Человеческий мозг – это самая сложная из всех известных живых структур. Нервной системе и, в первую очередь, головному мозгу принадлежит важнейшая роль в координации поведенческих, биохимических, физиологических процессов в организме. С помощью нервной системы организм воспринимает изменения внешней среды и на них реагирует. Головной мозг является орудием познавательной деятельности человека и вопрос, как же работает человеческий мозг – остается одним из центральных в науке.
Нервная ткань состоит из нескольких типов клеток. Нейрон – это нервная клетка со всеми ее отростками.
Для поддержания нормального функционирования нейрона существуют два механизма:
1. Трансверзальный транспорт веществ – обмен веществ из внеклеточного пространства.
2. Лонгитудинальный транспорт – непрерывный обмен веществ между телом и отростками нейрона, касается, главным образом, репродукции нейроплазмы.
Функции аксонального плазматического тока
1. Непрерывное возмещение составных частей нейрона в норме и при патологии.
2. Освобождение веществ из нейрона в связи с синаптическим переносом, его трофическими и другими функциями.
3. Транспорт трофических веществ из целевого органа в тело нейрона.
4. Передача метаболической информации между отдельными участками нейрона.
В аксональном транспорте участвуют как внутриклеточные органоиды (митохондрии, лизосомы, синаптические пузырьки, нейрофиламенты), так и отдельные метаболиты (липиды, нуклеотиды, гликопротеины, свободные аминокислоты и др.).
Вторым типом клеток нервной ткани является глия. Нейроглия – система клеток, непосредственно окружающих нервные клетки головного и спинного мозга и прямо не участвующих в специфической функции нервной ткани. Популяция клеток глии в ЦНС более чем в 10 раз превышает количество нейронов. Нейроглия специлизируется на выполнении вспомогательных, в отношении нейронов, функций: опорной, трофической, изоляционной, секреторной, защитной, поглощения химических медиаторов, участия в восстановлении и регенерации (глиальные клетки сохраняют способность к делению в течение всей жизни организма).
Методы раздельного биохимического анализа нейронов и глии:
1. Метод микроманипуляций (1950–1960гг. – Хиден и Эндстрем в Швеции, Лоури в США).
2. Метод количественной цитохимии – Касперсон, 30-е годы XX века.
3. Метод обогащения фракций – Rose, 1965 г.
Гемато-энцефалический барьер (ГЭБ)
Большая часть стенок капилляров мозга (85–90%) покрыты выростами астроцитов, а остальная часть их поверхности окружена собственно телами глиальных клеток. Контакт между астроцитами и стенкой капилляров настолько тесен, что внешне поверхности мембран этих двух элементов как бы сливаются образуя двойную перегородку. Благодаря такой двойной перегородке возникает барьер, через который с трудом проникают многие растворимые в крови вещества. Морфологическую основу ГЭБ составляют – эндотелий сосудов мозга, периваскулярная базальная мембрана и плазматическая мембрана глиальных клеток. Интенсивность проникновения в мозг ряда веществ через ГЭБ определяется не только состоянием ГЭБ, но и интенсивностью функционирования и метаболизма ЦНС. Уровень деятельности и метаболизма нервной ткани является фактором, регулирующим функцию ГЭБ. С одной стороны, ГЭБ играет роль в защите головного мозга от экзогенных и эндогенных токсинов, циркулирующих в крови, а с другой – препятствуют «ускользанию» нейромедиаторов и других активных соединений из интерстициальной жидкости в кровь. Однако наиболее важной функцией ГЭБ, по видимо, является сохранение особой внутренней среды для головного мозга.
Общие особенности метаболизма нервной ткани
1. Высокая интенсивность в сравнении с другими тканями.
2. Поразительно высокий уровень обмена сохраняется при отсутствии большой функциональной активности – во время сна.
3. Метаболизм в периферических нервных волокнах отличается от обмена самих нервных клеток.
4. Общая интенсивность метаболизма в нервных волокнах низкая.
Обмен свободных аминокислот в головном мозге
Аминокислоты играют важную роль в метаболизме и функционировании ЦНС. Это объясняется не только исключительной ролью аминокислот как источников синтеза большого числа биологически важных соединений, таких как белки, пептиды, некоторые липиды, ряд гормонов, витаминов, биологически активных аминов. Аминокислоты и их дериваты участвуют в синаптической передаче, в осуществлении межнейрональных связей в качестве нейротрансмитеров и нейромодуляторов. Существенной является также их энергетическая значимость ибо аминокислоты глутаминовой группы непосредственно связаны с циклом трикарбоновых кислот.
Обобщая данные об обмене свободных аминокислот в головном мозге, можно сделать следующие выводы:
1. Большая способность нервной ткани поддерживать относительное постоянство уровней аминокислот.
2. Содержание свободных аминокислот в головном мозге в 8 – 10 раз выше, чем в плазме крови.
3. Существование высокого концентрационного градиента аминокислот между кровью и мозгом за счет избирательного активного переноса через ГЭБ.
4. Высокое содержание глутамата, глутамина, аспарагиновой, N-ацетиласпарагиновой кислот и ГАМК. Они составляют 75 % пула свободных аминокислот головного мозга.
5. Выраженная региональность содержания аминокислот в различных отделах мозга.
6. Существование компартментализированных фондов аминокислот в различных субклеточных структурах нервных клеток.
7. Ароматические аминокислоты имеют особое значение как предшественники катехоламинов и серотонина.
Нейропептиды
В последнее время значительно увеличился интерес к управлению важнейшими функциями мозга с помощью пептидов. Открыто достаточно большое количество пептидов, способных в очень низких концентрациях воздействовать на нервную ткань, выступая в качестве модуляторов ряда функций, а также действия нейромедиаторов, гормонов, фармакологических средств. С учетом преимущественной локализации этих пептидов в ЦНС они получили название нейропептидов. По сравнению с другими системами межклеточной сигнализации, пептидная система оказалась наиболее многочисленной (сейчас открыто свыше 600 природных нейропептидов) и полифункциональной.
Нейропептиды представляют собой малые и средние по размеру пептиды, как правило, линейные, содержащие от 2 до 40–50 аминокислотных остатков. Часть нейропептидов модифицирована по концевым аминокислотам. Нейропептиды – это межклеточные передатчики информации. Они выполняют, нередко одновременно, функции нейромедиаторов, нейромодуляторов и дистантных регуляторов. Нейропептиды (вместе с другими регуляторными соединениями) образуют функционально непрерывную систему, функциональной континуум. Каждый нейропептид обладает своеобразным комплексом биологических активностей. Нейропептиды синтезируются путем протеолиза больших пептидов- предшественников в нейронах и сосредотачиваются в везикулах нервных окончаний. Срок полураспада большинства нейропептидов варьирует от минут (для олигопептидов) до часов (для пептидов среднего размера). Существует сложная иерархическая система, в которой одни нейропептиды индуцируют или подавляют выход других нейропептидов. При этом сами нейропептиды-индукторы обладают, кроме того, способностью непосредственно вызывать ряд биохимических и физиологических эффектов.
Энергетический обмен в нервной ткани
Характерными чертами энергетического обмена в ткани головного мозга являются:
1. Высокая его интенсивность в сравнении с другими тканями.
2. Большая скорость потребления кислорода и глюкозы из крови. Головной мозг человека, на долю которого приходится 2% от массы тела, потребляет до 20% всего кислорода, используемого организмом в покое.
3. Потребление кислорода серым веществом на 30–50% выше, чем белым. Периферические нервы используют в 30 раз меньше кислорода, чем эквивалентное по массе количество ткани из ЦНС.
4. Различная скорость потребления кислорода отдельными регионами ЦНС: кора больших полушарий > мозжечок > промежуточный мозг > средний и продолговатый мозг > спинной мозг.
5. Нейроны отличаются более интенсивным дыханием, чем глиальные клетки. В коре больших полушарий 70% от общего поглощения кислорода приходится на нейроны и 30% на глиальные клетки.
6. Невозможность замены основного энергетического субстрата, глюкозы, другими соединениями, интенсивно окисляющимися в других тканях.
7. Приблизительно 70% всей производимой в мозге АТФ расходуется на поддержание ионных градиентов между содержимым нервных клеток и окружающей средой.
Особенности углеводного обмена в ткани головного мозга
1. Функциональная активность мозга в наибольшей степени зависит от обмена углеводов.
2. Головной мозг в качестве энергетического материала использует почти исключительно глюкозу.
3. Доминирующим путем метаболизма глюкозы в нервной ткани является аэробный гликолиз.
4. Важная роль для метаболизма мозга гексокиназы, как основного механизма вовлечения глюкозы в гликолиз.
5. Существование единого функционального комплекса из двух ферментов гликолиза – гексокиназы и фосфофруктокиназы, синхронно однонаправленно регулируемых пулом адениловых нуклеотидов.
Липидный обмен в нервной ткани
Липидный состав головного мозга уникален не только по высокой концентрации общих липидов, но и по содержанию здесь их отдельных фракций. Почти все липиды головного мозга представлены тремя главными фракциями: глицерофосфолипидами, сфинголипидами и холестеролом, который всегда обнаруживается в свободном, а не эстерифицированном состоянии, характерном для большинства других тканей.
Обмен липидов в нервной ткани имеет следующие особенности
1. мозг обладает высокий способностью синтезировать жирные кислоты;
2. в мозге практически не происходит β-окисления жирных кислот;
3. скорость липогенеза в головном мозге неодинакова в различные сроки постнатального периода;
4. постоянство состава липидов в зрелом мозге подтверждает низкую скорость их обновления в целом;
5. фосфатидилхолин и фосфатидилинозит обновляются в ткани мозга быстро;
6. скорость синтеза холестерола в мозге высока в период его формирования. С возрастом активность этого процесса уменьшается;
7. синтез цереброзидов и сульфатидов протекает наиболее активно в период миелинизации.
В зрелом мозге 90 % всех цереброзидов находятся в миелиновых оболочках, тогда как ганглиозиды – типичные компоненты нейронов.
Роль медиаторов в передаче нервных импульсов
Большинство синапсов в нервной системе млекопитающих является химическими. Процесс передачи сигнала в химическом синапсе осуществляется посредством освобождения нейромедиаторов из пресинаптических нервных окончаний. К нейромедиаторам относятся в настоящее время 4 группы веществ: моноамины, аминокислоты, пуриновые нуклеотиды, пептиды. В индивидуальном нейроне синтезируется, как правило, несколько нейромедиаторов различной химической природы. Кроме нейромедиаторов существует обширный класс соединений – нейромодуляторов, регулирующих уровень синаптической передачи.
Нейрохимические основы памяти
Память – сложный и еще не достаточно изученный процесс, включающий фазы запечатления, хранения и извлечения поступающей информации. Все эти фазы тесно связаны между собой, и нередко их очень трудно разграничить при анализе функций памяти.
Виды биологической памяти:
1. Генетическая;
2. Эпигенетическая;
3. Иммунологическая;
4. Нейрологическая (ее иногда называют психической или индивидуальной).
В настоящее время нейрологическую память делят на три этапа:
1. Кратковременная память (длительность от нескольких миллисекунд до нескольких минут).
2. Промежуточный (от нескольких секунд до нескольких часов).
3. Долговременная память (годы, десятилетия и в течение всей жизни).
Нейрологическая память обладает сложной системной организацией и не имеет строгой локализации в определенных участках мозга. По современным представлениям, следы памяти (энграммы) фиксируются в мозге в виде изменений состояния синаптического аппарата, в результате которых возникает предпочтительное проведение возбуждения по определенным нервным путям.
После восприятия информации, в процессе ее запечатления и фиксации, в мозге протекает ряд последовательно сменяющихся нейрохимических процессов. На первых этапах, в стадии кратковременной памяти происходят изменения «быстрых» функций синапса, связанных с выбросом и сдвигом концентрации «классических» и пептидных медиаторов. В дальнейшем, в течение периода от нескольких секунд до нескольких суток происходит вовлечение широкого спектра нейрохимических процессов, включающих изменения в составе и структуре нейроспецифических белков, в частности изменения степени их фосфорилирования, а также модификацию синтеза РНК.
Для формирования пожизненной долговременной памяти необходим постоянный синтез новых биополимеров, который может быть осуществлен в случае устойчивых перестроек в функционировании участков генома. Последние могут происходить в результате либо структурных изменений ДНК, либо образования устойчивых циклов для постоянного синтеза репрессоров или дерепрессоров транскриптонов. Возможно также, что в формировании долговременной памяти принимают участие иммунологические механизмы, благодаря которым в мозге синтезируются антителоподобные соединения, способные в течение длительного времени модифицировать деятельность синапсов в определенных нервных путях. В механизмах формирования памяти принимают участие как «классические» медиаторы, так и большое число нейропептидов, выполняющих функции медиаторов и нейромодуляторов.
Спинномозговая жидкость
Общее количество ликвора у взрослого человека составляет 100–150 мл, у детей 80 – 90 мл. Скорость образования ликвора колеблется в пределах 350–750 мл/сутки. Обновляется ликвор 3 – 7 раз в сутки, чаще всего 3,5 раза.
Распределение ликвора в ликворной системе:
1. боковые желудочки – 20–30 мл
2. 3 и 4 желудочки – 3–5 мл
3. подпаутинное пространство головного мозга – 20–30 мл
4. подпаутинное пространство спинного мозга – 50–70 мл
Функции спинномозговой жидкости:
1. Механическая защита мозга.
2. Экскреторная функция – выведение метаболитов из мозга.
3. Транспорт различных биологически активных веществ.
4. Контроль окружающей среды мозга:
• буферная роль при быстрых изменениях состава крови;
• регуляция оптимальной концентрации ионов и рН для обеспечения нормальной возбудимости ЦНС;
• является специальным защитным иммунобиологическим барьером.
Таблица 32.1. Состав спинномозговой жидкости
| Показатель | Концентрация |
| Количество | 100 – 150 мл |
| Прозрачность | Бесцветная, прозрачная |
| Вода | 99 % |
| Плотный осадок | 1% - 10 г/л |
| Органические в-ва | 2 – 2,4 г/л |
| Белок общий | 0,15 – 0,33 г/л |
| Альбумины | 0,12 – 0,26 г/л |
| Глобулины | 0,03 – 0,06 г/л |
| Глюкоза | 2,50 – 4,15 ммоль/л |
| Неорганические в-ва | 7,6 – 8,0 г/л |
| Натрий | 135 – 150 ммоль/л |
| Калий | 2,3 – 4,3 ммоль/л |
| Хлориды | 120 – 130 ммоль/л |
| Кальций | 1,2 – 1,6 ммоль/л |