НЕЙРОХИМИЯ, 2004, том 21, № 1, с. 5-14
^ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ
РАБОТЫ
УДК 577
СИСТЕМОГЕНЕЗ И СМЕРТЬ НЕЙРОНОВ
© 2004 г. Ю. И. Александров*
Лаборатория нейрофизиологических основ психики им. В.Б. Швыркова, Институт психологии РАН, Москва
Обосновывается представление о том, что в случае возникновения стойкого рассогласования между "потребностями" нейрона и его микросредой и при невозможности устранить рассогласование в рамках имеющегося опыта как в норме (в раннем онтогенезе и у взрослого), так и в патологии у клетки имеется следующая альтернатива: измениться, вовлекаясь в формирование новой системы, или умереть. Предполагается, что элиминация нейронов вносит вклад в процесс формирования новых систем, при научении - в системогенез. Приводятся аргументы в пользу того, что эту элиминацию можно рассматривать как "альтруистичный суицид" клеток.
Ключевые слова: апоптоз, системогенез, научение, созревание, патология, нейрон, поведение, гены.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВАНИЯ
ПРЕДЛАГАЕМЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ
Формулировка предлагаемых в настоящем сообщении представлений о смерти нейронов как компоненте механизмов научения основана на: 1) понимании нейрона не как проводника возбуждения, а как "организма" в организме и 2) понимании научения как системогенеза, в процессе которого формируются системные специализации нейронов. Поэтому перед тем, как изложить эти представления, необходимо остановиться на двух упомянутых пунктах.
Системная детерминация активности нейрона. С позиций рефлекторной теории предполагается, что механизмом поведения является проведение возбуждения по рефлекторной дуге: от рецепторов через центральные структуры к исполнительным органам. Нейрон при этом оказывается элементом, входящим в рефлекторную дугу, а его функция - обеспечением проведения возбуждения. При этом в качестве стимула рассматривается пресинаптическая импульсация, а в качестве реакции - ответная импульсация постси-наптического нейрона. Оказывается, следовательно, что нейрон, как и организм, реагирует на стимулы.
Важнейшим событием в развитии теории функциональных систем стало определение системообразующего фактора - результата системы, под которым понимался полезный приспособительный эффект в соотношении организма и среды, достигаемый при реализации системы. Таким образом, в качестве детерминанты поведения
*По докладу на симпозиуме "Апоптоз и зрелый мозг" (Москва, 22-23 мая, 2003 г.).
Адресат для корреспонденции: 129366 Москва, Ярославская ул., д. 13; тел.: 283-55-20; e-mail: nyualex@psychol.ras.ru
в теории функциональных систем рассматривается не прошлое по отношению к поведению событие - стимул, а будущее - результат [1]. Решающий шаг на пути формирования системного подхода к пониманию активности нейрона был сделан П.К. Анохиным, который подверг аргументированной критике общепринятую, как он ее назвал, "проведенческую концепцию" нейрона и предложил вместо нее системную концепцию интегративной деятельности нейрона [1].
Последовательное развитие концепции интегративной деятельности нейрона в системной психофизиологии позволило обосновать новое представление о деятельности нейрона [2]. Центральным пунктом этого представления является следующее положение: нейрон, как и любая живая клетка, реализует генетическую программу, нуждаясь в метаболитах, поступающих к нему от других клеток. Последовательность событий в деятельности нейрона становится аналогичной той, которая характеризует активный целенаправленный организм, а его импульсация - аналогичной действию индивида.
Иначе говоря, активность нейрона, как и поведение организма, является не реакцией, а средством изменения соотношения со средой, "действием", которое обусловливает устранение несоответствия между "потребностями" и микросредой, в частности, за счет изменения синаптического притока. Это изменение, если оно соответствует текущим метаболическим "потребностям" нейрона, приводит к достижению им "результата" и прекращению активности. Предполагается, что рассогласование между "потребностями", определяемыми генетически, и реально поступающими метаболитами может иметь место как при генетически обусловленных изменениях метабо-
А
Кольцо
Педаль
Б
Левая сторона
Правая сторона
[ е ►
13 д
ца
к о л
ь ц
о 20-
I I II III 11111 11111111 I II I II МНИ II I III
I шин ниш III I I
10
II II II
А.
20100
1.......
к о
П л
еь дц
ао л
ьк о
л
ь ц
о
1000
ппг
1000 мс
"айн ш
-1000
\\\\\\Ш\
1000 мс
в
Левая сторона
Правая сторона
П
е д
а
кл оь
л
ьП це од
а л
20 10 0
м!.. |Ц II ■ | ±\И ^ -1000
20 10
мс
.1Л1 ,11
111Ш1 I
\\т\ 11111111
к
П
е д
а
лк ьо л Пь ец до
а л
Л+.
мс
1000 мс -1000 1000
ГОТ
0
Рис. 1. Активации нейронов цингулярной и антеролатеральной моторной областей коры кроликов, прекращающиеся при достижении результатов инструментального поведения.
А. Экспериментальная клетка, в которой инструментальное пищедобывательное поведение реализуется животным попеременно способом потягивания за кольцо (слева) или нажатием на педаль (справа). Клетка снабжена парой кормушек, автоматически подающихся при нажатии на соответствующие педали (расположенные у той же, что и кормушка, стенки клетки) или при потягивании за соответствующие кольца. Ниже - растры импульсации и гистограммы активности нейрона цингулярной (Б) и антеролатеральной (В) областей коры.
Нейрон цингулярной коры активировался при захвате левого кольца, а нейрон антеролатеральной коры - при контакте с правой педалью.
Растры усреднены относительно начала потягивания за кольцо и начала нажатия на педаль. На растрах каждая вертикальная черточка обозначает отдельный импульс нейрона, а каждый ряд - последовательность импульсов в отдельном цикле пищедобывательного поведения. Под растрами - кумулятивные гистограммы с шириной бина 20 мс. Внизу - поведенческие актограммы для всех циклов пищедобывательного поведения, совершенных животным при регистрации импульсации данного нейрона. На актограмме смещение линий вверх соответствует потягиванию кольца или нажатию на педаль, вниз - опусканию морды животного в кормушку. На фрагменте Б ромбиками указаны повторные потягивания.
лизма клетки, так и при изменении притока метаболитов от других клеток.
Таким образом, нейрон - не "кодирующий элемент", "проводник" или "сумматор", а организм в организме, обеспечивающий свои "потребности" за счет метаболитов, поступающих от других элементов.
Представление о клетке как об организме в организме не является новой идеей, впервые сформулированной в системной психофизиологии. Так, более 50 лет назад Ч. Шеррингтон [3] писал: "Утверждение, что из клеток, составляющих нас, каждая является индивидуальной эгоцентричной жизнью - не просто фраза. Это не просто удобный способ описания. Клетка как компонент тела - не только визуально ограниченный модуль, это отдельная жизнь, сосредоточенная на себе. Она живет собственной жизнью... Клетка -это отдельная жизнь, и наша жизнь, которая, в свою очередь, является отдельной жизнью, всецело состоит из жизней-клеток." Что действительно нового добавлено в концепции о системной детерминации активности нейрона к этому утверждению - это приведение данного общетеоретического представления о клетке, в частности о нейроне, в соответствие с представлением о детерминантах ее активности.
Роль большинства химических соединений, поступающих в "микросреду" клетки, сводится к изменению свойств и скорости синтеза имевшихся в ней белков или к инициации синтеза новых белков. На метаболизм нейрона влияют и нейроме-диаторы, выделяемые из терминалей контактирующих с ним нейронов. Соединяясь со "своим" рецептором, медиатор не только изменяет проницаемость ионных каналов, но и оказывает влияние на внутриклеточные процессы, выступая в качестве индуктора внутриклеточных метаболических превращений (см., например, [4]). Однако изменение проницаемости ионных каналов, обычно связываемое с модуляцией электрического потенциала нейрона, оказывает также существенное влияние и на метаболизм клетки: трансмембранный транспорт метаболитов, внутриклеточный гомеостаз рН [5].
"Действие" нейрона, его импульсная активность не только влияет на его микросреду, но изменяет и сам импульсирующий нейрон. Уже давно было известно, что "следовые", постспайковые процессы (такие, как изменение поляризации, ионной проницаемости) играют существенную роль в регуляции чувствительности нейрона к последующему притоку. Позже как на препаратах, так и на бодрствующих животных было показано, что потенциал действия, генерируемый нейроном, распространяется не только в "обычном" направлении - по аксону к другим клеткам, но и в обратном направлении - к дендритам данного
нейрона (феномен "обратного распространения", "backpropagation") [6, 7]. При этом его чувствительность к притоку существенно модифицируется. Изменения в дистальных дендритах, а также и в теле нейрона возникают именно при сочетании эффектов "обратного распространения" с преси-наптической импульсацией.
Имея в виду только что сказанное, активность нейрона, как и поведение индивида, можно рассмотреть как со стороны влияния на окружающую среду, так и со стороны модификации активного агента, модификации, соответствующей ожидаемым параметрам эффекта этих влияний и являющейся непременной характеристикой активности. Тогда только что изложенные данные о модификации нейрона вследствие его собственной активности могут быть рассмотрены как показатель подготовки нейрона к будущему притоку, связанному с его активностью. Иначе говоря, эти данные свидетельствуют в пользу того, что, давая спайки, нейрон не только обеспечивает необходимый ему метаболический приток, но подготавливается к его "утилизации" [8].
Рассмотрение нейрона как организма в организме соответствует представлениям о значительном сходстве между закономерностями обеспечения жизнедеятельности нейрона и одноклеточного организма [9]. Однако между ними существует и серьезное различие. Одноклеточный организм может обеспечить свои метаболические потребности за счет собственной активности, например передвижения в область повышенной концентрации
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.