Физиологические свойства, определяющие функцию

1. В ЦНС мембраны клеток разделены щелями в 15-20 нм и больше, однако между глиальными клетками очень часто образуются щели – "щелевые контакты" шириной 2 нм. Количество таких контактов в ЦНС возрастает в областях повышенного количества синаптических контактов между нейронами и их повышенной метаболической и функциональной активностью. Функциональная значимость этого явления не была выявлена. Предполагалось, что щелевые контакты имеют пониженное электрическое сопротивление, что облегчает электротоническое распространение тока ионов между глиальными клетками и, следовательно, выравнивание их концентрации в соседних клетках. Это могло бы означать синхронизацию неких процессов в глиальных клетках, обусловленную активностью нейронов. Как и другие проблемы, связанные с функцией глиальных клеток (например, с их чрезвычайной избыточностью), значение такой синхронизации было непонятно и оставалось неизвестным до возникновения концепции полевого механизма сознания и необходимости определения структур головного мозга, участвующих в его функционировании.

2. В ЦНС мембранный потенциал Е_м глиальных клеток достигает высоких значений (до 100-110 и более мВ) и отличается относительной стабильностью – клетка не возбуждается при электрической стимуляции токами, вызывающими деполяризацию мембран нейронов. Однако она чрезвычайно чувствительна к наружной концентрации ионов калия [К⁺]_н: мембранный потенциал Е_м глиальной клетки изменяется на значительную величину при небольшом повышении концентрации [К⁺]_н. Это обуславливает возникновение ее реакции на возбуждение близлежащей нервной клетки или нервного волокна, при котором ионы калия выходят наружу. Из-за малого объема жидкости в межклеточных щелях концентрация [К⁺]_н в них может достичь значительных величин, что влечет за собой повышение концентрации К⁺ в близлежащих глиальных клетках и приводят к снижению мембранного потенциала Е_м – деполяризации их мембран. Через щелевые контакты К⁺ могут проникнуть в соседние глиальные клетки, находящиеся на большем расстоянии от нервной клетки, и таким образом вокруг нервной клетки образуется оболочка из глиальных клеток-сателлитов с одинаково деполяризованными мембранами.

Нервный импульс длительностью в 1 мс приводит к деполяризации мембранного потенциала глиальной клетки Е_м продолжительностью в несколько секунд [19]. По расчетам, увеличение [К⁺]_н на

На рис. 2.1 приведены результаты внутриклеточной регистрации изменения мембранных потенциалов глиальных клеток, возникавших при прохождении по волокну нервных импульсов. На рис. 2. 1(а и б) видно, что один проходящий по волокну нервный импульс вызывает деполяризацию мембраны глиальной клетки более чем на 2 мВ. Три следующих по аксону импульса с частотой 1/с приводят к суммации ее ответа: Е_m мембраны возрастает на 4,5 мВ. В эксперименте с другой клеткой при частоте следования 2 и 5 импульсов в секунду величина деполяризации мембраны глиальной клетки составила, соответственно, 17 и 39 мВ ([1], с. 87).

3. Деполяризация глиальных клеток, расположенных на расстоянии от нейрона, может возникнуть за счет распространения ионов К⁺ по щелевым контактам из ближних клеток в удаленные по концентрационному градиенту, что влечет выравнивание мембранного потенциала Е_м в группе, состоящей из нескольких рядов сателлитов. Отсюда следует, что эта область в окружении нейрона, занятая деполяризованными глиальными клетками, может быть много больше размеров нейрона. Вывод подтверждается электрофизиологическим исследованием распространения медленного отрицательного потенциала (МОП), обусловленного деполяризацией глиальных мембран.

МОП регистрируется на поверхности и в глубине коры головного мозга одновременно с деполяризацией глиальных клеток (рис. 2.2). Реакция коры на прямое воздействие содержит два компонента: первый – быстрый, дендритный, возникает при малых значениях величины воздействующего импульса порядка 5-10 В и длительности 50-
100 мкс; второй, следующий за ним – МОП возникает при величинах стимула от 20 В и более.

Как принято в электрофизиологии возрастание величины МОП и внеклеточной концентрации ионов калия [К⁺]_н, показано вверх от оси абсцисс (рис. 2.2 и далее).

О принадлежности МОП к процессам нейро-глиального взаимодействия на различных расстояниях от поверхности коры свидетельствуют результаты экспериментов.

На рис. 2.2 показано возникновение МОП в коре головного мозга в опыте с отводящими микроэлектродом, заполненным NaCl (регистрация МОП) и К⁺- селективным микроэлектродом, погруженными

Прямые ответы коры вызывались в супрасильвиевой извилине кошки при глубоком нембуталовом наркозе (80-100 мг/кг живого веса). Раздражение – одиночный прямоугольный импульс длительностью 0,05 мс с амплитудой 50 В. Частота повторения воздействия – не более 1 имп/мин. Раздражающий двухполюсный электрод изготовлен из серебряной проволоки диаметром 0,1 мм; межполюсное расстояние – 0,4 мм. Отведение производилось стеклянным микроэлектродом, заполненным 2,5 М раствором NaCl. Использовался усилитель постоянного тока.

На рис. 2.3, 2.4А и 2.6А кривые распределения потенциала нормализованы: значение А величины МОП в данной точке поделено на ее максимальное значение А₀. На рис. 2.4Б и 2.6Б приведены осциллограммы ответов коры.

В опыте (рис. 2.3) исследовалось распределение МОП на поверхности коры при раздражении электродом, установленным на супрасильвиевой извилине. Начальное расстоянии между раздражающим и отводящим электродами составляло 400 мкм. Величина МОП линейно снижалась по мере увеличения расстояния между ними. Полное исчезновение МОП произошло на расстоянии L=3100 мкм [21].

В серии из 17 экспериментов с послойным отведением медленного потенциала воздействие также производилось на поверхность супрасильвиевой извилины. Опыты различались только по расстоянию L между воздействующим электродом и проекцией отводящего электрода на поверхности коры, составлявшем от 0.5 до 1,6 мм.

На рис. 2.4 представлены результаты эксперимента, в котором расстояние между электродами равнялось 1 мм.

Как видно на рис. 2.4, с удалением отводящего электрода от поверхности коры амплитуда МОП немонотонно снижалась и на глубине h_инв= 900 мкм снизилась до нуля. При дальнейшем погружении отводящего электрода до глубины h_o= 3100 мкм регистрировался инвертированный (медленный положительный) потенциал. В области 600-800 мкм возникло "плато". В некоторых случаях плато могут быть плоскими (см область 100-160 мкм) или носить характер "горба" (область 260-360 мкм). В каждом эксперименте величина "горба" обычно не превышает 8-10% от максимального значения МОП - величины А₀ . Ширина "плато" варьирует от 70 до 250 мкм; количество и расстояние от поверхности также изменчивы. Как правило, регистрируются одно или два "плато"; глубина их залегания – в районе первого слоя коры и перед точкой инверсии [22]*.

Рис. 2.3. Нормированная кривая распределения МОП на поверхности
супрасильвиевой извилины головного мозга наркотизированной
кошки при ее биполярном поверхностном раздражении.
Развертка – 1,5 с; калибровка – 1 мВ
Обобщенные результаты 17 экспериментов приведены на рис. 2.5, на котором кружками обозначена глубина инверсии; крестиками – глубина исчезновения МОП; черными точками – глубина исчезновения инвертированного медленного потенциала.

В 12 экспериментах при расстоянии между раздражающим электродом и проекцией отводящего электрода на поверхности коры

*Необходимо учитывать, что толщина коры кошки много меньше толщины коры человека

случае на глубине 1150 мкм. В двух других полное исчезновение МОП произошло на глубине 480 и 720 мкм. При межэлектродных расстояниях свыше 1,5 мм (всего 3 эксперимента) инверсия МОП не возникала [22].

Рис. 2.4. Распределение медленного компонента прямого ответа

в глубине коры при расстоянии, равном 1 мм, между раздражающим

и отводящим электродами на поверхности.

Остальные условия те же, что на рис. 2.3

Для кривых второго типа характерно отсутствие инверсии. Такие кривые получены при межэлектродных расстояниях L в области от 1,5 до 3,5 мм. МОП распространялся на глубину от 300 (L = 28 мм) до

А
мплитуда МОП может достигать 2,3 мВ. Амплитуда положительного потенциала колеблется в пределах 10-60 % от максимальной амплитуды МОП, но не бывает равной последней. Среднее ее значение для 10 проходов составляет 18,8 % от значения А₀. Продолжительность МОП меняется от препарата к препарату в пределах от 0,35 до 3,5 с. Средняя продолжительность – 1,2 с. Определение длительности инвертированного потенциала часто затруднено из-за его малой величины. В некоторых случаях длительность МОП на поверхности коры и длительность положительного потенциала различны. На рис 2. 4Б, например, они разнятся примерно в два раза.

Итак, при воздействии на поверхность супрасильвиевой извилины головного мозга наркотизированной кошки МОП генерируется локально в области, расположенной под раздражающим электродом, и электротонически распространяется из места возникновения по поверхности и в глубину коры на расстояние в радиусе порядка 3-3,5 мм и 1,8 мм, соответственно.

При дальнейшей послойной регистрации возникает медленный положительный потенциал. Проекция поля этого потенциала на поверхности коры имеет меньшую, чем МОП, протяженность – порядка 1,5 мм. Эти показатели свидетельствуют о различных механизмах возникновения медленных отрицательного и положительного потенциалов, что допускает возможность взаимного перекрытия их полей. Можно предположить, что в области перекрытия в результате суперпозиции абсолютные значения их амплитудных показателей занижены, и сами поля медленного отрицательного и медленного положительного потенциалов, регистрируемые в глубинных слоях коры, простираются в перпендикулярном к поверхности коры направлении на расстояния большие, чем это следует из экспериментальных кривых послойного распределения.

По результатам экспериментов с раздражением поверхности коры, пространство, на которое распространяется МОП, можно представить как конусообразное тело вращения с основанием, лежащим на поверхности коры, и вершиной в нижних ее слоях на глубине 2-2,5мм. МОП возникает в точке приложения электрического стимула и распространяется электротонически в этом объеме по всем направлениям.

Поле положительного потенциала имеет форму цилиндра с осью, перпендикулярной к поверхности коры, высотой до 1,5-1,8 мм и диаметром основания до 2-х мм, расположенного в нижних слоях коры.

Таким образом, при послойном отведении истинное значение величины МОП, так же как и протяженность поля МОП, могут быть определены только на расстоянии L > 2-2,5 мм, на котором поле положительного потенциала отсутствует.

Приведенные на рис. 2.3-2.5 результаты не позволяют однозначно определить, генерируется ли МОП только в поверхностном слое коры или возникает в любой точке на расстоянии до 2-3 мм от поверхности. Для решения этого вопроса в серии экспериментов послойное раздражение и отведение производилось путем введения на заданную глубину супрасильвиевой извилины блока из трех покрытых эмалью металлических электродов, находившихся на расстоянии 0,6 мм друг от друга. Перед началом измерений в коре производился прокол на всю ее глубину и далее с выходом в подкорку. В результате перфорации МОП исчезал во всем объеме коры на расстоянии до 6 мм от перфорированного участка. Эксперимент начинался примерно через час после прокола, когда прямой ответ коры восстанавливался.

На рис. 2.6 представлен результат одного из экспериментов, из которого следует, что при воздействии на структуры коры, расположенные на разных уровнях относительно поверхности, и при регистрации ответа коры с этих же уровней, величина МОП последовательно снижается и исчезает полностью на глубине порядка 2,3 мм от поверхности коры. При дальнейшем погружении блока электродов в кору возникает медленный положительный потенциал, который регистрируется до глубины 4000 мкм. [23].

Итак, экспериментально показано, что МОП возникает в верхних слоях супрасильвиевой извилины головного мозга наркотизированной кошки в области, которая представляет собой конус с основанием, лежащим на поверхности коры и вершиной в глубине на расстоянии от 2-х до 3-х мм от поверхности коры. Максимальная активность процессов, связанных с генерацией МОП, локализована в области 300-400 мкм от поверхности коры, что соответствует ее II (наружному зернистому) слою.

Результаты послойного раздражения и отведения выявили ряд фактов, которые нельзя было обнаружить при поверхностном воздействии на кору. Эти факты играют важную роль при определении структур коры головного мозга, входящих в состав Процессора БКС.

Во-первых, обработка экспериментального материала показала, что максимум реакции на воздействие возникает не на самой поверхности коры, куда МОП распространяется электротонически, а на глубине порядка 400 мкм, т.е. активный процесс происходит в структурах коры головного мозга – во II слое коры головного мозга, в который поступает афферентная информация.

Во-вторых, установлено, что вопреки наличию описанных выше в п. 2.1 условий, необходимых для возникновения МОП (количество олигодендроцитов с глубиной не снижается, а возрастает), величина МОП непрерывно снижается по мере удаления раздражающего электрода от поверхности к нижним слоям коры.

В третьих, обнаружено, что при раздражении глубинных структур коры медленный положительный потенциал приобретает значительно большую протяженность, чем при раздражении поверхности коры.

Существенное отличие величины МОП в реакции, возникающей на глубине 1400-1600 мкм, от величины МОП, регистрируемой на расстоянии 400 мкм от поверхности коры, свидетельствует о том, что при одинаковых параметрах воздействующего стимула деполяризация мембран глиальных клеток-сателлитов мелких звездчатых клеток IV (внутреннего зернистого) слоя чрезвычайно слаба или же отсутствует вовсе. Этот результат позволяет предположить, что до настоящего времени не выявлены все специфические особенности механизма возникновения МОП. Такой вывод подкрепляется спецификой исследований этого потенциала, которые проводились, в основном, на поверхности коры и в ее приповерхностных слоях. Отсутствие активного процесса деполяризации глиальных клеток в cлое IV явилось причиной высказанного выше в п. 1.3 заключения, согласно которому афферентный вход анализатора в сенсорной коре реализуется звездчатыми нервными клетками, расположенными во внешнем зернистом слое II.

Литература

2. Kornmuller A.E. Zum Wesen des EEG auf spezieller Untersuchungen: Congr. of neurologtical sci. (Brussels 1957) vol.III: EEG, clinical

3. Watson W.E. Physiology of neuroglia//physiol. Rev. 1974, Vol. 54, p. 245- 271.

4. Brizee K.R., Vogt J., Kharetchko X. Postnatal changes in giia/neuron index with comparison of methods of cell enumeration in the white rat// Growth and maturation of the brain/Ed DP Purpura, J.M. Shadt, Amsterdam etc. 1964, Vol. 4, p. 136-149. (Progr. in brain res.)

5. Bennet E.L., Rosenzweig M.R., Krech D., Diamond M.C. Fur.ter evidance for a relation environmental complexity, learning abillity and number of glialcells//Physiologist. 1965, Vol. 8, p. 322.

6. Greer E.R., Diamond M.C., Tang J.M.W. Increase in thickness of cerebral cortex in responce to environmetal enrichment in Brattlebaro rats deficient in vasopressin// Exp. Neurol., 1981. Vol. 72, p. 366-379.

7. Diamond M.C., Scheibel A.B., Murphy G.M., Harvey T. On the brain of the Scientist Albert Enstein//Exp. Neurol. 1985. Vol. 88. P. 198-204/.

8. Eccls J.C. The anatomy of memory. Patio Alto, California, 1965.
p. 12.

9. Galambos R. A glia-neural theory of brain function//Procc. Nat. Acad. Sci. USA. 1961. Vol. 47. p. 129-136.

10. Galambos R. Introductory discussion of glial function//Progr. in brain res., 1965, Vol. 15. p. 267-277.

11. Purpura D.P. Brain and behavior/Ed. M.A. Brazier. Washington D.C. 1961. p. 190.

12. Swallow R.J. A neuron-glia cell model deduced from neurological and psichological considerations//Proc. 18-th annu. conf.eng. med. a biol. Philadelphia, 1975. P. 83.

13. Прибрам К. (Pribram K.H.) Языки мозга. М., 1975. 464 с.

14. Glees P. Neueroglia: Morphology and function. Illinois, 1955.

15. Аладжалова Н.А. Роль глиа-нейрональных поверхностей раздела в механизме краткосрочной памяти //1- съезд Всесоюзного физиологического общества им. И.П. Павлова. М. 1964. Т.2 С. 22-24.

16. Adey, W.R., Kado R.T., Mellwain J.T., Walter D.J. The role of neuronal еlements in regional cerebral impedance changes ina lerting,
orienting and discriminative responses//Exp. Neurol. 1966. Vol. 15. P. 490-510.

17. Adey. W.R. (Айди В.Р.) Организация мозговых структур с точки зрения передачи и хранения информации//Cовременные проблемы электрофизиологии центральной нервной системы/Ред. Русинов В.С., М., 1967. с. 324-340.

18. Смирнов В.М,. Яковлев В.И, Правдивцев В.А. Физиология центральной нервной системы. Академия. М., 2005, с. 54.

19. Kuffler S.W. Studies physiology of neuroglial cells //Proc. 24

20. Ройтбак А.И., Махек И., Павлик И., Бобров А.В., Очерашвили И.В. Изменения концентрации внеклеточного калия и медленный отрицательный потенциал в коре головного мозга. Нейрофизиология.

21. Ройтбак А.И., Бобров А.В., Кашакашвили Р.П., Линенко В.И., Микеладзе Л.А. О природе медленного отрицательного потенциала прямого ответа коры. Основные проблемы электрофизиологии головного мозга. «Наука», М., 1974 с.118-129.

22. Бобров А.В. Электрическое поле в коре больших полушарий при медленном компоненте ее прямого ответа. Физиологический журнал СССР, 1973, Т 59, с. 378-383.

23. Бобров А.В. Электрическое поле в коре больших полушарий при медленном компоненте ее прямого ответа. Физиологический журнал СССР, 1971, Т. 57. с. 656-663.

24. Бобров А.В. Медленный отрицательный потенциал в коре головного мозга при раздражении и отведении на одном уровне. Физиологический журнал СССР, 1975, Т. 61. с. 286-288.

Глава 3. ФУНКЦИИ НЕЙРОГЛИИ В МЕХАНИЗМЕ

СОЗНАНИЯ

3.1 Функция нейроглии в режиме переноса информации

на полевой уровень
В п. 1.4 показано, что условие непрерывного функционирования Процессора БКС обусловлено возможностью асинхронного поступления афферентной информации из рецепторных областей анализаторов в сенсорные области коры и далее в ассоциативные области. Сообщалось, что проблема перевода дискретной информации в аналоговую форму решается при участии деполяризованных глиальных клеток–сателлитов возбужденного нейрона, входящего в состав мозаики возбужденных нервных клеток, адекватно отображающей в корковой области анализатора образ внешней среды. При возбуждении нейрона деполяризованное состояние глиальной клетки-сателлита сохраняется на десятки секунд и даже на минуты (п. 2.1).

Механизм возникновения деполяризации клеток-сателлитов достаточно прост. При поступлении на синаптические входы нейрона афферентной информации нейрон возбуждается. При этом из межклеточного пространства в него поступают ионы натрия, а из клетки выходят ионы калия, которые аккумулируются в межклеточных щелях. Одновременно с ростом в межклеточном пространстве концентрации [К⁺]_н возрастает градиент концентрации [К⁺]_н относительно концентрации ионов [К⁺]_вн в глиальной клетке. В результате она поглощает избыточный калий, что приводит к росту его внутриклеточной концентрации и, следовательно, к изменению значения величины равновесного мембранного потенциала Е₀== –100 мВ до некоторого значения Е_м (например, до Е_м = –60 мВ), т.е. к деполяризации мембраны глиальной клетки. Таким образом, в ЦНС глиальная деполяризация клеток-сателлитов продолжительностью в десятки секунд является интегральным выражением нейронной активности в данном пункте коры. Это означает, что несмотря на прекращение поступления в Процессор информации о возбужденном состоянии нервной клетки, на полевом уровне сохраняется информация о пространственно-временной дислокации данного структурного элемента. Поступающая от рецептора новая афферентная информации, кодированная параметрами рецепторного потенциала, определит новое значение величины Е_м у группы сателлитов, относящихся к данному нейрону. Это обеспечивает возможность обработки – прослеживания динамики, анализа и сравнения предшествовавшей афферентной информации с вновь поступившей из внешней среды.