Введение к работе
Актуальность проблемы. Одна из функций спинного мозга состоит в управлении движениями. Несмотря на значительный прогресс в изучении механизмов локомоторного контроля у позвоночных животных, достигнутый за последние 20 лет благодаря усовершенствованию методов анализа активности нейроновспинного мозга ( Orillner, 1375, 1981; Shik a. Orlovsky, 1976; Stein, 1978; Баев, 1991), ряд принципиальных вопросов организации даже самых простых форм локомоции (ходьба, плаваниэ, чесание) остаются невыясненными. К таким вопросам следует отнести презде всего характеристгкд клеток, составляющих "локомоторный генератор", и сведения о внутренних механизмах работы генератора. Эта информация крайне важна для понимания принципов управления движением в норме и при неврологических расстройствах.
По общепринятому представлению, система контроля локомоции у высших позвоночных животных включает в себя несколько компонентов: I - центральный локомоторный генератор (ЦДТ), который "запускается" нисходящим командным сигналом; 2 - афферентный приток с периферии, регулирующий основной ритм путем "обратной связи"; 3 - механизм координации движений конечностей и туловищных мышц, тесно связанный с центральным генератором ( Grillaer, 1979). Проблема организации работы этой системы, сформулированная еще в начале века ( Brown,1914 ), далека от разрешения. Большое число нейронов, вовлеченных в контроль стереотипных движений, и многообразие синап-тических связей между этими нейронами у высших позвоночных существенно затрудняют выяснение принципов функциональной организации центрального контроля локомоции.
Уже в прошлом десятилетии начались интенсивные поиски более простых систем, выполняющих ту же функцию и, по-видимому, основанных на тех же рабочих принципах, но более доступных для изучения. В этом плане спинной мозг круглоротих оказался весьма ценным объектом.
Центральная нервная система у круглоротих-в основных чертах
ИМееТ ТО ЖЄ СТрОЭЮШ, ЧТО И У ВЫСШИХ ПОЗВОНОЧНЫХ ЖИВОТНЫХ ( НІ6Ц-
wenhuys, 1977$ Rovainen, 1379 ) и в то же время отличается простотой, прежде всего, благодаря-меньшему числу нервных элементов. Сшганой мозг миноги ( lampetra fluviatilia ) содержит всего лишь около 500 клеток на полусегмент, из них 10-20$ составляют мотоней-
- 2-роны ( Rovalnen, 1973). Мозг очень тонкий, не имеет знутримозго-вых сосудов, яатагельные вещества поступают в ткань мозга путем диффузия из капилляров поверхностной оболочки ( Hitbard, 196Э ). Важной особенностью мозга миноги является его способность к саморегуляции внутриклеточных энергетических процессов, в частности, клеточного дыхания (Савина, 1983). Это свойство позволяет сохранять его изолированные участки в искусственных средах с низким напряжением кислорода в течение нескольких дней. Добавление же определенных аминокислот в суперфузирующий раствор внзнвает появление в вентральных корешках ритмической активности, которая по своим характеристикам полностью соответствует активности мозга интакгно-го животного во время плавания ( Cohen a. Wallen, 1980s Poon, 1980 Wallea s. Willieme, 1984 ). Такого рода электрическая активность в изолированном препарате спішного мозга, которая могла бы быть достаточной для запуска типичных плавательных движений у ин-тактного животного, получила название "фиктивное плавание".
Как показали исследования, проведенные на представителях разных видов водных позвоночных (круглоротих, пластиножаберных и костистых рыбах) "фиктивное плaвaниe,, у всех животных имеет одинаковый импульсный "рисунок" (разряд - пауза) и характеризуется рецші-рокной активностью в вентральных корешках двух сторон одного сегмента и определенным сдвигом фаз каждого цикла по длине мозга в ростро-каудальном направлении ( Grillaer, 1974» Grillner а. Ка-shln, 1976 ). В ходе дальнейших исследований оказалось, что у высших позвоночных животных (кошек) после спинализации в спинном мозгу может быть вызвана ритмическая активность, сходная с "фиктивныь плаванием" ( Forsaberg, Grillner a» Halbertsma, 1980 ).Эти факты подтверждали предположение о том, что в основе локомоторной ритмической активности спинного мозга разных по уровню филогенеза позвоночных животных скорее всего заложен общий универсальный механизм, который еще предстоит расшифровать ( Grillner, 1975» 1984
Перед исследователями, изучающими организацию локомоцаи у водных позвоночных, встают два основных вопроса: какие клетки спинного мозга образуют ЩЕГ и каковы анатомические и нейрохимические способы взаимодействия этих клеток. ІІозтоі/у всестороннее изучение синапгических взаимодействий между функционально идентифицированными клетками спинного мозга круглоротих является актуальной зада чей, важным этапом для решения фундаментальной проблемы управлени движением. Изучение нейрональной основы ритмических движений и
сравнение организации ІДГ у низших и высших позвоночных животных позволит вплотную подойти к пониманию закономерностей эволюции спинного мозга по мере усложнения его функциональной организации.
Существует и другой аспект этой проблеми. Необходимость и сложность разработок методических подходов, направленных на восстановление двигательной функции при повреждениях спинного мозга, делают изучение механизмов сшшального автоматизма одной из фундаментальных задач неврологии.
В связи с вышеизложенным, мы поставили пелыэ настоящей работы изучить особенности структурно-функциональных связей и их нейрохимических основ между идентифицированными клетками спинного и продолговатого мозга миноги, и на основе полученного фактического материала построить модельную схему, отражающую основные принципы работы нейрональной сети управления движением. Для достижения указанной цели было необходимо решить следующие экспериментальные задачи:
-
Получить сведения о структуре и электрофизиологических характеристиках основных элементов спинного и.продолговатого мозга миноги: первичных сегментарных аффэрентов, мотонейронов, ретику-лосшшальных нейронов и их аксонов.
-
Исследовать способы взаимодействия нейронов - установить наличие в идентифицированных синапсах электрической, химической и/или смешанной передачи.
-
Исследовать чувствительность спинальных нейронов миноги к возбуждающим и тормозящим аминокислотам с целью определения возможных медиаторов, используемых для обеспечения межнейронных связей.
-
Методом иммуногистохимии выявить спинальные нейроны, содержащие тормозящие аминокислоты (ГАМК и таурин).
-
Получить характеристику рецепторно-канального комплекса для тормозящих аминокислот мембран нейронов спинного мозга миноги и провести сопоставление с соответствующими данными, полученными на нейронах высших позвоночных животных.
-
На основе полученных данных построить схему нейрональной сети, обеспечивающей ритмическое чередование возбуждения и торможения в могонейроках как эффекторных клетках локомоторного генератора.
Научная новизна и научно-практическое значение.
В результате элекгрофизиологических исследований, проведен-
- 4 -них на изолированном перфузируемом препарате спинного мозга миноги, впервые было установлено, что ретикулоспинальные аксоны и сегментарные нейроны (дорсальные чувствительные клетки) имеют прямые синаптнческие.связи со спинальными мотонеіронами. Крупные ретикулоспинальные (Мюллеровские) клетки получают мультисенсорные входы со всех рецепторних аппаратов через небольшое число синаптических переключений, однако, прямых связей они не имеют ни с одним рецепторним органом.
Установлено относительно небольшое, по сравнению с высшими позвоночными, количество синапсов, передающих сигналы с нисходящего тракта и/или дорсальных корешков на мотонейроны у круглоротих, что требует значительно большей надежности работы отдельного синапса. В настоящей работе показано, что это достигается большей величиной квантового выброса медиатора, а также дополнением химической передачи во многих синапсах стабильным электрическим компонентом.
Впервые получены данные о локализации тормозящих аминокислот (ГАМК и таурина) в определенных элементах спинномозгового сегмента, что позволяет понять организацию и роль торможения в локомоторном ритме.
Глицин и таурин оказывают сильное депрессирующее воздействие на активность мотонейронов. Причем обе аминокислоты блокируют не только химическую, но и электрическую передачу в синапсах.
Исследованы, кинетические и фармакологические свойства рецепторов для тормозящих аминокислот в слинальных нейронах миноги. Установлено, что рецепторы для глицина, ГАМК и таурина еще не дифференцируются как у высших позвоночных животных, на разные типы, что, по-видимому, отражает определенный этап в развитии мембранной хеморецепции в филогенезе позвоночных.
Проведенное исследование имеет, главным образом, теоретическое значение. Оно существенно расширяет представление о количестве и типах нейронов, участвующих в нейрональной сети управления движением и о способах их взаимодействия. Как известно, понимание принципов конструкции нейронной сети управления координированной локомоцией является одной из принципиальных проблем нейрокиберне-тики и робототехники.
Отдельной задачей мы считали подбор и систематизацию литературы, касающейся структуры и функции "локомоторкого генератора" у водных позвоночных. Эта часть обзора может быть использована для
- 5 -курсов лекций по нейробиологии ЦНС и двигательных функций в университетах и медицинских вузах. Результаты работы приводятся в ряде обзоров (Шаповалов А.И., 1977, 1979, 1980, 1983), монографиях (А.И.Шаповалов, 1975; А.И.Шаповалов, Б.И.Ширяев, 1987) и руководствах ( "Neurobiology of lamprey", Phyaiol. Rev., 1979; "neuronal origin of rhythmic movementa", 1983; "The Biology of Lampreys?
1983 ). Положения, выносимые на зашиту:
-
У круглоротих, как и у всех вышестоящих позвоночных животных, активность мотонейронов спинного мозга регулируется как супра-снинальннми влияниями из центров головного мозга, так и сегментарным сенсорным входом. В обоих случаях обязательным компонентом контроля являются прямые моносинаптические влияния.
-
Сочетание химической ж электрической передачи в большинстве исследованных синапсов дает основание считать оба типа передачи необходимыми для обеспечения нормального функционирования ЦНС круглоротих в условиях слабого гомеостаза и зависимости от часто меняющихся внешних факторов.
-
Межнейронные взаимодействия в ЦНС круглоротих обеспечиваются
в основном теми же возбуждающими и тормозящими аминокислотами, которые оперируют в ЦНС высших позвоночных животных. При этом функциональные особенности отдельных нейротрансмиттеров, вероятно, генетически детерминированы.
-
Выдвинуто предположение о наличии в мембранах мотонейронов и крупных интернейронов спинного мозга миноги единого рецепторне—канального комплекса для тормозящих аминокислот (глицин, ГАМК, гаурин), имеющего наибольшую чувствительность к глицину.
-
Локомоторный ритм, лежащий в основе ундулирующих движений круглоротих и основанный на правильном чередовании "разряд - пауза" в вентральных корешках спинного мозга, обеспечивается определенной последовательностью вовлечения в активность нейронов сегмента: нисходящих аксонов, возбуждающих и тормозящих интернейронов, мотонейронов. Последние входят в состав спинальнс— го локомоторного генератора.
Аптобашія работы.
Результаты работы были доложены на следующих научных собраниях: У" научном совещании, посвященном памяти Л.А.Орбели (Ленинград, 1968). Научных конференциях Института им.И.М.Сеченова (1967, 1985, 1989), Международном симпозиуме "Структура и функция
синапсов" (Киев, 1976), Уїї-Х Совещаниях по эволюционной физиологии (Ленинград, 1981, 1982, 1986, 1990), Всесоюзной конференции -"Механизмы нервной интеграции" (Ленинград, 1984), У Международном симпозиуме по моторному контролю (Варна, 1985), Всесоюзных конференциях по нейронаукам (Киев, 1986, 1988), ХУ съезде Всесоюзного физиологического общества им.И.П.Павлова (Кишинев, 1987), Международном симпозиуме "Ыеханорецепторы, развитие, структура, функция" (Прага, 1987), заседаниях Всесоюзного общества физиологов (Ленинград, 1985, 1990), УГ Международном симпозиуме по моторному контролю (Албена, 1989), П Советско-Югославском совещании "Нейро-трансмиттэры - онтогенетические и нейробиологические аспекты" (Москва, 1989), Всесоюзной школе-^семинаре "Актуальные вопросы локомс-ции первичноводных позвоночных" (Кара-Дат, 1990), на научных семинарах в Отделе биологии Маркегсского Университета (г.Милуоки, США., 1992) и Отдела биологических наук Университета Миссури (г.Колам-бия, США, 1992).
ШЙЗШШЗЖ- По материалам диссертации опубликовано более 40 печатних работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, описания объекта и основных методических приемов исследования, 3 экспериментальных глав (с 5-7 подразделами и обсуждением в каждой главе), заключения, -12 выводов и списка литературы, Работа изложена на 430 страницах машинописного текста, экспериментальный материал иллюстрируют 154 рисунка и 13 таблиц. Список литературы включает 620 работ отечественных и за- рубежных авторов.