Пресинаптическое и пессимальное торможение
Процессы торможения в центральной нервной системе (ЦНС) были представлены как научное открытие еще в 1962 г. И. М. Сеченовым. Исследователь заметил это явление при изучении изгибающих рефлексов лягушек, возбуждение которых регулировалось химическими реакциями раздражения в средних областях мозга. На сегодняшний день признано, что такое поведение нервной системы имеет существенное значение для защитных реакций организма. При этом современные ученые выявляют разные стадии и характеристики данного процесса. Особое внимание отводится пресинаптическому и пессимальному торможениям, которые по-разному влияют на координацию рефлексов и осуществление защитных функций в нервных клетках.
Процесс торможения в ЦНС как биохимическая реакция
Синапсы, отвечающие за регуляцию возбуждения и раздражения, преимущественно работают с хлорными каналами, открывая их. На фоне этой реакции перед ионами открывается возможность проходить через нейронную мембрану. В этом процессе важно понимать значение потенциала Нернста для ионов. Он равен -70 мВ, в то время как заряд мембранного нейрона в спокойном состоянии тоже отрицательный, но соответствует уже -65 мВ. Эта разность и обуславливает открытие каналов с обеспечением передвижения отрицательных ионов из внеклеточной жидкости.
В ходе данной реакции также изменяется и потенциал мембраны. К примеру, он может повыситься до уровня -70 мВ. Но также и открытие калиевых каналов может провоцировать пессимальное торможение. Физиология с процессами регуляции возбуждения в данном случае будет выражаться в движении положительных ионов наружу. Они постепенно наращивают отрицательный потенциал по мере утраты покоя. В итоге оба процесса способствуют увеличению отрицательных потенциалов, что и вызывает раздражающие реакции. Другое дело, что в дальнейшем заряды могут управляться и сторонними факторами регуляции, из-за чего, в частности, иногда имеет место эффект остановки новой волны возбуждения нервных клеток.
Пресинаптические процессы торможения
Такие реакции провоцируют угнетение нервных импульсов в аксональных окончаниях. Собственно, место их возникновения и обусловило название данного типа торможения – они предшествуют каналам, взаимодействующим с синапсами. Активным звеном выступают именно аксональные элементы. К возбуждающей клетке направляется инородный аксон, выделяющий тормозной медиатор. Последний оказывает воздействие на постсинаптическую мембрану, провоцируя в ней процессы деполяризации. В результате происходит торможение входа из синаптической щели вглубь возбуждающего аксона, выброс медиатора снижается и наступает кратковременная остановка реакции.
Как раз на этом этапе иногда возникает пессимальное торможение, которое можно представить как повторное. Оно развивается в случаях, когда первичный процесс возбуждения на фоне сильной деполяризации не останавливается под влиянием множественной импульсации. Что касается завершения пресинаптической реакции, то она достигает своего пика через 15-20 мс и длится порядка 150 мс. Блокировка такого торможения обеспечивается судорожными ядами – пикротоксином и бикулином, противодействующими медиаторам аксона.
Локализация в отделах ЦНС может также отличаться. Как правило, пресинаптические процессы возникают в спинном мозге и других структурах мозгового ствола. Побочным эффектом реакции может быть увеличение синаптических пузырей, которые освобождаются нейромедиаторами в возбуждающей среде.
Виды пресинаптических процессов торможения
Как правило, выделяются латеральные и обратные реакции такого типа. Причем структурная организация обоих процессов во многом сходится с постсинаптическим торможением. Принципиальное же их отличие обуславливается тем, что возбуждение останавливается не на самом нейроне, а на подходе к его телу. При латеральном торможении цепь реакции характеризуется влиянием не только на целевые нейроны, в отношении которых действует возбуждение, но и на соседние клетки, которые изначально могут быть слабыми и не воспаленными. Этот процесс называетс латеральным по той причине, что участок возбуждения локализуется в боковых частях относительно нейрона. Подобные явления встречаются в сенсорных системах.
Что касается реакций обратного типа, то на их примере особенно заметна зависимость поведения нервных клеток от источников импульсов. В некотором роде противоположностью этой реакции можно назвать пессимальное торможение. Физиология ЦНС в данном случае обуславливает зависимость характера течения возбуждения не столько от источников, сколько от частоты стимулов. Обратное торможение предполагает, что к целевым нейронам будет направлены медиаторы аксонов по нескольким каналами коллатералей. Данный процесс реализуется по принципу отрицательной обратной связи. Многие исследователи отмечают, что он требуется для возможности саморегуляции возбуждения нейронов с предотвращением судорожных реакций.
Механизм пессимального торможения
Если рассмотренный выше пресинаптический процесс определяется через взаимодействие отдельных клеток с другими источниками раздражения, то в данном случае ключевым фактором выступит отклик нейронов на возбуждения. К примеру, при частых ритмических импульсах клетки мышц могут реагировать увеличением раздражения. Данный механизм также называется пессимальным торможением Введенского по имени ученого, открывшего и сформулировавшего этот принцип взаимодействия нервных клеток.
Для начала стоит подчеркнуть, что для каждой нервной системы существует свой оптимальный порог возбуждения, стимулируемый раздражением определенной частоты. По мере наращивания ритма импульсов будет увеличиваться и тетаническое сокращение мышц. Причем существует и уровень повышения частоты, при котором нервы перестанут раздражаться и войдут в стадию расслабления, несмотря на продолжение возбуждающих процессов. То же самое происходит и по мере сокращения интенсивности действия медиаторов. Можно сказать, это обратный восстановительный механизм пессимального торможения. Физиологию синапсов в этом контексте стоит рассматривать по характеристикам лабильности. У синапсов данный показатель ниже, чем в мышечных волокнах. Связано это с тем, что трансляция возбуждения обуславливается процессами высвобождения и дальнейшего расщепления медиатора. Опять же, в зависимости от особенностей поведения конкретной системы подобные реакции могут происходить с разной скоростью.
Что такое оптимум и пессимум?
На механизм перехода из состояния возбуждения в торможение влияет множество факторов, большинство из которых связаны с характеристиками раздражителя, его силой и частотой. Наступление каждой волны может изменять параметры лабильности, причем эта коррекция обуславливаться и текущим состоянием клетки. К примеру, пессимальное торможение может происходить, когда мышца пребывает в экзальтационной или рефрактерной фазе. Эти два состояния и определяются понятиями оптимума и пессимума. Что касается первого, то в этом случае характеристики импульсов соответствуют показателю лабильности клетки. В свою очередь, пессимум предполагает, что лабильность нерва будет ниже, чем у мышечных волокон.
При пессимуме результатом воздействия предыдущего раздражения может стать резкое понижение или полная блокировка перехода возбуждающих волн от нервных окончаний на мышцу. В итоге будет отсутствовать тетанус и наступит пессимальное торможение. Оптимум и пессимум в данном контексте отличаются тем, что при одинаковых параметрах раздражения поведение мышцы будет выражаться или в сокращении, или в расслаблении.
К слову, оптимумом силы как раз называют максимальное сокращение волокон при оптимальной частоте возбуждающих сигналов. Однако наращивание и даже двойное увеличение потенциала воздействия не приведет к дальнейшему сокращению, а напротив – понизит интенсивность и через некоторое время приведет мышцы к состоянию спокойствия. Существуют, впрочем, и противоположеные реакции возбуждения без раздражающих медиаторов.
Условное и безусловное торможение
Для более полного понимания ответных реакций на раздражения стоит рассмотреть две различные формы торможения. В случае с условной реакцией предполагается, что рефлекс будет возникать при слабом или отсутствующем подкреплении со стороны безусловных раздражителей.
Отдельно стоит рассмотреть дифференцировочное условное торможение, при котором произойдет выделение полезного для организма раздражителя. Выбор оптимального источника возбуждения обуславливается прежним опытом взаимодействия со знакомыми раздражителями. Если же они будут изменяться в характере положительного действия, то рефлекторные реакции также прекратят свою активность. С другой стороны, безусловное пессимальное торможение требует от клеток моментальной и однозначной реакции на раздражения. Однако в условиях интенсивного и регулярного влияния со стороны одного и того же возбудителя ориентировочный рефлекс снижается и также через время реакция торможения будет отсутствовать.
Исключением являются раздражители, которые стабильно несут важную биологическую информацию. В этом случае и рефлексы будут обеспечивать ответные сигналы.
Значение процессов торможения
Основная роль данного механизма состоит в обеспечении возможности синтеза и анализа в ЦНС нервных импульсов. После обработки сигналов происходит согласование функций организма, как между собой, так и с внешней средой. Таким образом достигается эффект координации, но это не единственная задача торможения. Так, немалое значение имеет и охранная или защитная роль. Она может выражаться в угнетении ЦНС афферентными малосущественными сигналами на фоне пессимального торможения. Механизм и значение этого процесса можно выразить в согласованной работе антагонистических центров, которые исключают негативные факторы возбуждения.
Обратное торможение, в свою очередь, может ограничивать частоту импульсов мотонейронов в спинном мозге, выполняя одновременно и защитную, и координационную роль. В одном случае происходит согласование импульсов мотонейронов с темпами сокращения иннервируемых мышц, а в другом – предотвращается перевозбуждение нервных клеток.
Функциональное значение пресинаптических процессов
В первую очередь надо подчеркнуть, что характеристики синапсов не являются постоянными, поэтому и последствия торможения нельзя рассматривать как неизбежные. В зависимости от условий, их работа может протекать с той или иной степенью активности. В оптимальном состоянии возникновение пессимального торможения вероятно при наращивании частоты раздражающих импульсов, но, как показывают анализы влияния предыдущих сигналов, повышение интенсивности может привести и к расслаблению мышечных волокон. Все это говорит о нестабильности функционального значения процессов торможения на организм, но и они в зависимости от условий могут выражаться вполне конкретно.
К примеру, при высоких частотах раздражения может наблюдаться долговременное повышение эффективности взаимодействия между отдельными нейронами. Так могут проявляться функциональные возможности пресинаптического волокна и, в частности, его гиперполяризация. С другой стороны, в синаптическом аппарате имеют место и признаки постактивационной депрессии, что будет выражаться в снижении амплитуды возбуждающего потенциала. Это явление может возникать и в синапсах при пессимальном торможении на фоне повышенной чувствительности к действию медиатора. Так проявляется эффект десенсибилизации мембраны. Пластичность синаптических процессов как функциональное свойство может обуславливать и формирование нейронных связей в ЦНС, а также их укрепление. Такие процессы положительно сказываются на механизмах обучения и развития памяти.
Особенности постсинаптического торможения
Данный механизм возникает на этапе, когда медиатор выделяется из цепочки, что выражается в виде снижения возбудимости мембран нервной клетки. Как отмечают исследователи, такого рода торможения происходят на фоне первичной гиперполяризации мембраны нейрона. Эту реакцию провоцирует наращивание проницаемости постсинаптической мембраны. В дальнейшем гиперполяризация сказывается на потенциале мембраны, приводя его в нормальное сбалансированное состояние – то есть критический уровень возбудимости понижается. При этом можно говорить о переходной связи в цепочках пост- и пресинаптического торможения.
Пессимальные же реакции в том или ином виде могут присутствовать в обоих процессах, но больше для них характерны вторичные волны раздражения. В свою очередь, постсинаптические механизмы развиваются градуально и не оставляют рефрактерности. Это уже завершающая стадия торможения, хотя могут возникать и процессы обратного наращивания возбудимости, если имеет место влияние дополнительных импульсов. Как правило, обретение исходного состояния нейронов и мышечных волокон происходит вместе с сокращением отрицательных зарядов.
Заключение
Торможение является особым процессом в ЦНС, тесно связанным с факторами раздражения и возбуждения. При всей активности взаимодействия нейронов, импульсов и мышечных волокон подобные реакции носят вполне естественный и полезный для организма характер. В частности, специалисты указывают на значимость торможения для людей и животных как средства регуляции возбуждения, координации рефлексов и осуществления защитных функций. Сам же процесс достаточно сложен и многогранен. Описанные виды реакций формируют его основу, а характер взаимодействия между участниками определяется принципами пессимального торможения.
Физиология таких процессов обуславливается не только устройством ЦНС, но и взаимодействием клеток с внешними факторами. К примеру, в зависимости от тормозного медиатора система может давать разные отклики, причем иногда с противоположенным значением. Именно за счет этого обеспечивается баланс взаимодействия нейронов и мышечных рефлексов.
Изучение в этом направлении пока еще оставляет немало вопросов, как и в целом мозговая деятельность человека. Но на сегодняшний день очевидно, что механизмы торможения являются важным функциональным компонентом в работе ЦНС. Достаточно сказать, что без естественной регуляции рефлекторной системы организм не сможет в полной мере защищать себя от окружающей среды, находясь с ней в тесном контакте.