система, которая инактивирует медиатор после осуществления его действия и тем самым делает возможным быстрое возвращение постсинаптической мембраны в «состояние готовности». В частности, для ацетилхолина таким ферментом является ацетилхолинэстераза, которая находится на большей части пресинаптических мембран.

Кроме ацетилхолина существуют и другие медиаторы, участвующие в транссинаптической передаче сигналов, среди которых адреналин, норадреналин, серотонин, гистамин, ГАМК и др. То есть в нервной системе имеются образования, где доминируют нейроны с тем или иным типом медиаторной синаптической передачи, а именно: нейроны холинергические, адренергические, норадренергические, серотонинергические, гистаминергичес-кие, ГАМК-ергические и т.д.

Известно, что холинергических нейронов не больше 10%. Пока лишь к истинно холинергическим нейронам с большой уверенностью можно отнести только мотонейроны спинного мозга. Основная масса адренергических нейронов в ЦНС располагается в области подкорковых узлов (нигро-стриарная система). Это — так называемая «дофаминергическая система».

Тела норадренергических нейронов находятся в основном в боковой части ретикулярной формации продолговатого мозга и моста, образуя восходящие и нисходящие пути. Большое количество этих нейронов — в гипоталамусе. Имеются данные, что центральные норадренергические нейроны иннервируют гладкие мышцы сосудов головного мозга.

Тела серотонинергических нейронов расположены, главным образом, в стволе мозга. Они входят в состав дорсального и медиального ядер шва продолговатого мозга. Их длинные аксоны заходят практически во все области ЦНС. Однако наибольшая концентрация нервных окончаний наблюдается в гипоталамусе. Серотонинергические нейроны имеют отношение к механизмам терморегуляции, сна, экстрапирамидной моторике и некоторым психическим аффектам.
Сравнительно большое количество гистаминергических нейронов присутствует в corpus pineale.

Нейроны, содержащие ГАМ К, ГАМК-ергические, находятся во многих структурах мозга, например, в коре головного мозга, мозжечке, лимбических структурах, ядрах основания мозга, спинном мозге. Однако наибольшая концентрация этих нейронов в среднем мозге. ГАМК-ергические нейроны оказывают тормозящие действие в ЦНС. Нарушение синтеза ГАМК ведет к нарушениям функций мозга, проявляющимся психодвигательным возбуждением, снижением судорожного порога и судорогами.

Рассмотренные выше вещества принадлежат к «классическим» медиаторам. Между тем, в последнее время открыта и интенсивно изучается сборная группа веществ, постоянно образующихся в нервной системе и играющих такую же важную роль медиаторов или их модуляторов (т.е. веществ, изменяющих функции самих медиаторов). Эти вещества, в отличие от низкомолекулярных классических медиаторов, относятся к пептидам и получили название нейропептидов.



Интересно, что многие нейропептиды образуются не только в ЦНС, но и в других тканях. Они секретируются эндокринными клетками кишечника, нейронами вегетативной нервной системы, различными нейронами ЦНС.

Некоторые из нейропептидов являются истинными нейромедиаторами, действующими на постсинаптические мембраны клеток, другие рассматриваются как нейросекреторные вещества, выделяющиеся из нервных окончаний в кровоток, поступая таким путем к органам-мишеням.

Наибольший интерес представляют, две группы нейропептидов — эндорфины и энкефалины, обладающие анальгетическими и морфиноподобными свойствами. Содержание этих веществ в головном мозге возрастает во время еды, прослушивания приятной музыки или занятий какой-либо, приносящей удовлетворение, деятельностью. В связи с подобными свойствами их называют эндогенными опиоидами.

При исследовании механизмов действия алкалоидов группы опия, морфия и т.п. выявлено существование на поверхностных мембранах нейронов специальных рецепторов, чувствительных именно к этим веществам. Ясно, что наличие таких опиоидных рецепторов в организме человека предусматривает существование эндогенных, вырабатывающихся в самой нервной системе веществ — энкефалинов и эндорфинов.

В1931 году Эйлер и Геддум обнаружили в экстрактах мозга первый нейропептид — субстанцию Р. В дальнейшем выделено более 30 пептидов, обладающих способностью воздействовать на опиоидные рецепторы. А природные алкалоиды растений — опиаты — лишь случайное совпадение с эндогенными опиоидами. Причем, совпадает даже не структура веществ, а их действие, которое проявляется при воздействии на опиоидные рецепторы нейронов.

Однако совпадение механизмов действия растительных опиатов и эндорфинов человека позволило достичь ясности в вопросах происхождения наркомании и борьбы с ней. Чувство удовольствия, возникающее при активации опиоидных рецепторов ЦНС, может возникать как при повышенном выделении эндорфинов, так и при употреблении наркотических веществ — морфия и героина. При этом различие состоит главным образом в том, что при приеме наркотиков возникает неестественная мощная стимуляция опиоидных рецепторов, сопровождающаяся чрезвычайно приятным субъективным ощущением.

При повторных приемах опиатов возникает метаболическая перестройка нейронов — возможно, они утрачивают способность к нормальному синтезу собственных эндорфинов. Поэтому после отмены наркотика, при возникшей недостаточности нейросекреции эндорфинов, состояние ЦНС становится таким, что больной без введения очередной порции наркотика испытывает тяжелый дискомфорт. Возникает физическая зависимость.

Полагают, что пристрастие к алкоголю вызывается теми же причинами. Однако в этом случае алкоголь, наоборот, стимулирует нейросекрецию эндорфинов. Возможно, алкоголиками становятся люди, у которых понижена исходная активность опиоидной системы. Поэтому такие б хпьные нуждаются в каждодневной ее стимуляций.

Обезболивающий эффект эндогенных опиоидов может быть связан с тем, что они препятствуют выделению из нервных окончаний классических медиаторов, ответственных за возникновение и передачу болевого сигнала. Во всяком случае, эндорфины и энкефалины в больших количествах присутствуют в задних рогах спинного мозга, т.е. там, где в него входят сенсорные пути. При изучении опиоидных нейромедиаторов выявлены вещества, избирательно блокирующие опиоидные рецепторы. Они служат для дальнейшего изучения нейромедиаторов, а также для практического применения при необходимости, чтобы воспрепятствовать связыванию опиатов или опиоидов с клетками-мишенями.

Один из наиболее изученных блокаторов — налоксон, применяющийся, в частности, для борьбы с передозировкой наркотиков, в противошоковой терапии. Существует еще множество других веществ, которые могут воздействовать на синапс, изменяя его функциональное состояние. Учитывая, что межнейронное соединение является наиболее чувствительным к химическим воздействиям, можно считать, что любое биологически активное вещество при введении в организм в первую очередь будет воздействовать на эти участки взаимодействия клеток. Например, ряд лекарственных препаратов, используемых при психических нарушениях ("тревожность, депрессия и др.), воздействует именно на химическую передачу в синапсах.

Многие транквилизаторы и седативные средства (антидепрессант имипрамин, резерпин, ингибиторы моноаминоксидазы и др.) оказывают свой лечебный эффект, взаимодействуя с медиаторами, их рецепторами на постсинаптической или пресинаптической мембране, или с отдельными ферментами. Так, ингибиторы моноаминоксидазы подавляют фермент, участвующий в расщеплении адреналина и норадреналина, и оказывают свой лечебный эффект при депрессии, увеличивая время действия этих медиаторов.

Галлюциногены типа ЛСД или мескалина воспроизводят действие каких-либо медиаторов мозга или же подавляют действие других медиаторов, как это показано выше для опиоидов. Яды животных (змей, скорпионов и др.) могут блокировать выделение медиатора и восприимчивость рецепторов постсинаптической мембраны. Например, яд кураре может полностью блокировать восприятие ацетилхолина концевой пластинкой, отчего мышца перестает сокращаться, несмотря на выделяющийся из мотонейронов медиатор, именно на этом основано применение аналога кураре (тубокурарина) в хирургии, для обездвиживания и расслабления мышц.

Основные механизмы синаптической передачи — это поступление нервного импульса в синаптическую бляшку, что ведет к деполяризации пресинаптической мембраны и повышению ее проницаемости для ионов кальция. Входящие внутрь нейрона ионы кальция способствуют слиянию синаптических пузырьков с пресинаптической мембраной и выход их из клетки (экзоцитоз), в результате чего медиатор попадает в синаптическую щель.

Молекулы медиатора диффундируют через щель (время движения составляет 0,5 мс) и связываются с находящимися на постсинаптической мембране рецепторами, способными узнавать конкретный медиатор. При связывании молекулы рецептора с медиатором ее конфигурация меняется, что приводит к изменению проницаемости мембраны клетки для ионов, вызывающих ее деполяризацию или гиперполяризацию в зависимости от природы действующего медиатора и строения молекулы рецептора.

В возбуждающих синапсах под действием медиатора (например, ацетилхолина) в мембране открываются специфические натриевые каналы, и ионы натрия устремляются в клетку в соответствии с его концентрационным градиентом. В результате возникает деполяризация постсинаптической мембраны, называемая возбудительным постсинаптическим потенциалом (ВПСП). Амплитуда ВПСП меняется ступенчато, в соответствии с порциями (квантами) поступающего из пресинаптического нейрона медиатора.

Одиночный ВПСП не способен вызвать деполяризацию мембраны пороговой величины, но он необходим для возникновения распространяющегося потенциала действия. Однако деполяризующие эффекты нескольких ВПСП складываются (суммация). При этом несколько ВПСП, возникших одновременно в разных синапсах одного нейрона, могут сообща привести к деполяризации, достаточной для возбуждения потенциала действия и его распространения в постсинаптической нейроне (пространственная суммация).

Быстро повторяющиеся высвобождения медиатора из пузырьков одной и той же синаптической бляшки под действием интенсивных стимулов вызывают отдельные ВПСП, которые так часто следуют друг за другом, что их эффекты тоже суммируются, образуя в постсинаптическом нейроне распространяющийся потенциал действия (ПД) — временная суммация. Таким образом, нервные импульсы могут возникать в постсинаптическом нейроне как результат слабой стимуляции нескольких связанных с ним пресинаптических нейронов, либо как следствие достаточно частой стимуляции одного пресинаптического нейрона.

В тормозных синапсах высвобождение медиатора повышает проницаемость мембраны не для ионов натрия, а для ионов калия и хлора. Ускоренный перенос калия из клетки, а хлора внутрь — по градиенту концентрации способствует гиперполяризации мембраны — тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП). Медиаторы сами по себе могут не обладать возбуждающими или тормозящими свойствами.

Так, ацетилхолин оказывает возбуждающее действие в нервно-мышечных соединениях, но является причиной торможения возбудимых тканей сердечной мышцы и висцеральной мускулатуры. Все зависит от молекулярных свойств рецептора и мембраны, в том числе — какие ионы будут формировать события, описанные выше.

Рассматривая основную функцию межнейронных взаимодействий в передаче сигналов от клетки к клеткам, необходимо отметить ряд закономерностей синаптической передачи.

Главные из них:
1) градуальность. Нейромедиатор вызывает на постсинаптической мембране образование постсинаптического потенциала, который может иметь различную амплитуду и пассивно (электротонически) распространяться по постсинаптической мембране, деполяризуя ее. Если деполяризация достигает определенного порогового значения (что определяется количеством поступившего медиатора), то вне постсинаптической мембраны возникает потенциал действия, активно и без затухания передающийся вдоль постсинаптического нерва;

2) однонаправленность передачи. Высвобождение медиатора из пресинаптической мембраны и локализация рецепторов на постсинаптической мембране допускают передачу нервных сигналов только в одном направлении — с пре- на постструктуру, что обеспечивает надежность работы нервной системы;

3) адаптация. При непрерывной стимуляции количество выделяющегося в синапсе медиатора будет уменьшаться, пока его запасы не истощаются. При таком утомлении синапса дальнейшая передача сигналов прекращается. Адаптивное значение утомления синапса состоит в том, что оно предотвращает повреждение эффектора (другого нейрона, мышцы, железы) вследствие перевозбуждения;

4) интеграция. Постсинаптический нейрон может получить сигналы от многих пресинаптических нейронов (синаптическая конвергенция), суммируя их. Благодаря пространственной суммации нейрон интегрирует сигналы от многих источников и выдает координированный ответ, а суммация во времени позволяет отфильтровать слабые фоновые импульсы, прежде чем они достигнут мозга. Например, рецепторы кожи, глаз, ушей постоянно получают из внешней среды сигналы, не имеющие особой значимости для нервной системы- для нее важны лишь изменения интенсивности стимулов, приводящие к увеличению частоты импульсов, которое при достижении пороговой величины обеспечит их передачу через синапс и надлежащую реакцию.

Функция нервных клеток заключается в генерировании возбуждения, его проведении и, в конечном итоге, передаче другим клеткам (нервным, мышечным, железистым), т.е. эффекторам. Рассмотрев принципы передачи и взаимодействия между нейронами, необходимо остановиться на основном функциональном назначении нейронов — генерировании и проведении возбуждения, т.е. биоэлектрических процессах в нейронах.

Механизмы возникновения и проведения импульсов в нейронах доказаны после экспериментов на гигантских аксонах кальмара. Большая толщина этих аксонов (диаметром около 1 мм) позволила непосредственно измерить ионный состав аксоплазмы, заряд мембраны нейрона и токи, возникающие при возбуждении клетки. Если взять два электрода, один из них поместить на поверхности нейрона (в омывающей жидкости), а другой микроэлектрод (стеклянный кончик диаметром 0,5 мм) сквозь плазматическую мембрану ввести внутрь аксона, то система измерения покажет наличие разности потенциалов между двумя электродами.

Эта разность называется потенциалом покоя (ПП) и составляет у всех изученных организмов 65—70 мВ. Таким образом, между наружной и внутренней сторонами мембраны существует разность потенциалов, причем внутренняя сторона заряжена отрицательно по отношению к наружной поверхности. В сенсорных клетках, нейронах и мышечных волокнах эта величина и направленность может изменяться при их возбуждении, поэтому такие клетки и ткани называют возбудимыми.

Потенциал покоя в нейронах является постоянным до тех пор, пока клетка остается в неактивном состоянии, из-за отсутствия стимула. Установлено, что ПП имеет физико-химическую природу и обусловлен разностью концентраций различных ионов по обе стороны мембраны нейрона и избирательной проницаемостью для этих нейронов.

В аксоплазме, находящейся внутри аксона, содержится в 30 раз больше ионов калия, чем снаружи, тогда как в жидкости, омывающей аксон, наоборот, больше ионов натрия (в описываемых процессах главную роль играют именно натрий и калий).

Такая ионная асимметрия (градиенты концентраций калия и натрия) поддерживается все время, пока клетка жива, за счет активного переноса ионов против градиента: натрий все время выносится из клетки, а калий заносится в нее Такой транспорт осуществляется ферментными системами мембраны (натриево-калиевый насос) с затратой энергии АТФ. Поэтому, пока клетка жива, будет существовать указанный ионный градиент концентраций, соответственно, потенциал покоя.

Б.Д.Трошин, Б.Н.Жулев