Нейропятница: устройство и функционирование нервной системы человека

19 ноября 2021 года состоялась традиционная нейролингвистическая пятница. С докладом «Устройство и функционирование нервной системы человека» выступила выпускница нижегородского ФиПЛа Мария Шибанова, которая в настоящее время является студенткой университета Турку в Финляндии и обучается на магистерской программе «MPD Human Neuroscience».

Из архива ЦЯиМ

Выступление началось с обсуждения нейронаук. В настоящее время это междисциплинарная прикладная область, включающая в себя нейросоциологию, нейропсихологию, науки, связанные с компьютерными технологиями и программированием. К более теоретическим направлениям можно отнести следующие разделы нейронауки: 

Молекулярная

• изучает мозг на самом элементарном уровне, вещества, из которых он состоит, нейротрансмиттеры и т.п.

Клеточная

• фокусируется на изучении того, как молекулы работают вместе, чтобы придать нейронам их особые свойства.

Системная

• анализирует системы (зрительная, моторная и т.д.) и их функции;
• помогает ответить на вопроc, как различные нейронные цепи анализируют сенсорную информацию, формируют восприятие внешнего мира, принимают решения и выполняют движения.

Поведенческая

• изучает то, как нейронные системы работают вместе для создания интегрированного поведения.

Когнитивная

• изучает то, как деятельность мозга создает разум.

Нервная система человека

Нервная система человека подразделяется на центральную нервную систему и периферийную нервную систему. К центральной нервной системе относятся головной и спинной мозг. Головной мозг, в свою очередь, состоит из двух полушарий, мозжечка и мозгового ствола. 

Периферийная нервная система подразделяется на соматическую и висцеральную (вегетативную). Соматическая включает в себя все спинномозговые нервы, иннервирующие кожу, суставы и мышцы, находящиеся под волевым контролем. Висцеральная отвечает за то, что мы контролировать не можем. Она состоит из нейронов, которые иннервируют внутренние органы, кровеносные сосуды и железы. Висцеральные сенсорные аксоны передают в ЦНС информацию о давлении и содержании кислорода в крови, управляют сокращением и расслаблением мышц, которые формируют стенки кишечника и кровеносных сосудов (гладкие мышцы), регулируют скорость сокращения сердечной мышцы, а также секреторную функцию различных желез.

Нейроны и глиальные клетки

Для изучения нервной системы очень важно понимать самые основные молекулярные процессы. Основные типы клеток, которые содержатся в головном мозге, — это нейроны и глия. Нейроны отвечают за большинство уникальных функций мозга. Они генерируют импульсы и передают информацию. А глиальные клетки служат лишь для изоляции, поддержки и питания соседних нейронов, но сами они не генерируют импульсы. 

Выделяют следующие типы глиальных клеток:
1. Астроциты:

• находятся только в ЦНС;
• имеют «звездообразный» вид;
• регулируют местную среду, удаляя избыточные ионы и перерабатывая нейротрансмиттеры.

2. Олигодендроциты

• отвечают за создание миелиновой оболочки  тонкого слоя, который покрывает нейроны, позволяя им наиболее быстро и эффективно передавать сигналы.

3. Микроглиальные клетки

• «клетки-мусорщики», очищают клеточную среду, удаляют остатки клеток из мест повреждения или нормального оборота клеток;
• могут модулировать воспаление и влиять на выживание или смерть других клеток;
• при повреждении мозга концентрируются именно в этом месте, чтобы помочь восстановлению.

Строение нейрона

Нейроны состоят из трех основных частей: сомы, дендритов и аксона. Сома — это клеточное тело нейрона, где расположено множество органелл. Здесь происходит синтез всех необходимых для поддержания жизни и функционирования клетки белков. Дендриты — это придатки, предназначенные для приема сообщений от других клеток. От дендритов отходят дендритные шипы, служащие для расширения области приема сигналов. Аксон — это структура, встречающаяся только в нейронах и предназначенная для передачи информации на расстояния. Заканчивается аксон терминалом — местом вступления в контакт с другими нейронами (или другими клетками) и передачи им информации. Место соединения терминала с другим нейроном называют синапсом. Нейрон, посылающий сигнал, называется пресинаптическим, а получающий — постсинаптическим.

Потенциал покоя мембраны

Мы уже знаем, что нейроны передают друг другу электрохимические сигналы. Необходимо понять, что из себя представляют эти импульсы и как они передаются. Нейрон своими дендритами и аксоном взаимодействует с другими нейронами. Можно представить ситуацию, когда нейроны находятся в покое и не передают друг другу сигналы. Потенциал покоя мембраны — это разница напряжения внутри и снаружи мембраны нейрона в состоянии покоя. Среднее значение этого напряжения примерно равно от -70 мВ до 90 мВ. Внутри нейрона среда более отрицательная нежели снаружи. Такой тип мембранного потенциала свойственен вообще всем клеткам. 

Два вещества, важных для понимания нейронных процессов, — натрий и калий. В состоянии покоя внутри нейрона много калия и мало натрия, снаружи все наоборот.  Мембрана нейрона не является некой единой тканью, она пронизана специальными каналами. Именно с помощью этих каналов внутренняя и внешняя среда нейрона как бы общаются друг с другом, передают друг другу вещества. Поскольку между средами происходит постоянный обмен различными веществами, их концентрация меняется, что влияет на напряжение на мембране. Однако для мембраны важно сохранять стабильное напряжение. Чтобы это делать, на мембране есть каналы, которые регулируют концентрацию веществ снаружи и внутри. Выделяют три основных типа каналов: 

• Na+/K+ ATPases — протеины, которые отдают во внешнюю среду 3 иона натрия и принимают вовнутрь 2 иона калия. Так они восстанавливают концентрацию, необходимую для поддержания потенциала покоя мембраны;
• Leaky K+ channels;
• Leaky Na+ channels — это отдельные каналы для калия и натрия, которые постоянно открыты, вещества из них могут спокойно вытекать или втекать обратно.

Потенциал действия

Мы можем представить нейрон в состоянии покоя, но на самом деле на нейроны постоянно воздействуют сигналы. Такие сигналы могут быть двух типов:

• Возбуждающий постсинаптический потенциал — небольшая деполяризация для приближения к пороговому значению (оказывает возбуждающее действие). Этот потенциал меняет напряжение с -70 до -55 мВ.
• Ингибиторный постсинаптический потенциал — небольшая гиперполяризация для отдаления от порогового значения (оказывает успокаивающее действие). Этот потенциал меняет напряжение на -80 мВ или -90 мВ. 

Эти потенциалы, хоть и действуют на нейрон, не являются достаточными для того, чтобы он сам породил импульс. Для генерации импульса необходимо напряжение в -55 мВ. Без него порождение сигнала не получится. После того, как было достигнуто нужное напряжение, генерируется потенциал действия.

Потенциал действия — электрический импульс, проводимый по аксону нейрона после достижения порогового потенциала (-55 мВ). Возбуждающий потенциал вызывает достижение мембранным потенциалом порогового значения. Открываются специальные натриевые каналы, впуская ионы Na+ в клетку, и еще больше деполяризуют ее. Эта волна деполяризации передается вниз по аксону к терминалу, где она вызывает высвобождение нейротрансмиттеров. Когда напряжение внутри клетки достигает +30 мВ, открываются калиевые каналы, позволяя K+ покинуть клетку и реполяризовать ее. Эта волна реполяризации также проходит вниз по аксону. Так, клетка возвращается в состояние покоя с напряжением -70 мВ.

В конце встречи Мария Шибанова рассказала об особенностях обучения в Финляндия и ответила на все вопросы, интересовавшие слушателей. Студенты нижегородского кампуса очень благодарны Марии за увлекательный и информативный рассказ. Участники встречи смогли по-новому взглянуть на работу нервной системы человека и еще раз убедиться в сложности и уникальности ее строения.

Авторы:

Студенты ФиПЛ
Анастасия Матущак
Павел Шкунов