Проблема самоорганизации нейронных структур требует выяснения двух основных вопросов:
1) какие свойства элементов систем существенны для самоорганизации, 2) какими должны быть законы взаимодействия элементов, позволяющие реализовать самоорганизацию.
То, что элементы самоорганизующихся систем должны обладать определенной спецификой, неоднократно подчеркивали как математики [13], так и биологи [48]. Поведение элементов биосистем в свою очередь определяется спецификой физико-химического состояния живого вещества, находящегося в состоянии «устойчивого неравновесия» [6], которое, с современной точки зрения, можно интерпретировать, как результат взаимодействия многоуровневых внутри- клеточных нелинейных осцилляторов как кинетической, так и молекулярно-структурной природы.
По-видимому, механизм взаимодействия нелинейных осцилляторов является одним из механизмов самоорганизации [9, 10].
В особенности существенным этот механизм может считаться при рассмотрении внутриклеточной самоорганизации как механизма синхронизации пространственно разобщенных процессов в клетке и взаимодействия нейронов, каждый из которых непрерывно подвергается воздействию ритмических импульсных потоков.
Хотя этот вопрос несомненно важен, в современных моделях нейронов, к сожалению, не представлены ни способность нейрона к целесообразному приспособлению, ни возможность наличия эндогенных ритмов, свойст- венных данному нейрону и позволяющих ему избирательно реагировать на входной импульсный поток. Наличие таких ритмов обсуждалось в ряде физиологических работ в связи спроблемой «пейсмекеров» [11].
В настоящей работе представлены эксперименталь- ные данные, свидетельствующие о наличии таких ритмов в изолированной нейрорецепторной клетке речного рака.
Методика
Потенциалы действия (ПД) отводились внеклеточно от нервного ствола с помощью серебряного электрода диаметром 0,3 мм. Импульсы усиливались УБП102 и регистрировались с помощью шлейфного осциллографа Н-102.
Раздражение производилось стеклянными микроэлек- тродами, заполненными 3М раствором КСl. Диаметр кончика измерялся под микроскопом МБР-1 и составлял 25мк, сопротивление 15 Мом.
Микроэлектрод подводили с помощью микроманипулятора ММ-1 к избранной точке нейрона под контролем микроскопа МБР-1 (рис.1). В качестве источника раздражающего тока использовался генератор Г347.
Результаты экспериментов
Реакция быстроадаптирующегося нейрона.
Реакция быстроадаптирующегося (БА) нейрона на механичеcкое (адекватное) раздражение достаточно подробно изучена многими авторами [12, 13].
При электрическом раздражении наиболее эффективным является положение микроэлектрода в области аксонного холмика (АХ), при этом возбуждение происходит, когда на микроэлектроде отрицательное напря- жение. Порог раздражения в этом случае минимален. Располагая микроэлектрод вблизи сомы или удаляясь от АХ по волокну, можно наблюдать изменение порога и даже инверсию знака раздражающего потенциала.
При условии одинаковой реакции на толчок постоянного тока, которой можно добиться, расположив микроэлектрод при подготовке к опыту соответствующим образом, реакции различных препаратов на ритмическое раздражение совпадают с точностью до 10%.
Такое раздражение не вызывает импульсной активности нейрона, пока fc <1,5 гц.
Рис.2
На рис. 2 показано изменение частоты БА-нейрона (fH) при изменении частоты стимула (fc); амплитуда раздражения 11 в. Микроэлектрод расположен вблизи АХ.
При достижении этой частоты наблюдается резкий переход к режиму, при котором нейрон работает с частотой, совпадающей с fc (рис. 3,а). Диапазон захватывания частоты (ЗЧ) зависит от амплитуды стимула.
В данном опыте ЗЧ скачком прекращается при fc = 7 гц. При изменении fс от 7 до 8 гц наблюдается ЗЧ с делением в отношении 2:1, при частотах, незначительно превышающих 8 гц, нейрон реагирует на каждый третий или четвертый стимул и затем реакция вообще исчезает вплоть до частоты 13 гц (рис. 3,б). От 13 до 14 гц реакция является вероятностной, т. е. однозначного соответствия между fс и fH установить не удается и при повторных стимуляциях реакция в этом диапазоне оказывается каждый раз иной. С 14 гц начинается ЗЧ вплоть до 27 гц. В диапазоне от 27 до 30 гц наблюдается переходной режим реакции, при котором можно обнаружить отклик нейрона, соответствующий либо каждому периоду стимула, либо с выпадением одного периода. С 30 до 42 гц наблюдается ЗЧ с делением частоты 2:1, и, наконец, при более высоких частотах реакция вновь становится вероятностной.
При дальнейшем увеличении частоты стимуляции вплоть до 20 000 гц импульсная реакция нейрона отсутствует. На рис. 3, в представлен ход процесса от 15 до 60 гц. Если изменять амплитуду стимула, общий ход реакции закономерно изменяется.
Результаты можно объединить с помощью рис.4. Линия а представляет собой геометрическое место точек, соответствующих началу первой полосы ЗЧ с отношением частот fc: fa равным 1:1. Линия б соответ ствует переходу в вероятностный режим, в началу первой полосы ЗЧ с отношением частот 2:1, г ее окончанию и д исчезновению импульсной реакции. Линия е соответствует началу новой полосы ЗЧ.
Реакция становится детерминированной (отношение частот 1:1), начиная с линии ж, и остается таковой вплоть до линии з. Между з и и реакция недетерминированна, между и и к захватывание происходит с делением частоты 2:1. В области между к и л реакция опять становится вероятностной, и, наконец, линия л соответствует оконча- тельному исчезновению импульсной реакции нейрона вплоть до fс= 20 000 гц. Таким образом, можно наб- людать три четко выраженных полосы ЗЧ (а-б, ж з, и -к) и одну (в г) менее выраженную.
Рис.4 Пояснения в тексте
Эти эффекты мы наблюдали на 30 препаратах. На одном и том же препарате измерения можно проводить многократно (10 и более раз) без заметных изменений в результатах. Для различных препаратов соответствующие частоты несколько отличаются вследствие небольших различий в положении микроэлектрода, а также в зависимости от физиологического состояния препарата.
Наиболее стабильна область второго ЗЧ с отноше- нием частот 1:1 (ж-з), в то время как предыдущие области захватывания на некоторых препаратах отсутствовали. Иногда отсутствовала и область и-к (рис.3, г).Если кончик микроэлектрода расположить вдали от АХ, общий ход кривой fн = φ (fс) изменяется.
В области низких частот в этих опытах до того, как начинается захватывание 1:1, можно наблюдать пачечную активность. Число импульсов в пачке с увеличением fc уменьшается, и пачка вырождается в одиночные импульсы, затем происходит деление частоты в 2, 3, п раз и где-то на 1015 гц импульсная активность исчезает. Приведенные результаты относятся к опытам, в которых частота стимула линейно нарастала со временем.
В следующей серии опытов исследовалась реакция БА-нейрона на включение стимула фиксированной частоты (fc).
Рис. 5. Длительность реакции БА-нейрона при включении стимулов различной частоты
Если fc находится за пределами зон ЗЧ, то БА-нейрон некоторое время τ, зависящее от fcи амплитуды стимула, работает с частотой fн= fc, затем адаптируется и прекращает импульсную активность (рис. 5).
При fc, принадлежащей области ЗЧ τ = в этих условиях нейрон не проявляет адаптации.
Зависимости τ от fc для одного из препаратов (два первых диапазона не показаны) представлены на рис. 6.
Рис.6.Зависимость времени реакции от частоты и амплитуды стимула:1амплитуда 20 В; 2 амплитуда 10 В; 3 амплитуда 8 В
От препарата к препарату эффект варьирует незначительно.
Реакция медленно адаптирующегося нейрона.
Реакция МА-нейрона качественно во многом сходна с реакцией БА. Основное отличие связано с тем, что МА-нейрон при отсутствии раздражения может генерировать импульсы с собственной фоновой частотой (230 гц), определяемой степенью приложенного растяжения.
При включении ритмического раздражения, начиная от 0,1гц, частота нейрона модулируется изменениями стимула (рис.7,а), затем появляются пачки импульсов (рис.7,б и в), дальнейшее увеличение fс вызывает ЗЧ с отношением 1:1 (рис.7, г).
Ширина этого диапазона ЗЧ и значения его граничных частот зависят как от фоновой частоты работы нейрона fф, так и от амплитуды стимула. С увеличением fф диапазон захватывания расширяется. Зависимость этого диапазона от амплитуды стимула при fф = 9 гц представлена на рис. 8.