Основные принципы передачи информации в нервной системе роль

Основные принципы передачи информации в нервной системе: роль веществ-медиаторов. К. м. н. , доцент Королева Валентина Владимировна, Челябинск-2013

Мозг – это нервные клетки, которые между собой общаются и передают тем самым информацию. Как они это делают? • Кафедра физиологии животных • Кафедра высшей нервной деятельности

Сравнение мозга с: • Пневматическая рычаговая система (Р. Декарт) • Телефонная сеть (19 век) • Компьютер (20 -21 век)

Сравним мозг и компьютер: 1. Сходные принципы общей организации «центральный процессор» : высшие отделы коры больших полушарий (запуск поведения) «устройства вывода» : двигательные (управление мышцами) и вегетативные (управление внутренними органами) системы - «устройства ввода» : сенсорные системы (информация от органов чувств); - «блоки памяти» : кратковременная и долговременная, двигательная и сенсорно-эмоциональная; - «блок питания» : центры регуляции сна и бодрствования; -центры потребностей, мотиваций, эмоций

Сравним мозг и компьютер: 2. Микроструктурная организация: уровень чипов-микросхем и нейронов

Структура нейрона: тело, дендриты, аксоны • Дендриты – отростки-антенны – собиратели информации • Тело – место обработки и запоминания информации • Аксон – устройство вывода информации, передает информацию другим нейронам, мышечным или железистым клеткам

Закон проведения информации в ЦНС: • Однонаправленное проведение: • От дендритов к телу клетки • От тела клетки по аксонам к другим клеткам

Сравним мозг и компьютер: Электрическая активность Комп Потенциал действия (ПД) нервных клеток Двоичный код компьютера: Комп Амплитуда – около 0, 1 Вольт Амплитуда – вольты Длительность около 0, 1 мс Частота – Гига. Герцы Комп Частота – 10 -100(до 1000) Гц V проведения близка к V проведения от 1 до 100 м/с скорости света Миллионы каналов мозг Единичные каналы

Двоичный код компьютера • Два элемента в разных сочетаниях : единица и ноль • Единица – ток идет по проводам • Ноль – ток не идет по проводам • Прямоугольные ступени тока • Возможность закодировать символы и буквы, изображения

Мозг: похожая логика • Все процессы в мозге передаются в виде коротких электрических импульсов • Потенциалы действия (ПД) – универсальный язык мозга • Треугольные ступени тока • Кодирование информации – чередование ПД

Потенциал действия Восходящая фаза ПД: деполяризация за счет входа ионов натрия Na+ через «натриевый канал» «включение» лампочки Нисходящая фаза ПД: реполяризация за счет выхода ионов калия К+ через «калиевый канал» «выключение» лампочки

Биологическая мембрана и белковый канал

Натрий-калиевый насос (Натрий-калиевая АТФ-аза) Возвращает ионы К+ обратно в нейрон и удаляет ионы Na+ из нейрона. Кроме того, создает исходно высокую концентрацию ионов К+ и исходно низкую концентрацию ионов Na+ в цитоплазме нейрона ( «заряжает батарейку» )

Сравним мозг и компьютер: 4. Синаптическая активность (специфична для мозга): межклеточная передача сигнала с помощью веществ – медиаторов, вызывающих возбуждение или торможение следующей клетки

Синапс - это • Контакт между двумя клетками • Одна из них обязательно – нервная, а другая м. б. нервной, мышечной, железистой • Передача сигнала через синапс осуществляется химическим путем – через вещество - медиатор

Структура синапса • Окончание аксона • Синаптические пузырьки (везикулы) с медиатором • Пресинаптическая мембрана • Синаптическая щель • Постсинаптическая мембрана

Основные этапы передачи сигнала в синапсе: • ПД запускает движение везикул и выброс медиатора в щель • Медиатор воздействует на постсинаптические белкирецепторы • Рецепторы вызывают возбуждение либо торможение следующей клетки (возбуждение может вести к генерации ПД; торможение мешает возникновению ПД, затрудняет либо блокирует проведение сигнала)

Два главных элемента синапса • Медиатор – ключ, который переносит информацию от одной клетки к другой • Белки-рецепторы – это «кнопка» , на которую «нажимает» некий фактор; Этим фактором является химическое вещество (гормон, лиганд, медиатор)

Белокрецептор • Клубок, в котором есть ямка, которая называется «активный центр» • Главная задача рецептора в ЦНС – запустить или не запустить электрический импульс (ПД) • Активный центр – самое доступное место для воздействия на ЦНС с целью изменения регуляции функций (большинство лекарств для изменения работы мозга)

Медиатор взаимодействует с белком-рецептором по принципу «КЛЮЧ – ЗАМОК» ; «замочной скважиной» является особая зона белкового клубка АКТИВНЫЙ ЦЕНТР Способы изменения активности синапсов: АГОНИСТЫ медиаторов (ключевая и защитная* части молекул) АНТАГОНИСТЫ** медиаторов (неполная ключевая часть молекулы) * - защитная часть молекул агониста и антагониста ослабляет разрушающее действие ферментов ** - многие агонисты и антагонисты медиаторов – Токсины растительного происхождения

Агонист — это химическое соединение (лиганд), которое при взаимодействии с рецептором изменяет его состояние, приводя к биологическому отклику. Обычные агонисты увеличивают отклик рецептора, обратные агонисты уменьшают его, а антагонисты блокируют действие агонистов

Медиаторы делят на: • возбуждающие и • тормозные

Возбуждающие медиаторы • Их взаимодействие с рецептором вызывает открывание Na+-каналов и возникает волна деполяризации, способная запустить ПД • ГЛУТАМИНОВАЯ КИСЛОТА (ГК) – проведение основных потоков информации в ЦНС

Тормозные медиаторы • Их взаимодействие с рецептором вызывает открывание Cl- или К+-каналов и возникает волна гиперполяризации, мешающая запуску ПД • ГАММА-АМИНОМАСЛЯНАЯ КИСЛОТА (ГАМК) – тормозной контроль информационных потоков в ЦНС: функция внимания, двигательного контроля и др.

НЕЙРОН это «микро-ЭВМ» , суммирующая тормозные и возбуждающие сигналы, передаваемые тысячами (!!!) синапсов

Синапсы – структурнофункциональные единицы работы мозга • НЕЙРОН – самая сложная конструкция, которая учитывает влияния тысяч синапсов • Возбуждающие и тормозные входы постоянно конкурируют друг с другом • Пример: нейрон спинного мозга, который запускает отдергивание руки в ответ на боль

Возбуждающий вход на болевой стимул Вы схватили горячий предмет и его несете, стало больно и пошел сигнал о том, что надо бросить, но в это время головной мозг по тормозному входу сообщает, если ты бросишь свой горячий суп, то останешься голодным. Две команды: бросай и держать. Нейрон должен решить – кто победит – возбуждающий или тормозной медиатор. Таким образом возникает ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЯ на клеточном уровне. Это происходит каждую секунду

В головном мозге работает 6 главных медиаторов • Работа медиаторных систем связана со структурой головного и спинного мозга

Структура головного мозга Выделяют ряд базовых отделов ЦНС: спинной мозг и 6 отделов головного мозга:

Отделы ЦНС Функции Спинной мозг Управление этажами нашего тела (31 этаж от шеи до копчика) Продолговатый мозг и мост Жизненно важные центры Мозжечок и базальные ганглии Двигательное обучение, автоматизация движений Средний мозг Зрение, слух, сон, движения Таламус Фильтрация информации на входе в кору головного мозга Гипоталамус Эндокринная и вегетативная регуляция, биологические потребности Кора больших полушарий Высшие сенсорные и двигательные центры, мышление, сознание, принятие решений

Спинной мозг • 31 сегмент • Управление мышцами • Управление внутренними органами • Считывание информации от указанных сегментов тела

Продолговатый мозг и мост • Два задних отдела головного мозга, которые контролируют жизненно важные функции – дыхание, кровообращение, тонус сосудов, работа ЖКТ (глотание, кусание, выработка слюны, защитный рвотный рефлекс) • Эти зоны наиболее древние и присутствуют у всех млекопитающих

Продолговатый мозг

Мозжечок и базальные ганглии • Структуры экстапирамидной двигательной системы • Функция: двигательное обучение, автоматизация движений • Базальные ядра – в глубине больших полушарий • Функция: непроизвольная двигательная активность

Мозжечок

Базальные ганглии (подкорковые ядра)

Средний мозг • Самая маленькая часть головного мозга • Древние центры зрения и слуха • Двигательные центры контроля общего уровня двигательной активности – фоновый уровень движений и получение удовольствия от двигательной активности • Центр сна

Средний мозг

Промежуточный мозг: таламус, гипоталамус • Таламус: Фильтрация информации на входе в кору головного мозга, «секретарь» головного мозга; решает вопрос – достойна информация внимания «шефа» или нет, поэтому таламус называют центром внимания • Гипоталамус – центр бессознательного, в нем находятся наши древние программы, биологические потребности, управляет эндокринной системой через гипофиз, вегетативными реакциями

Промежуточный мозг: таламус, гипоталамус

«Большая шестерка» биологических потребностей: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Центр полового поведения Центр родительского поведения Центр пищевого поведения (голода) Центр жажды Центр агрессии Центр страха

Эксперимент • Стимулируя различные центры гипоталамуса можно запустить различные реакции у экспериментальных животных для изучения врожденных программ поведения (Пример: стимуляция центра родительского поведения у петуха)

Гипоталамус – центр положительных и отрицательных эмоций

Кора больших полушарий • • Высшие двигательные центры Высшие сенсорные центры Мышление Сознание Принятие решений Самые сложные процессы происходят в коре Она огромна и сложна, но не способна работать самостоятельно без подкорковых структур

Кора больших полушарий • Для части функций (слух, зрение) четко можно определить функциональные зоны коры • Сложные и высшие психические функции «тонким слоем размазаны» по всему мозгу и возникают как результат совместной деятельности • Каждая зона мозга выполняет свою роль в формировании СПФ и ВПФ

История изучения медиаторных систем мозга • История изучения началась с АЦЕТИЛХОЛИНА (АХ) • Медиатор нервно-мышечной системы (расположен доступно) • Нервно-мышечный синапс крупный и изучен был первым

Ацетилхолин (АХ) • Ацетилхолин вырабатывает нервная клетка спинного мозга • Давно известен антагонист АХ – тубокурарин (действующее начало яда кураре) • Если аксон с АХ запускает мышечное сокращение, то кураре будет вызывать мышечный паралич • В самом тяжелом варианте: остановку дыхания и смерть

Яд «кураре» – продукт кустарника из амазонской сельвы • Местные жители умеют выделять яд и использовать его в духовых ружьях • При варке и жарке яд распадается

Ацетилхолин • Является медиатором не только НМС, но и ВНС

Вегетативная нервная система • Это часть НС, управляющая работой внутренних органов • Внутренние органы: активация работы и ослабление работы • (+) и (-) – функционирование • Две конкурирующие части ВНС: симпатическая (стресс, нагрузка) и парасимпатическая (восстановление сил, накопление энергии) • СОН: обе системы «отдыхают»

Парасимпатическая система Медиатор – АЦЕТИЛХОЛИН (АХ) СЕРДЦЕ ЖКТ возбуждение торможение Симпатическая система Медиатор – НОРАДРЕНАЛИН (НА)

Органная иннервация • Большая часть органов иннервируется симпатической нервной системой • Есть органы, которые во время отдыха активно работают – это ЖКТ, почки • Введение агонистов АХ тормозит работу сердца и активирует ЖКТ

Основные эффекты СНС • • Активация работы сердца Рост давления крови Расширение бронхов Расширение зрачка Торможение деятельности ЖКТ Потоотделение Выброс адреналина (эпинефрина)

Агонисты и антагонисты АХ и НА Агонисты АХ – мускарин (токсин мухомора)Слюнотечение, сужение зрачков, падение АД Антагонист АХ – атропин (токсин белены, беладонны) – расширение зрачков, сердцебиение ТАБАК – токсин НИКОТИН в начале применения вызывает парасимпатические реакции, затем – симпатические с вовлечение ЦНС Агонисты НА – кардиостимуляторы, расширение бронхов (астма), сужение сосудов кожи и слизистых (нафтизин) Антагонисты НА – противогипертонические препараты

Природа • Агонистов и антагонистов АХ в природе выявлено много, НА – практически нет. • Биологический смысл – яд должен быть надежным для защиты растений, а АХ есть и в НМ-синапсах и в Пс. НС, поэтому по АХ «бить» выгоднее, чем по НА.

Три этапа действия НИКОТИНА • Парасимпатический эффект: тошнота, слабость, рвота • Симпатический эффект: бодрящее действие • Проникновение в ЦНС: наркотический эффект • Растение «табак» вырабатывает никотин, для отпугивания колорадских жуков

АХ и НА являются медиаторами головного мозга • • • 1. 2. 3. 4. НА в передней верхней части моста «голубое пятно» , от которого проводящие пути расходятся во все отделы коры Наиболее активен НА при стрессе (эмоциональное сопровождение стресса) Основные эффекты: Общая активация деятельности мозга Улучшение обучения (умеренный стресс) Положительные эмоции при стрессе Снижение болевой чувствительности (экстрасенсы)

АХ и НА являются медиаторами головного мозга • АХ в головном мозге: продолговатый мозг, мост, базальные ганглии, кора больших полушарий – короткие аксоны нормализуют (регулируют процессы возбуждения) деятельность близлежащих нейронов. • Никотин также оказывает нормализующее влияние, вызывая у курильщиков привыкание и зависимость (наркотический эффект)

Главные медиаторы головного мозга • Глутаминовая кислота (ГК, возбуждающий) • Гамма – аминомасляная кислота (ГАМК, тормозящий)

Главные медиаторы головного мозга • Нарушение их баланса (обычно в сторону уменьшения, торможения) негативно влияет на многие нервные процессы: • Дефицит внимания и гиперактивность у детей • Повышенная нервозность и тревожность у взрослых • Нарушения сна, бессонница • Эпилепсия (чаще врожденная у 0, 5% населения)

Главные медиаторы головного мозга • В клинических целях чаще используют агонисты ГАМК и реже - антагонисты ГК. • Антагонисты ГАМК и агонисты ГК являются сильнейшими ядами и вызывают тяжелые судороги. • Последние – в природе: водоросли, травы

Агонисты ГАМК • • • Валиум – диазепам, реланиум Маленькая доза – успокаивает Средняя доза – противосудорожный Большая – снотворная Сверхвысокая – остановка дыхания, смерть (суицидальная доза)

ГАМК система созревает позднее и является более уязвимой

Испытания лекарств на животных • Крестообразный приподнятый лабиринт • Любопытство крыс: время, проведенное в закрытом и открытом пространстве – уровень тревожности • Влияние лекарств на печень, почки, эмбрион

ДОФАМИН В мозге: средний мозг – черная субстанция (покрышка) и ядра вентральной покрышки (ножки мозга) Длинные аксоны: • в базальные ганглии (связь с движением, общий уровень и удовольствие от движений) • В кору б/п (общая скорость обработки сенсорной информации, скорость мышления, положительные эмоции от получения информации, творчества)

Болезни дефицита ДОФАМИНА • Болезнь Паркинсона – агонисты дофамина. • Шизофрения (каждый сотый на планете) – антагонисты дофамина. • Передозировка препаратов дает противоположный эффект. • Агонисты ДА: амфетамин, кокаин и др. наркотики быстро «ломают» дофаминовую систему.

СЕРОТОНИН (СТ) • В мозге: ядра шва от СМ до Ср. М • Аксоны – по всей ЦНС • Тормозный медиатор (снижает «шум» нервных процессов), контрастирует нервные процессы, блокирует слабые сигналы • Регулирует (снижает) болевую чувствительность (индивидуальный болевой порог) • Ядра шва Ср. М – главные центры сна • Снижает активность центров отрицательных эмоций

Главные серотониновые проводящие пути в ЦНС (Stephen M. , Stahl, 1999)

СЕРОТОНИН (СТ) • При нарушении обмена СТ (недостаточность) возникают ДЕПРЕССИИ • Препараты для усиления активности серотониновой системы мозга АНТИДЕПРЕССАНТЫ

Противоболевая сенсорная система • Боль – сигнал нарушений и разрушений • Болевая система: СМ+ГМ • Механизмы контроля проведения болевых сигналов • Мелкие болевые ощущения отсекаются – тормозные нервные клетки – ГАМК, энкефалины (главные опиодные пептиды) • Гипоталамус: опиоиды – удовольствие от пищи, положительные эмоции

Агонист опиоидных пептидов МОРФИН • Прекращает проведение слабой и сильной боли • Злая шутка природы: МОРФИН – сильное лекарство, но сильный наркотик (быстрая зависимость) • Привлекательность для наркоманов: героин • Отключение положительных эмоций в гипоталамусе, СМ - сильнейшая боль (абстинентный синдром через 10 -15 приемов)

Прием наркотиков • Пример: поливать в компьютере материнскую плату кока-колой – звездочки и необычные изображения.

• 1845 г. - Моро предложил в качестве модели психоза интоксикацию гашишем. • 1875 г. - Фрейд предложил как психотропное средство кокаин. • 1903 г. - Появление барбитуратов (снотворное и противоэпилептическое средство). • 1943 г. - Гофман синтезировал галлюциноген — диэтиламид лизергиновой кислоты (LSD). • 1949 г. - Каде применил литий (нормотимик). • 1950 г. - Шарпентье синтезировал хлорпромазин (аминазин). • 1952 г. - Делэй, Денникер и Харль применяют хлорпромазин в психиатрической клинике. • 1957 г. - Внедрение трициклических антидепрессантов. • 1960 г. - Внедрение в психиатрическую практику транкливизаторов —хлордиазепоксида (Либриум, Элениум). • 1977 г. - Открытие транкливизатора феназепама (Россия). • 1989 г. - Клиническое применение fluoxetine (Прозак). • 1990 г. - Начало «декады мозга» . В это время появились 6 новых антидепрессантов, 6 новых нейролептиков, антиконвульсанты стали применять в качестве нормотимиков.

Фундаментальные принципы организации личности • НЕЙРОТИЗМ: тревожность, депрессия • ЭКСТРАВЕРСИЯ: импульсивность, активность, жизнерадостность, уверенность • КОНФОРМНОСТЬ: доверие, сотрудничество, сочувствие, альтруизм, нравственность • ДОБРОСОВЕСТНОСТЬ: самодисциплина, организованность • ОТКРЫТОСТЬ: интеллект, воображение, креативность, свободомыслие, осознанность

НЕЙРОТИЗМ: тревожность, депрессия Нейромедиаторы СЕРОТОНИН Отделы мозга 1. МИНДАЛЕВИДНОЕ ТЕЛО 2. ПРЕФРОНТАЛЬНАЯ КОРА

АСПЕКТ: тревожность • Я часто пугаюсь • Я беспокойный • Я держу свое мнение при себе

АСПЕКТ: депрессия • Я не могу заставить себя… • Мелочи портят мне настроение • Стакан наполовину пустой

ЭКСТРАВЕРСИЯ: импульсивность, активность, жизнерадостность, уверенность Нейромедиаторы ДОФАМИН Отделы мозга 1. ПРЕФРОНТАЛЬНАЯ КОРА 2. СЕНСОРНАЯ КОРА 3. ДВИГАТЕЛЬНАЯ КОРА 4. ПРИЛЕЖАЩЕЕ ЯДРО

ЭКСТРАВЕРСИЯ. АСПЕКТ: импульсивность (поиск нового) • Я говорю, не думая • Я покупаю вещи, а потом об этом жалею • Мне становится скучно, если я делаю однообразную работу

ЭКСТРАВЕРСИЯ. АСПЕКТ: активность • Я всегда за то, чтобы встретиться с друзьями • Мне очень много надо сделать • Мне с трудом удается расслабиться

ЭКСТРАВЕРСИЯ. АСПЕКТ: жизнерадостность • Жизнь хороша • Все хорошо • Я люблю людей

ЭКСТРАВЕРСИЯ. АСПЕКТ: уверенность • Я прошу то, что хочу • Я говорю людям, если они мне надоели • Я до конца остаюсь верным своим принципам

КОНФОРМНОСТЬ: доверие, сотрудничество, сочувствие, альтруизм, нравственность Нейромедиаторы 1. ОКСИТОЦИН 2. ВАЗОПРЕССИН Отделы мозга Задняя часть МИНДАЛЕВИДНОГО ТЕЛА

КОНФОРМНОСТЬ. АСПЕКТ: доверие • Я доверчивый • Я верю людям на слово • У людей добрые намерения

КОНФОРМНОСТЬ. АСПЕКТ: сотрудничество • Я соглашусь с другими, чтобы всем было хорошо • Убедить лучше, чем заставить • Я люблю работать в группе

КОНФОРМНОСТЬ. АСПЕКТ: сочувствие • Я чувствую боль других • Я лоялен • Я хороший слушатель

КОНФОРМНОСТЬ. АСПЕКТ: альтруизм • Я капитан группы поддержки для моих друзей • Я помогаю, меня об этом не надо просить • Нищета заставляет меня грустить

КОНФОРМНОСТЬ. АСПЕКТ: нравственность • Я расстраиваюсь, когда меня обманывают • Я говорю правду, даже когда это неудобно • Я делаю то, что правильно, а не то, что проще

ДОБРОСОВЕСТНОСТЬ: самодисциплина, организованность Нейромедиаторы ДОФАМИН Отделы мозга 1. ПОЛОСАТОЕ ТЕЛО 2. ПРЕФРОНТАЛЬНАЯ КОРА

ДОБРОСОВЕСТНОСТЬ. АСПЕКТ: самодисциплина • Я придерживаюсь четкого графика • Я делаю упражнения и правильно питаюсь • Я перфекционист

ДОБРОСОВЕСТНОСТЬ. АСПЕКТ: организованность • Я убираю вещи после того, как закончил работу с ними • Я внимателен к деталям • Планирую свою работу и работаю по плану

ОТКРЫТОСТЬ: интеллект, воображение, креативность, свободомыслие, осознанность Нейромедиаторы ДОФАМИН и еще несколько тысяч Отделы мозга 1. ГИППОКАМП 2. ЛЕВАЯ ВИСОЧНАЯ ДОЛЯ

ОТКРЫТОСТЬ. АСПЕКТ: интеллект • Мне нравятся загадки и головоломки • Я не прочь все для себя просчитать • Я могу улучшить прежние способы делать что-то

ОТКРЫТОСТЬ. АСПЕКТ: воображение • Я люблю мечтать • Я изобретаю новые вещи • Меня вдохновляют идеи других людей

ОТКРЫТОСТЬ. АСПЕКТ: креативность • Мне нравится запах океана • Я креативный • На природе я восстанавливаюсь

ОТКРЫТОСТЬ. АСПЕКТ: свободомыслие • У некоторых проблем нет решений • Ни одна из групп людей не лучше другой

ОТКРЫТОСТЬ. АСПЕКТ: осознанность • Милосердие должно смирять правосудие • Люди говорят, что я хороший слушатель • Я предпочитаю фантастические книги документальным

Расшифровка работы мозга

Спасибо за внимание!