Функции нейрона. Какую функцию выполняют нейроны

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 .

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.

сегодня широко используются в науке и вычислительной технике. Прежде всего, искусственные нейронные сети важны при создании искусственного интеллекта. Именно поэтому исследователям очень важно понимать, что же происходит внутри сети, когда она, полагаясь на входные данные, принимает то или иное решение. Сотрудники Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института решили сделать работу нейронных сетей более прозрачными для лучшего понимания человеком.

озг, восстанови себя

Н а протяжении всей своей 100-летней истории нейронаука придерживалась догмы: мозг взрослого человека не подвержен изменениям. Считалось, что человек может терять нервные клетки, но не обретать новые. Действительно, если бы мозг был способен к структурным изменениям, как бы сохранялась?

Кожа, печень, сердце, почки, легкие и кровь могут образовывать новые клетки для замены поврежденных. Вплоть до недавнего времени специалисты считали, что такая способность к регенерации не распространяется на центральную нервную систему, состоящую из головного и.

Нейробиологи на протяжении десятков лет ищут способы улучшить состояние мозга. Стратегия лечения основывалась на восполнении недостатка нейромедиаторов - химических веществ, передающих сообщения нервным клеткам (нейронам). При болезни Паркинсона, например, мозг больного теряет способность вырабатывать нейромедиатор дофамин, поскольку производящие его клетки гибнут. Химический «родственник» дофамина, L-Допа, может временно облегчить состояние больного, но не излечить его. Для замены нейронов, погибающих при таких неврологических заболеваниях, как болезни Гентингтона и Паркинсона, и при травмах, нейробиологи пытаются имплантировать стволовые клетки, полученные из эмбрионов. В последнее время исследователи заинтересовались нейронами, полученными из эмбриональных стволовых клеток человека, которые при определенных условиях можно заставить образовывать в чашках Петри любые типы клеток человеческого организма.

Несмотря на то что у стволовых клеток много преимуществ, очевидно, следует развивать способности взрослой нервной системы к самовосстановлению. Для этого необходимо ввести вещества, стимулирующие мозг к образованию собственных клеток и восстановлению поврежденных нервных цепей.

Новорожденные нервные клетки

В 1960 - 70-х гг. исследователи пришли к выводу, что центральная нервная система млекопитающих способна к регенерации. Первые эксперименты показали, что основные ветви нейронов взрослого головного и - аксоны могут восстанавливаться после повреждения. Вскоре было обнаружено рождение новых нейронов в мозге взрослых птиц, обезьян и людей, т.е. нейрогенез.

Возникает вопрос: если центральная нервная система может образовывать новые, способна ли она восстанавливаться в случае болезни или травмы? Для того чтобы ответить на него, необходимо понять, как происходит нейрогенез во взрослом мозге и каким образом можно его.

Рождение новых клеток происходит постепенно. Так называемые мультипотентные стволовые клетки в мозге периодически начинают делиться, давая начало другим стволовым клеткам, которые могут вырасти в нейроны или опорные клетки, называемые. Но для созревания новорожденные клетки должны избегать влияния мультипотентных стволовых клеток, что удается лишь половине из них - остальные гибнут. Такое расточительство напоминает процесс, происходящий в организме до рождения и в раннем детстве, когда возникает больше нервных клеток, чем необходимо для образования мозга. Выживают только те из них, которые формируют действующие связи с другими.

Станет ли уцелевшая молодая клетка нейроном или глиальной клеткой, зависит от того, в каком участке мозга она окажется и какие процессы будут происходить в этот период. Новому нейрону требуется более месяца, чтобы начать полноценно функционировать. посылать и принимать информацию. Таким образом. нейрогенез представляет собой не одномоментное событие. а процесс. который регулируется веществами. называемыми факторами роста. Например, фактор, названный «звуковой еж» (sonic hedgehog), обнаруженный впервые у насекомых, регулирует способность незрелых нейронов к пролиферации. Фактор notch и класс молекул. названных морфогенетическими протеинами кости, видимо, определяют, станет ли новая клетка глиальной или нервной. Как только это произойдет. другие факторы роста. такие как мозговой нейротрофический фактор (BDNF). нейротрофины и инсулинподобный фактор роста (IGF), начинают поддерживать жизнедеятельность клетки, стимулируя ее созревание.

Место действия

Новые нейроны возникают во взрослом мозге млекопитающих не случайно и. по всей видимости. образуются только в заполненных жидкостью пустотах в - в желудочках, а также в гиппокампе - структуре, спрятанной глубоко в мозге. имеющей форму морского конька. Нейробиологи доказали, что клетки, которым суждено стать нейронами. перемещаются из желудочков в обонятельные луковицы. которые получают информацию от клеток, расположенных в слизистой носа и чувствительных к. Никто точно не знает, почему обонятельной луковице требуется столько новых нейронов. Легче предположить, зачем они нужны гиппокампу: поскольку эта структура важна для запоминания новой информации, дополнительные нейроны, вероятно. способствуют упрочению связей между нервными клетками, повышая способность мозга обрабатывать и хранить сведения.

Процессы нейрогенеза также обнаружены за пределами гиппокампа и обонятельной луковицы, например, в префронтальной коре - обители интеллекта и логики. а также в других областях взрослого головного и спинного мозга . Последнее время появляются все новые подробности о молекулярных механизмах, управляющих нейрогенезом, и о химических стимулах, регулирующих его. и мы вправе надеяться. что со временем можно будет искусственно стимулировать нейрогенез в любой части мозга. Зная, как факторы роста и локальное микроокружение управляют нейрогенезом, исследователи рассчитывают создать методы лечения, позволяющие восстановить больной или поврежденный мозг.

С помощью стимулирования нейрогенеза можно улучшить состояние пациента при некоторых неврологических заболеваниях. Например. причина - закупорка сосудов головного мозга, в результате чего из-за недостатка кислорода гибнут нейроны. После инсульта в гиппокампе начинает развиваться нейрогенез, стремящийся «вылечить» поврежденную ткань мозга с помощью новых нейронов. Большинство новорожденных клеток гибнет, однако некоторые успешно мигрируют к поврежденному участку и превращаются в полноценные нейроны. Несмотря на то что для компенсации повреждений при тяжелом инсульте этого недостаточно. нейрогенез может помочь мозгу после микроинсультов,которые часто проходят незамеченными. Сейчас нейробиологи пытаются применять васкуло-эпидермальный фактор роста (VEGF) и фактор роста фибробластов (FGF) для усиления естественного восстановления.

Оба вещества представляют собой крупные молекулы, которые с трудом преодолевают гематоэнцефалический барьер, т.е. сеть тесно переплетенных клеток, выстилающих кровеносные сосуды мозга. В 1999 г. биотехнологическая компания Wyeth-Ayerst Laboratories and Scios из Калифорнии приостановила клинические испытания FGF применяемого для. поскольку его молекулы не попадали в мозг. Некоторые исследователи пытались решить эту задачу, соединяя молекулу FGF с другой, которая вводила клетку в заблуждение и заставляла ее захватывать весь комплекс молекул и переносить его в ткань мозга. Другие ученые методами генной инженерии создавали клетки, вырабатывающие FGF. и трансплантировали их в мозг. Пока подобные эксперименты проводились лишь на животных.

Стимулирование нейрогенеза может оказаться действенным при лечении депрессии. главной причиной которой (помимо генетической предрасположенности) считается хронический. ограничивающий, как известно. количество нейронов в гиппокампе. Многие из выпускаемых лекарственных средств. показанных при депрессии. в том числе прозак. усиливают нейрогенез у животных. Интересно, что для снятия депрессивного синдрома с помощью этого препарата требуется один месяц - столько же. сколько и для осуществления нейрогенеза. Возможно. депрессия отчасти вызвана замедлением данного процесса в гиппокампе. Последние клинические исследования с применением методов визуализации нервной системы подтвердили. что у пациентов с хронической депрессией гиппокамп меньше, чем у здоровых людей. Длительное применение антидепрессантов. похоже. подстегивает нейрогенез: у грызунов. которым давали эти препараты на протяжении нескольких месяцев. в гиппокампе возникали новые нейроны.

Нейрональные стволовые клетки дают начало новым клеткам мозга. Они периодически делятся в двух основных областях: в желудочках (фиолетовый цвет), которые заполнены спинномозговой жидкостью, питающей центральную нервную систему, и в гиппокампе (голубой цвет) - структуре, необходимой для обучения и памяти. При пролиферации стволовых клеток (внизу) образуются новые ствоповые клетки и клетки-предшественники, которые могут превратиться либо в нейроны, либо в поддерживающие клетки, называемые глиальными (астроциты и дендроциты). Однако дифференцировка новорожденных нервных клеток может произойти только после того, как они уйдут прочь от своих предков (красные стрелки), что удается в среднем лишь половине из них, а остальные гибнут. Во взрослом мозге новые нейроны были обнаружены в гиппокампе и обонятельных луковицах, необходимых для восприятия запахов. Ученые надеются заставить взрослый мозг восстанавливаться, вызывая деление и развитие нейрональных стволовых клеток или клеток-предшественников там и тогда, где и когда это необходимо.

Стволовые клетки как метод лечения

Потенциальным средством для восстановления поврежденного мозга исследователи считают два типа стволовых клеток. Во-первых, нейрональные стволовые клетки взрослого мозга: редкие первичные клетки, сохранившиеся от ранних стадий эмбрионального развития, обнаруженные как минимум в двух областях мозга. Они могут делиться на протяжении всей жизни, давая начало новым нейронам и поддерживающим клеткам, называемым глией. Ко второму типу относятся человеческие эмбриональные стволовые клетки, выделенные из зародышей на очень ранней стадии развития, когда весь эмбрион состоит примерно из ста клеток. Такие эмбриональные стволовые клетки могут давать начало любым клеткам организма.

В большинстве исследований производится наблюдение за ростом нейрональных стволовых клеток в культуральных чашках. Они могут там делиться, их можно генетически пометить и затем трансплантировать назад в нервную систему взрослого индивидуума. В экспериментах, которые пока проводились только на животных, клетки хорошо приживаются и могут дифференцироваться в зрелые нейроны в двух областях мозга, где образование новых нейронов происходит и в норме, - в гиппокампе и в обонятельных луковицах. Однако в других областях нейрональные стволовые клетки, взятые из взрослого мозга, не торопятся становиться нейронами, хотя могут стать глией.

Проблема со взрослыми нейрональными стволовыми клетками состоит в том, что они пока еще незрелые. Если взрослый мозг, в который их пересадили, не будет вырабатывать сигналы, необходимые для стимуляции их развития в определенный тип нейронов - например в гиппокампальный нейрон, - они либо погибнут, либо станут глиальной клеткой, либо так и останутся недифференцированной стволовой клеткой. Для решения этого вопроса необходимо определить, какие биохимические сигналы заставляют нейрональную стволовую клетку стать нейроном данного типа, и затем направить развитие клетки по такому пути прямо в культуральной чашке. Ожидается, что после трансплантации в заданный участок мозга эти клетки останутся нейронами того же типа, сформируют связи и начнут функционировать.

Устанавливая важные связи

Поскольку проходит около месяца с момента деления нейрональной стволовой клетки до тех пор, пока ее потомок не включится в функциональные цепи мозга, роль этих новых нейронов в, вероятно, определяется не столько родословной клетки, сколько тем, как новые и уже существующие клетки соединяются друг с другом (образуя синапсы) и с существующими нейронами, формируя нервные цепи. В процессе синаптогенеза так называемые шипики на боковых отростках, или дендритах, одного нейрона соединяются с основной ветвью, или аксоном, другого нейрона.

Как показывают недавние исследования, дендритные шипики (внизу) могут менять свою форму в течение нескольких минут. Это свидетельствует о том, что синаптогенез может лежать в основе обучения и памяти. Одноцветные микро-фотографии мозга живой мыши (красная, желтая, зеленая и голубая) были сделаны с интервалом в одни сутки. Многоцветное изображение (крайнее справа) представляет собой те же фотографии, наложенные друг на друга. Участки, не претерпевшие изменений, выглядят практически белыми.

Помоги мозгу

Еще одно заболевание, провоцирующее нейрогенез, - болезнь Альцгеймера. Как показали недавние исследования, в органах мыши. которой были введены гены человека, пораженные болезнью Альцгеймера. обнаружены различные отклонения нейрогенеза от нормы. В результате такого вмешательства у животного в избытке вырабатывается мутантная форма предшественника человеческого амилоидного пептида, и уровень нейронов в гиппокампе падает. А гиппокамп мышей с мутантным геном человека. кодирующим белок пресенилин. обладал малым количеством делящихся клеток и. соответственно. меньшим числом выживших нейронов. Введение FGF непосредственно в мозг животных ослабляло тенденцию; следовательно. факторы роста могут стать хорошим средством лечения этого разрушительного заболевания.

Следующий этап исследований - факторы роста, управляющие различными стадиями нейрогенеза (т.е. рождением новых клеток, миграцией и созреванием молодых клеток), а также факторы, тормозящие каждый этап. Для лечения таких заболеваний, как депрессия, при которой снижается количество делящихся клеток, необходимо найти фармакологические вещества или другие методы воздействия. усиливающие пролиферацию клеток. При эпилепсии, видимо. новые клетки рождаются. но затем мигрируют в ложном направлении, и нужно понять. как направить «заблудшие» нейроны по правильному пути. При злокачественной глиоме мозга глиальные клетки пролиферируют и образуют смертельно опасные разрастающиеся опухоли. Хотя причины возникновения глиомы еще не ясны. некоторые полагают. что она возникает в результате неконтролируемого разрастания стволовых клеток мозга. Лечить глиому можно с помощью природных соединений. регулирующих деление таких стволовых клеток.

Для лечения инсульта важно выяснить. какие факторы роста обеспечивают выживание нейронов и стимулируют превращение незрелых клеток в здоровые нейроны. При таких заболеваниях. как болезнь Гентингтона. амиотрофический боковой склероз (АЛС) и болезнь Паркинсона (когда гибнут совершенно конкретные типы клеток, что ведет к развитию специфических когнитивных или моторных симптомов). данный процесс происходит наиболее часто, поскольку клетки. с которыми связаны эти болезни, располагаются в ограниченных областях.

Возникает вопрос: как управлять процессом нейрогенеза при том или ином типе воздействия, чтобы контролировать количество нейронов, поскольку их избыток также представляет опасность? Например, при некоторых формах эпилепсии нейрональные стволовые клетки продолжают делиться даже после того, как новые нейроны уже утрачивают способность устанавливать полезные связи. Нейробиологи предполагают, что «неправильные» клетки остаются недозрелыми и оказываются в ненужном месте. формируя т.н. фикальные корковые дисплазии (ФКД), генерирующие эпилептиформные разряды и вызывая эпилептические припадки. Не исключено, что введение факторов роста при инсульте. болезни Паркинсона и других заболеваниях может заставить нейрональные стволовые клетки делиться чересчур быстро и привести к сходным симптомам. Поэтому исследователи должны сначала изучить применение факторов роста для индукции рождения, миграции и созревания нейронов.

При лечении травм спинного мозга, АЛС или необходимо заставить стволовые клетки производить олигодендроциты, одну из разновидностей глиальных клеток. Они необходимы для коммуникации нейронов друг с другом. поскольку изолируют длинные аксоны, проходящие от одного нейрона к другому. предотвращая рассеяние проходящего по аксону электрического сигнала. Известно, что стволовые клетки в спинном мозге обладают способностью время от времени производить олигодендроциты. Исследователи применили факторы роста для стимулирования данного процесса у животных с травмой спинного мозга и получили положительные результаты.

Зарядка для мозга

Одна из важных особенностей нейрогенеза в гиппокампе состоит в том, что персональный индивидуума может влиять на скорость деления клеток, количество выживших молодых нейронов и их способность встраиваться в нервную сеть. Например. когда взрослых мышей переселяют из обычных и тесных клеток в более удобные и просторные. у них происходит значительное усиление нейрогенеза. Исследователи обнаружили, что тренировки мышей в колесе для бега достаточно для того, чтобы удвоить количество делящихся клеток в гиппокампе, что ведет к резкому увеличению числа новых нейронов. Интересно, что регулярная физическая нагрузка может снять депрессию у людей. Возможно. это происходит благодаря активации нейрогенеза.

Если ученые научатся управлять нейрогенезом, то наши представления о заболеваниях и травмах мозга кардинально изменятся. Для лечения можно будет использовать вещества, избирательно стимулирующие определенные этапы нейрогенеза. Фармакологическое воздействие будет сочетаться с физиотерапией, усиливающей нейрогенез и стимулирующей определенные области мозга к встраиванию в них новых клеток. Учет взаимосвязей между нейрогенезом и умственной и физической нагрузками позволит снизить риск возникновения неврологических заболеваний и усилить природные репаративные процессы в мозге.

Путем стимуляции роста нейронов в мозге здоровые люди получат возможность улучшить состояние своего организма. Однако вряд ли им понравятся инъекции факторов роста, с трудом проникающих сквозь гематоэнцефалический барьер после введения в кровоток. Поэтому специалисты ищут препараты. которые можно было бы выпускать в виде таблеток. Подобное лекарство позволит стимулировать работу генов, кодирующих факторы роста, непосредственно в мозге человека.

Улучшить деятельность мозга возможно также путем генной терапии и трансплантации клеток: искусственно выращенные клетки, производящие конкретные факторы роста. можно имплантировать в определенные области мозга человека. Также предлагается вводить в организм человека гены, кодирующие производство различных факторов роста, и вирусы. способные доставить эти гены до нужных клеток мозга.

Пока не ясно. какой из методов окажется наиболее перспективным. Исследования, проведенные на животных, показывают. что применение факторов роста может нарушить нормальное функционирование мозга. Процессы роста могут вызвать образование опухолей, а трансплантированные клетки - выйти из под контроля и спровоцировать развитие рака. Такой риск может быть оправдан только при тяжелых формах болезни Гентингтона. Альцгеймера или Паркинсона.

Оптимальный способ стимулирования деятельности мозга - интенсивная интеллектуальная деятельность в сочетании со здоровым образом жизни: физическая нагрузка. хорошее питание и полноценный отдых. Экспериментально подтверждается и то. что на связи в мозге влияет окружающая среда. Возможно. когда-нибудь в жилых домах и офисах люди будут создавать и поддерживать специально обогащенную среду для улучшения функционирования мозга.

Если удастся понять механизмы самовосстановления нервной системы, то в скором будущем исследователи овладеют методами. позволяющими использовать собственные ресурсы мозга для его восстановления и совершенствования.

Фред Гейдж

(В мире пауки, № 12, 2003)

Клетка является стержнем биологического организма. Нервная система человека состоит из клеток головного и спинного мозга (нейронов). Они весьма многообразны по строению, обладают огромным количеством различных функций, направленных на существование человеческого организма как биологического вида.

В каждом нейроне одновременно протекают тысячи реакций, направленных на поддержание обмена веществ самой нервной клетки и осуществление ее главных функций - обработки и анализа огромного массива поступающей информации, а также генерации и отправки команд другим нейронам, мышцам, различным органам и тканям организма. Слаженная работа сочетаний нейронов коры головного мозга составляет основу мышления и сознания.

Функции клеточной мембраны

Важнейшими структурными компонентами нейронов, как и любых других клеток, являются клеточные мембраны. Они имеют обычно многослойное строение и состоят из особого класса жировых соединений - фосфолипидов, а также из пронизывающих их...

Нервная система является самой сложной и мало изученной частью нашего организма. Она состоит из 100 миллиардов клеток – нейронов, и глиальных клеток, которых примерно в 30 раз больше. К нашему времени ученым удалось изучить только 5% нервных клеток. Все остальные пока загадка, которую медики стараются разгадать любыми методами.

Нейрон: строение и функции

Нейрон – главный структурный элемент нервной системы, эволюционировавший с нейроефекторных клеток. Функция нервных клеток заключается в ответе на раздражители сокращением. Это клетки, которые способны передавать информацию с помощью электрического импульса, химическим и механическим путями.

За исполняющими функциями нейроны бывают двигательными, чувствительными и промежуточными. Чувствительные нервные клетки передают информацию от рецепторов в головной мозг, двигательные – к мышечным тканям . Промежуточные нейроны способны выполнять и ту, и другую функции.

Анатомически нейроны состоят из тела и двух...

Возможность успешного лечения детей с нарушениями психоневрологического развития базируется на следующих свойствах организма ребенка и его нервной системы:

1. Регенеративные способности самого нейрона, его отростков и нейрональных сетей, входящих в состав функциональных систем . Медленный транспорт цитоскелета по отросткам нервной клетки со скоростью 2 мм/сутки обусловливает и регенерацию поврежденных или недоразвитых отростков нейронов с той же скоростью. Гибель части нейронов и их дефицит в нейрональной сети более или менее полноценно компенсируется запуском аксо-дендритного ветвления сохранившихся нервных клеток с образованием новых дополнительных межнейрональных связей.

2. Компенсация повреждений нейронов и нейрональных сетей в мозге за счет подключения соседних нейрональных групп к выполнению утраченной или недоразвитой функции. Здоровые нейроны, их аксоны и дендриты, как активно работающие, так и резервные, в борьбе за функциональную территорию...

озг, восстанови себя

На протяжении всей своей 100-летней истории нейронаука придерживалась догмы: мозг взрослого человека не подвержен изменениям. Считалось, что человек может терять нервные клетки, но не обретать новые. Действительно, если бы мозг был способен к структурным изменениям, как бы сохранялась память?

Кожа, печень, сердце, почки, легкие и кровь могут образовывать новые клетки для замены поврежденных. Вплоть до недавнего времени специалисты считали, что такая способность к регенерации не распространяется на центральную нервную систему, состоящую из головного и спинного мозга.

Однако за последние пять лет нейробиологи открыли, что мозг все же меняется в течение жизни: происходит образование новых клеток, позволяющих справиться с возникающими трудностями. Такая пластичность помогает мозгу восстанавливаться после травмы или заболевания, увеличивая свои потенциальные возможности.

Нейробиологи на протяжении десятков лет ищут способы улучшить...

Нейроны головного мозга формируются в период пренатального развития. Происходит это за счет разрастания определенного вида клеток, их передвижений, а затем дифференцирования, во время которого они меняют свою форму, размер и функции. Большая часть нейронов гибнет еще во время внутриутробного развития, многие продолжают это делать после рождения и на протяжении всей жизни человека, что заложено генетически. Но вместе с этим явлением происходит и другое – восстановление нейронов в некоторых мозговых отделах.

Процесс, при котором происходит формирование нервной клетки (как в пренатальном периоде, так и жизненном), носит название «нейрогенез».

Широко известное утверждение, что нервные клетки не восстанавливаются когда-то сделал в 1928 году Сантьяго Рамон-И-Халем – испанский ученый-нейрогистолог. Это положение просуществовало до конца прошлого века пока не появилась научная статья Э. Гоулд и Ч. Кросса, в которой приводились факты, доказывающие продуцирование новых...

Нейроны головного мозга разделяются по классификации на клетки с определенным типом функций. Но, возможно, после исследований из Института Дьюка, которые ведет адьюнкт-профессор клеточной биологии, педиатрии и нейробиологии Чай Куо появится новая структурная единица (Chay Kuo).

Он описал клетки головного мозга, которые самостоятельно способны передавать информацию и инициировать преобразование. Механизм их действия в воздействии одним из типов нейронов в субвентрикулярной (ее же называют субэпендимальной) зоне на нейральную стволовую клетку. Она начинает преобразовываться в нейрон. Открытие интересно тем, что доказывает: восстановление нейронов головного мозга становится реальностью для медицины.

Теория Чай Куо

Исследователь отмечает, что о возможности развития нейрона говорили и до него, но он впервые нашел и описывает, что и как включает механизм действия. Клетки нейронов, которые находятся в субвентрикулярной зоне (SVZ) он описывает первым. В зоне мозга...

Восстановление органов и функций организма беспокоит людей в следующих случаях: после разового, но чрезмерного приема алкогольных напитков (застолье по какому-нибудь торжественному поводу) и в ходе реабилитации после алкогольной зависимости, то есть в результате систематического и продолжительного употребления спиртного.

В процессе какого-то обильного застолья (день рождения, свадьба, Новый год, вечеринка и пр.) человек употребляет весьма немалую порцию спиртного в течение минимального отрезка времени. Понятно, что ничего хорошего в такие моменты организм не чувствует. Наибольший вред от таких праздников получают те лица, которые обычно воздерживаются от употребления спиртного или принимают его не часто и в малых дозах. Такие люди очень тяжело переживают восстановление мозга после алкоголя по утрам.

Необходимо знать, что всего лишь 5% спиртного выводится из организма с выдыхаемым воздухом, посредством пото- и мочеотделения. Оставшиеся 95% окисляются внутри...

Препараты для восстановления памяти

Улучшить образование ГАМК в головном мозге помогают аминокислоты: глицин, триптофан, лизин (препараты «глицин», «авитон гинкговита»). Их целесообразно применять со средствами для улучшения мозгового кровоснабжения («кавинтон», «трентал», «винтоцетин») и повышения энергетического обмена нейронов («Коэнзим Q10»). Для стимулирования нейронов во многих странах мира применяется «Гинкго

Улучшить память помогут ежедневные тренировки, нормализация питания и режима дня. Тренировать память можно – каждый день нужно учить небольшие стихотворения, иностранные языки . Не следует перегружать работу мозга. Для улучшения питания клеток, рекомендуют принимать специальные препараты, предназначенные для улучшения памяти.

Эффективные препараты для нормализации и усиления памяти

Дипренил. Препарат, нейтрализующий действие нейротоксинов, попадающих в организм вместе с пищей. Защищает клетки мозга от стресса, поддерживает...

До 90-х годов ХХ века у неврологов существовало стойкое убеждение, что регенерация мозга невозможна. В научном сообществе было сформулировано ложное представление о «стационарных» тканях, к которым в первую очередь отнесли ткань центральной нервной системы, где якобы отсутствуют стволовые клетки. Считали, что делящиеся нервные клетки можно наблюдать лишь в некоторых мозговых структурах плода, а у детей лишь в первые два года жизни. Затем предполагали, что рост клеток прекращается и начинается этап формирования межклеточных контактов в нейронных сетях. В этот период каждый нейрон формирует сотни и, может быть, тысячи синапсов с соседними клетками. В среднем считают, что в нейронных сетях головного мозга взрослого человека функционирует порядка 100 млрд нейронов. Утверждение о том, что взрослый мозг не регенерирует, стало мифом-аксиомой. Ученые, высказывающие иное мнение, обвинялись в некомпетентности, а в нашей стране, бывало, и лишались работы. Природа закладывает в...

Инсульты больше не страшны? Современные разработки…

Все болезни от нервов! Эту народную мудрость знают даже дети. Однако далеко не всем известно, что на языке медицинской науки она имеет конкретное и четко определенное значение. Особенно важно узнать об этом людям, у которых близкие пережили инсульт. Многие из них хорошо знают, что, несмотря на проводимое непростое лечение, утраченные функции у родного человека полностью не восстанавливаются. Кроме того, чем больше времени прошло с момента беды, тем ниже вероятность возвращения речи, движений, памяти. Так как же добиться прорыва в восстановлении близкого человека ? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно узнать «врага в лицо» - разобраться в главной причине.

«ВСЕ БОЛЕЗНИ ОТ НЕРВОВ!»

Нервная система координирует все функции организма и обеспечивает ему возможность приспособиться к внешней среде . Головной мозг является ее центральным звеном. Это главный компьютер нашего организма, который регулирует работу всех...

Тема для тех, кому приятнее думать, что нервные клетки восстанавливаются.

Для создания соответствующего мыслеобраза:)

Нервные клетки восстанавливаются

Израильские ученые обнаружили целый биоинструментарий для замены отмерших нервов. Оказалось, что занимаются этим Т-лимфоциты, которых до сих пор считали «вредными чужаками».

Несколько лет назад ученые опровергли знаменитое утверждение «нервные клетки не восстанавливаются»: оказалось, что часть головного мозга работает над восстановлением нервных клеток в течение всей жизни. Особенно при стимулировании мозговой деятельности и физической активности. Но как именно мозг узнает, что пора ускорить процесс регенерации, до сих пор никто не знал.

Чтобы понять механизм восстановления мозга, ученые начали перебирать все виды клеток, которые до того обнаруживались в голове у людей, и причина нахождения который в ней оставалась непонятной. И успешным оказалось изучение одного из подвидов лейкоцитов –...

«Нервные клетки не восстанавливаются» – миф или реальность?

Как говорил герой Леонида Броневого, уездный доктор: «голова - предмет тёмный, исследованию не подлежит…». Компактное скопление нервных клеток, называемое мозгом, хотя и давно исследуется нейрофизиологами, но ответов на все вопросы, связанные с функционированием нейронов ученые получить еще не смогли.

Суть вопроса

Некоторое время назад – вплоть до 90-х годов прошлого века, считалось, что количество нейронов в организме человека имеет постоянную величину и при утрате восстановить поврежденные нервные клетки мозга невозможно. Отчасти это утверждение действительно верно: во время развития эмбриона природой закладывается огромный резерв клеток.

Новорождённый ребенок еще до рождения теряет в результате запрограммированной клеточной гибели – апоптоза, практически 70% из сформировавшихся нейронов. Гибель нейронов продолжается в течение всей жизни.

Начиная с тридцатилетнего возраста этот процесс...

Нервные клетки в головном мозге человека восстанавливаются

До сих пор было известно, что нервные клетки восстанавливаются только у животных. Однако недавно ученые обнаружили, что в отделе мозга человека, который отвечает за обоняние, из клеток-предшественниц образуются зрелые нейроны. Однажды они смогут помочь "починить" травмированный мозг.

Ежедневно кожа прирастает на 0,002 миллиметра. Новые кровяные тельца уже через несколько дней после того, как было запущено их производство в костном мозге, выполняют свои основные функции. С нервными клетками все гораздо проблематичней. Да, нервные окончания восстанавливаются в руках, ногах и в толще кожи. Но в центральной нервной системе – в мозге и спинном мозге – этого не происходит. Поэтому человек с поврежденным спинным мозгом не сможет больше бегать. Кроме того, нервная ткань безвозвратно разрушается в результате инсульта.

Однако недавно появилось новое указание на то, что и человеческий мозг способен на производство новых...

Многие годы люди считали, что нервные клетки неспособны восстанавливаться, значит невозможно излечить многие болезни, связанные с их повреждением. Сейчас учёные нашли способы, как восстановить клетки головного мозга, чтобы продлить пациенту полноценную жизнь, в которой он будет помнить множество подробностей.

Есть несколько условий для восстановления клеток головного мозга, если болезнь не зашла слишком далеко, и не случилось полной потери памяти. Организм должен получать достаточное количество витаминов, которые помогут сохранить возможность сосредотачиваться на какой-то проблеме, запоминать необходимые вещи. Для этого нужно употреблять в пищу продукты, в которых они содержатся, это рыба, бананы, орехи и красное мясо. Специалисты считают, что количество приёмов пищи должно быть не более трёх, а есть нужно до появления сытости, это поможет клеткам мозга получить необходимые вещества. Питание имеет большое значение для профилактики нервных заболеваний, не следует увлекаться...

Крылатое выражение "Нервные клетки не восстанавливаются" все с детства воспринимают как непреложную истину. Однако эта аксиома - не более чем миф, и новые научные данные его опровергают.

Схематическое изображение нервной клетки, или нейрона, которая состоит из тела с ядром, одного аксона и нескольких дендритов.

Нейроны отличаются друг от друга по размеру, разветвленности дендритов и длине аксонов.

Понятие "глии" включает все клетки нервной ткани, не являющиеся нейронами.

Нейроны генетически запрограммированы на миграцию в тот или иной отдел нервной системы, где с помощью отростков они устанавливают связи с другими нервными клетками.

Погибшие нервные клетки уничтожаются макрофагами, попадающими в нервную систему из крови.

Этапы образования нервной трубки в зародыше человека.

‹ ›

Природа закладывает в развивающийся мозг очень высокий запас прочности: при эмбриогенезе образуется большой избыток нейронов. Почти 70% из них...

Пантокальцин – это лекарственный препарат , который активно воздействует на обмен веществ в головном мозге, защищает его от вредных воздействий и в первую очередь от недостатка кислорода, оказывает тормозящее и одновременно легкое активизирующее действие на центральную нервную систему (ЦНС).

Как действует пантокальцин на центральную нервную систему

Пантокальцин – это ноотропный препарат, основное действие которого связано с когнитивными (познавательными) функциями головного мозга, препарат выпускается в таблетках по 250 и 500 мг.

Основным действующим веществом пантокальцина является гопантеновая кислота, которая по своему химическому составу и свойствам имеет сходство с гамма-аминомасляной кислотой (ГАМК) – биологически активным веществом, способным усиливать все обменные процессы в головном мозге.

При приеме внутрь пантокальцин быстро всасывается в желудочно-кишечном тракте , распределяется по тканям и попадает в головной мозг, где проникает...

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:

1. 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, полностью подчиняет разум и тело человека.

1. 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.

1. 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:

1. Мультиполярные. Данные клетки характеризуются большим скоплением в ЦНС. Представляются с одним аксоном и несколькими дендритами.
2. 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 – 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.

Мозг человека имеет одну удивительную особенность: он способен производить новые клетки. Бытует мнение, что запас мозговых клеток неограничен, но это утверждение далеко от истины. Естественно, их интенсивное продуцирование припадает на ранние периоды развития организма, с возрастом этот процесс замедляется, но не останавливается. Но это, к сожалению, компенсирует лишь незначительную часть клеток, неосознанно убитых человеком в результате, на первый взгляд, безобидных привычек.

1. Недосыпание

Ученым пока не удалось опровергнуть свою теорию полноценного сна, которая настаивает на 7-9-часовом сне. Именно такая длительность ночного процесса позволяет мозгу полноценно выполнять свою работу и продуктивно проходить все «сонные» фазы. В противном случае, как показали исследования, проведенные на грызунах, происходит гибель 25 % клеток головного мозга, которые отвечают за физиологическую реакцию на тревогу и напряжение. Ученые полагают, что подобный механизм гибели клеток в результате недосыпания работает и у человека, но это пока лишь предположения, проверить которые, по их мнению, удастся в скором будущем.

2. Курение

Болезни сердца, инсульт, хронический бронхит, эмфизема, рак – это не полный перечень негативных последствий , вызываемый пристрастием к сигарете. Исследования 2002 года, проведенные Национальным институтом Франции по вопросам здравоохранения и медицинских исследований, не оставили сомнений в том, что курение убивает клетки головного мозга. И хотя опыты проводились пока что на крысах, ученые полностью уверенны в том, что точно так же эта вредная привычка сказывается на мозговых клетках человека. Подтверждением тому стало исследование индийских ученых, в результате которого научным сотрудникам удалось отыскать в сигаретах опасное для человеческого организма соединение, называемое никотинопроизводным нитрозоаминовым кетоном. ННК ускоряет реакции белых кровяных клеток головного мозга, заставляя их атаковать здоровые мозговые клетки.

3. Обезвоживание

Не секрет, что в человеческом организме содержится много воды, и мозг – не исключение. Постоянное ее пополнение необходимо как организму в целом, так и мозгу в частности. В противном случае активируются процессы, нарушающие работу целых систем и убивающие клетки головного мозга. Как правило, чаще всего это происходит после приема алкоголя, который подавляет работу гормона вазопрессина, отвечающего за сохранение воды в организме. Помимо этого, обезвоживание может наступить вследствие длительного воздействия на организм высокой температуры (например, пребывание под открытыми солнечными лучами или в душном помещении). Но результат, как и в случае с горячительными напитками, может иметь плачевный исход – разрушение клеток головного мозга. Это влечет за собою сбои в работе нервной системы и влияет на интеллектуальные способности человека.

4. Стресс

Стресс считается достаточно полезной реакцией организма, которая активируется в результате появления какой-либо возможной угрозы. Главными защитниками выступают гормоны надпочечников (кортизол, адреналин и норэпинефрин), которые приводят организм в полную боевую готовность и обеспечивают тем самым его сохранность. Но чрезмерное количество этих гормонов (например, в ситуации хронического стресса), в частности кортизола, может стать причиной гибели клеток головного мозга и развития страшных заболеваний на почве ослабленного иммунитета. Разрушение мозговых клеток может повлечь за собою развитие психических заболеваний (шизофрении), а ослабленный иммунитет, как правило, сопровождается развитием тяжелых недугов, самыми распространенными среди которых считаются сердечно-сосудистые заболевания , рак и диабет.

5. Наркотики

Наркотики являют собою специфические химические вещества, разрушающие клетки головного мозга и нарушающие системы связей в нем. В результате действия наркотических веществ активируются рецепторы, вызывающие выработку аномальных сигналов, которые становятся причиной возникновения галлюциногенных проявлений. Происходит этот процесс благодаря сильному повышению уровня определенных гормонов, что двояко сказывается на организме. С одной стороны, большое количество, например, допамина способствует возникновению эффекта эйфории, но с другой – повреждает нейроны, ответственные за регуляцию настроения. Чем больше таких нейронов повреждено, тем сложнее достичь состояния «блаженства». Таким образом, организм требует все большую дозу наркотических веществ, развивая при этом зависимость.

Нервная ткань - основной структурный элемент нервной системы. В состав нервной ткани входят высокоспециализированные нервные клетки - нейроны , и клетки нейроглии , выполняющие опорную, секреторную и защитную функции.

Нейрон - это основная структурно-функциональная единица нервной ткани. Эти клетки способны принимать, обрабатывать, кодировать, передавать и хранить информацию, устанавливать контакты с другими клетками. Уникальными особенностями нейрона являются способность генерировать биоэлектрические разряды (импульсы) и передавать информацию по отросткам с одной клетки на другую с помощью специализированных окончаний - .

Выполнению функций нейрона способствует синтез в его аксоплазме веществ-передатчиков - нейромедиаторов: ацетилхолина, катехоламинов и др.

Число нейронов мозга приближается к 10 11 . На одном нейроне может быть до 10 000 синапсов. Если эти элементы считать ячейками хранения информации, то можно прийти к выводу, что нервная система может хранить 10 19 ед. информации, т.е. способна вместить практически все знания, накопленные человечеством. Поэтому вполне обоснованным является представление, что человеческий мозг в течение жизни запоминает все происходящее в организме и при его общении со средой. Однако мозг не может извлекать из всю информацию, которая в нем хранится.

Для различных структур мозга характерны определенные типы нейронной организации. Нейроны, регулирующие единую функцию, образуют так называемые группы, ансамбли, колонки, ядра.

Нейроны различаются по строению и функции.

По строению (в зависимости от количества отходящих от тела клетки отростков) различают униполярные (с одним отростком), биполярные (с двумя отростками) и мультиполярные (с множеством отростков) нейроны.

По функциональным свойствам выделяют афферентные (или центростремительные ) нейроны, несущие возбуждение от рецепторов в, эфферентные , двигательные , мотонейроны (или центробежные), передающие возбуждение из ЦНС к иннервируемому органу, и вставочные , контактные или промежуточные нейроны, соединяющие между собой афферентные и эфферентные нейроны.

Афферентные нейроны относятся к униполярным, их тела лежат в спинномозговых ганглиях. Отходящий от тела клетки отросток Т-образно делится на две ветви, одна из которых идет в ЦНС и выполняет функцию аксона, а другая подходит к рецепторам и представляет собой длинный дендрит.

Большинство эфферентных и вставочных нейронов относятся к мультиполярным (рис. 1). Мультиполярные вставочные нейроны в большом количестве располагаются в задних рогах спинного мозга, а также находятся и во всех других отделах ЦНС. Они могут быть и биполярными, например нейроны сетчатки, имеющие короткий ветвящийся дендрит и длинный аксон. Мотонейроны располагаются в основном в передних рогах спинного мозга.

Рис. 1. Строение нервной клетки:

1 - микротрубочки; 2 - длинный отросток нервной клетки (аксон); 3 - эндоплазматический ретикулум; 4 - ядро; 5 - нейроплазма; 6 - дендриты; 7 - митохондрии; 8 - ядрышко; 9 - миелиновая оболочка; 10 - перехват Ранвье; 11 - окончание аксона

Нейроглия

Нейроглия , или глия , - совокупность клеточных элементов нервной ткани, образованная специализированными клетками различной формы.

Она обнаружена Р. Вирховым и названа им нейроглией, что обозначает «нервный клей». Клетки нейроглии заполняют пространство между нейронами, составляя 40% от объема мозга. Глиальные клетки по размеру в 3-4 раза меньше нервных клеток; число их в ЦНС млекопитающих достигает 140 млрд. С возрастом у человека в мозге число нейронов уменьшается, а число глиальных клеток увеличивается.

Установлено, что нейроглия имеет отношение к обмену веществ в нервной ткани. Некоторые клетки нейроглии выделяют вещества, влияющие на состояние возбудимости нейронов. Отмечено, что при различных психических состояниях изменяется секреция этих клеток. С функциональным состоянием нейроглии связывают длительные следовые процессы в ЦНС.

Виды глиальных клеток

По характеру строения глиальных клеток и их расположению в ЦНС выделяют:

• астроциты (астроглия);
• олигодендроциты (олигодендроглия);
• микроглиальные клетки (микроглия);
• шванновские клетки.

Глиальные клетки выполняют опорную и защитную функции для нейронов. Они входят в структуру. Астроциты являются самыми многочисленными глиальными клетками, заполняющими пространства между нейронами и покрывающими. Они предотвращают распространение в ЦНС нейромедиаторов, диффундирующих из синаптической щели. В астроцитов имеются рецепторы к нейромедиаторам, активация которых может вызывать колебания мембранной разности потенциалов и изменения метаболизма астроцитов.

Астроциты плотно окружают капилляры кровеносных сосудов мозга, располагаясь между ними и нейронами. На этом основании предполагают, что астроциты играют важную роль в метаболизме нейронов, регулируя проницаемость капилляров для определенных веществ .

Одной из важных функций астроцитов является их способность поглотать избыток ионов К+, которые могут накапливаться в межклеточном пространстве при высокой нейронной активности. В областях плотного прилегания астроцитов формируются каналы щелевых контактов, через которые астроциты могут обмениваться различными ионами небольшого размера и, в частности, ионами К+ Это увеличивает возможности поглощения ими ионов К+ Неконтролируемое накопление ионов К+ в межнейронном пространстве приводило бы к повышению возбудимости нейронов. Тем самым астроциты, поглощая избыток ионов К+ из интерстициальной жидкости, предотвращают повышение возбудимости нейронов и формирование очагов повышенной нейронной активности. Появление таких очагов в мозге человека может сопровождаться тем, что их нейроны генерируют серии нервных импульсов, которые называют судорожными разрядами.

Астроциты принимают участие в удалении и разрушении нейромедиаторов, поступающих во внесинаптические пространства. Тем самым они предотвращают накопление в межнейрональных пространствах нейромедиаторов, которое могло бы привести к нарушению функций мозга.

Нейроны и астроциты разделены межклеточными щелями 15-20 мкм, называемыми интерстициальным пространством. Интерстициальные пространства занимают до 12-14% объема мозга. Важным свойством астроцитов является их способность поглощать из внеклеточной жидкости этих пространств СО2, и тем самым поддерживать стабильной рН мозга .

Астроциты участвуют в формировании поверхностей раздела между нервной тканью и сосудами мозга, нервной тканью и оболочками мозга в процессе роста и развития нервной ткани.

Олигодендроциты характеризуются наличием небольшого числа коротких отростков. Одной из их основных функций является формирование миелиновой оболочки нервных волокон в пределах ЦНС . Эти клетки располагаются также в непосредственной близости от тел нейронов, но функциональное значение этого факта неизвестно.

Клетки микроглии составляют 5-20% от общего количества глиальных клеток и рассеяны по всей ЦНС. Установлено, что антигены их поверхности идентичны антигенам моноцитов крови. Это свидетельствует об их происхождении из мезодермы, проникновении в нервную ткань во время эмбрионального развития и последующей трансформации в морфологически распознаваемые клетки микроглии. В связи с этим принято считать, что важнейшей функцией микроглии является защита мозга. Показано, что при повреждении нервной ткани в ней возрастает число фагоцитирующих клеток за счет макрофагов крови и активации фагоцитарных свойств микроглии. Они удаляют погибшие нейроны, глиальные клетки и их структрурные элементы, фагоцитируют инородные частицы.

Шванновские клетки формируют миелиновую оболочку периферических нервных волокон за пределами ЦНС. Мембрана этой клетки многократно обертывается вокруг, и толщина образующейся миелиновой оболочки может превысить диаметр нервного волокна. Длина миелинизированных участков нервного волокна составляет 1-3 мм. В промежутках между ними (перехваты Ранвье) нервное волокно остается покрытым только поверхностной мембраной, обладающей возбудимостью.

Одним из важнейших свойств миелина является его высокое сопротивление электрическому току. Оно обусловлено высоким содержанием в миелине сфингомиелина и других фосфолипидов, придающих ему токоизолирующие свойства. На участках нервного волокна, покрытых миелином, процесс генерации нервных импульсов невозможен. Нервные импульсы генерируются только на мембране перехватов Ранвье, что обеспечивает более высокую скорость проведения нервных импульсов но миелинизированным нервным волокнам в сравнении с немиелинизированными.

Известно, что структура миелина может легко нарушаться при инфекционных, ишемических, травматических, токсических повреждениях нервной системы. При этом развивается процесс демиелинизации нервных волокон. Особенно часто демиелинизация развивается при заболевании рассеянным склерозом. В результате демиелинизации скорость проведения нервных импульсов по нервным волокнам уменьшается, скорость доставки в мозг информации от рецепторов и от нейронов к исполнительным органам падает. Это может вести к нарушениям сенсорной чувствительности, нарушениям движений, регуляции работы внутренних органов и другим тяжелым последствиям.

Структура и функции нейронов

Нейрон (нервная клетка) является структурной и функциональной единицей.

Анатомическая структура и свойства нейрона обеспечивают выполнение его основных функций : осуществление метаболизма, получение энергии, восприятие различных сигналов и их обработка, формирование или участие в ответных реакциях, генерация и проведение нервных импульсов, объединение нейронов в нейронные цепи, обеспечивающие как простейшие рефлекторные реакции, так и высшие интегративные функции мозга.

Нейроны состоят из тела нервной клетки и отростков - аксона и дендритов.

Рис. 2. Строение нейрона

Тело нервной клетки

Тело (перикарион, сома) нейрона и его отростки на всем протяжении покрыты нейрональной мембраной. Мембрана тела клетки отличается от мембраны аксона и дендритов содержанием различных, рецепторов, наличием на ней.

В теле нейрона расположена нейроплазма и отграниченные от нее мембранами ядро, шероховатый и гладкий эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, митохондрии. В хромосомах ядра нейронов содержится набор генов, кодирующих синтез белков, необходимых для формирования структуры и осуществления функций тела нейрона, его отростков и синапсов. Это белки, выполняющие функции ферментов, переносчиков, ионных каналов, рецепторов и др. Некоторые белки выполняют функции, находясь в нейроплазме, другие - встраиваясь в мембраны органелл, сомы и отростков нейрона. Часть из них, например ферменты, необходимые для синтеза нейромедиаторов, путем аксонального транспорта доставляются в аксонную терминаль. В теле клетки синтезируются пептиды, необходимые для жизнедеятельности аксонов и дендритов (например, ростовые факторы). Поэтому при повреждении тела нейрона его отростки дегенерируют, разрушаются. Если же тело нейрона сохранено, а поврежден отросток, то происходит его медленное восстановление (регенерация) и восстановление иннервации денервированных мышц или органов.

Местом синтеза белков в телах нейронов является шероховатый эндоплазматический ретикулум (тигроидные гранулы или тела Ниссля) или свободные рибосомы. Содержание их в нейронах выше, чем в глиальных или других клетках организма. В гладком эндоплазматическом ретикулуме и аппарате Гольджи белки приобретают свойственную им пространственную конформацию, сортируются и направляются в транспортные потоки к структурам тела клетки, дендритов или аксона.

В многочисленных митохондриях нейронов в результате процессов окислительного фосфорилирования образуется АТФ, энергия которой используется для поддержания жизнедеятельности нейрона, работы ионных насосов и поддержания асимметрии ионных концентраций но обе стороны мембраны. Следовательно, нейрон находится в постоянной готовности не только к восприятию различных сигналов, но и к ответной реакции на них - генерации нервных импульсов и их использованию для управления функциями других клеток.

В механизмах восприятия нейронами различных сигналов принимают участие молекулярные рецепторы мембраны тела клетки, сенсорные рецепторы, образованные дендритами, чувствительные клетки эпителиального происхождения. Сигналы от других нервных клеток могут поступать к нейрону через многочисленные синапсы, образованные на дендритах или на геле нейрона.

Дендриты нервной клетки

Дендриты нейрона формируют дендритное дерево, характер ветвления и размер которого зависят от числа синаптических контактов с другими нейронами (рис. 3). На дендритах нейрона имеются тысячи синапсов, образованных аксонами или дендритами других нейронов.

Рис. 3. Синаптические контакты интернейрона. Стрелками слева показано поступление афферентных сигналов к дендритам и телу интернейрона, справа - направление распространения эфферентных сигналов интернейрона к другим нейронам

Синапсы могут быть гетерогенными как по функции (тормозные, возбуждающие), так и по типу используемого нейромедиатора. Мембрана дендритов, участвующая в образовании синапсов, является их постсинаптической мембраной, в которой содержатся рецепторы (лигандзависимые ионные каналы) к нейромедиатору, используемому в данном синапсе.

Возбуждающие (глутаматергические) синапсы располагаются преимущественно на поверхности дендритов, где имеются возвышения, или выросты (1-2 мкм), получившие название шипиков. В мембране шипиков имеются каналы, проницаемость которых зависит от трансмембранной разности потенциалов. В цитоплазме дендритов в области шипиков обнаружены вторичные посредники внутриклеточной передачи сигналов, а также рибосомы, на которых синтезируется белок в ответ на поступление синаптических сигналов. Точная роль шипиков остается неизвестной, но очевидно, что они увеличивают площадь поверхности дендритного дерева для образования синапсов. Шипики являются также структурами нейрона для получения входных сигналов и их обработки. Дендриты и шипики обеспечивают передачу информации от периферии к телу нейрона. Мембрана дендритов в покос поляризована благодаря асимметричному распределению минеральных ионов, работе ионных насосов и наличию в ней ионных каналов. Эти свойства лежат в основе передачи по мембране информации в виде локальных круговых токов (электротонически), которые возникают между постсинаптическими мембранами и граничащими с ними участками мембраны дендрита.

Локальные токи при их распространении по мембране дендрита затухают, но оказываются достаточными по величине для передачи на мембрану тела нейрона сигналов, поступивших через синаптические входы к дендритам. В мембране дендритов пока не выявлено потенциалзависимых натриевых и калиевых каналов. Она не обладает возбудимостью и способностью генерировать потенциалы действия. Однако известно, что по ней может распространяться потенциал действия, возникающий на мембране аксонного холмика. Механизм этого явления неизвестен.

Предполагается, что дендриты и шипики являются частью нейронных структур, участвующих в механизмах памяти. Количество шипиков особенно велико в дендритах нейронов коры мозжечка, базальных ганглиев, коры мозга. Площадь дендритного дерева и число синапсов уменьшаются в некоторых полях коры мозга пожилых людей.

Аксон нейрона

Аксон - отросток нервной клетки, не встречающийся в других клетках. В отличие от дендритов, число которых у нейрона различно, аксон у всех нейронов один. Его длина может достигать до 1,5 м. В месте выхода аксона из тела нейрона имеется утолщение - аксонный холмик, покрытый плазматической мембраной, которая вскоре покрывается миелином. Участок аксонного холмика, непокрытый миелином, называют начальным сегментом. Аксоны нейронов вплоть до своих конечных разветвлений покрыты миелиновой оболочкой, прерываемой перехватами Ранвье - микроскопическими безмиелиновыми участками (около 1 мкм).

На всем протяжении аксон (миелинизированного и немиелинизированного волокна) покрыт бислойной фосфолипидной мембраной со встроенными в нее белковыми молекулами, которые выполняют функции транспорта ионов, потенциалзависимых ионных каналов и др. Белки распределены равномерно в мембране немиелинизированного нервного волокна, а в мембране миелинизированного нервного волокна они располагаются преимущественно в области перехватов Ранвье. Поскольку в аксоплазме нет шероховатого ретикулума и рибосом, то очевидно, что эти белки синтезируются в теле нейрона и доставляются в мембрану аксона посредством аксонального транспорта.

Свойства мембраны, покрывающей тело и аксон нейрона , различны. Это различие касается прежде всего проницаемости мембраны для минеральных ионов и обусловлено содержанием различных типов. Если в мембране тела и дендритов нейрона превалирует содержание лигандзависимых ионных каналов (в том числе постсинаптических мембран), то в мембране аксона, особенно в области перехватов Ранвье, имеется высокая плотность потенциалзависимых натриевых и калиевых каналов.

Наименьшей величиной поляризации (около 30 мВ) обладает мембрана начального сегмента аксона. В более удаленных от тела клетки участках аксона величина трансмембранного потенциала составляет около 70 мВ. Низкая величина поляризации мембраны начального сегмента аксона обусловливает то, что в этой области мембрана нейрона обладает наибольшей возбудимостью. Именно сюда и распространяются по мембране тела нейрона с помощью локальных круговых электрических токов постсинаптические потенциалы, возникшие на мембране дендритов и тела клетки в результате преобразования в синапсах информационных сигналов, поступивших к нейрону. Если эти токи вызовут деполяризацию мембраны аксонного холмика до критического уровня (Е к), то нейрон ответит на поступление к нему сигналов от других нервных клеток генерацией своего потенциала действия (нервного импульса). Возникший нервный импульс далее проводится по аксону к другим нервным, мышечным или железистым клеткам.

На мембране начального сегмента аксона имеются шипики, на которых образуются ГАМК-ергические тормозные синапсы. Поступление сигналов по этим от других нейронов может предотвращать генерацию нервного импульса.

Классификация и виды нейронов

Классификация нейронов проводится как по морфологическим, так и по функциональным признакам.

По количеству отростков различают мультиполярные, биполярные и псевдоуниполярные нейроны.

По характеру связей с другими клетками и выполняемой функции различают сенсорные, вставочные и двигательные нейроны. Сенсорные нейроны называют также афферентными нейронами, а их отростки - центростремительными. Нейроны, выполняющие функцию передачи сигналов между нервными клетками, называют вставочными , или ассоциативными. Нейроны, аксоны которых образуют синапсы на эффекторных клетках (мышечных, железистых), относят к двигательным, или эфферентным , их аксоны называют центробежными.

Афферентные (чувствительные) нейроны воспринимают информацию сенсорными рецепторами, преобразуют ее в нервные импульсы и проводят к головного и спинного мозга. Тела чувствительных нейронов находятся в спинальных и черепно-мозговых. Это псевдоуниполярные нейроны, аксон и дендрит которых отходят от тела нейрона вместе и затем разделяются. Дендрит следует на периферию к органам и тканям в составе чувствительных или смешанных нервов, а аксон в составе задних корешков входит в дорсальные рога спинного мозга или в составе черепных нервов - в головной мозг.

Вставочные , или ассоциативные, нейроны выполняют функции переработки поступающей информации и, в частности, обеспечивают замыкание рефлекторных дуг . Тела этих нейронов располагаются в сером веществе головного и спинного мозга.

Эфферентные нейроны также выполняют функцию переработки поступившей информации и передачи эфферентных нервных импульсов от головного и спинного мозга к клеткам исполнительных (эффекторных) органов.

Интегративная деятельность нейрона

Каждый нейрон получает огромное количество сигналов через многочисленные синапсы, расположенные на его дендритах и теле, а также через молекулярные рецепторы плазматических мембран, цитоплазмы и ядра. В передаче сигналов используется множество различных типов нейромедиаторов, нейромодуляторов и других сигнальных молекул. Очевидно, что для формирования ответной реакции на одновременное поступление множества сигналов, нейрон должен обладать способностью их интегрировать.

Совокупность процессов, обеспечивающих обработку поступающих сигналов и формирование на них ответной реакции нейрона, входит в понятие интегративной деятельности нейрона.

Восприятие и обработка сигналов, поступающих к нейрону, осуществляется при участии дендритов, тела клетки и аксонного холмика нейрона (рис. 4).

Рис. 4. Интеграция сигналов нейроном.

Одним из вариантов их обработки и интеграции (суммирования) является преобразование в синапсах и суммирование постсинаптических потенциалов на мембране тела и отростков нейрона. Воспринятые сигналы преобразуются в синапсах в колебание разности потенциалов постсинаптической мембраны (постсинаптические потенциалы). В зависимости от типа синапса полученный сигнал может быть преобразован в небольшое (0,5-1,0 мВ) деполяризующее изменение разности потенциалов (ВПСП - синапсы на схеме изображены в виде светлых кружков) либо гиперполяризующее (ТПСП - синапсы на схеме изображены в виде черных кружков). К разным точкам нейрона могут поступать одновременно множество сигналов, часть из которых трансформируется в ВПСП, а другие - в ТПСП.

Эти колебания разности потенциалов распространяются с помощью локальных круговых токов по мембране нейрона в направлении аксонного холмика в виде волн деполяризации (на схеме белого цвета) и гиперполяризации (на схеме черного цвета), накладывающихся друг на друга (на схеме участки серого цвета). При этом наложении амплитуды волны одного направления суммируются, а противоположных - уменьшаются (сглаживаются). Такое алгебраическое суммирование разности потенциалов на мембране получило название пространственного суммирования (рис. 4 и 5). Результатом этого суммирования может быть либо деполяризация мембраны аксонного холмика и генерация нервного импульса (случаи 1 и 2 на рис. 4), либо ее гиперполяризация и предотвращение возникновения нервного импульса (случаи 3 и 4 на рис. 4).

Для того чтобы сместить разность потенциалов мембраны аксонного холмика (около 30 мВ) до Е к, ее надо деполяризовать на 10-20 мВ. Это приведет к открытию имеющихся в ней потенциалзависимых натриевых каналов и генерации нервного импульса. Поскольку при поступлении одного ПД и его преобразовании в ВПСП деполяризация мембраны может достигать до 1 мВ, а се распространение к аксонному холмику идет с затуханием, то для генерации нервного импульса требуетсяодновременное поступление к нейрону через возбуждающие синапсы 40-80 нервных импульсов от других нейронов и суммирование такого же количества ВПСП.

Рис. 5. Пространственная и временная суммация ВПСП нейроном; а - BПСП на одиночный стимул; и - ВПСП на множественную стимуляцию от разных афферентов; в - ВПСП на частую стимуляцию через одиночное нервное волокно

Если в это время к нейрону поступит некоторое количество нервных импульсов через тормозные синапсы, то его активация и генерация ответного нервного импульса будет возможной при одновременном увеличении поступления сигналов через возбуждающие синапсы. В условиях, когда сигналы, поступающие через тормозные синапсы вызовут гиперполяризацию мембраны нейрона, равную или превышающую по величине деполяризацию, вызванную сигналами, поступающими через возбуждающие синапсы, деполяризация мембраны аксонного холмика будет невозможна, нейрон не будет генерировать нервные импульсы и станет неактивным.

Нейрон осуществляет также временное суммирование сигналов ВПСП и ТПСП, поступающих к нему почти одновременно (см. рис. 5). Вызываемые ими изменения разности потенциалов в околосинаптических областях также могут алгебраически суммироваться, что и получило название временного суммирования.

Таким образом, каждый генерируемый нейроном нервный импульс, равно как и период молчания нейрона, заключает информацию, поступившую от множества других нервных клеток. Обычно чем выше частота поступающих к нейрону сигналов от других клеток, тем с большей частотой он генерирует ответные нервные импульсы, посылаемые им по аксону к другим нервным или эффекторным клеткам.

В силу того что в мембране тела нейрона и даже его дендритов имеются (хотя и в небольшом числе) натриевые каналы, потенциал действия, возникший на мембране аксонного холмика, может распространяться на тело и некоторую часть дендритов нейрона. Значение этого явления недостаточно ясно, но предполагается, что распространяющийся потенциал действия на мгновение сглаживает все имевшиеся на мембране локальные токи, обнуляет потенциалы и способствует более эффективному восприятию нейроном новой информации.

В преобразовании и интеграции сигналов, поступающих к нейрону, принимают участие молекулярные рецепторы. При этом их стимуляция сигнальными молекулами может вести через инициированные (G-белками, вторыми посредниками) изменения состояния ионных каналов, трансформации воспринятых сигналов в колебание разности потенциалов мембраны нейрона, суммированию и формированию ответной реакции нейрона в виде генерации нервного импульса или его торможению.

Преобразование сигналов метаботропными молекулярными рецепторами нейрона сопровождается его ответом в виде запуска каскада внутриклеточных превращений. Ответной реакцией нейрона в этом случае может быть ускорение общего метаболизма, увеличение образования АТФ, без которых невозможно повышение его функциональной активности . С использованием этих механизмов нейрон интегрирует полученные сигналы для улучшения эффективности своей собственной деятельности.

Внутриклеточные превращения в нейроне, инициированные полученными сигналами, часто ведут к усилению синтеза белковых молекул, выполняющих в нейроне функции рецепторов, ионных каналов, переносчиков. Увеличивая их количество, нейрон приспосабливается к характеру поступающих сигналов, усиливая чувствительность к более значимым из них и ослабляя - к менее значимым.

Получение нейроном ряда сигналов может сопровождаться экспрессией или репрессией некоторых генов, например контролирующих синтез нейромодуляторов пептидной природы. Поскольку они доставляются в аксонные терминали нейрона и используются в них для усиления или ослабления действия его нейромедиаторов на другие нейроны, то нейрон в ответ на полученные им сигналы может в зависимости от получаемой информации оказывать более сильное или более слабое влияние на контролируемые им другие нервные клетки. С учетом того что модулирующее действие нейропептидов способно продолжаться в течение длительного времени, влияние нейрона на другие нервные клетки также может продолжаться долго.

Таким образом, благодаря способности интегрировать различные сигналы нейрон может тонко реагировать на них широким спектром ответных реакций, позволяющих эффективно приспосабливаться к характеру поступающих сигналов и использовать их для регуляции функций других клеток.

Нейронные цепи

Нейроны ЦНС взаимодействуют друг с другом, образуя в месте контакта разнообразные синапсы. Возникающие при этом нейронные пени многократно увеличивают функциональные возможности нервной системы. К наиболее распространенным нейронным цепям относят: локальные, иерархические, конвергентные и дивергентные нейронные цепи с одним входом (рис. 6).

Локальные нейронные цепи образуются двумя или большим числом нейронов. При этом один из нейронов (1) отдаст свою аксонную коллатераль нейрону (2), образуя на его теле аксосоматический синапс, а второй - образует аксоном синапс на теле первого нейрона. Локальные могут выполнять функцию ловушек, в которых нервные импульсы способны длительно циркулировать по кругу, образованному несколькими нейронами.

Возможность длительной циркуляции однажды возникшей волны возбуждения (нервного импульса) за счет передачи но кольцевой структуре, экспериментально показал профессор И.А. Ветохин в опытах на нервном кольце медузы.

Круговая циркуляция нервных импульсов по локальным нейронным цепям выполняет функцию трансформации ритма возбуждений, обеспечивает возможность длительного возбуждения после прекращения поступления к ним сигналов, участвует в механизмах запоминания поступающей информации.

Локальные цепи могут выполнять также тормозную функцию. Примером ее является возвратное торможение, которое реализуется в простейшей локальной нейронной цепи спинного мозга, образуемой а-мотонейроном и клеткой Реншоу.

Рис. 6. Простейшие нейронные цепи ЦНС. Описание в тексте

При этом возбуждение, возникшее в мотонейроне, распространяется по ответвлению аксона, активирует клетку Реншоу, которая тормозит а-мотонейрон.

Конвергентные цепи образуются несколькими нейронами, на один из которых (обычно эфферентный) сходятся или конвергируют аксоны ряда других клеток. Такие цепи широко распространены в ЦНС. Например, на пирамидные нейроны первичной моторной коры конвергируют аксоны многих нейронов чувствительных полей коры. На моторные нейроны вентральных рогов спинного мозга конвергируют аксоны тысяч чувствительных и вставочных нейронов различных уровней ЦНС. Конвергентные цепи играют важную роль в интеграции сигналов эфферентными нейронами и осуществлении координации физиологических процессов.

Дивергентные цепи с одним входом образуются нейроном с ветвящимся аксоном, каждая из ветвей которого образует синапс с другой нервной клеткой. Эти цепи выполняют функции одновременной передачи сигналов от одного нейрона на многие другие нейроны. Это достигается за счет сильного ветвления (образования нескольких тысяч веточек) аксона. Такие нейроны часто встречаются в ядрах ретикулярной формации ствола мозга. Они обеспечивают быстрое повышение возбудимости многочисленных отделов мозга и мобилизацию его функциональных резервов.

С моим видением того как работает мозг и каковы возможные пути создания искусственного интеллекта. За прошедшее с тех пор время удалось существенно продвинуться вперед. Что-то получилось глубже понять, что-то удалось смоделировать на компьютере. Что приятно, появились единомышленники, активно участвующие в работе над проектом.

В настоящем цикле статей планируется рассказать о той концепции интеллекта над которой мы сейчас работаем и продемонстрировать некоторые решения, являющиеся принципиально новыми в сфере моделирования работы мозга. Но чтобы повествование было понятным и последовательным оно будет содержать не только описание новых идей, но и рассказ о работе мозга вообще. Какие-то вещи, особенно в начале, возможно покажутся простыми и общеизвестными, но я бы советовал не пропускать их, так как они во многом определяют общую доказательность повествования.

Общее представление о мозге

Нервные клетки, они же нейроны, вместе со своими волокнами, передающими сигналы, образуют нервную систему. У позвоночных основная часть нейронов сосредоточена в полости черепа и позвоночном канале. Это называется центральной нервной системой. Соответственно, выделяют головной и спинной мозг как ее составляющие.

Спинной мозг собирает сигналы от большинства рецепторов тела и передает их в головной мозг. Через структуры таламуса они распределяются и проецируются на кору больших полушарий головного мозга.

Кроме больших полушарий обработкой информации занимается еще и мозжечок, который, по сути, является маленьким самостоятельным мозгом. Мозжечок обеспечивает точную моторику и координацию всех движений.

Зрение, слух и обоняние обеспечивают мозг потоком информации о внешнем мире. Каждая из составляющих этого потока, пройдя по своему тракту, также проецируется на кору. Кора – это слой серого вещества толщиной от 1.3 до 4.5 мм, составляющий наружную поверхность мозга. За счет извилин, образованных складками, кора упакована так, что занимает в три раза меньшую площадь, чем в расправленном виде. Общая площадь коры одного полушария – приблизительно 7000 кв.см.

В итоге все сигналы проецируются на кору. Проекция осуществляется пучками нервных волокон, которые распределяются по ограниченным областям коры. Участок, на который проецируется либо внешняя информация, либо информация с других участков мозга образует зону коры. В зависимости от того, какие сигналы на такую зону поступают, она имеет свою специализацию. Различают моторную зону коры, сенсорную зону, зоны Брока, Вернике, зрительные зоны, затылочную долю, всего около сотни различных зон.

В вертикальном направлении кору принято делить на шесть слоев. Эти слои не имеют четких границ и определяются по преобладанию того или иного типа клеток. В различных зонах коры эти слои могут быть выражены по-разному, сильнее или слабее. Но, в общем и целом, можно говорить о том, что кора достаточно универсальна, и предполагать, что функционирование разных ее зон подчиняется одним и тем же принципам.

Слои коры

По афферентным волокнам сигналы поступают в кору. Они попадают на III, IV уровень коры, где распределяются по близлежащим к тому месту, куда попало афферентное волокно, нейронам. Большая часть нейронов имеет аксонные связи в пределах своего участка коры. Но некоторые нейроны имеют аксоны, выходящие за ее пределы. По этим эфферентным волокнам сигналы идут либо за пределы мозга, например, к исполнительным органам, или проецируются на другие участки коры своего или другого полушария. В зависимости от направления передачи сигналов эфферентные волокна принято делить на:

• ассоциативные волокна, которые связывают отдельные участки коры одного полушария;
• комиссуральные волокна, которые соединяют кору двух полушарий;
• проекционные волокна, которые соединяют кору с ядрами низших отделов центральной нервной системы.

Если взять направление, перпендикулярное поверхности коры, то замечено, что нейроны, располагающиеся вдоль этого направления, реагируют на схожие стимулы. Такие вертикально расположенные группы нейронов, принято называть кортикальными колонками.

Можно представить себе кору головного мозга как большое полотно, раскроенное на отдельные зоны. Картина активности нейронов каждой из зон кодирует определенную информацию. Пучки нервных волокон, образованные аксонами, выходящими за пределы своей зоны коры, формируют систему проекционных связей. На каждую из зон проецируется определенная информация. Причем на одну зону может поступать одновременно несколько информационных потоков, которые могут приходить как с зон своего, так и противоположного полушария. Каждый поток информации похож на своеобразную картинку, нарисованную активностью аксонов нервного пучка. Функционирование отдельной зоны коры – это получение множества проекций, запоминание информации, ее переработка, формирование собственной картины активности и дальнейшая проекция информации, получившейся в результате работы этой зоны.

Существенный объем мозга – это белое вещество. Оно образовано аксонами нейронов, создающими те самые проекционные пути. На рисунке ниже белое вещество можно увидеть как светлое заполнение между корой и внутренними структурам мозга.

Распределение белого вещества на фронтальном срезе мозга

Используя диффузную спектральную МРТ, удалось отследить направление отдельных волокон и построить трехмерную модель связанности зон коры (проект Connectomics (Коннектом)).

Представление о структуре связей хорошо дают рисунки ниже (Van J. Wedeen, Douglas L. Rosene, Ruopeng Wang, Guangping Dai, Farzad Mortazavi, Patric Hagmann, Jon H. Kaas, Wen-Yih I. Tseng, 2012).

Вид со стороны левого полушария

Вид сзади

Вид справа

Кстати, на виде сзади отчетливо видна асимметрия проекционных путей левого и правого полушария. Эта асимметрия во многом и определяет различия в тех функциях, которые приобретают полушария по мере их обучения.

Нейрон

Основа мозга – нейрон. Естественно, что моделирование мозга с помощью нейронных сетей начинается с ответа на вопрос, каков принцип его работы.

В основе работы реального нейрона лежат химические процессы. В состоянии покоя между внутренней и внешней средой нейрона существует разность потенциалов – мембранный потенциал, составляющий около 75 милливольт. Он образуется за счет работы особых белковых молекул, работающих как натрий-калиевые насосы. Эти насосы за счет энергии нуклеотида АТФ гонят ионы калия внутрь, а ионы натрия - наружу клетки. Поскольку белок при этом действует как АТФ-аза, то есть фермент, гидролизующий АТФ, то он так и называется - «натрий-калиевая АТФ-аза». В результате нейрон превращается в заряженный конденсатор с отрицательным зарядом внутри и положительным снаружи.

Схема нейрона (Mariana Ruiz Villarreal)

Поверхность нейрона покрыта ветвящимися отростками – дендритами. К дендритам примыкают аксонные окончания других нейронов. Места их соединений называются синапсами. Посредством синаптического взаимодействия нейрон способен реагировать на поступающие сигналы и при определенных обстоятельствах генерировать собственный импульс, называемый спайком.

Передача сигнала в синапсах происходит за счет веществ, называемых нейромедиаторами. Когда нервный импульс по аксону поступает в синапс, он высвобождает из специальных пузырьков молекулы нейромедиатора, характерные для этого синапса. На мембране нейрона, получающего сигнал, есть белковые молекулы – рецепторы. Рецепторы взаимодействуют с нейромедиаторами.

Химический синапс

Рецепторы, расположенные в синаптической щели, являются ионотропными. Это название подчеркивает тот факт, что они же являются ионными каналами, способными перемещать ионы. Нейромедиаторы так воздействуют на рецепторы, что их ионные каналы открываются. Соответственно, мембрана либо деполяризуется, либо гиперполяризуется – в зависимости от того, какие каналы затронуты и, соответственно, какого типа этот синапс. В возбуждающих синапсах открываются каналы, пропускающие катионы внутрь клетки, - мембрана деполяризуется. В тормозных синапсах открываются каналы, проводящие анионы, что приводит к гиперполяризации мембраны.

В определенных обстоятельствах синапсы могут менять свою чувствительность, что называется синаптической пластичностью. Это приводит к тому, что синапсы одного нейрона приобретают различную между собой восприимчивость к внешним сигналам.

Одновременно на синапсы нейрона поступает множество сигналов. Тормозящие синапсы тянут потенциал мембраны в сторону накопления заряда внутри клети. Активирующие синапсы, наоборот, стараются разрядить нейрон (рисунок ниже).

Возбуждение (A) и торможение (B) ганглиозной клетки сетчатки (Николлс Дж., Мартин Р., Валлас Б., Фукс П., 2003)

Когда суммарная активность превышает порог инициации, возникает разряд, называемый потенциалом действия или спайком. Спайк – это резкая деполяризация мембраны нейрона, которая и порождает электрический импульс. Весь процесс генерации импульса длится порядка 1 миллисекунды. При этом ни продолжительность, ни амплитуда импульса не зависят от того, насколько были сильны вызвавшие его причины (рисунок ниже).

Регистрация потенциала действия ганглиозной клетки (Николлс Дж., Мартин Р., Валлас Б., Фукс П., 2003)

После спайка ионные насосы обеспечивают обратный захват нейромедиатора и расчистку синаптической щели. В течение рефрактерного периода, наступающего после спайка, нейрон не способен порождать новые импульсы. Продолжительность этого периода определяет максимальную частоту генерации, на которую способен нейрон.

Спайки, которые возникают как следствие активности на синапсах, называют вызванными. Частота следования вызванных спайков кодирует то, насколько хорошо поступающий сигнал соответствует настройке чувствительности синапсов нейрона. Когда поступающие сигналы приходятся именно на чувствительные синапсы, активирующие нейрон, и этому не мешают сигналы, приходящие на тормозные синапсы, то реакция нейрона максимальна. Образ, который описывается такими сигналами, называют характерным для нейрона стимулом.

Конечно, представление о работе нейронов не стоит излишне упрощать. Информация между некоторыми нейронами может передаваться не только спайками, но и за счет каналов, соединяющих их внутриклеточное содержимое и передающих электрический потенциал напрямую. Такое распространение называется градуальным, а само соединение называется электрическим синапсом. Дендриты в зависимости от расстояния до тела нейрона делятся на проксимальные (близкие) и дистальные (удаленные). Дистальные дендриты могут образовывать секции, работающие как полуавтономные элементы. Помимо синаптических путей возбуждения есть внесинаптические механизмы, вызывающие метаботропные спайки. Кроме вызванной активности существует еще и спонтанная активность. И наконец, нейроны мозга окружены глиальными клетками, которые также оказывают существенное влияние на протекающие процессы.

Долгий путь эволюции создал множество механизмов, которые используются мозгом в своей работе. Некоторые из них могут быть поняты сами по себе, смысл других становится ясен только при рассмотрении достаточно сложных взаимодействий. Поэтому не стоит воспринимать сделанное выше описание нейрона как исчерпывающее. Чтобы перейти к более глубоким моделям, нам необходимо сначала разобраться с «базовыми» свойствами нейронов.

В 1952 году Аланом Ллойдом Ходжкином и Эндрю Хаксли были сделаны описания электрических механизмов, которые определяют генерацию и передачу нервного сигнала в гигантском аксоне кальмара (Hodgkin, 1952). Что было оценено Нобелевской премией в области физиологии и медицины в 1963 году. Модель Ходжкина – Хаксли описывает поведение нейрона системой обыкновенных дифференциальных уравнений. Эти уравнения соответствуют автоволновому процессу в активной среде. Они учитывают множество компонент, каждая из которых имеет свой биофизический аналог в реальной клетке (рисунок ниже). Ионные насосы соответствуют источнику тока I p . Внутренний липидный слой клеточной мембраны образует конденсатор с емкостью C m . Ионные каналы синаптических рецепторов обеспечивают электрическую проводимость g n , которая зависит от подаваемых сигналов, меняющихся со временем t, и общей величины мембранного потенциала V. Ток утечки мембранных пор создает проводник g L . Движение ионов по ионным каналам происходит под действием электрохимических градиентов, которым соответствуют источники напряжения с электродвижущей силой E n и E L .

Основные компоненты модели Ходжкина - Хаксли

Естественно, что при создании нейронных сетей возникает желание упростить модель нейрона, оставив в ней только самые существенные свойства. Наиболее известная и популярная упрощенная модель – это искусственный нейрон Маккалока - Питтса, разработанный в начале 1940-х годов (Маккалох Дж., Питтс У., 1956).


Формальный нейрон Маккалока - Питтса

На входы такого нейрона подаются сигналы. Эти сигналы взвешенно суммируются. Далее к этой линейной комбинации применяется некая нелинейная функция активации, например, сигмоидальная. Часто как сигмоидальную используют логистическую функцию:


Логистическая функция

В этом случае активность формального нейрона записывается как

В итоге такой нейрон превращается в пороговый сумматор. При достаточно крутой пороговой функции сигнал выхода нейрона – либо 0, либо 1. Взвешенная сумма входного сигнала и весов нейрона – это свертка двух образов: образа входного сигнала и образа, описываемого весами нейрона. Результат свертки тем выше, чем точнее соответствие этих образов. То есть нейрон, по сути, определяет, насколько подаваемый сигнал похож на образ, записанный на его синапсах. Когда значение свертки превышает определенный уровень и пороговая функция переключается в единицу, это можно интерпретировать как решительное заявление нейрона о том, что он узнал предъявляемый образ.

Реальные нейроны действительно неким образом похожи на нейроны Маккалока - Питтса. Амплитуды их спайков не зависит от того, какие сигналы на синапсах их вызвали. Спайк, либо есть, либо его нет. Но реальные нейроны реагируют на стимул не единичным импульсом, а импульсной последовательностью. При этом частота импульсов тем выше, чем точнее узнан характерный для нейрона образ. Это означает, что если мы построим нейронную сеть из таких пороговых сумматоров, то она при статичном входном сигнале хотя и даст какой-то выходной результат, но этот результат будет далек от воспроизведения того, как работают реальные нейроны. Для того чтобы приблизить нейронную сеть к биологическому прототипу, нам понадобится моделировать работу в динамике, учитывая временные параметры и воспроизводя частотные свойства сигналов.

Но можно пойти и другим путем. Например, можно выделить обобщенную характеристику активности нейрона, которая соответствует частоте его импульсов, то есть количеству спайков за определенный промежуток времени. Если перейти к такому описанию, то можно представить нейрон как простой линейный сумматор.

Линейный сумматор

Сигналы выхода и, соответственно, входа для таких нейронов уже не являются дихатомичными (0 или 1), а выражаются некой скалярной величиной. Функция активации тогда записывается как

Линейный сумматор не стоит воспринимать как что-то принципиально иное по сравнению с импульсным нейроном, просто он позволяет при моделировании или описании перейти к более длинным временным интервалам. И хотя импульсное описание более корректно, переход к линейному сумматору во многих случаях оправдан сильным упрощением модели. Более того, некоторые важные свойства, которые трудно разглядеть в импульсном нейроне, вполне очевидны для линейного сумматора.

Бытует миф, что нервные клетки не восстанавливаются. Этим принято объяснять ослабление когнитивных функции у людей старшего возраста. Однако недавние исследования восстановления нервных клеток позволили развенчать устоявшиеся убеждения.

Природой изначально заложено такое количество нервных клеток, чтобы человеческий мозг мог нормально функционировать на протяжении определенного количества лет. При формировании эмбриона образуется огромное количество нейронов головного мозга, которое гибнет еще до момента появления ребенка на свет.

Когда клетка по какой-либо причине погибает, ее функцию делят между собой другие активные нейроны, что позволяет не прерывать работу головного мозга.

В пример можно поставить изменения, происходящие в головном мозге при ряде старческих заболеваний, например, при болезни Паркинсона. Клинические проявления патологии не заметны до тех пор, пока деградация не повредит более 90% нейронов головного мозга. Это объясняется тем, что нейроны способны брать на себя функцию погибших «товарищей» и, таким образом, до последнего поддерживать нормальное функционирование головного мозга и нервной системы человека.

Почему умирают нервные клетки

Известно, что начиная с 30-летнего возраста активизируется процесс гибели нейронов головного мозга. Это связано с износом нервных клеток, которые испытывают колоссальную нагрузку на протяжении всей жизни человека.

Доказано, что количество нейронных связей в мозгу пожилого здорового человека примерно на 15% ниже, чем у молодого человека в возрасте 20 лет.

Старение ткани головного мозга – это естественный процесс, от которого никуда не деться. Утверждение о невозможности восстановления нервных клеток основано на том, что им просто не нужно восстанавливаться. Изначально природой заложен запас нейронов, достаточный для нормального функционирования на протяжении человеческой жизни. К тому же, нейроны способны брать на себя функции погибших клеток, поэтому работа мозга не страдает даже при гибели значительной части нейронов.

Восстановление нейронов мозга

Ежедневно формируется определенное количество новых нейронных связей в мозгу у каждого человека. Однако, из-за того, что ежедневно гибнет большое количество клеток, новых связей оказывается значительно меньше, чем погибших.

Нейронные связи мозга у здорового человека не восстанавливаются, потому что организму это просто не нужно. Погибающие с возрастом нервные клетки передают свою функцию другим нейроном и жизнь человека продолжается без каких-либо изменений.

Если по какой-то причине произошла массовая гибель нейронов, и количество потерянных связей многократно превышает ежедневную норму, а оставшиеся «в живых» не справляются с функциями, запускается процесс активной регенерации.

Таким образом было доказано, что в случае массовой гибели нейронов можно пересадить небольшое количество нервной ткани, которая не только не будет отторгнута организмом, но и приведет к скорейшему возникновению большого количества новых нейронных связей.

Клинические подтверждения теории

Американец Т. Уоллис сильно пострадал в автомобильной аварии, в результате чего впал в кому. Из-за полностью вегетативного состояния пациента, врачи настаивали на отключении Уоллиса от аппаратов, однако его семья отказалась. Мужчина провел в коме почти два десятилетия, по истечению которых внезапно открыл глаза и вернулся в сознание. К удивлению врачей, его мозг восстановил утраченные нейронные связи.

Удивительно, но после комы у пациента сформировались новые связи, отличные от тех, которые были до инцидента. Таким образом можно сделать вывод, что мозг человека самостоятельно выбирает пути регенерации.

Сегодня мужчина может разговаривать и даже шутить, однако его телу понадобится длительное время для восстановления двигательной активности из-за того, что за два десятка лет комы мышцы полностью атрофировались.

Что ускоряет гибель нейронов

Нервные клетки ежедневно гибнут в ответ на действие любого фактора, раздражающего нервную систему. Помимо травм или болезней, таким фактором выступают эмоции и нервное напряжение.

Доказано, что гибель клеток значительно увеличивается в ответ на воздействие стресса. Кроме того, стрессовое состояние в значительной мере замедляется естественный процесс восстановления соединительной ткани мозга.

Как восстановить нейроны мозга

Итак, как восстановить нервные клетки? Существует несколько условий, выполнение которых поможет избежать массовой гибели нейронов:

• сбалансированное питание;
• доброжелательность к окружающим;
• отсутствие стресса;
• устойчивые морально-этические нормы и мировоззрение.

Все это делает жизнь человека прочной и устойчивой, а значит препятствует ситуациям, в ответ на которые теряются нервные клетки.

Следует помнить, что самые эффективные лекарства для восстановления нервной системы – это отсутствие стрессов и полноценный сон. Добиться этого помогает особый настрой и отношение к жизни, над которыми должен работать каждый человек.

Средства для восстановления нервов

Восстановить нервные клетки можно простыми народными способами, применяемыми для снятия стресса. Это всевозможные натуральные отвары лекарственных трав, улучшающие качество сна.

Кроме этого, существует препарат, положительно влияющий на здоровье нервной системы, однако о его назначении следует консультироваться с врачом. Это лекарство относится к группе ноотропов – препаратов, улучшающих кровообращение и метаболизм головного мозга. Одним из таких препаратов является «Ноопепт».

Еще одна «волшебная» таблетка для здоровья нервной системы – это витамины группы В. Именно эти витамины принимают участие в формировании нервной системы, а значит стимулируют процессы обновления нервных клеток. Не зря витамины этой группы назначаются при ряде неврологических нарушений, спровоцированных повреждениями различных нервов.

Восстановить нервные клетки поможет гормон счастья, который также стимулирует процесс клеточного обновления.

Избежать проблем с работой мозга в старости помогут сбалансированное питание, регулярные прогулки на свежем воздухе, умеренная физическая активность и здоровый сон. Следует помнить, что здоровье собственной нервной системы находится в руках у каждого человека, поэтому пересмотрев образ жизни в молодости можно избежать развития различных старческих патологий, и тогда не придется искать средство, способное восстанавливать нервные клетки.