Мозъчни неврони

1. Компонентни клетки 2. Процеси 3. Метаболизъм в неврон 4. Какво представляват невроните

Човешката нервна система получава и анализира информация, реагира на вътрешни и външни влияния и регулира всички дейности на организма. Всичко това става възможно благодарение на специални клетки - неврони със сложна структура. Те имат и друго име - невроцити.

В тази статия ще ви разкажем какво е неврон, какви функции изпълнява, как тези клетки се различават помежду си..

Компонентни клетки

Невронът се състои от:

• сом (с диаметър 3–100 микрона);
• клонове.

Структурата на тялото (сома) включва ядрото и цитоплазмата, съдържащи органели (участващи в синтеза на протеини). Отвън тя е покрита с мембрана от два липидни слоя, които позволяват на мастноразтворимите вещества да преминат през. Протеините са разположени на повърхността, които са необходими на неврона да възприеме дразненето. Самата обвивка също е просмукана от протеини - интегрални - те образуват йонни канали.

Нервната клетка съдържа цитоскелет, който се състои от неврофибрили. Функциите му включват поддържане на формата на неврона и органелите и невротрансмитерите се движат по нишките му..

Невроните се обединяват в отделни групи, ансамбли, центрове, ядра - според наличието на тази единствена дейност, която извършват. В мозъчната кора мозъчният мозък, нервните клетки образуват слоеве, всеки от които е подчинен на изпълнението на определена функция.

Клъстерите на глиалните клетки (невроглии / глии) са разположени между невроните. Те съставляват приблизително 40% от общия обем на мозъка. Такива клетки са 3-4 пъти по-малки от нервните клетки. При хората с възрастта протича процесът на заместване на невроните с глия.

филизи

Невроните имат аксони (един на брой) и дендрити (един или повече).

Axon

Това е дълъг израстък на цитоплазмата. Сигналите го следват от тялото до органи и други неврони. Диаметърът му е няколко микрона, а човешката дължина е няколко десетки сантиметра. Растежът зависи от сома: ако са повредени, периферните му части могат да отмират, а основната продължава да функционира.

Структурата на аксоплазмата (аксонална протоплазма) подсказва за наличието на неврофибрили (осъществяващи поддържащите и дренажни функции на невроните), микротубули (структури на протеин), митохондрии и ендоплазмен ретикулум. При хората аксоните са покрити с миелинова (целулозна) мембрана и образуват пулп нервни влакна. В такава обвивка са олигодендроцитите, между които има малки части, освободени от нея. Възможностите за действие възникват върху тях. Импулсът е в състояние да се разпространява по протежение на целулозните влакна на стъпки - това увеличава скоростта на разпространение на информацията.

дендрити

Кратки и разклонени процеси. Тези части на неврона са от съществено значение за образуването на синапси, които влияят на неврона и предават възбуждане на сома. Дендритите, за разлика от аксоните, нямат миелинова обвивка.

Колко входни сигнали получава една нервна клетка зависи от разклоняването на дендритната мрежа и нейната сложна структура. Основните функции на дендритите са да увеличат повърхностната площ за синапси, което прави възможно интегрирането на голямо количество информация, постъпваща в нервната клетка. В допълнение, те са в състояние да генерират потенциали за действие, да повлияят на появата на такива потенциали в аксоните.

Импулсът се предава от дендрита или сома към аксона. След като се генерира потенциалът за действие, той се предава от първоначалната аксонална част обратно към дендритите. Когато аксон се артикулира със сома на последващ неврон, контактът се нарича аксо-соматичен. Ако с дендритите - аксо-дендритни, а с аксона на друг неврон - аксо-аксонален.

Структурата на аксоните предполага наличието на клеми - така наречените крайни секции. Те се разклоняват и влизат в контакт с други клетки в тялото (мускулни, жлезисти и др.). Аксонът има синаптичен край - частта, която контактува с целевата клетка. Постинаптичната мембрана на такава клетка заедно със синаптичния завършек образува синапс, чрез който се предава възбуждане и поради което клетките взаимодействат помежду си.

Колко връзки може да направи един неврон? Една нервна клетка с възможност за взаимодействие може да направи 20 000 връзки.

Невронен метаболизъм

Структурата на нервната клетка също предполага наличието на протеини, мазнини и въглехидрати. Основните им функции са да осигурят метаболизма на клетката, те са енергиен, пластмасов източник за нея.

Хранителните вещества влизат в клетката като воден разтвор. Метаболитните продукти се отстраняват от него под формата на същия разтвор.

Протеините са за информационни и пластмасови цели. ДНК се намира в ядрото, РНК е в цитоплазмата. Скоростта на протеиновия метаболизъм в ядрото е по-висока, отколкото в цитоплазмата. Този процес се характеризира с висока скорост на обновяване на протеини в нови структурни части (кора), за разлика от старите (мозъчен мозък, гръбначен мозък).

Мазнините и подобни на мазнини вещества служат като енергичен, пластмасов материал. Те осигуряват високо електрическо съпротивление в плътта. Обмяната им е бавна и възбуждането на нервната клетка (например при повишен психически стрес, преумора при хора) заплашва с намаляване на количеството на липидите.

Въглехидратите са основният енергиен източник. Глюкозата при приемането се превръща в гликоген, който се превръща обратно в глюкоза. Складът на гликоген за покриване на всички разходи не винаги е достатъчен и това води до факта, че енергийният източник на човек става глюкоза в кръвта.

Невронът съдържа соли на натрий, магнезий, калций, калий, мед, манган. Всички те участват в активирането на различни ензими..

Какво представляват невроните

Има различни класификации.

Класификацията е широко разпространена по броя на процесите, тяхното местоположение.

1. Мултиполярните неврони са най-изобилните в централната нервна система. Това са клетки с един аксон и няколко дендрита..
2. Биполярните неврони в мозъка са клетки, които имат по един аксон и един дендрит. Намира се в ретината, обонятелната епителна тъкан и луковица, слуховото ядро ​​и вестибуларното.

В гръбначния мозък има и други видове (нонаксон, псевдо-униполар).

Учените отделят огледални неврони отделно. Това са клетки, в които вълнението се проявява не само при извършване на дадено действие, но и при наблюдение на неговото изпълнение в друго (експериментите досега са били извършвани само върху животни). Изучаването на активността на тези клетки е обещаваща посока в биологията: смята се, че те са основните в процеса на усвояване на език, разбиране на действията и емоциите на друг човек..

В зависимост от функцията клетките се делят на:

аферентен

Те са отговорни за предаването на сигнали от рецептори в централната нервна система, има първични и вторични. Разположението на телата на първите е в гръбначните ядра. Те са пряко свързани с рецепторите. Сомите на вторичните неврони са разположени във визуалните хълмове и са отговорни за предаването на сигнала до легналите по-горе региони. Такива неврони не са пряко свързани с рецепторите, но получават импулси от други невроцити. Неврон, принадлежащ към тази група, също може да се нарече - чувствителен, сетивен, рецепторен.

Реакцията на клетката преминава през 5 етапа:

1. трансформация на импулса на външно дразнене;
2. генериране на чувствителен потенциал;
3. неговото облъчване по протежение на нервната клетка;
4. появата на потенциал на генератора;
5. генериране на нервен сигнал.

Мотор

Различни (двигателни, моторни, центробежни) предават импулси към останалите органи и центрове. Например нервните клетки на двигателната зона на крайния мозък - пирамидални - изпращат сигнал към моторните неврони на гръбначния мозък. Основната характеристика на моторните неврони е дълъг аксон, който има висока скорост на предаване на възбуждане. Различни нервни клетки от различни части на мозъчната кора свързват тези части помежду си. Тези невронни връзки осигуряват такива вътрехемисферни и междуполовинни връзки, които са отговорни за функционирането на мозъка в процеса на обучение, разпознаване на обекти, умора и др..

Разграничават се преганглионни и постганглионни двигателни неврони на вегетативната нервна система. Преганглионните неврони на симпатиковата секция са разположени в гръбначния мозък, а парасимпатиковите неврони са разположени в средния мозък и продълговата медула. Постганглионните са разположени в стените на инервираните органи и нервните възли. Preganglionic аксони (като част от няколко черепни нерва) синапс с postanglionic неврони.

интерневроните

Интеркалярните невроцити (асоциативни, междинни, интернейрони) взаимодействат между клетките: те обработват информация, получена от сетивни неврони, изпращат я към други междинни или моторни неврони. Те са с по-малки размери от еферентни или аферентни, могат да бъдат фузиформи, звездни, подобни на кошнички. Аксоните им са къси, а дендритната им мрежа е обширна..

Това са най-често срещаните клетки в нервната система (приблизително 95%) и мозъка, в частност (повечето от всички неврони в мозъчните полукълба са интеркалярни). Терминалите на техните аксони завършват върху нервните клетки на центъра им, което осигурява тяхната интеграция.

Един вид асоциативни невроцити получава информация от други центрове и след това я разпространява в клетките на нейния център. Колко паралелни пътя участват в предаването на сигнал, влияе на времето, когато информацията се задържа в центъра и засилва ефекта на импулса.

Други интеркалярни невроцити получават сигнал от собствения си двигателен център и след това го изпращат обратно в собствения си център. По този начин се формират обратни връзки, които позволяват съхраняването на информация за дълго време..

Инхибиторните междинни продукти се възбуждат от директни импулси, които пристигат в центъра им, или сигнали, които следват от същия център чрез обратна връзка..

При хора и по-висши животни миелиновата мембрана и перфектният метаболизъм осигуряват устойчиво възбуждане по протежение на нервните влакна. Черупките без миелин не могат да осигурят бързо компенсиране на консумираната енергия за възбуждане, следователно разпространението на сигнала отслабва. Това е характерно за животни с лошо организирана нервна система..

Както можете да видите, директните нервни клетки, които са локализирани в мозъка, са интерневрони, а останалите (двигателни, включително преганглионни, постганглионни и чувствителни първични и вторични) регулират дейността на мозъка извън себе си.

Невронът е структурна единица на нервната система и по-специално на мозъка. Сложната структура на нервната клетка осигурява приемането, анализа и изпращането на информация. Съществуват тесни връзки между невроните, които осигуряват координираната работа на целия механизъм на системата. Най-многобройните в мозъка са междинни (отличаващи се по функционални характеристики) и многополярни неврони (по структура).

Мозъчни неврони - раждане и живот

Неврони на мозъка - терминът се чува от всички, които са близки до темата за церебралната парализа, но не всеки знае какво е неврон, как работи и как работи.

Неврон, или неврон на гръцки - влакно, нерв.

Невроните са високо специализирани клетки, които изграждат нервната система. Задачата на невроните е да обменят информация между тялото и мозъка.

Невроните са електрически възбудими клетки, които обработват, съхраняват и предават информация, използвайки електрически и химически сигнали.

Мозъчни неврони - история на откритието

Доскоро повечето невролози считаха, че се раждаме с конкретен набор от неврони и това е крайната цифра. В бъдеще невроните могат само да умрат, но не могат да се възстановят. Явно от тук идва поговорката, че "нервните клетки не се възстановяват".

Използвайки набор от неврони, дадени при раждането, детето, докато порасне, ги изгражда във вериги, съответстващи на определени умения и опит. По този начин, тези вериги са информационни магистрали между мозъка и различни части на тялото. Учените смятали, че след като невроните в мозъка създават верига, добавянето на нови неврони към него е невъзможно. това ще наруши потока на информация и ще изключи комуникационната система на мозъка.

През 1962 г. концепцията за невроните претърпя значителна промяна. Неврологът Джоузеф Алтман успя да докаже, че в мозъка на възрастен плъх се раждат нови неврони. И в следващите години бяха предоставени доказателства за миграцията на нови неврони от мястото им на раждане в други области на мозъка..

През 1983 г. процесът на раждане на нови неврони е записан в мозъка на възрастна маймуна..

Това откритие беше толкова невероятно и невероятно, а мнението за невроните на мозъка беше толкова утвърдено, че много учени отказаха да повярват във възможността за подобни процеси в човешкия мозък..

Въпреки това, последните десетилетия доказват раждането на неврони в мозъка на възрастните..

За някои невролози и до днес невросенезата в мозъка на възрастните е недоказана теория. Но повечето вярват, че откриването на неврогенезата отваря невероятни възможности в областта на човешката невронаука..

Структура на неврона

Основните компоненти на неврона са:

• клетъчно тяло с ядро
• разширяване на клетките - аксон и дентрит
• терминал (клемен клон на аксон)
• glia (глиални клетки)

Централната нервна система (включително мозъка и гръбначния мозък) се състои от два основни типа клетки - неврони и глии. Glia превъзхожда невроните, но невронът остава основната клетка на нервната система.

Невроните използват електрически импулси и химически сигнали за предаване на информация между различни области на мозъка и между мозъка и останалата част от нервната система.

Всичко, което мислим, усещаме и правим, би било невъзможно без работата на невроните и техните поддържащи клетки, глиални клетки.

Невроните имат три основни части: клетъчно тяло и две разширения, наречени аксон и дендрит. Вътре в клетъчното тяло има ядро, което контролира клетъчната активност и съдържа генетичния материал на клетката.

Аксонът изглежда като дълга опашка, задачата му е да предава съобщения. Дендритите изглеждат като клони на дърво и служат за получаване на съобщения. Невроните комуникират помежду си чрез мъничко пространство, наречено синапс между аксони и дендрити на съседни неврони.

Има три класа неврони:

1. Сензорни неврони - пренасят информация от сетивата (като очи, уши, нос) до мозъка.
2. Моторни (моторни) неврони - контролират доброволната мускулна дейност, като реч, и също предават съобщения от нервните клетки до мускулите.
3. Всички други неврони се наричат ​​интернейрони.

Невроните са най-разнообразните клетки в тялото. В рамките на тези три класа неврони има стотици различни видове, всеки със специфична способност да предава данни..

Общувайки помежду си, невроните създават уникални връзки, това прави всеки от нас различен от другия по начина, по който мислим, чувстваме и действаме.

Огледални неврони

Функциите на огледалните неврони са много интересни. Огледалните неврони са вид неврони в мозъка, които се вълнуват не само когато извършвате действие самостоятелно, но и когато наблюдавате как другите извършват това действие..

Така можем да кажем, че огледалните неврони са отговорни за подражанието или имитацията..

Изследването на принципите на работа на огледалните неврони е много обещаващо при решаването на проблемите на рехабилитацията на церебрална парализа.

Раждане на неврони

Раждането на нови неврони все още е тема, около която противоречията продължават. Въпреки че има неоспорими доказателства, че неврогенезата (раждането на неврони) е процес, който не спира през целия живот на индивид.

Невроните се раждат в специални клетки, наречени стволови клетки. Науката за стволовите клетки е доста млада и все още има повече въпроси, отколкото отговори. Но знаем, че методът за лечение на церебрална парализа със стволови клетки вече съществува и се използва доста успешно.

Миграция на неврони

Много интересен въпрос - миграция на неврони! Раждането на неврон по искане на нервната система е само половината от битката, защото тя все още трябва да стигне до мястото, откъдето е изпратена молбата и където се очаква.

Как един неврон знае къде да отиде и какво му помага да стигне дотам? В момента учените са наблюдавали два процеса за доставка на неврони от мястото на раждане до други части на мозъка..

1. Движение през специални клетки - радиална glia. Тези клетки разширяват влакната си от вътрешните слоеве на мозъка до външните слоеве. И невроните се плъзгат през тях, докато стигнат до местоназначението си.
2. Химически сигнали. На повърхността на невроните бяха открити специални адхезионни молекули, които се свързват с подобни молекули на съседни глиални клетки или нервни аксони. И така, предавайки сигнал един на друг, те водят неврона до крайното му местоположение.

Не всички неврони успешно завършват този път. Смята се, че две трети от невроните умират по пътя. А някои от оцелелите се заблуждават и впоследствие се въвеждат във веригите на грешни места.

Някои учени подозират, че подобни грешки водят до шизофрения, дислексия и детска епилепсия. Без доказателство, само спекулации.

Смърт на Неврона

Обикновено невроните са дълговечни клетки в човешкото тяло. Но понякога те започват да умират масово в определени структури на мозъка, което води до различни заболявания на нервната система. Понякога причините за тяхната смърт могат да бъдат установени, понякога не, въпросът остава отворен.

Например, известно е, че при болестта на Паркинсон се убиват неврони, които произвеждат допамин в областта на мозъка, които контролират движенията на тялото. Това води до трудности при започване на движение. Какъв е спусъкът на този процес - няма отговор.

При болестта на Алцхаймер враждебните протеини се натрупват в и около невроните в неокортекса и хипокампуса (части от мозъка), които контролират паметта. Когато тези неврони умират, хората губят способността си да запомнят и способността да изпълняват ежедневните задачи..

Мозъчна хипоксия - води до кислороден глад на неврони и в бъдеще, ако процесът не бъде спрян навреме, до тяхната смърт.

Физическа травма на мозъка - води до прекъсване на връзките между невроните. Така невроните са живи, но нямат способността да комуникират помежду си..

Изкуствен неврон

По-нататъшното проучване на проблемите на живота и смъртта на невроните дава надежда за разработването на нови методи за лечение на нервната система.

Съвременните изследвания показват, че нервните клетки са в състояние да се възстановят. Стволовите клетки могат да генерират всички видове неврони. Може би стволовите клетки могат да бъдат манипулирани и стимулирани в тях раждането на нови неврони от необходимия тип.

Така процесът на възстановяване, обновяване на мозъка, заместване на мъртви неврони с неврони от ново поколение не звучи толкова фантастично..

Може би терминът са изкуствени неврони в мозъка, това е нашето не толкова далечно бъдеще.

Неврони: класификация, структура, функции

В тази статия ще говорим за мозъчните неврони. Невроните на мозъчната кора са структурна и функционална единица на цялата обща нервна система.

Такава клетка има много сложна структура, висока специализация и ако говорим за нейната структура, тогава клетката се състои от ядро, тяло и процеси. В човешкото тяло има общо около 100 милиарда такива клетки..

Функции

Всички клетки, които са разположени в човешкото тяло, задължително са отговорни за една или друга негова функция. Невроните не са изключение..

Те, подобно на други мозъчни клетки, са длъжни да поддържат собствената си структура и някои функции, както и да се адаптират към възможните промени в условията и съответно да извършват регулаторни процеси върху клетки, които са в непосредствена близост.

Основната функция на невроните се счита за обработката на важна информация, а именно нейното получаване, предаване и след това предаване на други клетки. Информацията идва чрез синапси, които имат рецептори за сетивни органи или някои други неврони.

Също така в някои ситуации трансферът на информация може да се извърши и директно от външната среда, използвайки така наречените специализирани дендрити. Информацията се носи чрез аксони, а предаването й се осъществява чрез синапси.

структура

Клетъчно тяло. Тази част от неврона се счита за най-важната и се състои от цитоплазма и ядро, които създават протоплазмата, извън нея е ограничена от вид мембрана, състояща се от двоен слой липиди.

От своя страна такъв липиден слой, който също обикновено се нарича биолипиден слой, се състои от хидрофобни опашки и същите глави. Трябва да се отбележи, че такива липиди са опашки един към друг и по този начин създават вид хидрофобен слой, който е в състояние да преминава през себе си изключително вещества, които се разтварят в мазнини..

На повърхността на мембраната се намират протеини, които са под формата на глобули. Върху такива мембрани има натрупвания на полизахариди, с помощта на които клетката има добра възможност да възприема дразнения от външни фактори. Тук присъстват и интегрални протеини, които всъщност пронизват цялата повърхност на мембраната, а в тях от своя страна се намират йонни канали.

Невроналните клетки на мозъчната кора се състоят от тела, диаметърът варира от 5 до 100 микрона, които съдържат ядро ​​(имащо много ядрени пори), както и някои органели, включително доста силно развиващ се ЕПР с грапава форма, който има активни рибозоми.

Също така процесите са част от всяка отделна клетка на неврон. Има два основни типа процеси - аксони и дендрити. Характерна особеност на неврона е, че той има развит цитоскелет, който всъщност е способен да прониква в неговите процеси..

Благодарение на цитоскелета непрекъснато се поддържа необходимата и стандартна форма на клетката и нейните нишки действат като един вид "релси", през които се транспортират органели и вещества, които се пакетират в мембранни везикули.

Дендрити и аксон. Аксонът изглежда като доста дълъг процес, който е перфектно адаптиран към процесите, насочени към възбуждане на неврон от човешкото тяло.

Дендритите изглеждат съвсем различно, макар и само защото тяхната дължина е много по-къса и освен това имат преразвити процеси, които играят ролята на основното място, където започват да се появяват инхибиторни синапси, което по този начин може да засегне неврона, който за кратко период от време, човешките неврони се възбуждат.

Обикновено невронът се състои от повече дендрити наведнъж. Тъй като има само един аксон. Един неврон има връзки с много други неврони, понякога има около 20 000 такива връзки.

Дендритите са разделени по дихотомен начин, от своя страна аксоните са способни да дават обезпечения. В клоновите възли има почти няколко митохондрии в почти всеки неврон..

Заслужава да се отбележи и фактът, че дендритите нямат миелинова обвивка, докато аксоните могат да имат такъв орган..

Синапс е мястото, където се осъществява контакт между два неврона или между ефекторна клетка, която приема сигнал, и самия неврон.

Основната функция на такъв съставен неврон е предаването на нервни импулси между различни клетки, докато честотата на сигнала може да варира в зависимост от скоростта и видовете предаване на този сигнал..

Трябва да се отбележи, че някои синапси са в състояние да причинят деполяризация на неврона, докато други, напротив, хиперполяризация. Първият тип неврони се нарича възбуждащ, а вторият - инхибиторен..

Като правило, за да започне процесът на възбуждане на невроните, няколко възбудителни синапси трябва да действат като стимули наведнъж.

класификация

Според броя и локализацията на дендритите, както и разположението на аксона, мозъчните неврони се разделят на униполярни, биполярни, неаксонови, мултиполярни и псевдо-униполярни неврони. Сега бих искал да разгледам по-подробно всеки от тези неврони..

Униполярните неврони имат един малък процес и най-често са разположени в сензорното ядро ​​на т. Нар. Тригеминален нерв, разположен в средата на мозъка.

Анаксоновите неврони са с малки размери и се локализират в непосредствена близост до гръбначния мозък, а именно в междупрешленните галии и нямат абсолютно разделение на процесите на аксони и дендрити; всички процеси имат почти еднакъв външен вид и между тях няма сериозни разлики.

Биполярните неврони се състоят от един дендрит, който е разположен в специални сетивни органи, по-специално в окото и окото, както и само един аксон;

Мултиполярните неврони имат няколко дендрита и един аксон в собствената си структура и са разположени в централната нервна система;

Псевдо-униполярните неврони се считат за уникални по рода си, тъй като в началото само един процес се отклонява от основното тяло, което е постоянно разделено на няколко други, а такива процеси се намират изключително в гръбначните ганглии.

Съществува и класификация на невроните според функционалния принцип. Така че, според такива данни, се разграничават еферентни неврони, аферент, двигателни, а също и интернейрони..

Различните неврони са съставени от не-ултиматум и ултиматум подвид. В допълнение, те включват първичните клетки на чувствителните хора..

Аферентни неврони. Невроните от тази категория включват както първични клетки на чувствителни човешки органи, така и псевдо-униполярни клетки, които имат дендрити със свободни краища.

Асоциативни неврони. Основната функция на тази група неврони е осъществяването на комуникация между аферентните еферентни видове неврони. Такива неврони се делят на проекционни и комисурални..

Развитие и растеж

Невроните започват да се развиват от малка клетка, която се счита за негов предшественик и спира да се дели още преди да се формират първите собствени процеси..

Трябва да се отбележи, че понастоящем учените все още не са проучили напълно въпроса за развитието и растежа на невроните, но непрекъснато работят в тази посока..

В повечето случаи първо започват да се развиват аксони, а след това дендрити. В самия край на процеса, който започва уверено да се развива, се образува удебеляване на форма, специфична и необичайна за такава клетка, и по този начин се прокарва път през тъканта, обграждаща невроните.

Това сгъстяване обикновено се нарича конус на растеж на нервните клетки. Този конус се състои от някаква сплескана част от процеса на нервната клетка, която от своя страна се създава от голям брой доста тънки шипове.

Микроспиратите имат дебелина от 0,1 до 0,2 микромикрона, а по дължина могат да достигнат 50 микрона. Ако говорим директно за плоската и широка площ на конуса, тогава трябва да се отбележи, че той има тенденция да променя собствените си параметри.

Между микро-шиповете на конуса има някои пропуски, които са напълно покрити от сгъната мембрана. Микроспиралите се движат постоянно, поради което при увреждане невроните се възстановяват и придобиват необходимата форма.

Искам да отбележа, че всяка отделна клетка се движи по свой начин, така че ако една от тях се удължи или разшири, втората може да се отклони в различни посоки или дори да се придържа към субстрата.

Конусът на растежа е напълно запълнен с мембранни везикули, които са с твърде малки размери и неправилна форма, както и връзки помежду си.

В допълнение, растежният конус съдържа неврофиламенти, митохондрии и микротрубове. Такива елементи имат способността да се движат с голяма скорост..

Ако сравним скоростите на движение на елементите на конуса и самия конус, тогава трябва да се подчертае, че те са приблизително еднакви и следователно можем да заключим, че по време на периода на растеж не се наблюдават нито сглобяване, нито някакви нарушения на микротрубовете..

Вероятно новият мембранен материал започва да се добавя в самия край на процеса. Конусът на растежа е място на доста бърза ендоцитоза и екзоцитоза, което се потвърждава от голям брой везикули, които се намират тук..

По правило растежът на дендритите и аксоните се предхожда от момента на миграция на невронните клетки, тоест когато незрелите неврони действително се заселват и започват да съществуват на едно и също постоянно място.

Невроните

Може дори да спорите, че сте чували думата „неврон“ много пъти. Но не всеки знаеше какво е и че те са много по-сложни, отколкото изглеждат. В същото време структурата на неврона е почти перфектна и е страшно интересно да разберем тази тема..

Невронът е електрически възбудима клетка, която обработва, съхранява и предава информация, използвайки електрически и химически сигнали. Клетката съдържа ядрото, клетъчното тяло и процесите (дендрити и аксони). Човешкият мозък има средно около 65 милиарда неврони. Само си представете тази сума. Това е число с девет нули. Той надвишава броя на хората в света с почти десет пъти. фантастичен!

Невроните се свързват помежду си, като по този начин формират човешки мозъчни функции, памет, разделения и съзнание. Най-просто казано, невроните са всичко. По същество невроните сме ние.

Вредни ли са енергийните напитки??

Много хора много обичат да консумират енергийни напитки, тъй като им се струва, че поради тази сладка вода се чувстват по-добре и може да не спят дълго време. Всъщност това не е напълно вярно и самият организъм ще поеме своята част от почивка. Следователно, първата точка, която може да бъде обсъдена, когато говорим за енергийни напитки, е тяхната ефективност. Но фактът, че те няма да работят, е отделен въпрос, който няма нищо общо със здравословните ефекти на енергийните напитки. В крайна сметка бих искал енергийните инженери поне да не навредят на здравето. Производителите на енергия, напротив, подчертават по всякакъв възможен начин, че техните продукти помагат да водят здравословен начин на живот. Нека вземем този слой и да видим от какво трябва да се страхуваме, когато използваме енергийни напитки.

Открити невронни връзки, отговорни за появата на съзнанието

Съзнанието е една от най-големите мистерии пред човечеството. Но къде и как възниква? Съществува ли наистина съзнанието или това е просто илюзия изкусно създадена от мозъка? Намирането на отговори на тези въпроси е невероятно трудна задача, но за щастие това не спира учените. За да се опитат да разберат къде възниква съзнанието в човешкия мозък, авторите на новото изследване проведоха експеримент, в който взеха участие 98 лица. По време на изследването повечето от субектите са били будни, някои са били под упойка, а други са с нарушено съзнание и мозъчни заболявания. Използвайки функционално магнитно-резонансно изображение (fMRI) и машинен алгоритъм, базиран на изкуствен интелект, учените са установили, че има две биологични невронни мрежи, които са пряко свързани със съзнанието. Изглежда, че науката все още не се е приближила толкова до най-важните от мистериите на човечеството..

Изкуствените неврони, подходящи за трансплантация, са създадени за първи път

Какво си представяте, ако пропуснете термина "изкуствени неврони"? Със сигурност нещо като обвитите проводници, които редовно показваме във филмите за научна фантастика. В реалния живот обаче всичко изглежда различно. Въпреки че, признавам, той е не по-малко футуристичен и интересен. Например наскоро международен екип от учени изобрети изкуствени неврони върху силиконови чипове, които се държат точно като истинските. Това е първото по рода си устройство. Което освен това е подходящо за трансплантация на хора.

Как мозъчните клетки картографират спомените?

Човешката памет е избирателна и има много причини за това. Наскоро невролозите откриха любопитен аспект как работи паметта ни. Когато мозъкът трябва да припомни информация, свързана с конкретно местоположение, отделните неврони са насочени към конкретни спомени. „Основна характеристика на паметта е способността ни да избираме селективно за определени събития, дори ако те са се случили в същата обстановка като други събития“, пишат учените в документ, публикуван в списанието Nature Neuroscience.

Нейрон неохотно: невронната мрежа създава образ, който влияе директно на мозъка

Вижте тази снимка? С този причудлив образ невролозите на MIT успяха да активират отделни неврони в мозъка. Използвайки най-добрия наличен модел на зрителната невронна мрежа на мозъка, учените са разработили нов начин за прецизно управление на отделните неврони и техните популации в средата на тази мрежа. При тестването върху животни екипът показа, че информацията от изчислителния модел им позволява да създават образи, които силно активират определени неврони в мозъка..

Старост в главата: на колко години мозъкът произвежда нови неврони?

Група учени от няколко института в Испания са открили доказателства за неврогенезата (появата на нови неврони) в мозъка на хората до много напреднала възраст. В статия, публикувана в списанието Nature Medicine, групата описва изследванията на мозъка на наскоро починали хора и техните открития. През последните няколко години учените спорят за това на колко години мозъкът ражда нови неврони - както и за това къде в мозъка се случва това..

Намери начин за създаване на изкуствени синапси на базата на nanowires

Основният структурен елемент на нервната система е клетката, която предава информация на други клетки чрез синапси. Това са сложни структури, които не са толкова лесни за създаване изкуствено и дори в миниатюра. Въпреки това, група учени от изследователския център в Юлич, заедно с колеги от Аахен и Торино, са разработили специални нанопроводници, които имат способността както да съхраняват и обработват информация, така и да получават множество други сигнали паралелно. Това е много подобно на това как функционира нервната система..

Смъртта на мозъчните клетки ще спре... паякова отрова

Някои невродегенеративни заболявания на централната нервна система се основават на нарушения в активността на мозъчните рецептори и ако тези промени могат да бъдат коригирани, ще бъде възможно да се преодолеят свързаните с тях заболявания. Именно към това според изданието Neuron беше насочено изследването на международна група учени. И както се оказа, отровата на кълбовия паяк ще помогне за това..

Бързото покачване в нивата на серотонин може да помогне за лечение на аутизъм

Повишените нива на химическия невротрансмитер серотонин са направили мишки с аутизъм по-социализирани, пишат учените в списанието Nature. Техните изследвания показват, че същият подход може да се приложи и при хора с аутизъм. Те също така обясняват защо антидепресантите не помагат при аутизъм: те повишават нивата на серотонин твърде бавно, за да бъдат ефективни..

Моментът: първият филм, чийто сюжет може да бъде контролиран от зрителя с помощта на мозъчни импулси

Със сигурност в края на краищата всеки от нас, докато гледаше филм, имаше ситуация, в която героят на екрана прави пълна глупост и ние си мислим: „Е, защо? Би било по-добре, ако направя това и това “. А сега си представете, че след това героят наистина взема решението, за което сте мислили. Фантастично? Изобщо, защото това лято ще излезе първият филм, озаглавен Моментът, чийто сюжет ще бъде повлиян от зрителя. И той ще го направи с помощта на мозъчни импулси..

Функции на Neuron: как работят и каква задача изпълняват

Нашето тяло е изградено от безброй клетки. Приблизително 100 000 000 от тях са неврони. Какво представляват невроните? Какви са функциите на невроните? Любопитни ли сте да знаете каква задача изпълняват и какво можете да направите с тях? Нека разгледаме по-отблизо.

Чудили ли сте се как информацията пътува през нашето тяло? Защо, ако нещо ни боли, веднага несъзнателно дърпаме ръката си? Къде и как да разпознаем тази информация? Всичко това са действията на невроните. Как да разберем, че това е студено, а това е горещо... и е меко или бодливо? Невроните са отговорни за приемането и предаването на тези сигнали в цялото ни тяло. В тази статия ще говорим подробно за това какво е неврон, от какво се състои, каква е класификацията на невроните и как да подобрим тяхното формиране..

Основни понятия за функцията на невроните

Преди да поговорим за това какви са функциите на невроните, е необходимо да се даде определение какво е неврон и от какво се състои..

Невроните са клетки, които образуват нервната система, с други думи нервните клетки. Най-важните функции на невроните са получаването на информация и предаването й чрез електрически импулси по всички комуникационни канали, в цялата нервна система. За да могат невроните да изпълняват функциите си, те се нуждаят от следните части, които формират структурата на неврона:

• Сома: Тялото или основната част на неврона. Съдържа сърцевината.
• Аксони: Това е нервно влакно, чрез което електрическите импулси се предават на други неврони. В най-отдалечената част на това влакно от сома има много нервни окончания, които едновременно общуват с огромен брой неврони..
• Дендрити: разклонени израстъци на неврон, през които неврон получава информация от други неврони.

Формата, чрез която невроните могат да комуникират помежду си (да изпращат информация и да я получават от други неврони), се нарича синапс. Това е процес, при който аксонът на един неврон предава информация на дендритите на друг неврон (каналът между две части на невроните се нарича "синаптична цепнатина").

Невронови функции

Нашето тяло изпълнява много задачи и обработва огромно количество информация, преминаваща от мозъка през цялата нервна система. В резултат на това невроните трябва да бъдат специализирани. Поради тази причина, въпреки факта, че основната функция на невроните е да получават и предават информация, има различни видове неврони, които се различават по:

Невронови функции:

• Двигателна или еферентна: отговорна за предаването на информация под формата на електрически импулси от централната нервна система към мускулите или жлезите.
• Чувствителни или аферентни: невроните, които свързват нашия мозък с външния свят. Това са неврони, които получават информация от различни сетива, усещания, като болка, налягане, температура... Включително по-специализирани неврони, които "говорят" за вкусове и миризми.
• Междинни / интеркалярни или асоциативни неврони: неврони, които осигуряват комуникация между аферентни и еферентни неврони.

Структура:

1. Униполярни: Неврони, които имат само един раздвоен процес, излизащ от сома и действат едновременно като дендрит и като аксон (влизане и излизане). В по-голямата си част това са сензорни неврони..
2. Биполярни неврони: имат два процеса, единият от които действа като дендрит (вход), а другият като аксон (изход). Този вид неврон се намира в ретината, кохлеята или предната част на ушния лабиринт, вестибуларната система и обонятелната област на носната лигавица..
3. Мултиполярен: Този тип неврон е преобладаващ в централната ни нервна система. Те имат голям брой входни процеси (дендрити) и само един изход (аксон). Намира се в мозъка или гръбначния мозък.

Тип невротрансмитер (невротрансмитер), който засилва функцията на неврона:

1. Серотонергични - произвеждат серотонин (свързан с настроението).
2. Допаминергични - произвеждат допамин (свързан с удоволствие).
3. GABAergic - произвеждат GABA (основен инхибиторен невротрансмитер).
4. Glutamatergic - произвежда глутамат (основният възбуждащ невротрансмитер, свързан с паметта и спомен).
5. Холинергични - произвеждат ацетилхолин (невротрансмитер, широко разпространен в централната нервна система. Многостранен).
6. Норадренергични - произвеждат норепинефрин / норепинефрин (действа като невротрансмитер и като хормон. Свързан с повишена сърдечна честота и кръвно налягане).
7. Вазопресинергичен - произвежда вазопресин (играе ключова роля в хомеостатичната регулация на течности, глюкоза и кръвни соли).
8. Окситоцинергични - произвеждат окситоцин (свързан с любов, романтика и сексуално поведение...).

Могат ли да се образуват нови нервни клетки за подобряване на невронната функция? ?

Преди се смяташе, че по време на човешкия живот невроните в мозъка не се образуват. Въпреки това група учени от Медицински институт Каролинска (Швеция) проведоха експеримент, използвайки въглерод-14, който показа, че в човешкия мозък, а именно в Хипокампуса, могат да се раждат 1400 клетки дневно. Тази цифра обаче намалява с възрастта..

Този процес на образуване на неврони се нарича неврогенеза. Фактът, че дори в зряла възраст се появяват нови неврони, играе критична роля в тяхната функция, пластичност и способността на мозъка да се адаптира към нови ситуации..

Съвети: Как да подобрим функцията на неврона

Както винаги, здравословните навици играят важна роля за оптималното развитие на невроналната функция. Мозъкът ни благодари, че се грижи за тялото. Както се казва, „в здраво тяло има здрав ум“. Какво можем да направим, за да подобрим мозъчната пластичност и неврогенезата?

1. Спите, докато почивате: не е необходимо да спите строго 8 часа. Всеки от нас има свой собствен ритъм на сън и има хора, за които 7 или 7,5 часа сън е напълно достатъчен. Важно е обаче сънят да е възстановителен..
2. Използвайте умерена физическа активност и стимулация: възниква неврогенеза, за да се адаптира към заобикалящия свят. Това е свързано с преодоляване на трудностите за постигане на целите ни, което от своя страна използва нашите умения за вземане на решения..
3. Избягвайте прекомерния стрес: ниските нива на стрес са добри, но винаги трябва да знаете кога „пресичаме линията“.
4. Правейки секс: Това е чудесен начин за стимулиране и борба със стреса и упражнения..
5. Упражнение за мозъка: CogniFit е лидер сред програмите за когнитивна стимулация, всички упражнения могат да се правят онлайн с помощта на всяко устройство - компютър, телефон, таблет. Невропсихолозите и невролозите са разработили забавни упражнения под формата на прости игри, с които можете да „тренирате“ професионално основните функции на мозъка. Тази програма получи висока оценка от научната общност и в момента се използва в различни медицински институции, училища, колежи и университети по целия свят. Открийте този прост инструмент, който всеки може да използва, за да тества професионално и тренира мозъка си.

Липсата на сън, монотонността, постоянната рутина и високите нива на стрес водят до забавяне на неврогенезата.

Могат ли невроните да умрат?

Разбира се, и това се случва по различни причини..

• По програма (Апоптоза): По време на детството, докато се развиваме, мозъкът ни произвежда повече клетки, отколкото използваме. В определен момент всички тези неизползвани клетки програмират смъртта си. Същото се случва и в напреднала възраст - с неврони, които вече не могат да получават и предават информация..
• Поради асфиксия: Невроните, като нас, се нуждаят от кислород. Ако спрат да го получават, те умират.
• Поради заболявания: Алцхаймер, Паркинсон, СПИН...
• Поради силни удари в главата: Тежките наранявания причиняват смърт на невроните. Това е добре известно например в света на бокса..
• Поради интоксикация: Пиенето на алкохол и други вещества може да повреди невроните и в резултат на това да ги унищожи.

Изводи за нервната функция

Научихме, че невроните са малки връзки, които се движат в цялото ни тяло. Така функциите на невроните са да приемат и предават информация, както от различни структури (мускули и жлези), така и от други неврони..

Вече можем да отговорим на въпроса, който беше зададен в самото начало на статията: защо, ако нещо ни боли, веднага несъзнателно дърпаме ръката си? Сензорните неврони получават информация за болка, а моторните неврони в отговор изпращат сигнал за отстраняване на ръката.

Видяхме, че безкрайни информационни и комуникационни потоци и електрически импулси преминават вътре в тялото ни през целия живот, през цялото време, всяка секунда..

Научихме също, че тялото ни е постоянно в процес на развитие, от момента на раждането до старостта. Невронната ни структура в хипокампуса също се променя поради неврогенезата и смъртта на невроните..

Призовавам ви да живеете здравословен живот, да се забавлявате, да се учите и да се стремите към личностно израстване. Ще ви помогне да спасите невроните, вашите малки пощальони..

Статията съдържа връзки към други материали, в които можете да прочетете повече информация по определена тема. Ако се интересувате от темата за неврогенезата, аз също препоръчвам да прочетете тази интересна статия за това как да предотвратите деменцията..

Ще ви бъдем благодарни за вашите въпроси и коментари..

Преведено от испански от Анна Иноземцева

Psicóloga Sanitaria especialista en Psicología clínica.
Enamorada de las relaciones entre pensamientos, emociones y comportamiento humano.
Descubramos conocimientos compartiendo información
„Cada uno es dueño exclusivo de sus pensamientos, hasta que решава compartirlos a través de sus provodctas“

Мозъчна, невронна комуникация и енергийна ефективност

• 3493
• 2,3
• 1
• 7

Очевидно в еволюцията са формирани енергийно ефективни механизми за кодиране и предаване на информация в мозъка. Надпис: „Опитвам се усилено да минимизираме енергийните разходи“.

автор

Редактори

Статия за състезанието „био / мол / текст“: Клетъчните процеси, които осигуряват обмен на информация между невроните, изискват много енергия. Високата консумация на енергия допринесе в хода на еволюцията за избора на най-ефективните механизми за кодиране и предаване на информация. В тази статия ще научите за теоретичния подход за изучаване на енергията на мозъка, за ролята му в изучаването на патологии, за това кои неврони са по-напреднали, защо понякога е полезно синапсите да не „огънят“, както и как те избират само информацията, от която се нуждае неврона.

Конкурс „био / мол / текст“ -2017

Тази работа е публикувана в категорията „Безплатна тема“ на конкурса „био / мол / текст“ -2017.

Генерален спонсор на състезанието е компания Diaem: най-големият доставчик на оборудване, реактиви и консумативи за биологични изследвания и производство.

Спонсор на наградата на публиката и партньор на номинацията „Биомедицина днес и утре“ беше фирмата „Invitro“.

Произход на подхода

От средата на 20 век е известно, че мозъкът изразходва значителна част от енергийните ресурси на целия организъм: една четвърт от цялата глюкоза и ⅕ от целия кислород в случай на по-висок примат [1–5]. Това вдъхнови Уилям Леви и Робърт Бакстър от Масачузетския технологичен институт (САЩ) да извършат теоретичен анализ на енергийната ефективност на кодирането на информация в биологични невронни мрежи (фиг. 1) [6]. Изследването се основава на следната хипотеза. Тъй като консумацията на енергия в мозъка е висока, за него е изгодно да има такива неврони, които работят най-ефективно - те предават само полезна информация и харчат минимум енергия..

Това предположение се оказа вярно: на прост модел на невронна мрежа авторите възпроизвеждаха експериментално измерените стойности на някои параметри [6]. По-специално, изчислената от тях оптимална честота на генериране на импулс варира от 6 до 43 имп. / Сек - почти същата като в невроните на базата на хипокампуса. Те могат да бъдат разделени на две групи според честотата на пулса: бавно (

10 импулса / сек и бързо (

40 импулса / сек. Освен това първата група значително превъзхожда втората [7]. Подобна картина се наблюдава в кората на главния мозък: бавни пирамидални неврони (

4-9 броя / сек е няколко пъти по-голям от броя на бързите инхибиторни интернейрони (> 100 броя / сек) [8], [9]. Така че, очевидно, мозъкът „предпочита“ да използва по-малко бързи и енергоемки неврони, така че да не използват всички ресурси [6], [9-11].

Фигура 1. Показани са два неврона. В една от тях пресинаптичният протеин синаптофизин е оцветен в лилаво. Друг неврон е напълно оцветен със зелен флуоресцентен протеин. Малките светлинни петна са синаптични контакти между невроните [12]. Във вмъкването една "петънка" е представена по-близо.
Групи неврони, свързани чрез синапси, се наричат ​​невронни мрежи [13], [14]. Например в кората на главния мозък пирамидалните неврони и интернейрони образуват обширни мрежи. Добре координираната „концертна“ работа на тези клетки определя нашите по-високи познавателни и други способности. Подобни мрежи, само от други видове неврони, се разпределят в мозъка, са свързани по определен начин и организират работата на целия орган.

Какво представляват интернейроните?

Невроните на централната нервна система се делят на активиращи (образуват активиращи синапси) и инхибиторни (образуват инхибиторни синапси). Последните са до голяма степен представени от интернейрони, или междинни неврони. В мозъчната кора и хипокампуса те са отговорни за образуването на гама-ритми в мозъка [15], които осигуряват координираната, синхронна работа на други неврони. Той е изключително важен за двигателните функции, възприемането на сетивната информация, формирането на паметта [9], [11].

Интернейроните се отличават със способността си да генерират значително по-висока честота на сигналите от другите неврони. Те също съдържат повече митохондрии, основните органели на енергийния метаболизъм и фабрики за производство на АТФ. Последните съдържат също голямо количество протеини, цитохром с оксидаза и цитохром с, които са ключови за метаболизма. По този начин интернейроните са изключително важни и в същото време енергоемки клетки [8], [9], [11], [16].

Работата на Леви и Бакстър [6] развива концепцията за „спестяване на инерция“ от Хорас Барлоу от Калифорнийския университет (САЩ), който между другото е потомък на Чарлз Дарвин [17]. Според нея по време на развитието на организъм невроните са склонни да работят само с най-полезната информация, филтрирайки „допълнителни“ импулси, ненужна и излишна информация. Тази концепция обаче не дава задоволителни резултати, тъй като не отчита метаболитните разходи, свързани с невронната активност [6]. Разширеният подход на Леви и Бакстър, който се фокусира върху двата фактора, се оказа по-ползотворен [6], [18–20]. Както консумацията на енергия на невроните, така и необходимостта от кодиране само на полезна информация са важни фактори, водещи към еволюцията на мозъка [6], [21–24]. Ето защо, за да разберем по-добре как работи мозъкът, струва си да се разгледат и двете характеристики: колко неврон предава полезна информация и колко енергия изразходва.

Напоследък този подход намери много потвърждения [10], [22], [24–26]. Той позволи нов поглед върху структурата на мозъка на различни нива на организация - от молекулярна биофизика [20], [26] до орган [23]. Помага да се разбере какви са компенсациите между изпълняваната функция на неврон и неговата енергийна цена и до каква степен те се изразяват..

Как работи този подход??

Да предположим, че имаме модел на неврон, който описва неговите електрофизиологични свойства: потенциал за действие (AP) и постсинаптични потенциали (PSP) (за тези термини - по-долу). Искаме да разберем дали работи ефективно, дали не губи много енергия. За целта е необходимо да се изчислят стойностите на параметрите на модела (например плътността на каналите в мембраната, скоростта на тяхното отваряне и затваряне), при които: (а) се постига максималното съотношение на полезна информация към консумацията на енергия и в същото време (б) запазват се реалистичните характеристики на предаваните сигнали [6 ], [деветнадесет].

Търсете оптималното

Всъщност говорим за проблем с оптимизацията: намиране на максимума на функция и определяне на параметрите, заради които тя се постига. В нашия случай функцията е съотношението на количеството полезна информация към консумацията на енергия. Количеството полезна информация може да бъде приблизително изчислено по формулата на Шанън, която се използва широко в теорията на информацията [6], [18], [19]. Има два метода за изчисляване на консумацията на енергия и двата дават правдоподобни резултати [10], [27]. Един от тях - „методът за броене на йони“, се основава на преброяване на броя на Na + йони, които са навлезли в неврона по време на определено сигнално събитие (AP или PSP, вижте страничната лента „Какъв е потенциал за действие“), последвано от преобразуване в броя на молекулите на аденозинтрифосфата ( ATP), основната енергийна „валута“ на клетките [10]. Вторият се основава на описанието на йонни токове през мембраната според законите на електрониката и ви позволява да изчислите мощността на еквивалентната електрическа верига на неврон, която след това се преобразува в разходите на ATP [17].

Тези "оптимални" стойности на параметрите след това трябва да бъдат сравнени с тези, измерени експериментално и да се определи колко се различават. Общата картина на разликите ще покаже степента на оптимизация на този неврон като цяло: колко реални, измерени експериментално, стойностите на параметрите съвпадат с изчислените. Колкото по-малко изразени са разликите, толкова по-близо е неврона до оптималния и работи енергийно по-ефективно и оптимално. От друга страна, сравнението на конкретни параметри ще покаже в какъв специфичен капацитет този неврон е близък до "идеалния".

Освен това в контекста на енергийната ефективност на невроните се разглеждат два процеса, на които се основава кодирането и предаването на информация в мозъка. Това е нервен импулс или потенциал за действие, поради който информацията може да бъде изпратена до „адресата“ на определено разстояние (от микрометри до един и половина метра) и синаптично предаване, което е в основата на действителното предаване на сигнал от един неврон към друг.

Потенциал за действие

Потенциалът за действие (AP) е сигнал, който невроните изпращат един към друг. AP са различни: бързи и бавни, малки и големи [28]. Те често се организират в дълги последователности (като букви в думи) или в къси високочестотни „пакети“ (фиг. 2).

Фигура 2. Различните видове неврони генерират различни сигнали. В центъра е надлъжен разрез на мозъка на бозайниците. Инсектите показват различни видове сигнали, записани чрез електрофизиологични методи [15], [38]. а - пирамидални неврони на кортикална (мозъчна кора) могат да предават както сигнали с ниска честота (Редовно изстрелване), така и кратки или спукани сигнали (Изстрелване с пръст). б - За клетките на Purkinje на малкия мозък (Cerebellum) е характерна само разрушаваща активност с много висока честота. в - Релейните неврони на таламуса (Таламус) имат два начина на активност: спукване и тоник (Тонично изстрелване). d - Невроните на средната част на каишката (MHb, Medial habenula) на епитела генерират нискочестотни тонични сигнали.

Голямото разнообразие от сигнали се дължи на огромен брой комбинации от различни видове йонни канали, синаптични контакти, както и на морфологията на невроните [28], [29]. Тъй като сигналните процеси на неврон се основават на йонни токове, трябва да се очаква, че различните АП изискват различни енергийни входове [20], [27], [30].

Какъв е потенциал за действие?

1. Мембрана и йони. Плазмената мембрана на неврона поддържа неравномерно разпределение на веществата между клетката и извънклетъчната среда (фиг. 3б) [31–33]. Сред тези вещества има и малки йони, от които K + и Na са важни за описанието на AP. +.
   В клетката има малко Na + йони и много отвън. Поради това те постоянно се стремят да влязат в клетката. Напротив, вътре в клетката има много K + йони и те се стремят да я напуснат. Йони не могат да направят това самостоятелно, защото мембраната е непромокаема за тях. За да преминат йони през мембраната, е необходимо да се отворят специални протеини - мембранни йонни канали.

Фигура 3. Неврон, йонни канали и потенциал за действие. а - Реконструкция на канделабрата на мозъчната кора на плъховете. Дендритите и тялото на неврона (синьо петно ​​в центъра) са оцветени в синьо, а аксонът е оцветен в червено (при много видове неврони аксонът е много по-разклонен от дендритите [8], [11], [35]). Зелените и пурпурни стрелки показват посоката на информационния поток: дендритите и невроновото тяло го получават, аксонът го изпраща към други неврони. б - Мембраната на неврон, като всяка друга клетка, съдържа йонни канали. Зелени кръгове - Na + йони, сини - K + йони. c - Промяна на мембранния потенциал по време на генериране на потенциал за действие (AP) от неврона на Purkinje. Зелена зона: Na каналите са отворени, Na + йони навлизат в неврона, възниква деполяризация. Синя зона: K-каналите са отворени, K + излиза, възниква реполяризация. Припокриването на зелените и сините региони съответства на периода, в който настъпва едновременното въвеждане на Na + и изхода на K. +.

AP е относително силна по амплитуда рязка промяна в мембранния потенциал.

Анализ на различни видове неврони (фиг. 4) показа, че безгръбначните неврони не са много енергийно ефективни, а някои гръбначни неврони са почти перфектни [20]. Според резултатите от това проучване, интерневроните на хипокампуса, които участват във формирането на паметта и емоциите, както и таламокортикалните релейни неврони, които пренасят основния поток от сензорна информация от таламуса към мозъчната кора, се оказват най-енергийно ефективни..

Фигура 4. Различните неврони са ефективни по различни начини. Фигурата показва сравнение на консумацията на енергия на различни видове неврони. Енергийните разходи се изчисляват в модели с първоначални (реални) стойности на параметрите (черни колони) и оптимални, при които, от една страна, невронът изпълнява предвидената си функция, от друга страна, изразходва минимум енергия (сиви колони). Най-ефективният от представените се оказаха два типа гръбначни неврони: хипокампани интерневрони (хипокампален интернейрон на плъх, RHI) и таламокортикални неврони (мишка таламокортикална релейна клетка, MTCR), тъй като за тях консумацията на енергия в оригиналния модел е най-близка до консумацията на енергия от оптимизирания. За разлика от тях, безгръбначните неврони са по-малко ефективни. Легенда: SA (калмарен аксон) - гигантски калмарен аксон; CA (crab axon) - рак аксон; MFS (мишка бързо шипков кортикален интернейрон) - бърз кортикален интерневрон на мишката; BK (клетъчна гъба на тялото на пчелна гъба) - клетка от гъба на пчела Кенион.

Защо са по-ефективни? Защото те имат малко припокриване на Na и K токове. По време на генерирането на FD винаги има интервал от време, когато тези токове присъстват едновременно (фиг. 3в). В този случай практически няма прехвърляне на заряд и промяната на мембранния потенциал е минимална. Но във всеки случай трябва да „плащате“ за тези течения, въпреки тяхната „безполезност“ през този период. Следователно продължителността му определя колко енергийни ресурси се изразходват. Колкото по-кратко е, толкова по-ефективно е използването на енергия [20], [26], [30], [43]. Колкото по-дълго, толкова по-малко ефективно. Точно при двата гореспоменати типа неврони, благодарение на бързите йонни канали, този период е много кратък, а АП са най-ефективни [20].

Между другото, интерневроните са много по-активни от повечето други неврони в мозъка. В същото време те са изключително важни за добре координираната, синхронна работа на невроните, с която образуват малки локални мрежи [9], [16]. Вероятно, високата енергийна ефективност на интернейрон AP е някакъв вид адаптация към тяхната висока активност и роля в координирането на работата на други неврони [20].

Synapse

Предаването на сигнала от един неврон към друг става при специален контакт между невроните, в синапса [12]. Ще разгледаме само химичните синапси (има и електрически), тъй като те са много често срещани в нервната система и са важни за регулирането на клетъчния метаболизъм, доставката на хранителни вещества [5].

Най-често се образува химичен синапс между края на аксона на един неврон и дендрита на друг. Работата му напомня. „Хвърляне“ на палката, ролята на която се играе от невротрансмитер - химичен медиатор за предаване на сигнал [12], [42], [44–48].

В пресинаптичния край на аксона, АП причинява освобождаването на невротрансмитер в извънклетъчната среда - към приемащия неврон. Последният чака само това с нетърпение: в мембраната на дендритите рецепторите - йонни канали от определен тип - свързват невротрансмитер, отварят се и преминават различни йони през себе си. Това води до генериране на малък постсинаптичен потенциал (PSP) на дендритната мембрана. Прилича на AP, но е много по-малко по амплитуда и се появява поради отварянето на други канали. Много от тези малки PSPs, всеки от собствения си синапс, „текат надолу“ по дендритната мембрана към невроновото тяло (зелени стрелки на фиг. 3а) и достигат до началния сегмент на аксона, където причиняват отварянето на Na-каналите и го „провокират“ да генерира AP.

Такива синапси се наричат ​​възбуждащи: те насърчават активирането на невроните и генерирането на AP. Има и инхибиторни синапси. Напротив, те допринасят за забавянето и предотвратяват генерирането на AP. Често има и двете синапси на един и същ неврон. Определена връзка между инхибирането и възбудата е важна за нормалното функциониране на мозъка, формирането на церебрални ритми, съпътстващи по-високи познавателни функции [49].

Колкото и да е странно, освобождаването на невротрансмитер в синапс може да не се случи изобщо - това е вероятностен процес [18], [19]. Невроните пестят енергия по този начин: синаптичното предаване вече представлява около половината от цялата консумация на енергия на невроните [25]. Ако синапсите винаги работеха, цялата енергия би отишла за осигуряване на тяхната работа и нямаше да остане ресурс за други процеси. Освен това, ниската вероятност (20–40%) за освобождаване на невротрансмитер отговаря на най-високата енергийна ефективност на синапсите. Съотношението на количеството полезна информация към консумираната енергия в този случай е максимално [18], [19]. И така, оказва се, че „неуспехите“ играят важна роля в работата на синапсите и съответно на целия мозък. И не е нужно да се притеснявате за предаването на сигнал, когато синапсите понякога „не работят“, тъй като обикновено има много синапси между невроните и поне един от тях ще работи.

Друга характеристика на синаптичното предаване е разделянето на общия информационен поток на отделни компоненти според честотата на модулация на входящия сигнал (грубо казано, честотата на входящия АР) [50]. Това се дължи на комбинацията от различни рецептори на постсинаптичната мембрана [38], [50]. Някои рецептори се активират много бързо: например AMPA рецептори (AMPA се получава от α-амино-3-хидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионова киселина). Ако в постсинаптичния неврон присъстват само такива рецептори, той може ясно да възприема високочестотен сигнал (като например на фиг. 2в). Най-яркият пример са невроните на слуховата система, които участват в определянето на местоположението на източника на звук и точно разпознаване на къси звуци като щракане, широко представени в речта [12], [38], [51]. NMDA рецепторите (NMDA за N-метил-D-аспартат) са по-бавни. Те позволяват на невроните да избират сигнали с по-ниска честота (фиг. 2г), както и да възприемат високочестотните серии АР като нещо обединено - така наречената интеграция на синаптични сигнали [14]. Има дори по-бавни метаботропни рецептори, които, когато невротрансмитер се свързва, предават сигнал към верига от вътреклетъчни „вторични пратеници“, за да коригират различни клетъчни процеси. Например, G-протеин-асоциираните рецептори са широко разпространени. В зависимост от типа, те например регулират броя на каналите в мембраната или директно модулират работата си [14].

Различни комбинации от бърза AMPA, по-бавна NMDA и метаботропни рецептори позволяват на невроните да избират и използват най-полезната за тях информация, която е важна за тяхното функциониране [50]. И „безполезната“ информация се елиминира, не се „възприема“ от неврона. В този случай не е нужно да губите енергия за обработка на ненужна информация. Това е друга страна на оптимизирането на синаптичното предаване между невроните..

Какво друго?

Енергийната ефективност на мозъчните клетки също се изследва във връзка с тяхната морфология [35], [52–54]. Изследванията показват, че дендритното и аксоновото разклоняване не е хаотично и освен това спестява енергия [52], [54]. Например, аксон се разклонява, така че общата дължина на пътя, който АП преминава, е най-малката. В този случай консумацията на енергия за провеждане на АР по аксона е минимална..

Намаляване на енергийната консумация на неврон се постига и при определено съотношение на инхибиторни и възбуждащи синапси [55]. Това е пряко свързано например с исхемия (патологично състояние, причинено от нарушен приток на кръв в съдовете) на мозъка. При тази патология, най-вероятно, най-метаболично активните неврони се провалят първо [9], [16]. В кората те са представени от инхибиторни интернейрони, които образуват инхибиторни синапси върху много други пирамидални неврони [9], [16], [49]. В резултат на смъртта на интерневроните инхибирането на пирамидалната система намалява. В резултат на това се увеличава общото ниво на активност на последните (по-често се задействат активиращи синапси, по-често се генерират АП). Това веднага е последвано от увеличаване на тяхната консумация на енергия, което в условия на исхемия може да доведе до смъртта на невроните..

При изучаване на патологиите се обръща внимание и на синаптичното предаване като на най-енергоемкия процес [19]. Например, при Паркинсон [56], Хънтингтън [57], болестите на Алцхаймер [58–61], митохондриите, които играят основна роля в синтеза на АТФ, се нарушават или транспортират до синапси [62], [63]. В случай на болестта на Паркинсон, това може да бъде свързано с нарушаване и смърт на невроните с висока консумация на енергия от веществото nigra, което е важно за регулирането на двигателните функции и мускулния тонус. При болестта на Хънтингтън, мутантният протеин Huntingtin нарушава механизмите на доставка на нови митохондрии в синапси, което води до "енергийно гладуване" на последните, повишена уязвимост на невроните и прекомерно активиране. Всичко това може да доведе до допълнителни смущения във функционирането на невроните с последваща атрофия на стриатума и мозъчната кора. При болестта на Алцхаймер възниква митохондриална дисфункция (успоредно с намаляване на броя на синапсите) поради отлагането на амилоидни плаки. Действието на последния върху митохондриите води до оксидативен стрес, както и до апоптоза - клетъчна смърт на неврони.

Още веднъж за всичко

В края на ХХ век се ражда подход за изследване на мозъка, при който се разглеждат едновременно две важни характеристики: колко неврон (или невронна мрежа, или синапс) кодира и предава полезна информация и колко енергия изразходва [6], [18], [19]... Съотношението им е един вид критерий за енергийната ефективност на невроните, невронните мрежи и синапсите..

Използването на този критерий в изчислителната невробиология даде значително увеличение на знанията относно ролята на определени явления и процеси [6], [18–20], [26], [30], [43], [55]. По-специално, ниската вероятност за освобождаване на невротрансмитер в синапса [18], [19], определен баланс между инхибиране и възбуждане на неврон [55], освобождаване само на определен вид входяща информация поради определена комбинация от рецептори [50] - всичко това помага да се спестят ценни енергийни ресурси..

Освен това самото определяне на енергийната консумация на сигнални процеси (например генериране, провеждане на АР, синаптично предаване) дава възможност да се разбере кой от тях ще страда главно в случай на патологично увреждане на доставката на хранителни вещества [10], [25], [56]. Тъй като най-много енергия е необходима за работата на синапсите, те са първите, които се провалят при такива патологии като исхемия, болести на Алцхаймер и Хънтингтън [19], [25]. По подобен начин определянето на консумацията на енергия на различни видове неврони помага да разберете кой от тях ще умре по-рано от други в случай на патология. Например при една и съща исхемия интерневроните на кората първо ще се провалят [9], [16]. Поради интензивния си метаболизъм същите тези неврони са най-уязвимите клетки по време на стареене, болестта на Алцхаймер и шизофрения [16].

Като цяло подходът за определяне на енергийно ефективните механизми на мозъка е мощна посока за развитието както на фундаменталната невронаука, така и на нейните медицински аспекти [5], [14], [16], [20], [26], [55], [64 ].

Благодарности

Искрено съм благодарен на родителите си Олга Наталевич и Александър Жуков, сестри Люба и Алена, на моя научен съветник Алексей Браша и прекрасни приятели в лабораторията Евелина Никелшпарг и Олга Слатинская за тяхната подкрепа и вдъхновение, ценни коментари, направени при четенето на статията. Също така съм много благодарен на редактора на статията Анна Петренко и главния редактор на „Биомолекула“ Антон Чугунов за бележки, предложения и коментари.