- •Глава 1 структура механорецепторов
- •Механорецепторы беспозвоночных
- •Глава 2
- •Глава 3
- •Глава 4
- •Лаааааааааааааааааааааааааалалаааааалллаа| аааааааааааааааааад
- •Глава 5
- •1/4 Всех гамма-мо- торных волокон
- •3/4 Всех гамма-мо- торных волокон
- •Глава 6
- •Глава 7
- •Эндолимфатические потенциалы
- •Глава 8
- •Механорецепторы беспозвоночных животных
- •Глава 9
- •Глава 10
- •Глава 11
- •Мсек.; калибровка — 50 мкв.
Глава 11
МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ АДЕКВАТНОГО РАЗДРАЖЕНИЯ НА МЕХАНОРЕЦЕПТОРЫ
Проблемы, касающиеся механизма действия адекватного раздражения на механорецепторы, можно свести к следующим основным вопросам. 1. Где локализуется механочув- ствительный субстрат. 2. Что является действующим фактором механического стимула. 3. Какие свойства присущи механоре- цептирующему субстрату и в чем существо процессов трансформации при возбуждении и торможении. 4. Что представляют собой ионные механизмы генерации локальных деполяризационных и гиперполяризационных ответов. Необходимо также учитывать возможные особенности решения всех этих проблем, если они существуют, применительно к различным механорецепторам. Большинство из названных вопросов в той или иной форме затрагивались в предыдущих главах. Теперь будут суммированы эти данные, а также представлены некоторые дополнительные факты, относящиеся к перечисленным выше проблемам. Следует сразу подчеркнуть, что на многие важнейшие вопросы сегодня нет исчерпывающих ответов и пока еще не сформулирована какая-либо законченная концепция, трактующая в целом механизмы действия адекватного раздражения на механорецепторы.
При изложении материала этой главы целесообразно акцентировать принципиальное сходство данных, касающихся определенных групп механорецепторов, независимо от того, относятся ли они к позвоночным или беспозвоночным животным. Материал будет излагаться в соответствии с рассматриваемой в конце главы классификацией механорецепторов, которая подразделяет их на два типа. К одному из них относятся тканевые механорецепторы позвоночных, а также те механорецепторы беспозвоночных, которые являются окончаниями чувствительных нейронов II типа. У всех этих механорецепторов структурами, ответственными за восприятие механического стимула, являются нервные окончания, лишенные каких бы то ни было специфических морфологических образований, которым можно было бы приписать ре-
цептирующую функцию. К другому виду следует отнести механорецепторы органов чувств позвоночных, а также те механорецеп- торные приборы беспозвоночных, которые образованы окончаниями чувствительных нейронов I типа. Сенсорные элементы этого вида характеризуются наличием специализированной реснитчатой структуры и связанных с ней образований, которые, можно думать, принимают непосредственное участие в актах рецепции механического раздражения. Если обозначить рецепторы I типа термином волосково-реснитчатые, то рецепторы другого, II типа, можно было бы назвать безресничными (арес- нитчатыми).
Локализация механочувствительного субстрата
А реснитчатые механорецепторные приборы
Тканевые механорецепторы позвоночных. Вопрос о локализации субстрата, воспринимающего действие механического раздражения, как это было видно из представленных в предыдущих главах материалов, дискутируется в разной степени в зависимости от того, о каком рецепторном приборе идет речь. Так, в отношении мышечных веретен, составляющих важную группу тканевых механорецепторов, существует практически единодушная точка зрения. Все исследователи соглашаются с тем, что у мышечных веретен механическое раздражение воспринимается непосредственно окончаниями афферентных нервных волокон, разветвляющихся среди элементов интрафузальной мускулатуры (Katz, 1950b, 1961; Granit, 1955, 1970; Ottoson, Shepherd, 1971a; Matthews, 1972). При сокращении интрафузальных волокон удалось (Boyd, 1966) с помощью микроскопирования зарегистрировать расхождение витков спирали нервных окончаний веретена. Возникающая при этом деформация немиелини- зированных нервных окончаний, несомненно, и является началом той цепи явлений, которая ведет к возникновению возбуждения данных механорецепторных образований.
В отношении некоторых других тканевых механорецепторов (прежде всего различных инкапсулированных образований), как уже отмечалось (стр. 27), высказывалось мнение, что механочув- ствительный субстрат может локализоваться в клеточных элементах, окружающих окончания афферентных нервных волокон. Однако эта гипотеза («медиаторная гипотеза» возбуждения нервных окончаний) в настоящее время, по-видимому, для подавляющего большинства тканевых механорецепторов может быть полностью оставлена (см. стр. 390, а также обзоры: Gray, 1959b; Ильинский, 1967; Loewenstein, 1971). На примере типичных тканевых инкапсулированных механорецепторов — телец Пачини, — изученных в настоящее время достаточно детально, удалось показать следующее.
449
ГП и ПД в этих рецепторах возникают с весьма коротким латентным периодом (0.20—0.15 мсек, и менее), который меньше обычных синаптических задержек.
Характер изменений ответов рецептора (ГП и ПД) под влиянием различных физических и химических факторов не свидетельствует о синаптическом медиаторном механизме. Так, общая продолжительность ГП не менялась при действии температуры; холинолитики не блокировали возникновение ГП и ПД при действии механического раздражения; ацетилхолин в малых концентрациях не действовал на ГП, а в больших дозах уменьшал его амплитуду; ионы магния не блокировали возникновение ГП, и т. д. Все это — аргументы против возможности существования синаптической передачи (и, в частности, с помощью ацетилхолина) от окружающих клеточных элементов к нервному окончанию.
Отсутствует морфологический субстрат, соответствующий обычному синаптическому аппарату.
Наблюдается дирекционная чувствительность, а также отмечается изменение знака РП в зависимости от направления механического стимула, что крайне сложно согласовать со свойствами гипотетической синаптической передачи.
Некоторые структурные особенности этих рецепторов (эллиптическая форма нервного окончания с определенным соотношением большой и малой поперечных осей, билатеральная организация внутренней колбы и т. д.) не могут получить никакой реальной роли в рамках медиаторной гипотезы. Напротив, исходя из представления, что механочувствительный субстрат локализован в поверхностной мембране самого нервного окончания, легко можно объяснить всю известную в настоящее время в литературе совокупность фактов, касающихся особенностей строения и деятельности этих рецепторов.
Таким образом, можно утверждать, что практически у всех изученных тканевых механорецепторов позвоночных местом расположения механочувствительного субстрата являются сами окончания афферентных нервных волокон, точнее их поверхностные мембраны. При этоммеханочувствительный субстрат, по-видимому, обладает дискретностью, т. е. локализуется на определенных участках рецепторной мембраны.
Механорецепторные приборы сенсорных нейронов II типа у беспозвоночных. Из числа структур этой группы систематически исследовались только мышечные рецепторы у членистоногих и прежде всего рецепторы растяжения у ракообразных. В этом случае все исследователи соглашаются с тем, что механическое воздействие, как и у мышечных веретен позвоночных, воспринимается непосредственно тканевыми разветвлениями дендрита сенсорного нейрона. Никакие специализированные образования, которым можно было бы приписать функцию механорецепции, у рецепторных приборов данного типа не обнаружены (см. обзор: Alexandrowicz, 1967). Следовательно, как и в случае тканевых механорецепторов позвоночных, можно считать, что ме- ханочувствительный субстрат локализован непосредственно в мембранах нервных окончаний.
Волосково-реснитчатые механорецепторные приборы
Механорецепторы органов чувств позвоночных. Вопрос о локализации механочувствительного субстрата в волосковых сенсорных клетках экспериментально изучен еще явно недостаточно. Поэтому при обсуждении этого вопроса часто прибегают к методу аналогий. В частности, было обращено внимание на большое сходство между волосковыми сенсорными клетками у позвоночных, с одной стороны, и клетками позвоночных и беспозвоночных животных, снабженными ресничками или жгутиками, выполняющими моторные функции, с другой стороны (см., например: Lowenstein et al., 1964; Винников, 1971). Сходная проблема затрагивалась и в отношении сенсорных реснитчатых структур у беспозвоночных (Gray, Pumphrey, 1958). Указывалось даже, что процессы, которые возникают в сенсорной клетке в результате механического воздействия, могут быть аналогичны процессам, которые развиваются при движении реснитчатых моторных структур в результате сигналов, поступающих из клетки. Основная разница между этими группами явлений может заключаться лишь в направлении развертывания данных процессов. Отсюда логичной представляется мысль, что именно волосковый аппарат сенсорных клеток — аналог упомянутых моторных элементов — прежде всего причастен крроцессам трансформации.
Многое в этом вопросе остается еще неясным. Имеются данные, что вызванные механическим воздействием цилиарные движения гребневика (Horridge, 1965) сопровождаются изменениями мембранного потенциала. Изменения потенциала клетки отмечаются и при спонтанных движениях ресничек мерцательных эпителиальных клеток в трахее морской свинки (Hakans- son et al., 1966). Тем не менее электрические явления в клетке скорее являются процессами, сопутствующими движению ресничек, чем их обусловливающими (Thurm, 1968; см. также о цилиарном движении в обзорах: Серавин, 1967; Konosita, Murakami, 1967). В отличие от этого изменения мембранного потенциала сенсорных волосковых клеток, по-видимому, являются необходимым звеном в той цепи процессов, которая ведет к выбросу медиатора из пресинаптических структур в область окончаний афферентных нервных волокон.
В литературе обсуждаются три основные не исключающие друг друга возможности локализации механочувствительного субстрата в волосковых сенсорных клетках (обзоры: Thurm, 1968; Flock, 1971а). За процесс рецепции могут быть ответственны: 1) киноцилия; 2) комплекс структур внутри клетки, связанный с киноцилией (базальное тельце, базальная ножка и др.); 3) эле-
менты поверхностной мембраны клетки в области расположения киноцилии, т. е. на участке, где отсутствует кутикулярная пластинка.
Сама киноцилия, по-видимому, не может рассматриваться в качестве единственно возможной структуры, с которой связан акт рецепции механического воздействия. Известно, например, что волосковые сенсорные клетки органа слуха у млекопитающих либо лишены киноцилии, либо же имеют только ее рудимент (Engstrom et al., 1962; Flock et al., 1962; Wersall et al., 1965, и др.). Важно, что исчезновение киноцилии происходит в период эмбрионального развития кортиева органа (Wersall et al., 1965; Lindeman et al., 1971; Bredberg et al., 1972), т. e. на фоне онтогенетического становления слуховой функции и рецепторной чувствительности.
Многие авторы склонны рассматривать базальное тельце и другие структуры внутри клетки, связанные с киноцилией (или оставшиеся после ее исчезновения), как образования, обеспечивающие механочувствительность волосковых сенсорных клеток (например: Engstrom et al., 1962; Thurm, 1968). В связи с рассматриваемым вопросом предствляют известный интерес данные, полученные в экспериментах на различных клетках, реснички которых выполняют моторную функцию. Такого рода реснитчатые клетки могут демонстрировать чувствительность к действию механических стимулов (обзоры: J. Gray, 1928; Sleigh, 1962; Серавин, 1967). В экспериментах, проведенных на мерцательном эпителии мидий, было установлено (Thurm, 1968), что структура, ответственная за механочувствительность реснитчатой клетки, локализуется, по-видимому, на глубине примерно 1 —2 мкм от клеточной поверхности, т. е. как раз в области базального тельца с базальной ножкой. Интересно, что именно эта структура рассматривается как ответственная за управление движениями реснички (Gibbons, 1964; Серавин, 1967). Структурная организация базального тельца с базальной ножкой включает, как уже отмечалось (стр. 47), элементы асимметрии, морфологической поляризации (Afzelius, 1961; Fawcett, ,1961; Gibbons, 1961), причем направление поляризации совпадает с направлением активного движения ресничек (в плоскости, параллельной поверхности клетки). Это направление перпендикулярно линии, соединяющей две центральные фибриллы реснички (Bradfield, 1955; Satir, 1962). При механическом раздражении (пассивном перемещении реснички — в опытах на мидии) максимальная чувствительность клетки наблюдалась как раз при совпадении направления воздействия с направлением активного движения (Thurm, 1968). Стимулы противоположного направления не оказывали влияния или же тормозили спонтанные движения реснички (сравн. данные главы 10).
Вопрос о роли базального тельца, базальной ножки, а также других, связанных с волосками, клеточных образований в пер- 452
вичных трансофрмационных процессах механорецепции требует, конечно, дальнейшего изучения. Показано, что базальная ножка отсутствует у кохлеарных волосковых клеток (Wersall et al., 1965; Duvall et al., 1966). Имеются данные, говорящие об отсутствии в отдельных случаях и базальных телец, например у волосковых механорецепторов органа Корти у взрослых кошек (Spoendlin, 1966).
При обсуждении данной проблемы следует упомянуть о своеобразной поперечно-исчерченной органелле, связанной с волосками сенсорных клеток вестибулярного аппарата миног (Lowenstein, Osborne, 1964; Lowenstein et al., 1968). Органелла начинается в апикальной части клетки у основания волосков и, постепенно сужаясь, проходит, огибая клеточное ядро, к основанию клетки, где может оканчиваться вблизи синаптического аппарата. Однако у других животных данная структура, говорящая как бы о возможном пути внутриклеточной передачи влияний от волосков к афферентным синапсам, не была выявлена.
Третьей весьма вероятной локализацией механочувствитель- ного субстрата может считаться свободная от кутикулярной пластинки зона поверхностной мембраны апикальной части волосковых клеток. Можно думать, что именно через этот участок клетки осуществляются основные ионные потоки, лежащие в основе РП, хотя, по-видимому, часть токов может протекать и через боковые поверхности сенсорных клеток. Вероятно, именно последним обстоятельством объясняется тот факт, что в опорных клетках органа слуха были зарегистрированы ответы, сходные с ответами сенсорных клеток, но меньшей амплитуды (Mulroy et al., 1974; Weiss et al., 1974). В опорных клетках сенсорных образований боковой линии колебания потенциалов были незначительны (Flock et al., 1973b).
Следует отметить, что опорные клетки плотно прилегают к сенсорным. Это создает несомненный диффузионный барьер для ионов. Можно полагать, что именно поэтому ионы калия, концентрация которых может быть очень высокой в окружающей среде (см. главу 7), не достигают по межклеточным щелям афферентных волокон и не блокируют регенеративную систему генерации, поддерживая в то же время повышенную возбудимость механорецепторной системы. Как показывают электронномикроскопические данные (Hillman, Lewis, 1971; Hillman, 1972), именно в области основания киноцилии при механических воздействиях на сенсорные клетки лабиринта могут быть зарегистрированы наибольшие деформации клеточной мембраны. Характер этих деформаций менялся при изменении направления механического стимула (рис. 120).
Механорецепторные сенсиллы беспозвоночных (рецепторы сенсорных нейронов I типа). Несомненно, что первичные трансформационные явления в механорецепторных сенсиллах связаны с функционированием реснитчатой структуры, содержащейся в ди-
'
8&1
Sgs
S
§ и к
W я
д
tc
о и
ЗЙ
ф W
я
« S ф и § со й
S
set
Sis l!
III
he eO
10
S°s **•« sgg bgg ® &Й
tt
S«»g
i|s| 2 И© о я о s а ph shs gals ipi 11Й
M
S}
S
VO aS
4
И
й
4
и
ЗЙ
о и ф й
о
gio s й§°| р.I I® ё£§й g* I "и«3
Ч
О
И
е
Я
(N
HI
ggs &«s .& м £
aS
«чн
Щ
g as S м а л r~|.
g
Д w "
И
«
О <!
i=i
о
*8 9* gfl h gsh
§S^
sgii ih JlS
♦ * *
Таким образом, можно думать, что в случае тканевых механорецепторов позвоночных и механорецепторов сенсорных нейронов II типа у беспозвоночных механорецепторный субстрат локализуется непосредственно в поверхностной мембране окончаний афферентных нервных волокон. В сенсорных же клетках органов чувств позвоночных и в механорецепторах, образованных сенсорными нейронами I типа у беспозвоночных, воспринимающий действие механического стимула субстрат, по-видимому, как-то связан с комплексом элементов волосковореснитчатой структуры.
Действующий фактор механического стимула
Природа адекватного для механорецептдров раздражения
В литературе высказывались две основные точки зрения на то, какая сторона действия механических стимулов является адекватной для механорецепторов (обзор старой литературы см.: Квасов, 1948). Согласно одной из них, действующим фактором механического раздражения следует считать давление. Это мнение основывалось на наблюдениях, согласно которым изменение давления, например в различных полых внутренних органах и сердечно-сосудистой системе, хорошо оценивается организмом, т. е. воспринимается механорецепторами. Согласно другой, более распространенной точке зрения, механорецепторы возбуждаются не давлением, а растяжением. Это представление исходило из того, что при всяком механическом воздействии имеет место изменение линейных размеров ткани. Оба взгляда получили отражение и в названиях механорецепторов. Их называют рецепторами растяжения, напряжения, прессорецепторами, барорецепторами и т. д. (см. обзоры: Heymans, Neil, 1958; Черниговский, 1960; Hoffmann, 1963; Pain- tal, 1963a, 1972; Ильинский, 1967; Leek, 1972, и др.).
Представление о давлении как основном действующем факторе менее аргументировано. Оно высказывалось в литературе обычно лишь в виде общего соображения, касающегося деятельности механорецепторов отдельных органов или функциональных систем (см., например, о механорецепторах мочевого пузыря: Watkins, 1938).
Следует заметить, что вообще оценить в отдельности роль факторов давления и растяжения в акте стимуляции механорецепторов в строгих условиях экспериментирования на одиночных сенсорных элементах исключительно трудно, а может быть сейчас даже и невозможно, ибо при адекватном раздражении механорецепторов имеет место как локальное давление на воспринимающие структуры, так и смещение этих структур или их элементов под влиянием давления. (Некоторые авторы считают вообще нецелесообразным разделять давление и деформацию — Davis, 1965). Однако хотя в настоящее время нет возможности безапелляционно утверждать, что справедлива лишь та или другая точка зрения или же что их следует как-то объединить, нужно отметить, что во всех случаях, когда удавалось тем или иным способом экспериментально проанализировать вопрос о действующем факторе механического раздражения, выяснялась доминирующая роль именно фактора растяжения структур.
Так, например, при изучении типичных «барорецепторов» — механорецепторов каротидного синуса — было обнаружено (Harada, 1940), что если заключить каротидный синус в жесткий футляр, то повышение внутрикаротидного давления не вызывает никаких изменений кровяного давления. При удалении же наружного футляра, когда возникало ратяжение стенок синуса и расположенных в них рецепторов, сразу же появлялась обычная депрессорная реакция со стороны артериального давления.
Аналогичные эксперименты с таким же результатом были проведены позднее и другими авторами (Hauss et al., 1949; Wa- kerlin et al., 1954 —-цит. по: Черниговский, 1960). Различные исследователи, разбирая механизм действия кровяного давления на барорецепторы сосудов, указывают поэтому, что нормальным стимулом для барорецепторов является растяжение сосудистых стенок (например: Landgren, 1952а, 1952b; Heymans, Neil, 1958; Neil, 1962; Peterson, 1962, и др.). К сходному заключению приводит и изучение механорецепторов сердца (Ясиновская, 1967).
Хаютин (1952), изучавший механорецепторы мочевого пузыря, применил ту же методику, что и Харада для каротидного синуса, и тоже показал, что лишь при растяжении стенки органа наблюдаются рефлекторные реакции. Черниговский (1960) на основании многочисленных фактов, полученных в его лаборатории, и данных литературы также приходит к заключению, что «растяжение и есть тот фактор, который лежит в основе рецепции механических раздражений полыми гладкомышечными органами, эластическими структурами, сердечно-сосудистой системой и, без сомнения, легкими» (стр. 134). Против наличия в организме истинных «прессорецепторов» говорят также и другие данные (Meissner, 1895 —цит. по: Квасов, 1948; Frey, 1926; Ebbecke, 1944; Квасов, 1948, и др.).
На волосковых механорецепторных клетках органов чувств многими авторами (Breuer, 1891; Kuille, 1900а, 1900b; Holst, 1950; Wever, Lawrence, 1950; Bekesy, 1953; Wever, 1964, и др.) было показано, что само давление, приложенное ко всей поверхности рецепторов, не является фактором, ведущим к возникновению возбуждения. Напротив, локальная деформация структур сенсорной клетки (рис. 120), вызванная, например, движением жидкости в полукружных каналах, колебаниями базилярной мембраны в кортиевом органе или смещениями отолитов вдоль поверхности чувствительного эпителия макул утрикулюса и саккулюса, служит началом процессов, обусловливающих возникновение реакции сенсорного прибора (обзоры: Davis, 1959; Gernandt, 1959; Bekesy, 1960; Кисляков и др., 1972; Молчанов, Радионова, 1972).
В литуратуре была высказана точка зрения, согласно которой волоски чувствительных клеток можно рассматривать как микрорычаги, при смещении которых возникает деформация механочувствительного субстрата (Davis, 1958, 1965; Flock, 1965b, 1971а). Наличие такого рода деформаций структур сенсорных клеток при механических воздействиях было в последние годы продемонстрировано, как уже упоминалось, и экспериментальным путем (рис. 120).
Изучение действующего фактора механического стимула проводилось и на одиночных сенсорных органах и одиночных рецепторах. В экспериментах на тельцах Пачини выводы о значении локальной деформации были подтверждены в двух видах опытов. Если декапсулированное нервное окончание тельца Пачини размещалось в специальном устройстве между двумя пьезокристаллами, то ответная реакция наблюдалась при деформации рецептора лишь одним из кристаллов (рис. 122). Одновременное же и равномерное сдавливание нервного окончания с двух сторон не вызывало появления ответа (рис. 122, /, б) даже при гидростатическом давлении, в 400 раз превышающем пороговое в первом случае (Loewenstein, 1965). В экспериментах на интактных тельцах Пачини (Ильинский и др., 1968) была также показана значительно большая эффективность воздействия, вызывающего одностороннюю деформацию нервного окончания (пороговая амплитуда раздражения в этом случае была небольшой) (рис. 122, II, А), по сравнению со стимулами, вызывающими (благодаря упругости капсулы) относительно равномерное сдавливание рецепторной терминали (рис. 122, II, Б).
В экспериментах на ампулах Лоренцини, рецепторы которых, как уже отмечалось (стр. 50, рис. 97), обладают высокой чув-
Рис. 121. Действие различных видоъ механического раздражения на рецепторы ампул Лоренцини (по: Loewenstein, 1960).
А — схема эксперимента, позволяющего независимо изменять давление внутри и снаружи от ампулы. Б — схема и размеры ампулы (П — пора канала; Т — трубка канала; Н — нерв). В, Г — зависимость частоты импульсации и амплитуды генераторного потенциала от изменения давления (В — при различии в величинах давления снаружи и внутри от ампулы; Г — при одинаковых величинах давления). По оси абсцисс — давление (см рт. ст.; на В — дифференциальное, на Г — общее); по оси ординат: слева — частота импульсации (имп./сек.), справа — амплитуда РП (мв). Точки — ПД; крестики — ГП.
ствительностью к действию механического раздражения, было показано (Loewenstein, 1960), что увеличение давления внутри ампулы лишь в случае, когда оно приводило к растяжению стенок ампулы, вызывает появление ответной реакции (возникновение деполяризационного РП и импульсной активности). Амплитуда локальной деполяризации и частота афферентной импульсации закономерно возрастали при увеличении деформации как функции разности давлений внутри и снаружи стенок ампулы (рис. 121, Б). В отличие от этого одновременное и одинаковое увеличение давления как внутри, так и снаружи относительно стенок данного сенсорного прибора не вызывало растяжения и не вызывало никакого ответа (рис. 122, В).
Механочувствителъностъ нервных волокон
Исследователи давно пришли к заключению, что ряд ценных сведений о свойствах рецепторных приборов могут дать эксперименты модельного характера, проводимые на нервных волокнах (см., например:
Bernhard et al., 1942). В этой связи многие авторы проводили опыты на различных нервных волокнах в условиях раздражения их механическими стимулами.
В литературе имеются факты, говорящие о том, что нервные волокна могут возбуждаться при действии механического стимула (Heidenhain, 1856 —
Рис.
122. Действие различных видов механического
раздражения на тельца Пачини (I — по:
Loewenstein, 1965; II
—
по: Ильинский, 1966а).