Интегративные механизмы
Введение
Эксперименты, выполненные на беспозвоночные внесли существенный вклад в понимание клеточных и молекулярных механизмов нейронной сигнализации. Благодаря простой нервной системе, беспозвоночные, такие как мухи, пчелы, муравьи, черви, улитки и ракообразные, являются удобными объектами для изучения того, каким образом в нервной системе происходит интеграция информации и формирование целенаправленного поведения.
Наглядным примером является ЦМС пиявки. У пиявки можно различить отдельные нейроны, изучить их биофизические свойства, проследить контакты нейронов и определить роль идентифицированных нейронов в интегративных поведенческих актах, таких как рефлексы плавания или уклонение от препятствий. ЦНС пиявки состоит из 21 стереотипного ганглия, в каждом из которых находится около 400 нейронов. Индивидуальные сенсорные нейроны, мотонейроны и интернейроны могут быть идентифицированы как визуально, так и электрофизиологически. Каждая механосенсорная клетка в ганглии, реагирующая на прикосновение, давление или болевую стимуляцию, иннервирует определенную зону поверхности тела. Сенсорные клетки передают информацию к вставочным и двигательным нейронам через химические и электрические синапсы. После повторной стимуляции с физиологической частотой передача в сенсорных нейронах блокируется в точках ветвления аксонов. Это связано с тем, что тонкие аксоны в местах ветвления образуют дочерние отростки, большие по размерам, чем материнская ветвь. Этот механизм способен обеспечить временную изоляцию чувствительных клеток. Изучая нейронные связи беспозвоночных, можно, кроме того, изучать, каким образом отдельные нейроны образуют синаптические контакты во время развития нервной системы или в процессе регенерации нейронов после повреждения.
Муравьи и пчелы способны к сложным поведенческим реакциям. Это представляет для исследователя заманчивую возможность, изучая поведение этих беспозвоночных, понять принципиальные механизмы интеграции информации в нервной системе. Так, можно проследить связь между поведением животного и физиологической активностью мозга, рассмотрев при этом, как себя ведут отдельные идентифицированные нейроны. Анализируя путь, пройденный муравьем или пчелой, можно попытаться понять всю систему от свойств фоторецепторов до нейронных сетей, которые в целом обеспечивают подобное поведение. Например, пустынные муравьи мигрируют на длинные дистанции в поисках пищи. Во время поиска муравей движется зигзагом, «маятникообразно», однако после того, как источник пищи найден, муравей разворачивается и следует по направлению к гнезду наикратчайшим путем. Его ЦНС учитывает все движения вправо и влево, выполненные муравьем во время поиска пищи, рассчитывает его текущее положение относительно исходной точки и находит кратчайший путь к ней. Это возможно только при помощи точных координат, рассчитанных на основе поляризованного света солнца. Глаз пустынного муравья содержит особую группу фоторецепторов, способных воспринимать поляризованный свет. Эти фоторецепторы обеспечивают ЦНС информацией, необходимой для учета движений в пространстве и расчета нового вектора движения. Муравьи и пчелы являются примером того, как нервная система беспозвоночных при помощи относительно небольшого количества нейронов способна выполнять довольно сложные расчеты. Благодаря большому разнообразию нервных систем беспозвоночных, они являются излюбленным объектом для изучения клеточных механизмов поведения.
В этой книге мы не раз обращались к нейронам беспозвоночных для того, чтобы проиллюстрировать фундаментальные механизмы нейронной сигнализации. Так, например, при помощи большого по размерам аксона кальмара и его гигантского синапса были открыты универсальные законы проведения потенциала действия и принципы синаптической передачи. Клетки других беспозвоночных были использованы для того, чтобы проиллюстрировать пассивные электрические свойства мембран и механизмы ингибирования синаптической передачи.
Выбор беспозвоночных в качестве объектов исследований часто связан с методическими проблемами. Ряд технических проблем может быть проще разрешен с использованием нервной системы беспозвоночных. Во-первых, поскольку индивидуальные нервные клетки у них достаточно большие, то их можно использовать как для электрофизиологических, так и для молекулярно-биологических экспериментов. Во-вторых, хотя у беспозвоночных выработка определенного типа поведения требует определенных усилий, но оно всегда высокостереотипно, воспроизводимо и довольно легко может быть проанализировано. В-третьих, благодаря генетическим манипуляциям, плодовая мушка (Drosophifa melanogaster) и нематода Caenorhabditis elegans сыграли большую роль в изучении механизмов развития нервной системы. Эти механизмы остались настолько консервативными в процессе эволюции, что гены, кодирующие рецепторы или ионные каналы, имеют поразительно сходные последовательности у мух, червей и высших позвоночных. Например, у человека, так же как у дрозофилы или пиявки, гомеобоксные гены ответственны за развитие сегментов туловища, основных отделов мозга и специализированных органов, таких как глаза.
В то же самое время надо подчеркнуть, что любопытство исследователей при изучении нервной системы беспозвоночных не ограничивается только изучением тех принципов, которые в дальнейшем можно использовать для понимания организации нервной системы высших животных или человека. То, каким образом пиявка осуществляет плавательные движения, муравей ориентируется в пространстве, пчела «танцует», сверчок «поет» или мухи летают, все это является само по себе удивительно интересной проблемой.
Беспозвоночные предоставляют возможность проследить путь развития нейрона от рождения отдельной клетки до образования отростков и формирования связей. На подходящем беспозвоночном с большими нейронами можно проанализировать биофизические свойства отдельных клеток и наблюдать, как формируется координированное поведение всего организма. Аналогично можно изучать реакции на молекулярном уровне в клетках при изменении поведения животного в ответ на внешние влияния и заложенные внутренние программы. Подобного рода анализ возможен благодаря тому, что поведенческие реакции беспозвоночных высокостереотипны и осуществляются при участии относительного небольшого числа нейронов, в то время как подобные реакции у млекопитающих требуют участия тысяч нейронов.
Каждый вид нервной системы беспозвоночных имеет определенные преимущества для изучений той или иной проблемы. Нейронные сети, ответственные за элементы координированного поведения, такие как позные рефлексы, кормление, суточные ритмы, реакции избегания и плавание, были изучены на речных раках и улитках. ЦНС насекомых была использована для изучения различных проблем, включая развитие и регенерацию НС, полет и перемещение по земле, ориентацию в пространстве и коммуникация при помоши звуков. Количество видов беспозвоночных и спектр решаемых проблем настолько велики, что практически невозможно сделать общий обзор данной темы. К примеру, написано большое количество монографий о моллюске Aplysia, пиявках, морской улитке Hermissenda, речных раках и изолированных культурах нервных клеток беспозвоночных.
Для дальнейшего обсуждения мы выбрали нервные системы трех беспозвоночных. Пиявка, с ее примитивным поведением, стереотипным строением и функциями ЦНС и небольшим количеством нервных клеток, позволяет детально изучить свойства, связи и функции отдельных нервных клеток. У пчел же и муравьев изучение начинается с их коллективного поведения, что позволило подробно исследовать механизмы, позволяющие данным насекомым ориентироваться в пространстве, используя поляризованный свет и магнитные поля.
Со времен Древней Греции и Рима пиявки использовались врачами для лечения больных, страдающих такими заболеваниями, как эпилепсия, стенокардия, туберкулез, менингит и геморрой — довольно неприятное лечение, которое почти всегда приносило больше вреда, нежели пользы несчастным жертвам. К XIX веку использование медицинских пиявок приняло такой масштаб, что они практически исчезли в Западной Европе. Поэтому Наполеон был вынужден импортировать около 6 миллионов пиявок в год из Венгрии для лечения своих солдат. Эта «мания» хирудотерапии принесла свои определенные плоды: использование пиявок в медицине способствовало изучению их размножения, развития и анатомии. В конце XIX века основатели экспериментальной эмбриологии, такие как, например, Уитман, выбрали именно пиявку для того, чтобы проследить судьбу ранних эмбриональных клеток. Аналогичным образом их НС была тщательно изучена плеядой выдающихся анатомов, включая Рамон--и-Кахаля, Санчеса. Гаскелла, Дель Рио Хортега, Одури и Ретциуса. Затем интерес к пиявкам упал и вновь появился в I960 году, когда Стивен Куффлер и Давид Поттер16) впервые применили современные нейрофизиологические методики для изучения свойств ее НС. Это способствовало началу интенсивного изучения ее развития, биофизики и молекулярной биологии, нервных связей и поведения.
Нервные клетки муравьев и пчел меньше по размеру и более трудны для изучения. Тем не менее, используя высокоточные наблюдения и эксперименты, можно раскрыть клеточные и интегративные механизмы, лежащие в основе их поведения. Именно таким образом стало возможно анализировать механизмы восприятия информации, используемые при решении задач высокой сложности муравьями и пчелами. Такой задачей является обнаружение удаленной цели и затем поиск кратчайшего пути обратно к гнезду. Системный подход к клеточной нейробиологии возможен только при подобного рода анализе: от поведения к мозгу, от целого мозга к отдельному нейрону. В следующих главах, которые посвящены сенсорным механизмам, восприятию и двигательной координации в ЦНС млекопитающих, мы вновь увидим, что отправной точкой в исследованиях клеточных механизмов является именно поведение (например, локация источника звука в пространстве).