Мир вокруг нас постоянно изменяется. Зимние ветры заставляют нас надевать теплое платье и перчатки, а центральное отопление побуждает снимать их. Летнее солнце уменьшает потребность в сохранении тепла, по крайней мере до тех пор, пока эффективная работа кондиционера не приведет к противоположному результату. И все-таки независимо от температуры окружающей среды индивидуальная температура тела у знакомых вам здоровых людей вряд ли будет различаться намного больше, чем на одну десятую градуса. У человека и других теплокровных животных температура внутренних областей тела удерживается на постоянном уровне где-то около 37° С, хотя она может несколько подниматься и опускаться в связи с суточным ритмом.

Большинство людей питается по-разному. Одни предпочитают хороший завтрак, легкий ленч и плотный обед с обязательным десертом. Другие не едят почти целый день, но в полдень любят хорошенько перекусить и немного вздремнуть. Одни только и делают, что жуют, других еда как будто вообще не волнует. И тем не менее если измерить содержание сахара в крови у учеников вашего класса, то оно у всех окажется близким к 0,001 г (1 мг) на один миллилитр крови, несмотря на большую разницу в пищевом рационе и в распределении приемов пищи.

Рис. 62. В безвоздушном пространстве находящиеся в состоянии невесомости астронавты облачены в специальные костюмы, которые препятствуют потере тепла, отчасти заменяют силу тяжести и поддерживают парциальное давление кислорода, необходимое для деятельности мозга. На земле некоторые из этих функций автоматически регулируются мозгом и периферической нервной системой, в частности вегетативной.

Точное регулирование температуры тела и содержания глюкозы в крови — это всего лишь два примера важнейших функций, находящихся под контролем нервной системы. Состав жидкостей, окружающих все наши клетки, непрерывно регулируется, что позволяет обеспечить его поразительное постоянство.

Поддержание постоянства внутренней среды организма называется гомеостазом (homeo — такой же, сходный; stasis — стабильность, равновесие). Главную ответственность за гомеостатическую регуляцию несут вегетативный (автономный) и кишечный отделы периферической нервной системы, а также центральная нервная система, отдающая организму приказы через гипофиз и другие эндокринные органы. Действуя совместно, эти системы согласовывают потребности тела с условиями окружающей среды. (Если это утверждение покажется вам знакомым, вспомните, что точно такими же словами мы охарактеризовали главную функцию мозга.)

Французский физиолог Клод Бернар, живший в XIX веке и целиком посвятивший себя изучению процессов пищеварения и регуляции кровотока, рассматривал жидкости тела как «внутреннюю среду» (milieu interne). У разных организмов концентрация определенных солей и нормальная температура могут быть несколько различными, но в пределах вида внутренняя среда индивидуумов соответствует характерным для этого вида стандартам. Допускаются лишь кратковременные и не очень большие отклонения от этих стандартов, иначе организм не может оставаться здоровым и способствовать выживанию вида. Уолтер Б. Кэннон, крупнейший американский физиолог середины нашего столетия, расширил концепцию Бернара о внутренней среде. Он считал, что независимость индивидуума от непрерывных изменений внешних условий обеспечивается работой гомеостатических механизмов, которые поддерживают постоянство внутренней среды.

Способность организма справляться с требованиями, выдвигаемыми окружающей средой, сильно варьирует от вида к виду. Человек, использующий в дополнение к внутренним механизмам гомеостаза сложные типы поведения, по-видимому, обладает наибольшей независимостью от внешних условий. Тем не менее многие животные превосходят его в определенных видоспецифических возможностях. Например, полярные медведи более устойчивы к холоду; некоторые виды пауков и ящериц, живущие в пустынях, лучше переносят жару; верблюды могут дольше обходиться без воды. В этой главе мы рассмотрим ряд структур, позволяющих нам обрести некоторую долю независимости от меняющихся физических условий внешнего мира. Мы поближе познакомимся также с регуляторными механизмами, которые поддерживают постоянство нашей внутренней среды.

Астронавты облачаются в специальные костюмы (скафандры), которые позволяют при работе в среде, близкой к вакууму, сохранять нормальную температуру тела, достаточное напряжение кислорода в крови и кровяное давление. Специальные датчики, вмонтированные в эти костюмы, регистрируют концентрацию кислорода, температуру тела, показатели сердечной деятельности и сообщают эти данные компьютерам космического корабля, а те в свою очередь — компьютерам наземного контроля. Компьютеры управляемого космического аппарата могут справиться практически с любой из предсказуемых ситуаций, касающихся потребностей организма. Если возникает какая-либо непредвиденная проблема, к ее решению подключаются компьютеры, находящиеся на Земле, которые и посылают новые команды непосредственно приборам скафандра. В организме регистрацию сенсорных данных и местный контроль осуществляет вегетативная нервная система при участии эндокринной системы, которая берет на себя функцию всеобщей координации.

 

Вегетативная нервная система

Некоторые общие принципы организации сенсорных и двигательных систем весьма пригодятся нам при изучении систем внутренней регуляции. Все три отдела вегетативной (автономной) нервной системы имеют «сенсорные» и «двигательные» компоненты. В то время как первые регистрируют показатели внутренней среды, вторые усиливают или тормозят деятельность тех структур, которые осуществляют сам процесс регуляции.

Внутримышечные рецепторы наряду с рецепторами, расположенными в сухожилиях и некоторых других местах, реагируют на давление и растяжение. Все вместе они составляют особого рода внутреннюю сенсорную систему, которая помогает контролировать наши движения.

Рецепторы, участвующие в гомеостазе, действуют иным способом: они воспринимают изменения в химическом составе крови или колебания давления в сосудистой системе и в полых внутренних органах, таких как пищеварительный тракт и мочевой пузырь. Эти сенсорные системы, собирающие информацию о внутренней среде, по своей организации очень сходны с системами, воспринимающими сигналы с поверхности тела. Их рецепторные нейроны образуют первые синаптические переключения внутри спинного мозга. По двигательным путям вегетативной системы идут команды к органам, непосредственно регулирующим внутреннюю среду. Эти пути начинаются со специальных вегетативных преганглионарных нейронов спинного мозга. Такая организация несколько напоминает организацию спинальною уровня двигательной системы.

Основное внимание в этой главе будет уделено тем двигательным компонентам вегетативной системы, которые иннервируют мускулатуру сердца, кровеносных сосудов и кишок, вызывая ее сокращение или расслабление. Такие же волокна иннервируют и железы, вызывая процесс секреции.

Вегетативная нервная система состоит из двух больших отделов — симпатического и парасимпатического. Оба отдела имеют одну структурную особенность, с которой мы раньше не сталкивались: нейроны, управляющие мускулатурой внутренних органов и железами, лежат за пределами центральной нервной системы, образуя небольшие инкапсулированные скопления клеток, называемые ганглиями. Таким образом, в вегетативной нервной системе имеется дополнительное звено между спинным мозгом и концевым рабочим органом (эффектором).

Вегетативные нейроны спинного мозга объединяют сенсорную информацию, поступающую от внутренних органов и других источников. На этой основе они затем регулируют активность нейронов вегетативных ганглиев. Связи между ганглиями и спинным мозгом называются преганглионарными волокнами. Нейромедиатор, используемый для передачи импульсов от спинною мозга к нейронам ганглиев как в симпатическом, так и в парасимпатическом отделах, — это почти всегда ацетилхолин, тот же медиатор, с помощью которого мотонейроны спинного мозга непосредственно управляют скелетными мышцами. Так же как и в волокнах, иннервирующих скелетную мускулатуру, действие ацетилхолина может усиливаться в присутствии никотина и блокироваться кураре. Аксоны, идущие от нейронов автономных ганглиев, или постганглионарные волокна, затем направляются к органам-мишеням, образуя там много разветвлений.

Рис. 63. Симпатический и парасимпатический отделы вегетативной нервной системы, органы, которые они иннервируют, и их воздействие на каждый орган.

Симпатический и парасимпатический отделы вегетативной нервной системы различаются между собой 1) по уровням, на которых преганглионарные волокна выходят из спинного мозга; 2) по близости расположения ганглиев к органам-мишеням; 3) по нейромедиатору, который используют постганглионарные нейроны для регулирования функций этих органов-мишеней. Эти особенности мы сейчас и рассмотрим.

Симпатическая нервная система

В симпатической системе преганглионарные волокна выходят из грудного и поясничного отделов спинного мозга. Ее ганглии расположены довольно близко к спинному мозгу, и к органам-мишеням от них идут очень длинные постганглионарные волокна (см. рис. 63). Главный медиатор симпатических нервов — норадреналин, один из катехоламинов, который служит также медиатором и в центральной нервной системе.

Чтобы понять, на какие органы действует симпатическая нервная система, проще всего представить себе, что происходит с возбужденным животным, готовым к реакции типа «борьбы или бегства». Зрачки расширяются, чтобы пропускать больше света; частота сокращений сердца возрастает, и каждое сокращение становится более мощным, что ведет к усилению общего кровотока. Кровь отливает от кожи и внутренних органов к мышцам и мозгу. Моторика желудочно-кишечной системы ослабевает, процессы пищеварения замедляются. Мышцы, расположенные вдоль воздушных путей, ведущих к легким, расслабляются, что позволяет увеличить частоту дыхания и усилить газообмен. Клетки печени и жировой ткани отдают в кровь больше глюкозы и жирных кислот — высокоэнергетического топлива, а поджелудочная железа получает команду вырабатывать меньше инсулина. Это позволяет мозгу получать большую долю глюкозы, циркулирующей в кровяном русле, так как в отличие от других органов мозг не требует инсулина для утилизации сахара крови. Медиатором симпатической нервной системы, осуществляющей все эти изменения, служит норадреналин.

Существует дополнительная система, которая оказывает еще более генерализованное воздействие, чтобы вернее обеспечить все эти изменения. На верхушках почек сидят, как два небольших колпачка, надпочечники. В их внутренней части — мозговом веществе — имеются особые клетки, иннервируемые преганглионарными симпатическими волокнами. Эти клетки в процессе эмбрионального развития образуются из тех же клеток нервного гребня, из которых формируются симпатические ганглии. Таким образом, мозговое вещество — это компонент симпатической нервной системы. При активации преганглионарными волокнами клетки мозгового вещества выделяют свои собственные катехоламины (норадреналин и адреналин) прямо в кровь для доставки к органам-мишеням (рис. 64). Циркулирующие медиаторы-гормоны — служат примером того, как осуществляется регуляция эндокринными органами (см. с. 89).

Рис. 64. Когда активность симпатического нерва заставляет мозговое вещество надпочечников выделять катехоламины, эти сигнальные вещества разносятся с кровью и оказывают влияние на активность различных тканей-мишеней; таким образом, они обеспечивают согласованный ответ со стороны далеких друг от друга органов.

Парасимпатическая нервная система

В парасимпатическом отделе преганглионарные волокна идут от ствола головного мозга («черепной компонент») и от нижних, крестцовых сегментов спинного мозга (см. выше рис. 63). Они образуют, в частности, очень важный нервный ствол, называемый блуждающим нервом, многочисленные ветви которого осуществляют всю парасимпатическую иннервацию сердца, легких и кишечного тракта. (Блуждающий нерв передает также сенсорную информацию от этих органов обратно в центральную нервную систему.) Преганглионарные парасимпатические аксоны очень длинны, так как их ганглии, как правило, располагаются поблизости или внутри тех тканей, которые они иннервируют.

В окончаниях волокон парасимпатической системы используется медиатор ацетилхолин. Реакция соответствующих клеток-мишеней на ацетилхолин нечувствительна к действию никотина или кураре. Вместо этого ацетилхолиновые рецепторы активируются мускарином и блокируются атропином.

Преобладание парасимпатической активности создает условия для «отдыха и восстановления» организма. В своем крайнем проявлении общий характер парасимпатической активации напоминает то состояние покоя, которое наступает после сытной еды. Повышенный приток крови к пищеварительному тракту ускоряет продвижение пищи через кишечник и усиливает секрецию пищеварительных ферментов. Частота и сила сердечных сокращений снижаются, зрачки сужаются, просвет дыхательных путей уменьшается, а образование слизи в них возрастает. Мочевой пузырь сжимается. Взятые вместе, эти изменения возвращают организм в то мирное состояние, которое предшествовало реакции типа «борьбы или бегства». (Все это представлено на рис. 63; см. также гл. 6.)

Сравнительная характеристика отделов вегетативной нервной системы

Симпатическая система с ее чрезвычайно длинными постганглионарными волокнами сильно отличается от парасимпатической, в которой, наоборот, длиннее преганглионарные волокна, а ганглии расположены вблизи или внутри органов-мишеней. Многие внутренние органы, такие как легкие, сердце, слюнные железы, мочевой пузырь, гонады, получают иннервацию от обоих отделов вегетативной системы (имеют, как говорят, «двойную иннервацию»). Другие ткани и органы, например артерии мышц, получают только симпатическую иннервацию. В целом можно сказать, что два отдела работают попеременно: в зависимости от деятельности организма и от команд высших вегетативных центров доминирует то один, то другой их них.

Эта характеристика, однако, не совсем верна. Обе системы постоянно находятся в состоянии той или иной степени активности. Тот факт, что такие органы-мишени, как сердце или радужная оболочка глаза, могут реагировать на импульсы, идущие от обоих отделов, попросту отражает их взаимодополняющую роль. Например, когда вы сильно сердитесь, у вас поднимается кровяное давление, которое возбуждает соответствующие рецепторы, расположенные в сонных артериях. Эти сигналы воспринимает интегрирующий центр сердечно-сосудистой системы, находящийся в нижней части ствола мозга и известный под названием ядра одиночного тракта. Возбуждение этого центра активирует преганглионарные парасимпатические волокна блуждающего нерва, что приводит к уменьшению частоты и силы сердечных сокращений. Одновременно под влиянием того же координирующего сосудистого центра происходит угнетение симпатической активности, противодействующее повышению кровяного давления.

Насколько существенно функционирование каждого из отделов для адаптивных реакций? Как это ни удивительно, не только животные, но и люди могут переносить почти полное выключение симпатической нервной системы без видимых дурных последствий. Такое выключение рекомендуется при некоторых формах стойкой гипертонии.

А вот без парасимпатической нервной системы обойтись не так-то просто. Люди, перенесшие подобную операцию и оказавшиеся вне охранительных условий больницы или лаборатории, очень плохо адаптируются к окружающей среде. Они не могут регулировать температуру тела при воздействии жары или холода; при кровопотере у них нарушается регуляция кровяного давления, а при любой интенсивной мышечной нагрузке быстро развивается утомление.

Диффузная нервная система кишечника

Недавние исследования выявили существование третьего важного отдела автономной нервной системы — диффузной нервной системы кишечника. Этот отдел ответствен за иннервацию и координацию органов пищеварения. Его работа независима от симпатической и парасимпатической систем, но может видоизменяться под их влиянием. Это дополнительное звено, которое связывает вегетативные постганглионарные нервы с железами и мускулатурой желудочно-кишечного тракта.

Ганглии этой системы иннервируют стенки кишок. Аксоны, идущие от клеток этих ганглиев, вызывают сокращения кольцевой и продольной мускулатуры, проталкивающие пищу через желудочно-кишечный тракт, — процесс, называемый перистальтикой. Таким образом, эти ганглии определяют особенности локальных перистальтических движений. Когда пищевая масса находится внутри кишки, она слегка растягивает ее стенки, что вызывает сужение участка, расположенного чуть выше по ходу кишки, и расслабление участка, находящегося чуть ниже. В результате пищевая масса проталкивается дальше. Однако под действием парасимпатических или симпатических нервов активность кишечных ганглиев может изменяться. Активация парасимпатической системы усиливает перистальтику, а симпатической — ослабляет ее.

Медиатором, возбуждающим гладкую мускулатуру кишечника, служит ацетилхолин. Однако тормозящие сигналы, ведущие к расслаблению, передаются, по-видимому, различными веществами, из которых изучены лишь немногие. Среди нейромедиаторов кишечника имеются по меньшей мере три, которые действуют и в центральной нервной системе: соматостатин (см. ниже), эндорфины и вещество Р (см. гл. 6).

Центральная регуляция функций вегетативной нервной системы

Центральная нервная система осуществляет контроль над вегетативной системой в гораздо меньшей степени, чем над сенсорной или скелетной двигательной системой. Области мозга, которые больше всего связаны с вегетативными функциями, — это гипоталамус и ствол мозга, в особенности та его часть, которая расположена прямо над спинным мозгом, — продолговатый мозг. Именно из этих областей идут основные проводящие пути к симпатическим и парасимпатическим преганглионарным автономным нейронам на спинальном уровне.

Гипоталамус. Гипоталамус — это одна из областей мозга, общая структура и организация которой более или менее сходна у представителей различных классов позвоночных животных.

В целом принято считать, что гипоталамус — это средоточие висцеральных интегративных функций. Сигналы от нейронных систем гипоталамуса непосредственно поступают в сети, которые возбуждают преганглионарные участки вегетативных нервных путей. Кроме того, эта область мозга осуществляет прямой контроль над всей эндокринной системой через посредство специфических нейронов, регулирующих секрецию гормонов передней доли гипофиза, а аксоны других гипоталамических нейронов оканчиваются в задней доле гипофиза. Здесь эти окончания выделяют медиаторы, которые циркулируют в крови как гормоны: 1) вазопрессин, повышающий кровяное давление в экстренных случаях, когда происходит потеря жидкости или крови; он также уменьшает выделение воды с мочой (поэтому вазопрессин называют еще антидиуретическим гормоном); 2) окситоцин, стимулирующий сокращения матки на завершающей стадии родов.

Хотя среди скоплений гипоталамических нейронов имеется несколько четко отграниченных ядер, большая часть гипоталамуса представляет собой совокупность зон с нерезкими границами (рис. 65). Однако в трех зонах имеются достаточно выраженные ядра. Мы рассмотрим сейчас функции этих структур.

1. Перивентрикулярная зона непосредственно примыкает к третьему мозговому желудочку, который проходит через центр гипоталамуса. Выстилающие желудочек клетки передают нейронам перивентрикулярной зоны информацию о важных внутренних параметрах, которые могут требовать регуляции, — например, о температуре, концентрации солей, уровнях гормонов, секретируемых щитовидной железой, надпочечниками или гонадами в соответствии с инструкциями от гипофиза.

2. Медиальная зона содержит большинство проводящих путей, с помощью которых гипоталамус осуществляет эндокринный контроль через гипофиз. Весьма приближенно можно сказать, что клетки перивентрикулярной зоны контролируют действительное выполнение команд, отданных гипофизу клетками медиальной зоны.

3. Через клетки латеральной зоны осуществляется контроль над гипоталамусом со стороны более высоких инстанций коры большого мозга и лимбической системы. Сюда же поступает сенсорная информация из центров продолговатого мозга, координирующих дыхательную и сердечно-сосудистую деятельность. Латеральная зона — это то место, где высшие мозговые центры могут вносить коррективы в реакции гипоталамуса на изменения внутренней среды. В коре, например, происходит сопоставление информации, поступающей из двух источников — внутренней и внешней среды. Если, скажем, кора сочтет, что время и обстоятельства не подходят для принятия пищи, донесение органов чувств о низком содержании сахара в крови и пустом желудке будет отложено в сторону до более благоприятного момента Игнорирование гипоталамуса со стороны лимбической системы менее вероятно. Скорее эта система может добавить эмоциональную и мотивационную окраску к интерпретации внешних сенсорных сигналов или же сравнить представление об окружающем, основанное на этих сигналах, с аналогичными ситуациями, имевшими место в прошлом.

Рис. 65. Гипоталамус и гипофиз. Схематически показаны основные функциональные зоны гипоталамуса.

Вместе с кортикальным и лимбическим компонентами гипоталамус выполняет также множество рутинных интегрирующих действий, причем на протяжении значительно более длительных периодов времени, чем при осуществлении кратковременных регуляторных функций. Гипоталамус заранее «знает», какие потребности возникнут у организма при нормальном суточном ритме жизни. Он, например, приводит эндокринную систему в полную готовность к действию, как только мы просыпаемся. Он также следит за гормональной активностью яичников на протяжении менструального цикла; принимает меры, подготавливающие матку к прибытию оплодотворенного яйца. У перелетных птиц и у млекопитающих, впадающих в зимнюю спячку, гипоталамус с его способностью определять длину светового дня координирует жизнедеятельность организма во время циклов, длящихся несколько месяцев. (Об этих аспектах централизованной регуляции внутренних функций будет говориться в главах 5 и 6.)

Рис. 66. Здесь схематически представлены различные функции продолговатого мозга. Показаны связи, идущие от различных внутренних органов к стволу мозга и ретикулярной формации. Сенсорные сигналы, исходящие от этих органов, регулируют степень активности и внимания, с которой мозг реагирует на внешние события. Подобные сигналы приводят также в действие специфические программы поведения, с помощью которых организм приспосабливается к изменениям внутренней среды.

Продолговатый мозг. Гипоталамус составляет менее 5% от всей массы мозга. Однако в этом небольшом количестве ткани содержатся центры, которые поддерживают все функции организма, за исключением спонтанных дыхательных движений, регуляции кровяного давления и ритма сердца. Эти последние функции зависят от продолговатого мозга (см. рис. 66). При черепно-мозговых травмах так называемая «смерть мозга» наступает тогда, когда исчезают все признаки электрической активности коры и утрачивается контроль со стороны гипоталамуса и продолговатого мозга, хотя с помощью искусственного дыхания еще можно поддерживать достаточное насыщение циркулирующей крови кислородом.

 

Эндокринная система

Эндокринный орган отличается тем, что выделяет вещество, необходимое для регуляции клеточной активности каких-то других органов, непосредственно в кровяное русло (термин происходит от греч. endo — внутри и krinein — выделять). Такие органы называются эндокринными железами, а секретируемые ими вещества — гормонами (от греч. hormao — возбуждаю). Каждый гормон влияет на уровень функционирования специфических систем клеток-мишеней — обычно временно повышает их активность. Гормоны — сильнодействующие агенты, поэтому для получения специфического эффекта достаточны ничтожные их количества. Восприимчивые к гормонам клетки снабжены специальными поверхностными молекулами — «рецепторами», которые реагируют даже на очень низкие концентрации гормонов. После соприкосновения рецептора с гормоном внутри клетки происходит ряд изменений.

Эндокринные органы и их гормоны

По традиции эндокринную и нервную системы с их регулирующими и интегрирующими функциями считали отдельными, но параллельно действующими системами. Нейроны выделяют свои химические передатчики — медиаторы — в синаптическую щель для регуляции активности других нейронов. Эндокринные клетки секретируют свои химические передатчики — гормоны — в кровь, которая разносит их ко всем клеткам, имеющим специфические рецепторы (рис. 67). Некоторые вещества действуют в обеих системах; они могут быть и гормонами (т.е. продуктами эндокринных желез), и медиаторами (продуктами определенных нейронов). Такую двоякую роль выполняют норадреналин, соматостатин, вазопрессин и окситоцин, а также передатчики диффузной нервной системы кишечника, например холецистокинин и вазоактивный кишечный полипептид.

Рис. 67. Связь между центральной нервной системой и эндокринной системой. Нейроны гипоталамуса вырабатывают кортиколиберин, который попадает в переднюю долю гипофиза через систему воротного кровообращения. Нейроны гипофиза в ответ на это выделяют кортикотропин (АКТГ), стимулирующий секрецию кортикостероидов корой надпочечников. Уровень кортикостероидов в крови, действуя как сигнал обратной связи, заставляет гипофиз или центральную нервную систему в целом продолжать или приостанавливать этот процесс.

Железы, входящие в состав эндокринной системы, — это гипофиз с его независимо функционирующими передней и задней долями, половые железы, щитовидная и паращитовидные железы, кора и мозговой слой надпочечников, островковые клетки поджелудочной железы и секреторные клетки, выстилающие кишечный тракт. Важнейшие сведения об эндокринных железах приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Эндокринная система

По традиции гипофизу приписывалась также роль «главной железы» эндокринной системы. Однако новые данные о том, что клетки передней доли гипофиза сами находятся под контролем гипоталамических нейронов, заставили пересмотреть этот взгляд. Передняя доля содержит несколько различных типов эндокринных клеток, каждый из которых вырабатывает один из гипофизарных гормонов и регулируется специфическими гормонами гипоталамуса. Гипоталамус связан с гипофизом небольшой локальной сетью кровеносных сосудов, так называемой воротной системой гипофиза, которая доставляет кровь от основания гипоталамуса к передней доле гипофиза. Гипоталамические нейроны выделяют в кровь этой сети свои гормоны, а соответствующие клетки гипофиза реагируют на эти гормоны после их связывания специфическими поверхностными рецепторами.

До сих пор идентифицированы шесть гипоталамических гормонов, избирательно воздействующих на клетки передней доли гипофиза. Каждый из этих гормонов — продукт специфической группы нервных клеток, расположенных в перивентрикулярной или средней зоне гипоталамуса (рис. 9 и 68). Четыре гормона стимулируют синтез и секрецию гормонов клетками-мишенями, а два — тормозят.

Рис. 68. Специфические группы клеток передней доли гипофиза с помощью гормонов управляют определенными эндокринными органами, расположенными в разных областях тела. Каждая из этих групп гипофизарных клеток находится под контролем стимулирующих или тормозящих факторов, выделяемых нейронами гипоталамуса в систему воротного кровообращения гипофиза. АКТГ — адренокортикотропный гормон (кортикотропин); КЛ — кортиколиберин; ЛГ — лютенизирующий гормон; ЛЛ — люлиберин; СЛ — соматолиберин; ТЛ — тиреолиберин; ТТГ — тиреотропный гормон; ФЛ — фоллиберин; ФСГ — фолликулостимулирующий гормон.

Поскольку эти специфические нейроны оказывают на гипофиз мощное влияние, истинной «главной железой» эндокринной системы следует считать головной мозг и, в частности, гипоталамус. Первым звеном в гипоталамическом контроле над эндокринной системой служит передача гормональных посредников через воротную систему гипофиза. Те же гипоталамические нейроны могут образовывать в мозгу и другие связи — синаптические. В этом случае их секреторные продукты выступают в роли нейромедиаторов. Например, соматостатиновые нейроны перивентрикулярной зоны и некоторые клетки коры больших полушарий и гиппокампа используют одни и те же медиаторы, а соматостатин, образующийся в островках поджелудочной железы, действует как «локальный гормон», регулируя секрецию инсулина и глюкагона.

По мнению ряда ученых, медиаторы, выделяемые нейронами, могут также действовать как локальные гормоны в вегетативной и центральной нервной системе. Если это так, то нейроны центральной нервной системы, использующие медиаторы подобным образом, будут в чем-то аналогичны нейронам локальных сетей, регулирующим поток информации внутри отдельных областей ЦНС.

Таким образом, весь процесс, с помощью которого мозг соотносит нужды организма с требованиями окружающей среды, вернее было бы рассматривать как одну из нейроэндокринных функций. Некоторые адаптации осуществляются в локальных участках вегетативной нервной системы и координируются специфическими локальными гормонами, а другие реализуются в более глобальных масштабах с помощью веществ-посредников, выделяемых в кровяное русло.

Эндокринология и гомеостаз

Некоторые фундаментальные концепции традиционной эндокринологии тесно связаны с представлением о гомеостазе. Секреция некоторых гормонов, например тироксина, регулируется очень жестко. Однако концентрации большинства других гормонов могут в широких пределах изменяться для поддержания постоянства ряда физиологических параметров при непрерывном изменении сиюминутных потребностей организма. Например, скорости секреции инсулина и глюкагона сильно колеблются, чтобы удерживать концентрацию глюкозы в крови в допустимых пределах. Изменения уровней альдостерона (см. выше табл. 4.1) и вазопрессина отражают необходимость сохранять постоянный объем крови путем регуляции водно-солевого баланса. Концентрации адреналина и норадреналина зависят от степени общей активности организма и могут быть разными в различных локальных сосудистых сетях. Это позволяет им регулировать силу и частоту сердечных сокращений, а также избирательно воздействовать на сосуды, чтобы обеспечивать приток крови к определенным системам органов в соответствии с потребностями.

Однако оставим в стороне изменчивость гормональных уровней и рассмотрим нейроэндокринные воздействия как способ поддержания «заданных значений», определяющих постоянство системы.

Физиологические «заданные значения»

Температура тела, уровень глюкозы в крови, кровяное давление, концентрация солей — таковы лишь некоторые из тщательно регулируемых физиологических параметров здорового организма. Концепция «заданных значений» помогает понять, каким образом ЦНС, вегетативная нервная система и нейроэндокринные компоненты совместно участвуют в регуляции этих и иных параметров.

Представим себе, что организм функционирует таким, например, образом, чтобы сохранять постоянные значения температуры тела и концентраций глюкозы, солей и кислорода в крови. Если соответствующие датчики улавливают какое-нибудь отклонение, они приводят в действие адаптивные механизмы, с тем чтобы вернуть величину к заданному уровню. Такие системы работают по принципу отрицательной обратной связи между периферийными датчиками и центральным управляющим звеном. На примере трех физиологических систем — регуляции температуры тела, давления и аппетита — мы проиллюстрируем основные особенности такого рода обратной связи.

Терморегуляция. За температурой тела следят наружные терморецепторы кожи и внутренние терморецепторы в перивентрикулярной зоне гипоталамуса. Внутренние рецепторы, измеряющие истинную температуру крови, по-видимому, наиболее существенны для автоматической регуляции температуры тела. Эксперименты с введением небольших зондов прямо в гипоталамус подопытных животных показали, что нейроны, расположенные около переднего края перивентрикулярной зоны гипоталамуса, могут активироваться в результате подъема или падения температуры артериальной крови. Одновременно по приказу гипоталамуса вегетативная нервная система приводит в действие механизмы сохранения, выработки или отдачи тепла.

Если гипоталамус ощутит снижение температуры тела, периферические вегетативные ганглии осуществят переброску крови от кожи к более глубоким структурам; под их воздействием шерсть или перья встанут дыбом, чтобы увеличить слой прилегающего к коже теплого воздуха. Так называемая гусиная кожа, которая появляется у вас на теле, если вы замерзли, — остаток этого механизма. Для согревания тела служит также дрожь, при которой образуется дополнительное тепло. Если гипоталамические датчики улавливают подъем температуры артериальной крови, включаются механизмы, повышающие теплоотдачу: кровь приливает к коже и тепло быстрее переходит во внешнюю среду; может начаться потоотделение, еще более эффективно охлаждающее тело.

Даже при «эмоциональном перегреве» у вас возможно потоотделение (физически ненужное!), которое должно будто бы охладить ваш пыл. Во время сильной тревоги у вас «леденеют» руки и ноги — вам хочется как бы сжаться, спрятаться внутрь себя от вызывающих беспокойство мыслей. Сегодня, однако, умозрительные рассуждения о психологическом «значении» физиологических реакций при отклонениях от комфортного эмоционального состояния так и остаются рассуждениями. Повышение тонуса симпатической нервной системы в напряженных ситуациях — вот вполне достаточное объяснение тому, почему у вас холодеют руки и ноги, сильнее бьется сердце, сохнет во рту, а глаза, не мигая, смотрят в одну точку.

Когда температура тела выходит за рамки нормальных колебаний — например, при инфекционных заболеваниях — это означает, что механизмы выработки и сохранения тепла действуют чересчур активно. Белые кровяные тельца (лейкоциты) у заболевшего выделяют пока еще мало изученное вещество — лейкоцитарный пироген, который активизирует эти механизмы удержания тепла, тем самым повышая температуру тела. Быстрый подъем температуры у больного часто парадоксальным образом сочетается с ощущением холода. Так возникает всем известный озноб, сопровождающий наступление лихорадочного состояния.

«Цель» лихорадки неясна. Некоторые, но далеко не все болезнетворные бактерии действительно плохо переносят высокую температуру, и в этом случае жар может облегчать организму борьбу с инфекцией. В качестве одного из примеров назовем бледную спирохету, возбудитель сифилиса. (Вирусы, вызывающие катар верхних дыхательных путей, не погибают, так как вдыхаемый через нос воздух снижает местную температуру до 37°С.) Повышенная температура тела способствует также усилению активности некоторых клеток, вырабатывающих антитела, и может ускорять продвижение белых кровяных телец к инфицированной области, где они участвуют в уничтожении болезнетворных агентов.

Повышенная способность приводить в действие механизмы сохранения или отдачи тепла — один из аспектов процесса адаптации. Вы, вероятно, замечали, что зимой легче переносить холод, а летом — жару. Ваш организм в буквальном смысле предугадывает требования окружающей среды. Если человек часто занимается физкультурой, он намного легче потеет, так как его мозг учится все быстрее и быстрее приводить в действие координированные программы, связанные с преодолением физических нагрузок.

Регуляция давления и объема крови. Каждый уровень центральной и периферической нервной системы в какой-то мере участвует в поддержании постоянства кровообращения. Рецепторы давления, или барорецепторы, регистрируют фактическое давление крови в крупных артериях, расположенных выше сердца, — сонных артериях и в дуге главной артерии — аорты. При избыточном давлении происходит активация рецепторных нейронов в стенках этих артерий. Отростки этих нейронов передают соответствующую информацию первичному передаточному ядру в продолговатом мозге, откуда идут тормозные сигналы к вазомоторным центрам, а также к периферической симпатической нервной системе, в результате чего снижается ее активность. Одновременно усиливаются парасимпатические влияния на сердечно-сосудистую систему.

Нормальное кровяное давление — это результат непрерывной борьбы за контроль над сердечно-сосудистой системой. Симпатические нервы контролируют крупные кровеносные сосуды, а частота и сила сердечных сокращений регулируется как симпатическим, так и парасимпатическим отделами. Чувствительные к давлению барорецепторы, по-видимому, ответственны в первую очередь за установление нормальной точки отсчета, около которой происходят колебания при координации деятельности сердечнососудистой системы. Барорецепторы наиболее чувствительны к изменениям, выходящим за пределы нормальных средних величин давления крови (которые соответствуют давлению столбика ртути высотой 100-120 мм).

Помимо барорецепторов аорты и сонных артерий в верхних отделах сердца — предсердиях — имеются другие рецепторы растяжения, чувствительные к давлению крови. Поскольку давление крови, поступающей в правое предсердие из венозной системы, более точно отражает объем крови, чем среднее давление, рецепторы предсердий действуют на иной информационной основе. Они активируются в случае чрезмерного увеличения объема крови, как это бывает при задержке соли в организме или при ранних явлениях застойной сердечной недостаточности. Это приводит к тому, что клетки, расположенные в стенках самого предсердия, выделяют гормон, действующий на почечные канальцы и ускоряющий выведение солей.

На более высоких уровнях управления относительную концентрацию солей в плазме регулируют нейроны гипоталамуса: они приводят в действие механизмы задержки воды или ее ускоренного выведения. Если концентрация солей в плазме превышает определенный уровень, крупные нейроны медиальной зоны гипоталамуса выделяют вазопрессин, который переходит из их аксонов прямо в венозную кровь задней доли гипофиза. Вазопрессин с кровью достигает клеток дистальных почечных канальцев и заметно усиливает обратное всасывание ими воды. Это приводит к задержке жидкости и снижению концентрации солей.

В регуляции объема крови участвует еще одно взаимодействие между мозгом и почками. В почках есть специальные клетки, называемые юкстагломерулярными. Они активируются при падении кровяного давления, например вследствие сильной кровопотери, особенно при повышении активности симпатической нервной системы. Эти почечные клетки выделяют в кровь фермент ренин, который воздействует на синтезируемый печенью низкомолекулярный белок ангиотензиноген. Процесс его расщепления продолжается при участии других ферментов в легких и мозге и в конце концов приводит к образованию белкового фрагмента ангиотензина II.

Ангиотензин II вызывает сокращение мускулатуры артерий и тем самым — быстрое и сильное повышение кровяного давления. Он воздействует также на некоторые рецепторные клетки гипоталамуса. Через еще не вполне изученные клеточные механизмы ангиотензин стимулирует усиленное потребление воды, что, конечно, ведет к увеличению количества жидкости в организме. Действительно, после прямой инъекции ничтожно малых доз (одной миллионной доли микрограмма) ангиотензина II в желудочки мозга животное, незадолго до того уже удовлетворившее жажду, снова начинает жадно пить, чем бы оно в тот момент ни занималось. Потребность в питье часто наблюдается у раненых солдат и других людей, потерявших много крови.

УДАР ПО ГОЛОВЕ

«Я мужчина, и я хотел вести ту жизнь, которую, по моему мнению, должен вести нормальный мужчина...»

Митч Хеллер нормально рос — играл в хоккей, закончил колледж, получил специальность инженера, женился. Однако после автомобильной аварии, при которой он получил сильный ушиб головы, все изменилось.

«Примерно через месяц я заметил, что секс стал меньше интересовать меня. Я был не на высоте... Я знал, что во мне что-то происходит, но не знал, что именно.»

Нарушилось не только половое влечение. У Митча начались изменения вторичных половых признаков — например, исчезли волосы на лице и груди, число сперматозоидов в семенной жидкости уменьшилось и продолжало снижаться. Все эти признаки свидетельствовали о падении уровня тестостерона, но как это могло быть связано с травмой головы?

Д-р Уильям Кроули из Массачусетской больницы имел на этот счет некоторые соображения. Очевидно, был поврежден участок мозга, противоположный месту внешнего удара (явление «противоудара»), где находились нейроны гипоталамуса, секретирующие гонадолиберин (фактор, стимулирующий секрецию гонадотропных гормонов гипофизом). Это привело к тому, что семенники перестали получать от гипофиза стимул к выработке тестостерона. Кроули предложил больному носить механический насос, через который осуществлялась автоматическая инъекция гонадолиберина. Каждые два часа через иглу, введенную подкожно в области живота, гормон поступал в организм.

Применение насоса быстро привело к желаемым результатам. Потенция и рост волос на теле постепенно восстановились. Через шесть месяцев почти нормализовалось количество сперматозоидов, и жена Митча забеременела. Возможно, что нормальные функции гипоталамуса со временем восстановятся, но если даже этого не произойдет, худшие опасения Митча позади.

#i_075.jpg

#i_076.jpg

#i_077.jpg

#i_078.jpg

Рис. 69. Вверху: Митч с женой до лечения. Ниже: д-р Кроули объясняет, как действует насос. Внизу: Митч с дочерью.

Информация поступает и в сердечно-сосудистые центры нижней части продолговатого мозга от сосудистых рецепторов давления, а также от хеморецепторов, которые реагируют на концентрации кислорода и СО2 в циркулирующей крови. Эти центры усиливают импульсную активность нейронов в системах, управляющих дыхательными и сердечнососудистыми функциями. Активация центров, расположенных в боковых частях продолговатого мозга, приводит к возбуждению периферической симпатической системы и повышению кровяного давления, а центров средней части — к возбуждению парасимпатических отделов и снижению кровяного давления. Первичные передаточные нейроны продолговатого мозга передают информацию о давлении и токе крови центрам более высокого уровня, находящимся в гипоталамусе и ретикулярной активирующей системе (см. ниже), которые связаны с корой больших полушарий и мозжечка. Эти структуры в свою очередь принимают существенное участие в регуляции кровоснабжения мышц в соответствии с текущими потребностями.

У лиц с хронически повышенным давлением крови, по-видимому, слишком высоки «заданные значения» этого показателя. Первопричину такой аномалии в большинстве случаев очень трудно установить. Здесь могут играть роль все уровни контроля над сосудистой системой. В одних случаях к повышению давления приводят заболевания почек, в других — чрезмерная активность симпатической нервной системы. В зависимости от вероятной причины врач выбирает наиболее подходящий путь лечения болезни: хирургическое вмешательство, мочегонные для воздействия на почки или другие лекарства.

Регуляция аппетита. Условия, при которых возникает чувство голода, — это до некоторой степени индивидуальная особенность. Есть или не есть, что есть и когда — решение этих вопросов в сильной степени зависит от высших интегративных функций коры больших полушарий. На наш выбор оказывают влияние и социальные моменты. При обилии и разнообразии доступных пищевых продуктов люди, по крайней мере в большинстве развитых стран, решают не только когда следует начинать есть, но и что именно есть, как долго и когда нужно остановиться. Эти часто неосознаваемые решения, связанные с принятием пищи, нередко бывают причиной таких нарушений аппетита, как его полная потеря (анорексия) или, наоборот, «волчий аппетит» (гипербулимия). Подобные расстройства не наблюдаются у лабораторных или диких животных, хотя чрезмерное потребление пищи можно иногда вызвать в эксперименте с помощью слабого хронического болевого раздражения (источником его может быть, например, скрепка на хвосте у крысы) или наблюдать у крыс и мышей с наследственной формой ожирения.

Структурные компоненты системы, регулирующей аппетит, выделить гораздо труднее, чем элементы систем терморегуляции или поддержания нормального кровяного давления. Пока неизвестно даже, от какого именно фактора (или факторов) зависит установление «заданного уровня» аппетита.

Рецепторы растяжения в стенках желудка обеспечивают один из видов информации о пустом желудке. Наряду с урчащими звуками и осознанием того, что подошло время принимать пищу, импульсы от механорецепторов, возникающие при пустом желудке, служат отчетливым сигналом к началу еды. Однако животные и после перерезки сенсорных нервов желудка едят нормально и не страдают потерей или избытком веса, несмотря на отсутствие у них обратной связи от периферии.

При снижении концентрации глюкозы в крови изменяется активность некоторых нейронов вентрикулярной зоны гипоталамуса. Таким образом, эти нейроны, по-видимому, чувствительны к уровню глюкозы. Другие гипоталамические нейроны чувствительны к содержанию в крови жирных кислот, а возможно, и инсулина. Действуя совместно с рецепторами глюкозы, эти нейроны могут активировать «системы аппетита» в латеральной зоне гипоталамуса и побуждать к приему пищи. При электрической или химической стимуляции вентромедиального ядра боковой области гипоталамуса животные едят чаще и дольше, чем контрольные, а животные с обширными повреждениями этой области мозга могут вообще прекратить потребление пищи. Однако очень небольшие повреждения в непосредственной близости от вентромедиального ядра вызывают, наоборот, постоянное переедание у крыс и кошек, что приводит к чрезвычайно сильному ожирению.

До сих пор не было обнаружено гормонов или медиаторов, которые возбуждали бы или подавляли аппетит. Исключение, возможно, составляет холецистокинин — локальный гормон, выделяемый слизистой кишечника на ранних стадиях пищеварительного процесса: он действует как мощный фактор, сдерживающий аппетит. Этот гормон, по-видимому, активирует сенсорные волокна тех ветвей блуждающего нерва, которые передают висцеральную информацию обратно в продолговатый мозг. При перерезке этих ветвей сигналы обратной связи о процессе пищеварения утрачиваются. Холецистокинин выполняет также важные медиаторные функции во многих участках головного мозга, но связан ли какой-либо из этих участков с регуляцией потребления пищи, пока неизвестно.

У большинства организмов потребление пищи хорошо сбалансировано с расходом энергии, но как обеспечивается этот баланс, еще не ясно.

Другие системы «заданных значений». Другие внутренние регуляторные системы не менее сложны. В репродуктивной системе, например, существует целый ряд петель эндокринной обратной связи, которые наряду с прямым воздействием центральной и периферической нервной системы позволяют индивидууму подготовиться, выбрать партнера и осуществить все необходимое для продолжения рода.

Другие сложные системы контроля обеспечивают повышение секреции кортикостероидов во время стрессов или быстрое ее подавление, когда опасность миновала (см. гл. 6). Поскольку на многие внутриклеточные процессы влияют ионы кальция, находящиеся вне клетки, их концентрации тоже тщательно регулируются. В этой регуляции (в которой нервная система играет лишь незначительную роль), участвуют клетки паращитовидных желез, секретирующих кальцитонин и паратгормон, а также клетки почек, печени, костей и даже кожи, синтезирующие витамин D, необходимый для всасывания содержащегося в пище кальция.

Регуляция общего уровня активности

До сих пор мы рассматривали внутренние процессы организма, которые регулируются мозгом. Координируя их, мозг осуществляет общий надзор за тем, что требуется для выполнения текущей деятельности, предугадывает, что понадобится в ближайшем будущем, и приспосабливает имеющиеся ресурсы к возникающим нуждам. Обычно мозг выполняет эти обязанности, не затрагивая деятельности, происходящей на уровне сознания, — за исключением, может быть, тех случаев, когда нужно сделать выбор. Ведет ли эта тропа к водопою? Вкусная ли это еда или меня от нее тошнило? Можно ли этим путем наверняка попасть в деревню?

Если, вообще говоря, мы не осознаем того, что происходит у нас внутри, то на что же в таком случае тратится наше «мыслительное» время? Происходит ли в нашем мозгу такая же интеграция данных, когда мы осматриваем окружающий мир и определяем для себя — иногда с помощью слов, иногда без них, — что мы должны сделать, каким именно способом и что препятствует выполнению задуманного?

Мы действительно должны соединить наши знания о внешнем мире с теми двигательными программами, которыми мы пользуемся, чтобы поддерживать контакты с этим миром. Мы ощущаем мир с помощью специализированных сенсорных систем. Поступающая информация идет по параллельным каналам к вертикальным клеточным ансамблям коры головного мозга, а затем — по последовательным иерархическим путям внутри мозга. Здесь снова происходит ее объединение. В результате создается общая сенсорная «картина», которую мы используем для того, чтобы подогнать наши двигательные программы к текущей ситуации и сравнить наши возможности действия с аналогичными ситуациями из прошлого опыта. Мир, в котором мы живем, беспрестанно меняется, и наши чувства должны четко улавливать эти изменения, если мы хотим их верно анализировать. Теперь мы должны рассмотреть вопрос: как нам удается сохранять необходимую остроту наблюдений?

Если вам случится быть в том месте, где работают другие люди, улучите момент и понаблюдайте за ними. Вы довольно быстро сумеете сделать кое-какие выводы. Например, без труда отличите тех, кто дремлет, по то и дело смежающимся векам и опускающейся голове: активность парасимпатической системы после еды подавляет действие норадреналина, который стимулировал бы выполнение рабочих обязанностей.

Оценить другие моменты может быть труднее. Представьте, что вы сидите в классе и внимательно слушаете вашего преподавателя. Можете ли вы одновременно уделять внимание передвижению других людей в классной комнате, или тому, что происходит в коридоре, или мыслям о том, что вы оставили машину в неположенном месте, чтобы успеть на урок? И какова степень внимания, с которым вы слушаете учителя? Может быть, вы предаетесь своим мыслям и возвращаетесь к уроку лишь тогда, когда учитель делает неожиданные быстрые движения? Можно ли, глядя на вас, сказать, внимательны вы или нет, и что это вообще такое — «быть внимательным»?

Сон и бодрствование

Специалисты, изучающие мозг, пользуются понятием «поведенческий статус». На одном конце спектра различных состояний находится полное бодрствование, на другом — глубокий сон. Хотя мы большую часть дня пребываем в состоянии бодрствования, степень нашего внимания непрерывно изменяется. Точно так же, когда мы спим, глубина нашего сна различна. Эта глубина, или фаза сна, тоже меняется. Относительную глубину сна можно оценить по характеру и амплитуде волн электрической активности, зафиксированной на электроэнцефалограмме (рис. 70).

Рис. 70. Проявление различных уровней бодрствования и сна в меняющемся характере и амплитуде мозговых волн, регистрируемых с помощью электродов, прикрепленных к коже головы. Такая запись — электроэнцефалограмма (ЭЭГ) — отражает активность большого числа нейронов в области мозга, расположенной ближе всего к поверхностным электродам. БДГ-сон напоминает по характеру ЭЭГ состояние бодрствования, однако электроды не регистрируют мышечной активности нигде, кроме глазных.

Фазы сна. У людей с помощью электроэнцефалографии можно выделить пять фаз, или степеней глубины, сна. Для человека, спокойно сидящего или лежащего с закрытыми глазами, характерен альфа-ритм, при котором частота регистрируемых «волн» составляет 8-12 Гц (фаза 1). Когда наступает сон, основной ритм замедляется, амплитуда отдельных пиков электрического потенциала снижается (фаза 2). Исследователи, изучающие сон, объясняют это флуктуациями более или менее случайной нейронной активности. На стадии более глубокого сна появляются эпизоды с большей частотой волн, время от времени прерывающие медленную низковольтную активность (фаза 3). Сонные веретена — это всплески активности с частотой 12-15 Гц. Продолжительность их не превышает одной секунды. По мере дальнейшего углубления сна колебания потенциала замедляются и преобладают уже дельта-волны с частотой около 4 Гц (фаза 4). И наконец, после достижения наиболее глубокой фазы сна электрическая активность вновь приобретает характер быстрых колебаний с низкой амплитудой; при этом появляются периоды, во время которых происходят быстрые сокращения глазных мышц. Эта пятая фаза, или сон с быстрыми движениями глаз (БДГ-сон), сопровождается также почти полным расслаблением скелетной мускулатуры. Люди, разбуженные во время этой фазы, часто говорят, что видели сны, поэтому фазу БДГ считают периодом сновидений. Судя по результатам других исследований, сновидения, вероятно, могут иметь место и во время глубокого медленно-волнового сна, например на стадии дельта-волн.

Биологические основы сна и бодрствования. Биологические основы активного бодрствования с трудом поддаются изучению. По мнению некоторых ученых, первый шаг к их выяснению состоит в том, чтобы установить, какие системы мозга ответственны за наступление сна и его отдельных стадий. Обычный подход при изучении локализации мозговых функций — стимуляция тех или иных участков мозга или их повреждение — помог определить, какие области наиболее тесно связаны со стадиями сна и бодрствования.

В начале 1950-х годов работы, проведенные итальянским физиологом Моруцци и американским физиологом Мэгуном, показали, что наиболее важной зоной является внутренняя область варолиева моста и ствола мозга. Согласно анатомическим данным, волокна от этой области идут вверх к ядрам таламуса, имеющим связи с корой. Существование таких связей означает, что ретикулярная формация моста и ствола могла бы эффективно воздействовать на кору больших полушарий. Электростимуляция ретикулярной формации моста действительно возбуждает в коре активность, регистрируемую электроэнцефалограммой. С другой стороны, повреждения моста ведут у животных к необратимому переходу в коматозное состояние.

Регистрируя активность определенных нейронов моста в области ретикулярной формации, в дальнейшем удалось установить, что активность некоторых из этих нейронов специфическим образом изменяется как раз перед сменой стадий сна. Например, у отдельных клеток перед началом фазы глубокого БДГ-сна резко возрастала частота импульсации — в 50-100 раз по сравнению со спокойным бодрствующим состоянием. Тот факт, что повышение частоты разряда начиналось за некоторое время до того, как на ЭЭГ появлялись признаки БДГ-сна, определенно свидетельствует в пользу участия этих клеток в событиях, приводящих к смене фазы.

Две другие группы нейронов варолиева моста обнаруживали тенденцию к противоположному изменению активности при смене фаз сна. Интерес к этим нейронам первоначально возник в связи с тем, что были получены некоторые данные о химической природе их медиаторов, наводившие на мысль о возможной роли этих клеток в регулировании сна. Это были две следующие группы: 1) скопление норадреналин-содержащих нейронов в области голубого пятна и 2) скопление серотонин-содержащих нейронов в дорсальном ядре шва (см. рис. 71). Как показали записи активности отдельных нейронов этих ядер, она максимальна во время бодрствования, постепенно снижается на ранних стадиях медленноволнового сна и к концу его почти полностью угасает; во время БДГ-сна эти нейроны бездействуют.

Рис. 71. Системы регуляции сна. Здесь показаны основные участки мозга, посылающие волокна к ретикулярной активирующей системе. Видно, как в цепях, выходящих из голубого пятна (медиатор — норадреналин) и ядер шва (медиатор — серотонин) аксоны расходятся к различным участкам спинного мозга, мозжечка и таламуса.

Как теперь полагают, нейроны моста, активирующиеся на стадии БДГ-сна, и нейроны ядер голубого пятна и шва, неактивные во время этой фазы, связаны друг с другом. Можно было бы просто предположить, что первые, возбуждаясь, тормозят активность вторых. Однако эта гипотеза не позволяет понять, что затормаживает первую группу клеток в конце фазы БДГ и что потом восстанавливает их активность. Возможно, что сходный тип активности свойствен и многим другим, пока еще неисследованным нейронам моста и что характер их импульсации еще лучше коррелирует с чередованием фаз сна и бодрствования.

Эти исследования сослужили еще одну службу: они навели на мысль, что медиаторы серотонин и норадреналин играют определенную роль в регуляции общего уровня активности. Например, некоторые транквилизаторы вызывают не только длительное понижение активности и сонливость, но и истощение мозговых запасов серотонина и норадреналина. Кроме того, поражения ядер голубого пятна и дорсального ядра шва могут вызывать резкие нарушения нормального сна, и в особенности подавлять фазу БДГ.

Связи норадреналин- и серотонинэргических нейронов относятся к категории сетей дивергентного типа с одним входом (см. гл. 2). Из скоплений таких клеток их дивергирующие аксоны направляются во многие области мозга, и благодаря такому широкому распространению эти клетки могут влиять на множество других нейронов. Вот почему они потенциально способны играть роль в регуляции таких крупномасштабных явлений, как бодрствование и сон.

Детальные наблюдения над активностью нейронов голубого пятна тоже говорят в пользу высказанных предположений. У бодрствующих животных, взаимодействующих с внешним миром, наблюдаются краткие периоды усиленной активности этих нейронов во время переработки новой сенсорной информации, поступающей извне. Эти клетки активируются тогда, когда животное подвергается воздействию любого рода новых стимулов-прикосновений, света, звуков или запахов. Вместе с другими сведениями о действии норадреналина, выделяемого нейронами голубого пятна, эти данные позволяют предполагать, что понижение активности голубого пятна создает условия для наступления сна. Можно думать также, что с возбуждением этого участка связано появление кратких периодов повышенного реагирования на новые раздражители. Таково научное, неврологическое истолкование понятий «бодрствование» или «внимание».

Центральные интегрирующие механизмы

Клеточные механизмы, лежащие в основе таких сложных общих состояний, как внимание, бодрствование и сон, все еще далеко не ясны. Как показывают приведенные выше факты, о ряде групп нейронов было получено достаточно данных, чтобы можно было уже начать формулировать доступные для проверки гипотезы о некоторых клеточных взаимодействиях, лежащих в основе тех или иных форм поведения.

Однако весьма вероятно, что для понимания некоторых клеточных основ интегративных способностей мозга полезными вскоре окажутся молекулярные объяснения (см. гл. 7). Известно, например, что в регуляции переходов из одного общего состояния в другое участвуют, вероятно, и другие системы, организованные по типу дивергентных сетей с одним входом. Одну из таких систем образуют дофаминэргические нейроны моста, другую — холинэргические (выделяющие ацетилхолин) нейроны промежуточного мозга и ретикулярной формации моста. Обе нейронные системы посылают аксоны к множеству клеток-мишеней и, по-видимому, служат для координации их деятельности.

Гиперактивность некоторых дофаминэргических нейронов характерна для больных шизофренией, у которых неоправданные сопоставления сенсорных данных приводят к искаженному восприятию событий (см. гл. 9). Снижение активности холинэргических, а также адренэргических (выделяющих норадреналин) нейронов может наблюдаться при болезни Альцгеймера, для которой характерна неспособность больных соотносить текущую сенсорную информацию с прошлым опытом (см. гл. 10).

Эти системы наряду со многими другими системами моста и гипоталамуса, организованными по типу дивергентных сетей с одним входом, медиаторы которых пока неизвестны, обладают такой структурой, которая почти наверняка позволяет им осуществлять интегративные функции. Возможно, есть и иные типы нейронных сетей, а также иные особенности действия медиаторов, которые тоже обеспечивают координацию работы сенсорных и двигательных подсистем.

 

Поддержание постоянства внутренней среды

В этой главе мы рассмотрели две основные системы, используемые мозгом для координации деятельности организма в соответствии с требованиями внутренней среды и внешними условиями,

Вегетативная нервная система осуществляет общее регулирование путем небольших сдвигов в активности двух своих в целом сбалансированных отделов — симпатической и парасимпатической нервной системы, что приводит к преобладающему влиянию того или другого отдела. Каждый из этих отделов имеет сенсорный компонент, воспринимающий различные физические или химические внутренние факторы, и эффекторный компонент, производящий изменения, необходимые для поддержания постоянства внутренней среды.

Эндокринная система регулирует деятельность разнообразных внутренних органов через посредство промежуточных гормонов, секретируемых гипофизом, который в свою очередь находится под контролем нейронов гипоталамуса. Передняя доля гипофиза контролирует эндокринные железы всего организма. Задняя доля гипофиза выводит в кровяное русло гормоны, секретируемые другими нейронами гипоталамуса. Активность обеих групп гипоталамических нейронов может изменяться под влиянием текущей и прошлой сенсорной информации, переработанной корковыми и подкорковыми системами.

И вегетативная, и эндокринная системы функционируют таким образом, как если бы они имели целью поддержание некоего «заданного уровня» для каждого физического или химического параметра внутренней среды. Эти системы возбуждают или затормаживают различные физиологические функции, чтобы свести к минимуму отклонения отдельных параметров, несмотря на значительные колебания условий окружающей среды.

И наконец, активность систем, которые обеспечивают взаимодействие нашего организма с непрерывно меняющимся внешним миром, тоже должна изменяться. И действительно, уровень нашего внимания может варьировать в широких пределах — от полного бодрствования до глубокого сна, что связано с действием медиаторов, используемых нейронными сетями с обширной зоной влияния.

В следующей главе мы остановимся на взаимосвязях между такого рода «глобальными» сетями и суточными изменениями активности. Рассмотрев ритмические колебания деятельности наших внутренних регуляторных систем, мы начнем понимать, как мозг может заранее предвидеть некоторые потребности, связанные с циклическими изменениями условий жизни.