Нейронные связи в головном мозге¶
Нейронные связи (синапсы, межнейронные контакты) — специализированные функциональные контакты между нервными клетками либо между нейронами и клетками-мишенями (мышечными, железистыми), обеспечивающие передачу сигнала и лежащие в основе работы нервной системы. Совокупность устойчивых связей между нейронами образует нейронную сеть, а её перестройка под влиянием опыта называется нейропластичностью.
¶Общее понятие
Нейрон состоит из тела (сомы), дендритов, воспринимающих сигналы, и аксона, передающего возбуждение. Место передачи сигнала от одного нейрона к другому — синапс. Число синапсов у одного нейрона может достигать десятков тысяч, а общее количество связей в мозге человека оценивается величиной порядка 10¹⁴–10¹⁵. Именно плотность и конфигурация этих контактов, а не только число клеток, определяют вычислительные возможности нервной системы.
¶Строение синапса
Типичный химический синапс включает три элемента:
- пресинаптическое окончание — расширение аксона, содержащее везикулы с нейромедиатором;
- синаптическая щель — промежуток шириной 20–40 нм;
- постсинаптическая мембрана — участок дендрита, тела или другого аксона с рецепторами.
Приход потенциала действия вызывает выброс медиатора в щель; молекулы связываются с рецепторами и меняют возбудимость постсинаптической клетки. Основные медиаторы — глутамат (возбуждающий), ГАМК и глицин (тормозные), а также ацетилхолин, дофамин, серотонин, норадреналин.
¶Виды связей
Связи классифицируют по нескольким основаниям:
| Основание | Типы |
|---|---|
| Механизм передачи | химические, электрические (щелевые контакты), смешанные |
| Эффект | возбуждающие, тормозные, модулирующие |
| Локализация контакта | аксо-дендритные, аксо-соматические, аксо-аксонные |
| Число контактов | моносинаптические, полисинаптические |
Электрические синапсы передают сигнал быстрее и двусторонне, химические — медленнее, но пластичнее и позволяют усиливать или ослаблять сигнал.
¶Принципы работы
Передача через синапс подчиняется ряду правил. Закон Дейла гласит, что нейрон выделяет один и тот же медиатор во всех своих окончаниях. Явление суммации позволяет складывать слабые сигналы во времени и пространстве. Ключевой механизм обучения — долговременная потенциация (ДВП): при частой совместной активации синапс усиливается; противоположный процесс — долговременная депрессия (ДДП). Эти эффекты описывает правило Хебба: «клетки, которые возбуждаются вместе, связываются вместе».
¶Формирование и развитие
У эмбриона связи закладываются избыточно, затем часть из них устраняется в ходе синаптического прунинга — отсечения неиспользуемых контактов. Пик образования синапсов у человека приходится на первые годы жизни, а прунинг активно идёт в детстве и подростковом возрасте. Миелинизация аксонов ускоряет проведение сигнала и завершается лишь к 20–25 годам.
¶Нейропластичность
Нейропластичность — способность связей изменяться под влиянием опыта, обучения и повреждений. Она включает рост новых отростков, изменение силы существующих синапсов и перестройку сетей. Пластичность лежит в основе запоминания, освоения навыков и восстановления после инсульта: уцелевшие нейроны берут на себя функции погибших. В советской и российской науке значительный вклад в изучение пластичности внесли работы физиологов школы И. П. Павлова и последующие исследования механизмов памяти.
¶Методы изучения
Связи исследуют электрофизиологически (регистрация активности отдельных нейронов), с помощью микроскопии и трассировки, а также методами визуализации мозга — функциональной МРТ, электроэнцефалографии, позитронно-эмиссионной томографии. Компьютерные модели нейронных сетей, включая искусственные нейросети, воспроизводят отдельные принципы работы биологических связей.
¶Нарушения
Гибель или повреждение связей наблюдается при нейродегенеративных заболеваниях — болезни Альцгеймера, Паркинсона, рассеянном склерозе. Нарушение баланса медиаторов связывают с депрессией, тревожными расстройствами, эпилепсией. Ряд психоактивных веществ и лекарств действует именно на синаптическую передачу. Миф об «отмирании нейронов, которые не восстанавливаются», устарел: новые клетки в отдельных зонах мозга взрослого человека образуются, хотя и ограниченно, а связи перестраиваются на протяжении всей жизни.
¶Значение
Понимание нейронных связей важно для медицины, психологии, педагогики и разработки искусственного интеллекта. Представление о пластичности обосновывает реабилитацию после травм мозга и подходы к обучению. Вместе с тем механизмы памяти и сознания остаются предметом активных исследований.
Источники: учебники по физиологии человека и нейробиологии, работы по нейропластичности, материалы по строению синапсов и методам нейровизуализации.