Изучение возбуждения и торможения

На протяжении последних 25 лет много нового внесено в проблему ПЄ' редачи возбуждения в синапсах на периферии и в центральной нервной системе. Электронно-микроскопические исследования выявили структуру синапсов и показали наличие двух мембран — пре- и постсинаптической,— а также щелей между ними, толщиной в 200—500 А.

Значительный прогресс достигнут за последние 25 лет также в изучении природы торможения в центральной нервной системе.

Одним из' наиболее дискуссионных был вопрос о том, является ли торможение самостоятельным процессом, отличным от возбуждения, или же, как это считали Н. Е. Введенский и А. А. Ухтомский (Ленинская премия, 1931), возбуждение и торможение — два проявления единого по своей природе процесса. Оказалось, что в центральной нервной системе имеются специальные тормозные пути и тормозные нейроны, открытые впервые в 1941 г.

В настоящее время выяснено, что отростки тормозных нейронов образуют на теле других нервных клеток тормозные синапсы, в которых синтезируются тормозные медиаторы. Под влиянием приходящих импульсов в тормозном синапсе выделяется тормозной медиатор, вызывающий гиперполяризацию постсинаптической мембраны (тормозной постсинаптический потенциал). Это приводит к ослаблению возбуждающего пост- синаптического потенциала, что препятствует возникновению возбуждения или затормаживает его, если оно уже развилось. Гиперполяризация мембраны нейронов при тормозящих его активность раздражениях обнаружена посредством микроэлектродного отведения мембранных потенциалов от одиночных клеток центральной нервной системы.

Таким образом, благодаря исследованиям на новом методическом уровне выяснен принципиально важный вопрос о природе центрального торможения, служивший предметом дискуссий на протяжении нескольких десятилетий.

Физиология памяти

Проблема физиологических и физико-химических механизмов памяти оформилась в рамках нейро- и общей физиологии в самое последнее время. Ее экспериментальное изучение в ряде лабораторий мира начато лишь в последние 12—15 лет. В настоящее время обрисованы контуры разработки этой увлекательной и актуальной проблемы. Получены данные, которые ориентируют исследовательскую мысль в новых перспективных направлениях. Можно с уверенностью сказать, что физиология находится здесь на пороге замечательных открытий.

Установлено, что имеется два качественно различных вида памяти: кратковременная и долговременная. Первая — память на недавние события — очень неустойчива. В многочисленных экспериментах доказано, что чрезвычайные раздражители — травма мозга, разряд электрического тока, наркоз, сильное и быстрое охлаждение — «стирают» память на обучение или на события, непосредственно предшествующие действию этого раздражителя.

Долговременная, сохраняющаяся многие годы, а иногда и всю жизнь, память отличается устойчивостью. Уже один этот факт натолкнул исследователей на мысль, что следы событий и обучения фиксируются в форме морфологических или химических изменений в нервных клетках или окружающей их глии. Экспериментальные данные последних лет дали веские доводы в пользу гипотезы молекулярной природы памяти. Дж. Мак Коннел с соавторами в 1959 г. сообщил о наблюдениях над плоскими червями (планариями), у которых вырабатывали условные оборонительные рефлексы на свет. После рассечения такого червя на две половины и регенерации каждой половины у обоих регенерировавших червей условные рефлексы образуются значительно быстрее, чем у интактных. Через три года этот же исследователь сообщил, что у планарии каннибала скорее вырабатываются условные оборонительные рефлексы в том случае, когда она поедает других планарий, у которых были выработаны оборонительные рефлексы, чем тогда, когда она питается «необученными» особями.

Имеются веские основания полагать, что явления долговременной памяти вообще и, в частности, описанные наблюдения над планариями связаны с синтезом рибонуклеиновой кислоты и белков. Так, отмечалось, что введение планариям фермента рибонуклеази приводит к исчезновению выработанных условных рефлексов. Показано также, что инъекция в мозг рибонуклеази вызывает у млекопитающих нарушения выработанных ранее условных рефлексов и препятствует образованию новых. Аналогично действуют на условные рефлексы у золотой рыбки и крысы антибиотик пуромицин и некоторые другие вещества, блокирующие синтез РНК и останавливающие рост полипептидной цепи на рибосомах. Эти данные приводят к выводу об участии РНК и синтезируемого белка в молекуляр ной организации памяти индивидуума, в консолидации и длительном закреплении следов обучения. Прямое экспериментальное подтверждение такого вывода дал Е. М. Крепе (1957), который обнаружил, что при образовании условного рефлекса на звук в слуховой области коры у собак ускоряется обновление фосфора в молекуле РНК. Начиная с 1959 г. Г. Хиден опубликовал большую серию исследований, в которых он доказывал, что механизм долговременной памяти заключается в изменении последовательности нуклеотидов в молекуле РНК в клетках мозга, а это приводит к изменению синтеза в них белков и ферментов. Высказывается также мнение о влиянии на молекулу ДНК и активацию синтеза белков в нервных клетках повторного поступления импульсов к нейронам. Эти идеи, бесспорно, навеяны успехами в изучении нуклеиновых кислот и выяснении их значения в хранении генетической информации.

Возможно, однако, что в механизме долговременной памяти важную роль играет не изменение структуры, а активация синтеза нуклеиновых кислот и белков, приводящая к морфологическим изменениям. Последние сводятся к увеличению числа межнейронных связей и образованию новых синапсов, передающих импульсы от одного нейрона к другому. Такая гипотеза в какой-то мере объединяет современные представления о роли нуклеиновых кислот в синтезе белков и образовании клеточных структур с идеей нейроморфолога С. Рамон-и-Кахала 43 (начало XX в.), предполагавшего, что память связана с прорастанием отростков нервных клеток в определенном направлении.

Совершенно неясной стороной проблемы остается связь между кратковременной и долговременной памятью. По-видимому, процессы, разыгрывающиеся на поверхностной мембране нервных клеток в первую стадию запоминания и обучения, через посредство эндоплазматического ретикулума, тесно связанного с рибосомальным аппаратом, влияют на структуру и синтез РНК и белка. Изучение интимных механизмов этих явлений, раскрытие природы памяти и способов воздействия на нее — грандиозные и актуальные задачи физиологии ближайшего будущего.

* * *

Успешная разработка в последние десятилетия как перечисленных, так и ряда других проблем общей физиологии на' клеточном и субклеточном уровнях приблизила к пониманию основ функционирования живого. Постепенно все более рассеивается таинственная мгла, скрывавшая от глаз исследователя сущность жизнедеятельности клеток, все яснее вырисовывается картина молекулярных физиологических процессов. Сбывается предвидение Павлова, который в 1897 г. говорил, что клеточная физиология должна прийти на смену органной физиологии и что ее можно считать предвестницей последней ступени в науке о жизни — физиологии живой молекулы.

Физиология и кибернетика

Важное значение для развития физиологии приобрели за последние два десятилетия кибернетика, теория информации и теория автоматического регулирования. Они позволили по-новому оценить некоторые давно известные факты и идеи.

Так, раскрылось универсальное значение принципа обратной связи в регуляции и саморегуляции функций. В настоящее время показано, что- регуляция самых важных физиологических процессов в целостном организме и его системах контролируется состоянием регулируемого аппарата — обратными связями между ним и нервными и гуморальными регуляторами. Большая роль в регуляции принадлежит интрорецепторам, хорошо' изученным многими морфологами и физиологами (В. Н. Черниговской и др.). Будучи широко рассеянными во всех органах и тканях, интрарецеп- торы сигнализируют центральной нервной системе о состоянии иннервируемого ими субстрата.

Обратные связи обнаруживаются не только при исследовании нервной регуляции и не только в целостном организме, но и на любом уровне организации живого — клеточном, субклеточном и даже молекулярном уровне — всюду, где имеются саморегуляторные процессы. Примером обратной связи на молекулярном уровне может служить аллостерическое ретроингибирование энзиматической реакции продуктами, образующимися в ходе этой реакции. Распространяя на работу организма идеи кибернетики и теории автоматического регулирования, исследователи пришли к заключению, что процессы саморегуляции в пределах любого уровня биологической организации осуществляются благодаря наличию замкнутых контуров с прямыми и обратными связями, определяющими начало, ход протекания и окончание разных актов деятельности или процессов метаболизма.

На основе идей кибернетики как учения об общих принципах управления и связи в сложных динамических системах подведены теоретические основы под концепцию, согласно которой организм рассматривается в качестве самоорганизующейся и саморегулирующейся системы высокой степени сложности. При этом любая функция организма и его структур трактуется как сложная система определенным образом организованных в пространстве и времени процессов.

О том, что организм является крайне сложной системой, состоящей из почти бесконечного ряда частей, связанных друг с другом и в виде единого комплекса с внешней средой, писал Павлов. Понятию системы близка идея А. А. Ухтомского (1932—1935) о нервных центрах как «рабочих ансамблях» и «физиологических констелляциях», складывающихся в зависимости от характера раздражений, действующих на центральную нервную систему. Представление о «функциональных системах», лежащих в основе организации физиологических процессов целостного организма, развивал в 30-х годах также П. К. Анохин (Ленинская премия, 1972). В конце 40-х годов Л. Берталанфи выступил с обоснованием теории биологических систем. По его определению, система — это комплекс элементов, находящихся во взаимодействии. Биойогические системы относятся к открытым; они характеризуются тем, что остаются относительно постоянными, несмотря на непрерывно совершающиеся в них изменения веществ и энергии.

В настоящее время стало совершенно ясным, что определенная пространственно-временная организация физиологических процессов свойственна не только целостному организму, но и всем его органам, тканям* отдельным клеткам и даже субклеточным структурам (ядрам, митохондриям, мембранам и др.). Изучая их функции, физиолог всегда имеет дело со сложными динамическими системами, которые характеризуются непрерывным взаимодействием образующих данную систему структурных элементов и происходящих в них процессов и присущими данному уровню биологической организации механизмами управления и связи. Пос ледние отличаются многоконтурностью — многократным дублированием ж иерархическим соподчинением, сочетаемым с некоторой автономностью. Каждая биологическая система реагирует как единое целое на любые воздействия внешней среды, причем характер ее реакций в большей мере определяется ее состоянием в данный момент.

Для системного подхода характерно синтетическое рассмотрение изу' чаемых явлений, включающее все углубляющийся анализ жизненных явлений. Для понимания внутренних связей, имеющихся в любой системе физиологических процессов, необходимо одновременное исследование И сопоставление разных одновременно или последовательно происходящих процессов. Такое исследование вполне достижимо при использовании современных методик регистрации и изучения физиологических процессов, но требуемый от него эффект может быть получен лишь при дополнении этих методов новыми способами анализа и обработки информации, получаемой в ходе наблюдения и эксперимента. К последним в первую -очередь относятся математические методы и современная вычислительная техника, определяющие характерную для нашего времени тенденцию к математизации физиологии.

В последние годы все шире используют непосредственно в эксперименте специализированные вычислительные (цифровые, аналоговые и гибридные) устройства, производящие математическую обработку результатов наблюдений. Для этого применяется интегрирование, дифференцирование, корреляционный и спектральный анализ, определение статистического распределения интервалов и амплитуд и многие другие математические методы вплоть до многомерного статистического анализа.

Другое применение математики в физиологии состоит в математическом и логико-математическом моделировании физиологических явлений ж процессов.

Идея применения математического моделирования в физиологии для описания ?физиологических процессов не нова. Математическому моделированию кровообращения была посвящена одна из работ JI. Эйлера, занимавшего в 1727—1731 гг. кафедру физиологии в Петербургской академии наук. Математическую зависимость между некоторыми величинами, определяющими движение крови в сосудах, вывел в 40-х годах XX в. Ж. Пуазейль. Математические модели процессов, происходящих в возбудимых тканях, разработали в первой половине нашего столетия В. Нернст, А. В. Хилл, П. П. Лазарев, Н. Рашевски и многие другие. Однако применение математических методов в физиологии XIX — начала XX в. было нечастым явлением и его значение недооценивалось.

В наше время разработаны математические модели некоторых функций клеток, клеточных популяций, органов и их систем. Начиная с работы У. Мак-Каллока и Р. Питтса (1943) многое сделано в создании математических моделей нейронов и нейронных сетей. Рядом исследователей разработаны модели насосной функции сердца, движения крови по сосудистой системе, дыхания, терморегуляции и т. п.

Математические методы теории автоматического регулирования подсказали новые пути анализа процессов перехода от одного состояния и одного уровня деятельности к другому. Важность изучения этих процессов диктуется тем, что, по существу, вся жизнь организма есть непрерывный переходный процесс.

Успехи физико-химического анализа жизненных явлений уже в прошлом столетии привели к признанию того, что основной функцией живого является обмен веществ и энергии. Кибернетика и теория информации внесли принципиально новое в понимание основ физиологических процессов, показав, что к обмену веществ и энергии как характеристике живой материи необходимо добавить обмен информации. Последний определяет согласованность функций внутри организма и его связь с внешней средой. Информацией для живого организма и его структур являются такие изменения внешней или внутренней среды, к восприятию которых организм специально приспособился в ходе эволюции и которые приобрели сигнальное значение. Это особая категория явлений, не сводимая к массе или энергии.

Исследование процессов обмена веществ и превращений энергии в живом организме составляют предмет биохимии и биофизики. Исследование же процессов обмена информации, процессов управления и связи в организмах, в их органах, тканях и клетках становится в наше время задачей новой научной дисциплины — физиологической кибернетики. Физиологическая кибернетика объединяет традиционные физиологические методы с кибернетическим анализом явлений, руководствующимся принципами системности и использующим математическое моделирование.

Ход развития физиологии, таким образом, приводит к тому, что, соответственно трем основным проявлениям физиологических функций — обмену веществ, обмену энергии и обмену информации,— она превращается в комплексную область знания. Физиология призвана синтезировать и обобщить данные трех отпочковавшихся от нее специальных наук — биохимии, биофизики и физиологической кибернетики. Таким рисуется будущее физиологии.