Великолукская государственная академия физической культуры и спорта
Нейрональные тормозные сети спинного мозга (научный обзор)
доктор наук, доцент, заведующий кафедрой
Челноков Андрей Алексеевич
Аннотация
Настоящий обзор посвящен нейрональным тормозным сетям спинного мозга а, в частности, пресинаптическому, возвратному, нереципрокному и реципрокному торможению. Изложены оригинальные методические приёмы для изучения различных видов торможения в спинном мозге человека. Показано, что процессы спинального торможения находят своё функциональное отражение в двигательной деятельности человека. Контроль нейрональных тормозных сетей спинного мозга может быть различным и зависит от типа двигательного задания, возраста, изменятся у лиц с двигательными нарушениями. Описаны возрастные этапы становления и формирования разных видов спинального торможения у человека. Анализируются возрастные особенности протекания тормозных процессов при осуществлении произвольной двигательной активности.
Изучение процессов торможения в центральной нервной системе до настоящего времени остаётся одной из узловых проблем физиологии. Начало этому направлению исследований дал И.М. Сеченов (1862), который открыл центральное торможение. И.М. Сеченов рассматривал центральное торможение как деятельность специальных тормозных систем по аналогии с хорошо изученными к тому времени эффектами влияния блуждающего нерва на сердце. Существенным в исследовании природы и механизмов торможения в центральной нервной системе было открытие тормозных клеток, возбуждение которых вызывает торможение других клеток, а также открытие специальных тормозных медиаторов и тщательное изучение восходящих и нисходящих тормозных влияний из разных структур головного мозга [5, 6, 27, 51-58, 82-85 и др.]. В дальнейших исследованиях была выявлена роль реципрокного, нереципрокного, возвратного и пресинаптического торможения спинного мозга [57, 74-77, 125-127 и др.]. Все эти исследования доказали, что процессы торможения являются важнейшими нервными механизмами координационной и интегративной деятельности центральной нервной системы.
В современном представлении торможение является активным физиологическим процессом, который характеризуется ослаблением или прекращением возбуждения [27, 6, 22]. И в филогенезе, и в онтогенезе процессы торможения развиваются постепенно и значительно позднее возбуждения. Торможение является более хрупким, менее устойчивым процессом и легко нарушается при неблагоприятных воздействиях на организм [127].
Вместе с возбуждением процессы торможения составляют основу интегративной деятельности нервной системы и обеспечивают координацию всех функций организма [5, 9, 127]. Торможение осуществляется специальными тормозными нейронами, которые, возбуждаясь, оказывают тормозящее действие на другие клетки, при этом тормозные нейроны могут воздействовать как на тело клетки, так и на её синаптические контакты, и, изменяя свойства мембраны, подавляют либо генерацию потенциала действия, либо его распространение от клетки к клетке [6]. Процесс торможения возникая в одних нервных центрах параллельно с возбуждением других нервных центров выключает деятельность ненужных в данный момент органов. Торможение в центральной нервной системе имеет охранительное значение, защищая нервную систему от перевозбуждения (в первую очередь клетки коры головного мозга), а также участвует в регуляции сна и гипнотических состояний мозга. Разнообразные формы торможения играют большую роль в условно-рефлекторной деятельности человека и животных. торможение спинной мозг нейрональный
В отличие от возбуждения, торможение не может распространяться, т.е. является строго локализованным процессом. В соответствии с современными представлениями выделяют следующие виды спинального торможения: пресинаптическое, постсинаптическое (возвратное), нереципрокное (аутогенное), реципрокное [140, 94, 127, 22].
Пресинаптическое торможение. Первые сведения о наличии пресинаптического торможения в ЦНС были получены в 1933 году Г. Гассером и Г. Грэхемом, а в 1938 - Д. Барроном и Б. Мэттьюсом. Эти исследователи обнаружили, что при раздражении заднего корешка спинного мозга на его дорсальной поверхности регистрируется медленный позитивный потенциал, длительность которого приблизительно соответствует развитию торможения сгибательных рефлексов, вызываемых раздражением соседнего заднего корешка [22].
Только в лаборатории J.C. Eccles в 1957 году K.A. Frank и M. Fuortes было показано, что амплитуда внутриклеточно регистрируемого возбуждающего постсинаптического потенциала может уменьшиться, но при этом регистрируется тормозной постсинаптический потенциал. Авторы назвали этот тип торможения «пресинаптическим торможением» и предположили, что оно локализуется в пресинаптических волокнах. K.A. Frank и M. Fuortes показали, что пресинаптическое торможение в основном состоит из сильного подавления ответа нейрона, возникающего прежде, чем стимул достигнет синаптических терминалей, связанных с промежуточным тормозным нейроном (тормозной Ia интернейрон). Раздражение мышечного нерва сгибателя подавляло моносинаптические возбуждающие потенциалы действия разгибателя мотонейронов мышцы без изменений в мембранном потенциале или изменения возбудимости мотонейрона. Продлевание процесса торможения являлось следствием угнетения пресинаптического звена или увеличения электропроводности мембран, расположенных на периферических дендритах [62].
Позднее в 1960 году J.C. Eccles с сотрудниками начали исчерпывающие исследования механизмов пресинаптического торможения в спинном мозге. J.C. Eccles с соавторами описал главные особенности пресинаптического торможения и показал, что торможение связано с первичной афферентной деполяризацией (ПАД). Пресинаптическое торможение и ПАД опосредованы теми же самыми интернейронами, действующими на терминали Ia через аксо-аксональные синапсы [55, 132]. В норме при пресинаптическом торможении аксо-аксональные синапсы выделяют гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК), которая вызывает локальную деполяризацию мембраны и, таким образом, понижает выделение возбуждающего нейтротрансмиттера в синапсах [33].
В настоящее время известно, что, во-первых, пресинаптическое торможение локализуется в аксо-аксональных синапсах, в которых синаптической структурой является не тело клетки, а пресинаптическое разветвление афферентных волокон. Во-вторых, основным электрофизиологическим проявлением этого торможения является не гиперполяризация, а деполяризация аксональных окончаний. На этих окончаниях - пресинаптических терминалях располагаются окончания других нервных клеток, образующие здесь особые тормозные синапсы, медиаторы которых деполяризуют мембрану терминалей, обуславливая частичную или полную блокаду проведения нервных импульсов, то есть состояние парабиоза (пессимального торможения, по Введенскому). Заторможенный концевой участок аксона прекращает проведение нервных импульсов к следующей нервной клетке. Этот вид торможения обусловливает ограничение притока афферентных импульсов к нервным центрам [132, 127, 22].
Пресинаптическое торможение играет важную роль в обработке поступающей в ЦНС информации. Оно более точно регулирует процесс возбуждения, поскольку этим торможением могут быть заблокированы отдельные нервные волокна. К одному возбуждающему нейрону могут проходить сотни и тысячи импульсов по разным терминалям. Вместе с тем, число дошедших до нейрона импульсов определяется пресинаптическим торможением. Торможение латеральных путей обеспечивает выделение существенных сигналов из фона. Блокада торможения ведёт к широкой иррадиации возбуждения и судорогам (например, при выключении пресинаптического торможения биккулином) [55].
Пресинаптическое торможение имеет свои разновидности: параллельное и латеральное, которые, однако, ещё недостаточно изучены. По-видимому, имеются те же варианты, что и для постсинаптического торможения. Вместе с тем, возвратное пресинаптическое торможение на уровне спинного мозга (по типу возвратного постсинаптического торможения) у млекопитающих обнаружить не удалось, хотя у лягушек оно выявлено [48, 121].
Как показали многочисленные исследования, пресинаптическое торможение наиболее эффективно в возбуждающих синапсах первичных афферентных волокон [55, 127]. Это согласуется с общим представлением о роли пресинаптического торможения как отрицательной обратной связи, действующей на приток сенсорной информации центральной нервной системы [55]. Такая отрицательная обратная связь не имеет точной топографии, но обычно локализуется в пределах одной сенсорной модальности. Однако пресинаптическое торможение в волокнах Ia представляет собой некоторое исключение из этого правила, поскольку оно также вызывается импульсами, приходящими по волокнам Ib [5, 97].
Пресинаптическое торможение наблюдается и в кожных афферентах [55]. Эксперименты на животных показали, что кожные афференты пресинаптически тормозятся активнее всего внутри своей модальности. Однако деполяризация кожных афферентов может быть вызвана и другими ипсилатеральными афферентами - волокнами Ib, мышечными волокнами II и III групп, а также висцеральными афферентами. Пресинаптическое торможение обнаружено в ядрах тригеминального комплекса, ядрах задних столбов, в некоторых ядрах таламуса [51, 55].
Оценить пресинаптическое торможение у человека можно по подавлению Н-рефлекса m. soleus при кондиционирующей стимуляции афферентов m. tibialis anterior, m. biceps femoris или вибрации tendo calcaneus [38, 74, 109] и по облегчению Н-рефлекса m. soleus в условиях кондиционирующей стимуляции n. femoralis и n. tibialis [74, 106].
В исследованиях H. Hultborn с сотрудниками [74] была установлена моносинаптическая связь между Ia волокнами m. quadriceps femoris и б-мотонейронами m. soleus у человека. В результате был предложен новый метод оценки пресинаптического торможения гомонимных и гетеронимных Ia афферентов у человека, идущих от m. quadriceps femoris к б-мотонейронам m. soleus, который основан на определении облегчения моносинаптического Н-рефлекса m. soleus, вызываемого кондиционирующей стимуляцией n. femoralis и n. tibialis (рис. 1). В этом случае облегчение Н-рефлекса m. soleus проходит по моносинаптическому каналу, и только при определённых величинах временных интервалов между кондиционирующим и тестирующим стимулами на него не воздействуют никакие немоносинаптические влияния со стороны супраспинальных и сегментарных нейрональных систем [74]. H. Hultborn с соавторами [66] пришли к выводу, что при этих условиях облегчение Н-рефлекса m. soleus зависит только от величины кондиционирующего постсинаптического потенциала возбуждения. Следовательно, чем больше облегчение Н-рефлекса m. soleus, тем меньше величина пресинаптического торможения гетеронимных афферентов Ia. При наиболее выраженном облегчении Н-рефлекса, исключаются олиго- и полисинаптические влияния, например, от афферентных волокон Ib, и, следовательно, регистрируется «чистый» эффект пресинаптического торможения первичных афферентов [74]. Тестирующая стимуляция n. tibialis наносится раньше кондиционирующего раздражения n. femoralis на -4,9 мс у мальчиков 9-12 лет, -5,3 мс - у подростков 14-15 лет, -5,9 мс - у юношей 17-18 лет и мужчин 22-27 лет [16, 24, 21], чтобы обеспечить одновременное прибытие этих двух залпов на мотонейроны m. soleus, т.е. «нулевую центральную задержку» [74]. В таком случае интервал между кондиционирующим и тестирующим стимулами имеет отрицательную величину.
Рис. 1. Схематическое описание методики оценки пресинаптического торможения гетеронимных афферентов Ia m. rectus femoris: синяя линия - Ia потоки, идущие от nn. tibialis и femoralis, Мн RF - мотонейроны m. rectus femoris, Мн Sol - мотонейроны m. soleus; Ин Ia - тормозные интернейроны Ia (жёлтым цветом) [22].
Пресинаптическое торможение гомонимных Ia афферентов m. soleus оценивается по методике предложенной Y. Mizuno с соавторами [108]. В соответствии с этим методом оценивается степень подавления амплитуды тестирующего Н-рефлекса m. soleus, вызываемого кондиционирующей стимуляцией n. peroneus profundus и наносимого за 40 мс у мальчиков 9-12 лет, 70 мс - у подростков 14-15 лет и 100 мс - у юношей 17-18 лет и мужчин 22-27 лет до тестирующего раздражения n. tibialis (рис. 2) [25, 21]. Принимается, что, чем больше подавление амплитуды тестирующего Н-рефлекса m. soleus по отношению к амплитуде контрольного Н-рефлекса, тем более выражено пресинаптическое торможение гомонимных афферентов Iа.
Рис. 2. Схематическое описание методики оценки пресинаптического торможения афферентов Ia m. soleus: синяя линия - Ia потоки, идущие от nn. tibialis и peroneus profundus; Мн TA - мотонейроны m. tibialis anterior; Мн Sol - мотонейроны m. soleus; Ин Ia - возбуждающие интернейроны Ia (синим цветом); Ин Ia - тормозные интернейроны Ia (жёлтым цветом) [22].
S. Meunier и E. Pierrot-Deseilligny [106] разработали метод, который позволил оценить пресинаптическое торможение у людей при произвольном сокращении мышц. При сокращении мышц-агонистов в первичных афферентных терминалях пресинаптическое торможение уменьшается, тогда, как пресинаптическое торможение мышц-антагонистов возрастает. Избирательность пресинаптического торможения в блокировании какого-либо входа нейрона, связана с супраспинальным контролем, который подавляет их эффект, когда требуется изолированное сокращение мышцы.
В последующих исследованиях S. Meunier с сотрудниками [107] также показано, что активность в путях пресинаптического торможения изменяется при выполнении движения. Так, пресинаптическое торможение афферентов Ia, проецирующихся на мотонейроны сокращающейся мышцы нижней конечности, существенно уменьшается, а пресинаптическое торможение афферентов Ia, идущих к антагонистам или мотонейронному пулу синергистов, не участвующих в движении, - увеличивается [12, 107]. В отличие от данных, полученных на нижней конечности, на верхней конечности, наряду со снижением пресинаптического торможения афферентов Ia к б-мотонейронам сокращающейся мышцы, показано снижение пресинаптического торможения Ia афферентов к б-мотонейронам антагониста [30]. Роль пресинаптического торможения при выполнении произвольных движений рассмотрена во многих работах [20, 17, 19, 99, 34, 35, 117, 115, 87].