A.F.Samoilov and the mediator theory of excitation transfer

Abstract

The name of A.F.Samoilov is closely connected with domestic electrophysiology, which owes him the formation and maturity.

Full Text

Имя А. Ф. Самойлова тесно связано с отечественной электрофизиологией, которая обязана ему становлением и возмужанием.

В 1906 г. в физиологическом кабинете физико-математического факультета Казан­ского университета по инициативе нового руководителя проф. А. Ф. Самойлова впер­вые в России был установлен струнный гальванометр Эйнтховена — прибор, позволяв­ший записывать на фотобумаге электрические токи нервов и мышц, а два года спустя отсюда начали выходить многочисленные электрофизиологические работы, получившие мировое признание. Казанская лаборатория А. Ф. Самойлова стала русским электро­физиологическим центром, здесь была записана первая в России электрокардиограмма, отсюда метод электрокардиографии шагнул в клинику, к постели больного, вооружив врача новым диагностическим средством.

Научные интересы А. Ф. Самойлова сложились под влиянием трех его знамени­тых учителей и современников. От И. П. Павлова А. Ф. Самойлов воспринял идеи нервизма. И. М. Сеченов, под руководством которого завершилось формирование А. Ф. Самойлова как ученого, передал ему идеи о неразрывной связи физиологии с физикой и химией живой материи, позволявшие рассматривать возбуждение как комп­лекс физико-химических реакций, поддающихся тонкому инструментальному иссле­дованию. H. Е. Введенский, с которым А. Ф. Самойлов встречался во время заседа­ний VII съезда русских естествоиспытателей и врачей, привлек его внимание к элек­трическим явлениям, возникающим при возбуждении живых тканей. Токи мышц, обнаруженные H. Е. Введенским с помощью телефона, Самойлов научился записы­вать капиллярным электрометром, а затем, получив в свое распоряжение струнный гальванометр, стремился применить электрофизиологический метод исследования вез­де, где приходилось сталкиваться с возникновением и проведением возбуждения.

Казанский период деятельности А. Ф. Самойлова совпал с появлением новой важнейшей физиологической проблемы — проблемы механизма передачи возбуждения в межнейрональных связях. К этому времени их контактное строение стало вполне доказанным фактом, и потому возникла необходимость объяснения механизма пере­дачи нервного импульса через места простого соприкосновения последовательных элементов рефлекторной дуги. У нервной клетки есть два способа оказывать регули­рующее влияние на другую клетку: действием электрического тока или образованием специфического химического вещества. Но каким из них осуществляется влияние в действительности?

Изучение эволюционного развития регуляторных механизмов в живых структурах привело А. Ф. Самойлова к мысли, что возбуждение через синапс передается с по­мощью химических веществ.

У низших живых организмов регуляция физиологических функций осуществляется химическими веществами, выделяемыми одной группой клеток и раздражающими другие. Этот, по выражению А. Ф. Самойлова, «механизм гормональной сигнализа­ции» на более поздних стадиях филогенетического развития уступает новому, более совершенному способу регуляции, возникающему с появлением нервной системы. Нервные проводники заменяют медленное диффузное распространение химических продуктов быстрым адресованным изменением физико-химических процессов, состав­ляющих сущность нервного импульса.

Разные части регуляторных систем и исполнительных органов развиваются из разных зачатков и не проникают друг в друга, а лишь контактируют, образуя функ­циональный комплекс. Нет никаких оснований, однако, отрицать первичный способ влияния, сохраняемый в пограничных областях, которыми, по сути дела, и являются синапсы. Здесь-то, в до предела суженной зоне, и продуцируется химическое веще­ство, способное к локализованному раздражению. Старое качество сохранилось, но, заключенное в узкие рамки синапса, оно обеспечило новую, более тонкую функцию приспособления организма к меняющимся условиям внешней среды.

В начале нашего столетия появился ряд исследований, прямо или косвенно под­тверждающих справедливость этой концепции для органов, иннервируемых вегета­тивной нервной системой. Так, в 1904 г. казанец В. В. Чирковский в диссертационной работе «К вопросу об иннервации зрачка» описал «раздражающее влияние крови» на денервированные зрачок и третье веко кошки, проявляющееся при стимуляции чувствительных нервов. В 1921 г. австрийский фармаколог О. Лёви в знаменитых экспериментах на изолированных сердцах лягушек доказал возможность гуморального переноса эффектов, вызванных раздражением экстракардиальных нервов.

В 1924 г. в сборнике, посвященном 75-летию академика И. П. Павлова, была опубликована ставшая теперь классической работа А. Ф. Самойлова «О переходе возбуждения с двигательного нерва на мышцу». В истории учения о медиаторах этой работе принадлежит выдающаяся роль. Главный вывод ее состоял в том, что не только вегетативные, но и соматические нервные волокна используют для передачи своих влияний на исполнительные органы какие-то химические вещества.

Предположение, что передача нервного импульса связана с выделением нервны­ми окончаниями раздражающего вещества, легко объяснило целый ряд особенных явлений, которыми сопровождается этот процесс. Стала понятной так называемая синаптическая задержка, необходимая для осуществления секреторной функции, получили объяснение одностороннее проведение импульсов с нерва на мышцу, низкая лабильность мионеврального соединения, быстрая утомляемость и высокая чувстви­тельность мионевральной области к действию различных фармакологических пре­паратов.

Понадобилось немного времени, чтобы эти взгляды полностью подтвердились. Экспериментами А. В. Кибякова (1933) был доказан факт появления активных веществ в перфузате шейного симпатического ганглия кошки во время раздражения преганглионарных симпатических волокон. Работа эта, навеянная идеями А. Ф. Са­мойлова, может служить хорошим свидетельством торжества его взглядов.

Результаты исследований последних лет вновь и вновь подтверждают правиль­ность суждений А. Ф. Самойлова, доказывая химический механизм синаптической пе­редачи возбуждения во многих периферических и центральных синаптических обра­зованиях.

Электронная микроскопия позволила во всех деталях изучить ультраструктуру синапса: пресинаптическое волокно расширяется на своем конце, образуя синаптиче­скую бляшку, последняя контактирует с участком мембраны постсинаптического ней­рона. Этот участок получил наименование субсинаптической мембраны. Пресинапти­ческая мембрана аксонального окончания и субсинаптическая мембрана разделяются друг от друга узкой синаптической щелью. В синаптической бляшке находятся ми­тохондрии и содержится большое количество пузырьков, везикул, которые распола­гаются в непосредственной близости от пресинаптической мембраны с ее тончайшими порами. Синаптические пузырьки являются характерной особенностью пресинаптиче­ской бляшки; в других участках цитоплазмы они не обнаруживаются. В настоящее время стало почти общепризнанным предположение, что именно в них содержатся запасы медиатора, в частности ацетилхолин (Del Castillo, Katz, 1957). В пресинаптических окончаниях происходит и синтез химического посредника, поскольку именно здесь установлена высокая концентрация холинацетилазы — фермента, синтезирую­щего ацетилхолин.

Под влиянием нервного импульса в пресинаптических бляшках происходит одно­моментный разрыв многих пузырьков, и содержимое их мгновенно высвобождается в виде квантов ацетилхолина в синаптическую щель. Мембраны по обе стороны синаптической щели уплотнены. Около этого уплотнения в синаптической бляшке и скапливаются пузырьки, именно здесь и происходит выброс медиатора. Воздействие же выделившегося медиатора осуществляется в области уплотнения субсинаптической мембраны. Поэтому уплотнения получили название «активных зон» синапсов. Име­ются данные, что субсинаптическая мембрана специфическим образом приспособлена для восприятия влияния медиатора — она электрически невозбудима, но чувствительна к химическому раздражителю. Соседние же участки постсииаптической мембраны обладают электрической возбудимостью. Под воздействием медиатора в химически чувствительной субсинаптической мембране возникает кратковременная локальная деполяризация (Eceles, 1951, 1952) или возбуждающий постсинаптический потен­циал — ВПСП, который связывают с увеличением ионной проницаемости субсинапти­ческой мембраны за счет открытия имеющихся в ней пор. Потоки ионов обусловли­вают образование электрического тока. Он проходит через синаптическую щель, вхо­дит в субсинаптическую мембрану, выходит из остальной части постсинаптической электровозбудимой мембраны, проявляя в месте выхода свое раздражающее дей­ствие— деполяризуя мембрану. Пороговый уровень деполяризации постсинаптической мембраны, ведущий к возникновению пэтенциала действия и импульсного разряда, достигается путем временной и пространственной суммации ВПСП, вызванных отдель­ными пресинаптическими импульсами, идущими через один или различные синапсы. Известно, что на теле каждой нервной клетки имеются сотни синаптических бляшек.

Как уже указывалось, основная часть медиатора содержится в пузырьках пре­синаптических окончаний, именно он освобождается под влиянием нервного импульса. Другая же часть медиатора (избыточный ацетилхолин) находится вне пузырьков и подвергается гидролизу под влиянием холинэстеразы. Этот ацетилхолин не освобож­дается нервным импульсом. Медиатор, заключенный в пузырьки, защищен их стен­кой от действия разрушающего фермента. Медиатор, проявивший свое воздействие на субсинаптическую мембрану, быстро инактивируется холинэстеразой, содержащейся в области активной зоны синапса.

Современные представления о химической медиации были рассмотрены нами на примере холинергических синапсов центральной нервной системы. Правда, таких си­напсов немного. Бесспорно доказано участие ацетилхолина в передаче возбуждения в синаптических окончаниях на клетках Реншоу, в коре головного мозга, базальных ганглиях, коленчатых телах, таламусе. В большем же числе интрацентральных синап­сов посредником в передаче возбуждения служит не ацетилхолин, а другие медиа­торы. Установлено наличие адренергических синапсов, где химическим посредником является норадреналин. Имеются синапсы, где природа медиатора еще не изучена. Однако принципиальные моменты, характеризующие морфологические и физиологиче­ские особенности синапсов с химической передачей возбуждения, остаются везде едиными.

Сходны ультраструктура и механизм синаптической передачи возбуждения и в нервно-мышечном соединении, а также в других периферических синапсах (Del Castillo, Katz, 1956; Гинецинский, 1947; Шамарина, 1962, и др.).

Наряду с возбуждающими описаны и тормозные синапсы с химической переда­чей импульса. А. Ф. Самойлов в последние годы жизни интересовался вопросами центрального торможения и совместно с М. А. Киселевым (1927) провел электрофи­зиологические исследования, позволившие впервые высказаться в пользу медиаторной природы тормозного процесса в центральной нервной системе.

В настоящее время признано, что тормозное синаптическое влияние приводит к развитию гиперполяризации или стойкой деполяризации постсинаптической мембраны, что и блокирует дальнейшее проведение возбуждающих влияний. Тормозное синап­тическое влияние связывают с действием специфических тормозных медиаторов, влияющих на особые участки постсинаптической мембраны. Природа тормозного медиатора еще мало изучена. Роль тормозного медиатора приписывалась фактору 1, Ѵ-аминомасляной кислоте, адреналину, норадреналину, ацетилхолину, веществу Р и др. (Eceles, 1962). Имеются также данные, что одно и то же вещество может ока­зывать неодинаковое — возбуждающее или тормозящее — влияние на различные постсинаптические мембраны, очевидно, в связи с особенностями имеющихся там рецепторных групп (Орлов, 1964 и др.). В частности, это доказано в отношении влияния ацетилхолина.

Наряду с постсинаптическим торможением теперь известно и пресинаптическое торможение, выражающееся в том, что импульсы, идущие по афферентным волокнам, вызывают деполяризацию пресинаптических окончаний (Костюк, 1965). Это ведет к уменьшению выхода возбуждающего медиатора и снижению величины ВПСП мотонейронов. Существует мнение, что пресинаптическое торможение также связано с действием медиатора, с его длительным влиянием, но этот медиатор отличается от того, который ответствен за постсинаптическое торможение.

Хотя природа тормозных медиаторов еще не совсем ясна, но полученные экспе­риментальные факты, говорящие о химической медиации тормозного процесса в цент­ральной нервной системе, подтверждают мысль, впервые высказанную А. Ф. Самой­ловым.

Теория химической передачи возбуждения приобретает все большее количество сторонников, обогащается все новыми убедительными экспериментальными фактами. Учение о химической медиации проникает в различные сферы физиологии и смежных дисциплин, превращась в одну из ведущих проблем современной биологии и меди­цины.