Пейсмейкеры мозга млекопитающих — супрахиазменные ядра

В конце 60-х годов физиолог Курт Рихтер провел ряд экспериментов на крысах, пытаясь найти участки мозга, ответственные за ритмичность. Он разрушал отдельные области мозга — всего более чем в 200 различных местах — у сотен крыс, а затем следил за нарушениями циркадианных ритмов в потреблении пищи, питье, характере активности у каждого животного. В результате длительной серии опытов Рихтер установил, что нарушения суточных ритмов у крыс возникают при повреждении определенной части гипоталамуса.

В те же годы было проведено другое исследование, поставившее ученых в тупик. У крыс с циркадианными ритмами, приуроченными к световому циклу, в лабораторных условиях не наблюдалось нарушения ритма даже при повреждении зрительных проводящих путей между сетчаткой и мозгом. Очевидно, механизм биологических часов, находящийся у крысы, по мнению Рихтера, в гипоталамусе, получал информацию о свете и темноте, минуя обычные зрительные каналы.

Эта загадка была вскоре разрешена в результате анатомических исследований, которые показали, что существует особый нервный путь, соединяющий сетчатку каждого глаза с гипоталамусом. Этот путь ведет от глаз прямо к двум небольшим скоплениям нейронов в гипоталамусе — так называемым супрахиазменным ядрам. Эти ядра лежат непосредственно над зрительной хиазмой, где перекрещиваются нервные волокна, идущие от каждого глаза. Вооруженные этой информацией, две исследовательские группы вскоре доказали, что супрахиазменные ядра — это важнейшие гипоталамические структуры, необходимые для осуществления нормальной циркадианной ритмичности у крыс.

Образования, аналогичные супрахиазменным ядрам, были позднее обнаружены у всех млекопитающих от утконоса до шимпанзе. И в гипоталамусе человека тоже имеются супрахиазменные ядра (рис. 95).

Рис. 95. На этом разрезе мозга, проходящем в срединной плоскости, можно видеть, что супрахиазменное ядро расположено над формация зрительным перекрестом в основании гипоталамуса. Показаны также широко дивергирующие аксоны, исходящие из одного источника — ретикулярной формации.

 

Каждое супрахиазменное ядро (их всего два — по одному с каждой стороны гипоталамуса) состоит приблизительно из 10000 небольших, плотно уложенных тел нервных клеток со слабо ветвящимися дендритами. Многие соседние нейроны образуют синапсы друг с другом в переплетении локальных сетей. Синапсы между близко расположенными нейронами — явление, не характерное для мозга, но, как полагают многие ученые, наши нейронные часы должны состоять именно из таких плотно упакованных взаимодействующих клеток. По-видимому, нейроны этих ядер выделяют несколько различных медиаторов, но пока в больших количествах здесь обнаружен только серотонин, который приходит от ядер шва по путям типа дивергентных сетей с одним входом.

Входные и выходные пути супрахиазменных ядер проследить довольно трудно из-за плотного расположения нейронов. Известен тракт, идущий от сетчатки, а также входные связи от одного из отделов гипоталамуса и от ядер шва в стволе мозга. Ядра шва содержат серотонинэргические нейроны, которые и служат источником больших количеств серотонина в супрахиазменных ядрах.

Нейроны, тела которых находятся в супрахиазменных ядрах, посылают свои аксоны к другим ядрам гипоталамуса (которые, возможно, тоже являются пейсмейкерами), а также к гипофизу и (через полисинаптическую сеть) к эпифизу и тем частям мозгового ствола, которые, как известно, участвуют в регулировании сна.

Данные о том, что супрахиазменные ядра действительно сами генерируют ритмы, были получены в экспериментах на крысах (S. Inouye, H. Kawamura). При регистрации электрической активности нервных клеток этих ядер и других областей мозга у нормальных животных во всех исследованных участках был обнаружен ритм спонтанных разрядов, соответствовавший циркадианному циклу сна и бодрствования. После того как все нервные связи между супрахиазменными ядрами и остальными частями мозга были перерезаны, циркадианный ритм активности сохранился только в этих ядрах. Результаты опытов ясно указывают на роль супрахиазменных ядер как пейсмейкеров, по крайней мере у крыс.

В отношении человека единственными данными являются клинические описания расстройств поведения у больных с опухолями мозга, которые, как выяснилось при вскрытии, были локализованы в области супрахиазменных ядер. При опухолевых поражениях переднего края третьего желудочка и зрительного перекреста (место расположения этих ядер) отмечались серьезные нарушения ритма сна и бодрствования (Fulton, Baily, 1929).

Другие пейсмейкеры

Хотя супрахиазменные ядра определенно играют важнейшую роль в регулировании циркадианных временных систем, имеются данные о существовании также и других ритмоводителей у млекопитающих. Так, например, у обезьян саймири с поврежденными супрахиазменными ядрами исчезают ритмы питания, питья и активности, но остается неизменным суточный цикл температуры тела. Это показывает, что колебания температуры находятся под контролем какого-то другого пейсмейкера.

Дополнительные данные в пользу того, что у млекопитающих функционирует не один пейсмейкер, были получены при обследовании таких людей, как Мишель Сиффр (см. выше), живущих в изоляции. Тот факт, что у испытуемых наблюдается спонтанная десинхронизация, т.е. несовпадение циркадианного ритма температуры тела и цикла сон-бодрствование, указывает на существование по меньшей мере двух пейсмейкеров. Имеются определенные наборы ритмов, которые в таких экспериментах никогда не десинхронизируются и, следовательно, должны быть подчинены общему ритмоводителю. В один такой набор входят ритмы сна и бодрствования, температуры кожи, концентрации гормона роста в крови и содержания кальция в моче (рис. 96). Предполагается (хотя это отнюдь не доказано), что эту группу ритмов контролируют супрахиазменные ядра. Во вторую группу показателей, варьирующих согласованно даже тогда, когда происходит десинхронизация других функций организма, входят циклы сна с БДГ, внутренней температуры тела, уровня кортизола в крови и калия в моче. Пейсмейкер, контролирующий эти ритмы, по-видимому, более устойчив, чем тот, от которого зависит ритм сна и бодрствования. В тех случаях, когда ритмы становились свободнотекущими, т. е. при отсутствии внешних времязадателей, эта группа редко отклонялась от 24,8-часового цикла (Moore-Ede et al., 1982).

Рис. 96. Внутри каждой из этих двух групп ритмов не происходит десинхронизации при их свободном протекании. Это означает, что ритмы каждой группы, по-видимому, регулируются одним пейсмейкером. (Moore-Ede, Sulzman, Fuller, 1982.)

 

На многие вопросы о биологических часах у человека и других млекопитающих мы пока не можем ответить: сколько их, как они взаимодействуют между собой и есть ли в организме «главный ритмоводитель», по которому устанавливаются и «проверяют время» все остальные. Больше знаний нужно и для того, чтобы помочь в диагностике и лечении расстройств, которые могут быть связаны с десинхронизацией ритмов.

⇐ Предыдущая26272829303132333435Следующая ⇒

Поделиться: