Глава 1
Особенности строения и функции нервной системы
Центральная и периферическая нервная система
В процессе эволюции живые организмы миллионы лет совершенствовали системы управления функциями и связями с внешней средой. В среде простейших организмов, а затем и многоклеточных живых существ, постепенно сформировались механизмы гуморального пути управления. Функционирование гуморального контроля и управления зависит от сложных или простых химических веществ, само присутствие которых или изменение их концентрации во внешней или внутренней среде, оказывает непосредственное влияние на различные функции организма. Совершенствование гуморального механизма управления привело к формированию эндокринной системы, работа которой основана на действии гормонов – биологически активных веществ, оказывающих влияние на состояние клетки в крайне малых концентрациях. Достижением этого этапа эволюции живых организмов стало появление признаков специализации каналов управления – гормоны оказывают влияние только на специфические рецепторы, «свои» клетки. Таким образом, гормональная регуляция функций приобретала свойства целенаправленных, специфических влияний на работу клеток, органов и систем. Анатомическим субстратом эндокринной системы стали специализированные железы, выделяющие гормоны во внутренние среды организма (щитовидная железа, надпочечники, половые железы, поджелудочная железа и другие ткани, способные синтезировать в малых концентрациях сильнодействующие вещества, гормоны или низкомолекулярные пептиды – регуляторы функций). Гормональная регуляция за длительный период эволюции достигла высокой степени развития и является древнейшим механизмом управления, который обеспечивает связь сложных живых биологических систем с внешней средой, приспособление к изменяющимся условиям существования.
Нервная система – более молодое приобретение эволюции сложных многоклеточных организмов. Появление и развитие нервной системы обусловлено необходимостью ускорения прохождения регулирующих сигналов и уточнения их адресной передачи, поскольку в процессе эволюции жизнеспособность сохраняли виды, приобретавшие способность к быстрым целенаправленным действиям.
Структурной единицей нервной системы является крупная специализированная клетка – нейрон.
Как правило, нейрон имеет несколько коротких отростков для приема информации (дендриты) и один длинный отросток, посредством которого нервный сигнал передается клеткам и органам (аксон). Строение нервной клетки определяет и основной принцип функционирования различных отделов нервной системы. Все ее образования имеют афферентное (воспринимающее), центральное (обрабатывающее), эфферентное (действующее) звено. По своему назначению нейроны разделяют на двигательные (моторные), чувствительные (сенсорные) и интернейроны, выполняющие соединительные функции. Как правило, нейроны расположены в пределах головного или спинного мозга (центральная нервная система), а их отростки формируют нервные волокна, из которых состоят длинные периферические нервы. Периферические нервы подобно электрическим проводам соединяют образования центральной нервной системы с кожей, мышцами, внутренними органами.
Головной мозг человека представляет сложнейшую структуру из 10–13 млрд, нейронов, которые образуют сложную пространственную сеть. Нервные клетки соединяются между собой синапсами – сложными микроскопическими образованиями, которые с помощью биохимических реакций обеспечивают передачу информации между нейронами.
Вспомогательные клетки нейроглии (астроциты) не только создают физическую опору для нейронов, но вместе с сосудами обеспечивают потребности нервной ткани в кислороде и необходимых для жизни веществах, включая аминокислоты, липиды, гликопротеиды. Тело нервной клетки имеет микроскопические размеры, но длина аксона может достигать одного метра! Отростки нейронов, как правило, укрыты миелиновой оболочкой, которая обеспечивает стабильность обмена веществ в длинных нервных проводниках и высокую скорость передачи возбуждения.
Миелиновая оболочка требует постоянного обновления и пополнения необходимыми веществами. Синтез миелина осуществляется клетками нейроглии – олигодендроцитами, которые своими отростками соединяют аксон нейрона с сосудами. Миелиновая оболочка состоит из фосфолипидов, холестерина и небольшого количества белка, что придает ей более светлую окраску по сравнению с другими тканями. Именно поэтому в структурах нервной системы отличают серое вещество (преимущественно нейроны) и белое вещество (преимущественно проводники, покрытые миелиновой оболочкой). Необходимо отметить, что центральная и периферическая нервная система человека содержит более 200 г миелина – вещества, принимающего самое активное участие в обменных процессах. Для синтеза миелина необходимы: жиры, холестерин, витамины, фолиевая кислота, ферменты, обеспечивающие непрерывную ремиелинизацию. При разрушении миелиновой оболочки (демиелинизация) или слабой работе ферментов, обеспечивающих синтез этого вещества, неизбежно нарушается проводимость нервных волокон (демиелинизирующие заболевания, полиневропатии, лейкоэнцефалопатии).
Центральная нервная система человека – это головной и спинной мозг (масса примерно 1300 и 30 г соответственно). Головной мозг человека является сложнейшей функциональной системой, роль которой не в полной мере понятна и в настоящее время. Очевидны высшие корковые функции головного мозга: познание, память, речь, интеллект и т. д. Изучено участие отдельных структур головного мозга в формировании двигательных навыков (праксия) и узнавания (гнозия). Однако глубокие, наиболее древние функции головного мозга, связанные с адаптацией к изменяющимся условиям внешней среды и подсознанием, сложны, мало изучены и не так демонстративны. Известно, что ведущую роль в поддержании сложных процессов жизнедеятельности организма и участия в биосфере принадлежит глубоким отделам мозга – гипоталамусу и гипофизу (центральное представительство автономной, вегетативной нервной системы).
Именно здесь происходит согласование функций эндокринной и нервной системы, осуществляется управление сердечнососудистой системой, желудочно-кишечным трактом, железами внутренней секреции. Когда врачи говорят о вегетативной дисфункции, то чаще всего речь идет о нарушениях в работе именно этих центров управления. Тонкие регулирующие функции гипоталамической области головного мозга нарушаются в результате стресса, травмы, инфекции, интоксикации.
Периферическая нервная система представлена многочисленными нервными стволами, самым крупным из которых является седалищный нерв, состоящий из 1 млн. 200 тысяч отдельных нервных волокон – отростков нейронов. Периферические нервы обеспечивают движения, чувствительность и регуляцию обмена веществ (трофическая функция) всех органов и тканей.
При этом распределение территорий имеет сегментарный принцип: корешки спинномозговых нервов (С – шейный отдел, Э – грудной, Ь – поясничный, Б – крестцовый) имеют свою зону ответственности, которая легко обнаруживается областями чувствительности на коже.
Таким образом, нервная система – это управляющая структура организма человека, которая представлена центральным и периферическим отделами, вегетативными центрами, имеющими представительство во всех органах и тканях.
Метаболизм и биохимия нервной системы
Важнейшим условием правильной работы структур нервной системы следует считать сохранность механизмов синаптической передачи информации. Контакты между нервными клетками, между нейронами и тканями осуществляются посредством синапсов – специализированных окончаний нервных волокон, способных продуцировать медиаторы (вещества, с помощью которых осуществляется передача информации между нейронами).
Нейромедиаторами (нейротрансмиттерами) могут быть низкомолекулярные белки, аминокислоты, моноамины и даже витамины. Количество, качество и специфичность нейротрансмиттеров определяют сущность биологических ответов различных структур на действие нейрогенных стимулов. Другими словами, нейромедиаторы способны регулировать не только проводимость нервного импульса, но и определять сущность реакции органов и систем на этот стимул. В разных отделах нервной системы работают различные медиаторы. В настоящее время известно около 30 активных веществ, которые принимают участие в синаптической передаче. К ним относятся хорошо изученные соединения: ацетилхолин, дофамин, норадреналин, серотонин, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), менее изученные нейропептиды (энкефалины, эндорфины) и такие аминокислоты как, например, глицин. Образование нейрональных сетей и контактов между структурами нервной и эндокринной системы, кроме механизма синаптической передачи, осуществляется непосредственно клеткой посредством специализированных рецепторов, встроенных в клеточную мембрану. Межнейрональные связи привлекают внимание исследователей, прежде всего, с точки зрения возможности воздействия на них с помощью лекарств. Известно, например, что при паркинсонизме нарушения движений обусловлены недостаточной продукцией дофамина специализированными клетками экстрапирамидной системы головного мозга. Включение в схему лечения препаратов, содержащих этот монамин, явно улучшает состояние больных и возвращает им способность к передвижению. Примером участия нейропептидов в работе нервной системы может служить хорошо изученный обмен серотонина – одного из основных нейромедиаторов.
Серотонин относится к биогенным аминам. Синтез этого активного соединения, как и других подобных нейромедиаторов, осуществляется из аминокислот посредством ферментативных реакций.
Серотонин, в частности, образуется из триптофана путем его преобразования посредством фермента 5-триптофангидроксилазы. Чрезвычайно важно, что подобные биохимические процессы всегда проходят при обязательном участии так называемых коферментов (веществ, в присутствии которых проявляют свою активность ферменты). В качестве коферментов в биохимических реакциях обычно выступают витамины и микроэлементы. Кроме того, коферментами могут быть вещества сложной органической природы, содержащиеся в растениях или образовавшиеся в результате внутреннего синтеза. Если рассматривать пример синтеза серотонина, то это птерин (пиримидиновое соединение). В синтезе других нейромедиаторов принимает участие флавин – соединение, близкое к витаминам. Представляется очень важным, что вспомогательные химические соединения, выполняющие роль коферментов, часто имеют сложную структуру, возникновение которой связано с биоорганическим синтезом растений. Витамины, гликопротеиды, флавоноиды, извлеченные из растений, нередко обнаруживают свойства, которые не удается получить у их синтетических аналогов. Это может быть связано с существованием изомеров молекул или с образованием сложных взаимосвязей молекулярных структур.
Серотонин является важнейшим нейромедиатором, который наряду с норадреналином определяет работу центральных вегетативных структур головного мозга
(гипоталамус-гипофиз). С нарушениями синтеза и метаболизма серотонина могут быть связаны нейроэндокринные расстройства, нарушения двигательных и познавательных функций. Установлено, что некоторые виды вегетативно-эмоциональных расстройств (депрессии) обусловлены особенностями метаболизма этого нейротрансмиттера. Назначение лекарств, пополняющих запасы серотонина, задерживающих его разрушение, как правило, улучшает самочувствие таких пациентов. В настоящее время с возможностью восстановления синаптической передачи связывают надежды на успешное лечение таких тяжелых заболеваний как болезнь Альцгеймера или сосудистая деменция.
Мы рассмотрели только один из многочисленных нейротрансмиттеров. Подобные цепи биохимических реакций характерны для процессов синтеза других нейромедиаторов и регуляторных аминов. Все они образуются из различных аминокислот в присутствии коферментов. В качестве коферментов, как правило, выступают витамины и микроэлементы. Микроэлементы могут быть специфичны для разных ферментных систем. Для одних ферментов это – магний, для других железо, для третьих молибден. Флавоноиды играют не последнюю роль в этих процессах.
Однако, кроме «внешней» работы у структур нервной системы есть и «внутренние» задачи, которые заключаются в необходимости поддержания высокого уровня метаболических процессов, обеспечивающих жизнедеятельность нейронов. Дело в том, что ткани нервной системы потребляют много кислорода, глюкозы и отличаются высокой скоростью обмена веществ. Очевидно, что для синтеза нейромедиаторов, пептидов и гормонов необходимы аминокислоты, фосфолипиды. Для работы ферментных систем нужны витамины и коферменты.
На структуру и биохимию тканей нервной системы оказывают влияние инфекционные, токсические агенты, патологические процессы, связанные с травмами, воздействием ионизирующего излучения, недостаточным снабжением кровью. При действии различных патогенных факторов, прежде всего, нарушается структура и функция мембран нервных клеток. Основной механизм такого повреждение – перекисное окисление липидов клеточных мембран. В норме этот процесс играет защитную роль, окисляя чужеродные вещества, регулируя функции клеточных мембран. Он контролируется антиокислительной системой с ее специфическими ферментами (супероксидисмутаза) и веществами, которые подавляют окисление (а – токоферол, аскорбиновая кислота, убихинон, восстановленный глютатион и др.). Но при недостатке кислорода, токсических и инфекционных повреждениях процессы перекисного окисления липидов выходят из-под контроля, становятся избыточными и влекут за собой цепи биохимических реакций, нарушающих нормальный обмен веществ в тканях и функцию клеточных мембран. Образующиеся перекиси и продукты свободнорадикального окисления сами обладают токсическими свойствами и усугубляют уже существующие нарушения.
Клеточная мембрана состоит из двух слоев липидов, соединенных протеинами. Повреждение тонкого липидного слоя неизбежно приводит к разрушению специфических рецепторов и изменению проницаемости мембраны. Эти процессы усиливаются фосфолипазным гидролизом, в результате которого образуется значительное количество высших жирных кислот из разрушенных мембран нервных клеток. Накопление высших жирных кислот усиливает токсический эффект повреждения, нарушает функции митохондрий (энергетических станций клетки), что приводит к энергетическому дефициту. Энергетический дефицит нейронов возникает в результате недостаточного поступления кислорода и нарушения функции митохондрий, в которых синтезируется основной носитель энергии (аденозинтрифосфорная кислота – АТФ). Изменение проницаемости мембраны сопровождается входом в клетку ионов натрия и кальция. Чрезмерное содержание кальция внутри нейрона приводит к его дегенерации, дистрофии, гибели.
Особенности кровоснабжения головного мозга
Потребность головного мозга в кровоснабжении примерно в 10 раз выше, чем потребность мышц или внутренних органов. Снижение магистрального кровотока по сонным артериям или нарушение микроциркуляции немедленно сказываются на обменных процессах в тканях нервной системы. Факт недостаточности поступления крови к тканям принято характеризовать общим термином «ишемия».
Головной мозг получает кровь через четыре крупные артерии: две внутренние сонные, которые внутри мозга разветвляются, образуя крупные средние мозговые, и две позвоночные. В основании мозга все крупные артерии, посредством соединительных артерий, образуют Виллизиев круг, который обеспечивает бесперебойное кровоснабжение любых участков нервной ткани, несмотря на выключение одной из крупных артерий.
Обеспечивает, но не гарантирует. В некоторых клинических ситуациях (тромбоз, кровопотеря, разрыв стенки артерии) внезапные изменения приводят к повреждениям мозга.
Существуют механизмы, поддерживающие стабильность мозгового кровообращения в широком диапазоне изменений артериального давления, – ауторегуляция. Объем мозгового кровотока остается стабильным при максимальном артериальном давлении в диапазоне 70-160 мм рт. ст. Артериальное давление ниже 50–60 мм рт. ст. является критической величиной, ниже которой головной мозг страдает от ишемии. Однако и повышение систолического кровяного давления за пределы 160 мм рт. ст. приводит к спазму внутримозговых артерий и нарушению мозгового кровообращения. Именно поэтому сосудистый фактор считается наиболее значимым в механизмах повреждения нервной системы. Сосудистые причины, способные вызвать нарушения обменных процессов, могут быть связаны с атеросклерозом, гипертонической болезнью, заболеваниями крови и другими весьма распространенными в клинической практике обстоятельствами.
Итак, в общих чертах, молекулярные и клеточные механизмы повреждения нервных тканей при воздействии агрессивных факторов внешней и внутренней среды, носят универсальный характер. Они заключаются в активации процессов перекисного окисления липидов, повреждении мембран клеток, нарушении энергетического баланса и ионного обмена. Так формируются патологические изменения нервной системы, которые приводят к клиническим проявлениям в виде отдельных симптомов и заболеваний. В случае развития острой ишемии повреждения нейронов и клеток нейроглии заканчиваются некрозом – распадом. В конце прошлого века была установлена роль и другого механизма гибели нейронов. Апоптоз (программированная клеточная смерть) – это постепенное, планомерное разрушение клеток, которое больше похоже на демонтаж сложных конструкций с утилизацией деталей. По мнению большинства современных исследователей, апоптоз является активным процессом, требующим затрат энергии и белкового синтеза. Установлена связь этого процесса с воспалительными реакциями, активацией ферментов. Известно, что активации процессов планомерного разрушения нейронов способствует хроническая ишемия. Апоптоз участвует в процессах обновления тканей, но в некоторых случаях, процессы разрушения преобладают над процессами восстановления и тогда количество активных клеток уменьшается, а сохранившиеся структуры подвергаются медленной дегенерации. Так протекают нейродегенеративные заболевания нервной системы, такие как болезнь Альцгеймера. Сущность биохимических патологических процессов, характерных для болезни Альцгеймера, заключается в нарушениях синтеза белка (амилоида), что приводит к грубым повреждениям нейронов.
В настоящее время установлены некоторые биохимические механизмы, позволяющие замедлить или остановить гибель нейронов. Один из таких механизмов основан на принципах нормализации концентрации кальция внутри клетки. Очевидно, что активация этого механизма возможна только при сохранении функции клеточных мембран.
Таким образом, нервная система представляет весьма тонкую и важную структуру, которая выполняет важнейшие функции управления и регуляции работы всех внутренних органов и систем в течение всей жизни человека. Восприятие окружающего мира, движение, речь, обучение, память, чувства, познание, планирование будущего – это основные функции нервной системы. Нервная ткань, состоящая из уязвимых нейронов и требовательных клеток нейроглии, содержащая большое количество липидов и регуляторных пептидов, чувствительна к качественному составу крови, токсическим веществам, недостатку кислорода. Элементарный дефицит аминокислот, фосфолипидов, витаминов немедленно сказывается на функции центральной и периферической нервной системы. Проблема восполнения дефицита важнейших веществ, принимающих участие в метаболизме нейронов, становится еще более актуальной при заболеваниях нервной системы.