Некоторые действия являются адаптивной реакцией клеток на самостоятельно получаемые стимулы, т.е. клетки ведут себя как независимые эффекторы. В эту категорию входят некоторые железистые и мышечные клетки; хроматофоры иглокожих, непосредственно реагирующие на свет; кни-доциты (стрекательные клетки книдарий),разряжающиеся при контакте с чужеродным организмом (хотя на них действует и то, насколько животное голодно). Аналогичным образом координированное биение ресничек обеспечивается механическими взаимодействиями между смежными орга-неллами.
Протисты являются независимыми эффекторами по определению, однако демонстрируют контрольные механизмы, идентичные некоторым из действующих в нервной системе. При встрече с препятствием при движении вперед в Paramecium возникает мембранная деполяризация, и в клетку поступает Сап, что изменяет направление биения ресничек на противоположное. Стимуляция сзади увеличивает проницаемость мембраны для К+, повышает потенциал покоя и ускоряет биение.Большинство эффекторов не относятся к независимым. Обычно поведение представляет собой результат спонтанной активности, генерируемой в нервной системе, или ответ на стимуляцию. Его элементы принято относить либо к рефлексам, либо к устойчивым комплексам действий. Рефлекс— это стереотипный, относительно простой двигательный ответ на специфический стимул. Его сила и/или масштабы зависят от интенсивности стимуляции.
Концепция устойчивых комплексов действий возникла в ходе развития этологии, сравнительного изучения видоспецифично-го поведения, начатого Лоренцом и другими. Такие комплексы представляют собой стереотипные действия, часто весьма сложные и не изменяющиеся в зависимости от силы стимуляции. Они могут быть и спонтанными, а если вызываются стимуляцией, последняя действует только как пусковой механизм. Один и тот же комплекс могут вызывать совершенно различные стимулы; например, рак принимает характерную позу защиты в ответ на широкий диапазон сигналов угрозы. Комплексы генетически детерминированы и точное выполнение определенной «программы» обеспечивается организацией нервной системы. Обратные связи, как таковые, их не контролируют.
Рефлекс с участием рецептора растяжения рака, как и коленный рефлекс человека, является моносинаптическим, т.е. между рецепторным и двигательным нейронами находится только один химический синапс. Этот рефлекс отвечает за сохранение позы,поскольку, если соответствующая мышца растягивается, активация рецептора и затем связанного с ним мотонейрона вызывает противодействующее мышечное сокращение. Такая нервная цепь также контролирует выполнение мышцами команд, поступающих из центральной нервной системы (рис. 16.24).
Во многих реакциях избегания или испуга участвуют гигантские аксоны (разд. 16.2.4). У пиявки их нет, однако по ее нервному стволу проходит путь с быстрой сквозной проводимостью, обеспечивающий резкое сокращение всего тела. Он состоит из ряда «S-клеток», по одной на сегмент, продольно направленные аксоны которых связаны с S-клетками соседних сегментов электрическими синапсами. Эта система иллюстрирует важность электрических (т.е. «быстрых») синапсов для реакции избегания (рис. 16.25). Разные типы механорецеп-торов стенки тела также образуют моноси-наптические рефлекторные дуги с мотонейронами «своего» сегмента.
Пожалуй, наиболее любопытный из всех известных рефлексов наблюдается у агрега-ционной стадии некоторых сальп (оболочники), которые образуют цепочки, включающие до 20 «зооидов». Каждый зооид связан с соседним двумя эпидермальными пластинками, проводящими в противоположных направлениях (рис. 16.26). Клетки на «выходе» каждой пластинки напоминают по ультраструктуре пресинаптические окончания (но это эпителиальные клетки, а не нейроны!). На «постсинаптической» стороне, отделенной тонким слоем внеклеточного вещества, находятся 6—12 ресничных рецепторных нейронов. Их стимуляция вызывает прохождение импульсов по аксонам в мозг и возбуждение там мотонейронов, индуцирующих потенциал действия в клетках эпидермиса, куда тянутся их отростки. За счет эпителиального проведения возбуждение распространяется к «выходной» пластинке зооида и т.д.
Врожденная способность центральной нервной системы генерировать и координировать упорядоченные комплексы двигательных действий продемонстрирована у многих групп животных. «Втягивание мантии и смыкание раковины у двустворчатого моллюска Муа,... копуляционные движения ритм полета, ходьбы дыхательные движения биение сердца плавательные сокращения у медузы—показано, что все это более или менее жестко (sic) контролируется центром» (Bullock, 1977).
Заднежаберный моллюск Tritonia реагирует на прикосновение хищной морской звезды 30-секундным «припадком» плава-ния. Это требует чередующихся сокращений дорсальных и вентральных мышц с участием либо сигналов, генерируемых центральной нервной системой, либо рефлекторной цепи — начальный стимул вызывает сокращение дорсальных мышц, это по принципу сенсорной обратной связи через рефлекторную дугу стимулирует вентральные мышцы и т. д. Исследования показали, что типичная картина наблюдаемой активности мотонейронов может быть воспроизведена в мозгу in vitro при стимуляции перерезанных сенсорных нервов. Это ясно показывает, что в данном случае для генерирования поведенческого ответа сенсорной обратной связи, обеспечиваемой мышцами, недостаточно.Многие элементы поведения заключают в себе признаки как рефлексов, так и устойчивых комплексов действий (приложение 16.9). У саранчи единственная клетка рецептора растяжения, связанная с местами сочленения крыльев, активируется в конце каждого взмаха. Здесь по крайней мере можно предположить систему, функционирующую посредством рефлекторных дуг, однако это не так, поскольку в изолированных торакальных ганглиях и без сенсорной стимуляции наблюдается активность, характерная для полета. В то же время импульсы, генерируемые рецепторами за каждый цикл, оказывают тоническое воздействие на скорость и силу взмаха крыла на протяжении нескольких циклов.
Нейроны LGMD саранчи (разд. 16.8.5) образуют синаптический выход на пару ней-ронов, называемых «контралатеральными детекторами движения» (DCMD), отростки которых спускаются в третий торакальный ганглий, где каждый из них иннервирует два нейрона — «С» и «М» (рис. 16.27). Синапсы каждого С-нейрона на мотонейронах двух антагонистических мышц—разгибателя и сгибателя голени — находятся в бедрах третьей пары ног.
Сначала С-клетка вызывает как «взведение» ноги с подгибанием голени под тело насекомого, так и совместное сокращение двух названных мышц-антагонистов, искривляющее эластичную кутикулу бедра. Затем по принципу положительной обратной связи кутикулярные рецепторы напряжения действуют на мотонейроны, усиливая сокращение мышцы-разгибателя. Наконец, обратная связь, образуемая другой группой рецепторов, в ответ на одновременное сокращение стимулирует М-клетки. Если это совпадает с продолжающимся поступлением сигналов от DCMD и т.д., М-клетки активируются, тормозя мотонейроны сгибателя и тем самым индуцируют прыжок с высвобождением запасенной в искривленной кутикуле энергии. Ясно, что сенсорная обратная связь, являясь интегральной частью системы, контролирующей прыжок, гарантирует неэффективность внешней инициации последнего, пока его механизм полностью не подготовлен (см. разд. 10.6.4).
У рака к каждому из сегментарных ганглиев подходят как стимулирующие, так и тормозные нейроны. Они впервые были открыты у ракообразных Вирсмой (Wiers-ma), который обнаружил, что активация особых клеток запускает координированную поведенческую программу. Командный нейрон отвечает за принятие решения. В то время как сенсорные пути диверги-руют, обеспечивая стимуляцию множества двигательных центров (разд. 16.8.3), командные нейроны внутри двигательных систем являются местом конвергенции и интеграции входных сигналов от различных сенсорных органов. Их активация или отсутствие таковой определяют, начнется или нет двигательное действие. Следовательно, для его генерирования работа таких клеток необходима и достаточна.
Гигантские волокна, управляющие ударами брюшка у рака (приложение 16.9), считались моделью командных структур Однако более детальное исследование показало, что ответ на их прямую экспериментальную стимуляцию не совсем такой, как в природе: естественные удары обычно более вертикальные и продолжительные. Таким образом, гигантские волокна определяют общий характер действия, но для его точного выполнения необходимы параллельные негигантские нервные пути.
Командные клетки обычно не определяют «деталей» двигательной активности: не устанавливают хронологии или порядка прохождения импульсов в контролируемых ими интер- и мотонейронах. Исключение составляют гигантские волокна, расположенные по краю колокола медуз, а также известные у аннелид и других удлиненных животных и отвечающие за практически одновременные сокращения отдаленных друг от друга частей тела, характерные для реакции избегания.
Во многих двигательных системах ни одна клетка или группа клеток, по-видимому, не соответствует командному элементу (см., например, рис. 16.27). Более того, хотя маутнеровские клетки у костистых рыб и водных амфибий являются ко-мандными нейронами, вся эта концепция плохо приложима к позвоночным.
Генерирование программы двигательного ответа часто осуществляется не командными и не двигательными нейронами, а расположенными между ними интернейронами. Одна из наиболее обычных двигательных программ связана с двумя мышцами, работающими как антагонисты. Нервная система должна гарантировать единовременную стимуляцию только одной из них. Одним из примеров может служить замкнутая петля из интернейронов, контролирующая плавание пиявки (рис. 16.11).
В каждом сегменте рака одному неспаи-ковому интернейрону свойственны регулярные спонтанные колебания мембранного потенциала, происходящие в фазе с биением плавательных ножек. Деполяризация и выход медиатора стимулируют мотонейроны мышц, отвечающие за гребущий удар, и тормозят мотонейроны, обеспечивающие возвратное движение конечности. Хотя от командных клеток зависит, будет активен этот интернейрон или нет, за генерирование программы действий отвечает именно он. Это можно продемонстрировать, ускоряя или замедляя колебания его потенциала экспериментальным путем. Ритм оказыва-ется перенастроенным — он не соответствует временным характеристикам предшествующего. Другие интернейроны участвуют в межсегментной координации, обеспечивающей метахрональный ритм биения плавательных ножек.В торакальном ганглии краба, контролирующем вентиляцию жабр, обнаружена сходная система: один неспайковый интернейрон функционирует по описанной выше схеме, а колебания потенциала второго не совпадают с первым по фазе (рис. 16.29). Работа обоих обеспечивает нормальные респираторные движения.
Благодаря наличию нескольких интернейронов, способных генерировать различные программы, индивидуальные мотонейроны могут быть использованы различным образом, что делает ненужным дублирование волокон, осуществляющих нервно-мышечную иннервацию. Так, Берроус (Burrows) обнаружил, что у саранчи на единственный мотонейрон, идущий к мышце ноги, влияют по крайней мере двенадцать интернейронов.
Хотя за генерирование двигательной программы часто ответственны интернейроны, многие мотонейроны в результате своих взаимодействий также включены в этот процесс. У нематоды Ascaris вдоль всего тела проходят пять крупных интернейронов, обеспечивающие тоническую стимуляцию плавания. Мотонейроны, возбуждающие дорсальную мышцу в каждом «сегменте» тела, одновременно стимулируют тормозные нейроны вентральной мышцы и через них тормозят вентральные возбуждающие нейроны (рис. 16.30). Активация последних оказывает аналогичное влияние на дорсальные нейроны. Чередующаяся активность дорсальных и вентральных мотонейронов, зависящая по частоте и интенсивности от степени их стимуляции интернейронами, вызывает попеременные сокращения соответствующих мышц. Другие клетки образуют связи между соседними участками тела и координируют их активность.
То. что генерирование программы двигательными элементами потребовало бы дублирования последних, по-видимому, вытекает из приведенных наблюдений, поскольку плавание вперед и назад у аскариды контролируют различные типы мотонейронов. Возможно, в данном случае это неважно, так как набор совершаемых червем движений ограничен. Подобный вывод справедлив в отношении многих двигательных систем беспозвоночных.
Нервные элементы, участвующие в реакциях избегания, в большинстве случаев не подтверждают правила, согласно которому один и тот же набор мотонейронов используется в зависимости от входных сигналов в различных целях. У кальмара гигантские волокна участвуют в реактивном отплыва-нии при испуге, тогда как более мелкие управляют сокращениями мышц, обеспечивающими дыхательные движения. У медузы Aglantha реакция избегания выражается в одном—трех мощных сокращениях колокола, контролируемых восемью гигантскими двигательными волокнами под его нижней поверхностью и боковыми мотонейронами меньшего диаметра. Обычные плавательные сокращения управляются только последними элементами. Аналогичным образом у рака боковые гигантские волокна возбуждают не только (через пару центральных гигантских волокон) от пяти до девяти быстрых «сгибающих» мотонейронов, участвующих в пластичных реакциях избегания, но и пару гигантских сегментарных мотонейронов, ответственных исключительно за удары брюшка (приложение 16.9).
Контроль мышечной активности мотонейронами связан с выделением химических нейромедиаторов в нервно-мышечных синапсах между нервными окончаниями и мышечными волокнами (разд. 16.3.3 и приложение 16.10). Очень важно также наличие или отсутствие распространяющихся потенциалов действия внутри отдельных мышечных волокон и/или их передача через щелевые контакты между ними. Способы иннервации мышц и желез чрезвычайно разнообразны. Так, сердце асцидий (оболочники) и некоторых насекомых ее лишено, и его сокращения миогенные, возможно, с эндокринной модуляцией. И напротив, биение сердца у ракообразных неврогенное и контролируется только возбуждающими мотонейронами. Соматическая мышца аскариды находится под двойным (возбуждающим и тормозным) контролем.
У саранчи разгибатель голени контролируется четырьмя нервными волокнами. Возбуждающие и тормозные волокна выделяют медиаторы глутамат и гамма-аминомасляную кислоту соответственно. Кроме того, окончания нейрона DUM (дорсальный непарно-срединный) секретируют нейромодулятор октопамин (табл. 16.1). Его собственный эффект, по-видимому, слаб, а основная роль заключается в придании мышце способности отвечать на двигательное возбуждение более интенсивным сокращением с быстрым расслаблением, что важно для локомоции. В отсутствие ок-топамина сокращение становится более длительным и способствует сохранению позы.
У двустворчатых моллюсков мышцы-аддукторы очень выносливые — они могут держать створки раковины сомкнутыми в течение нескольких часов или даже дней, обеспечивая защиту от хищников. Сокращение происходит в результате активации возбуждающих мотонейронов с выделением ацетилхолина. Когда напряжение уже развилось, мышца входит в состояние «замка», характеризующееся низким потреблением кислорода и поддерживаемое независимо от дальнейшей стимуляции. Расслабление индуцируется активацией тормозных волокон, медиатором которых является, по-видимому, 5-гидрокситриптамин.
У насекомых с «прямыми» летательными мышцами импульсы в нервных волокнах «отбивают ритм» сокращений.
Нейромедиаторы -это вещества, секре-тируемые нейронами и обычно выделяемые в непосредственной близости от других клеток, на чью активность они влияют (табл. 16.1). В результате нервное воздействие высокоспецифично в пространстве и времени. В противоположность этому гормоны—это химические посредники, вырабатываемые клетками, которые обычно объединены в железы, и влияющие на другие, отдаленные клетки, переносясь к ним кровотоком или другими внутренними жидкостями. Железы, секретирующие гормоны, называются эндокринными, поскольку выделяют свои продукты внутрь тела. Секреты экз<жринных желез, например слизь или ферменты, выводятся наружу, обычно через протоки.
Если по функции обычный нейрон можно сравнить с телефоном, эндокринный сигнал напоминает команду, поданную через мегафон. Гормон часто действует сразу по всему организму, хотя это не означает отсутствия у него высокоспецифичной активности. Эффект гормонального сигнала зависит от рецепторов на клетках-мишенях. Например, разные типы хроматофоров, даже с одним и тем же пигментом, могут быть чувствительными к разным гормонам.
Другие секретируемые вещества, называемые феромонами, выделяясь в окружающую среду, имеют биологическое значение для других особей. У протистов, например, они обеспечивают агрегацию амебоидных клеток слизевиков. Крайне важна роль феромонов у общественных насекомых, которых можно сравнить с «подвижными батареями экзокринных желез» (Е. О. Wilson, 1975).Существует ряд критериев, позволяющих судить об эндокринной активности органа. В частности, его хирургическое удале-те должно прекращать действие предположительно вырабатываемого им гормона, а реимплантация данного органа или инъекция экстрактов из него должны это действие восстанавливать. Можно использовать парабиоз или трансплантационный метод (рис. 16.31). Альтернативный способ включает сохранение клеток или органов in vitro. Эффект внесения в культуральную среду желез или их экстрактов можно использовать для оценки предполагаемой активности.
В 1928 г. Эрнст Шаррер (Е. Scharrer) постулировал, что некоторые клетки, названные нейросекреторными. проявляют свойства как нейронов, так и клеток эндокринных желез. Эта идея получила развитие в исследованиях Берты Шаррер и других авторов на беспозвоночных. Было показано, что такие клетки у них широко распространены. Особенно убедительные подтверждения теории дали работы с насекомыми.
Тела нейросекреторных клеток обычно собраны в центральной нервной системе в ганглионарные ядра (рис. 16.32). Их аксоны образуют вздутые окончания, тесно связанные с циркуляторной системой. Эти окончания могут быть объединены в офор-мленное тело (нейрогемалъный орган) или рассеяны по нейрогемалъной зоне на поверхности ганглия или нерва (рис. 16.33). Нейросекрет вырабатывается в телах клеток, переносится по аксонам течением аксо-плазмы и накапливается в окончаниях. Под электронным микроскопом видно, что он состоит из мельчайших секреторных гранул диаметром обычно 100—200 нм, которые отпочковываются аппаратом Гольджи. Активность нейросекреторных клеток возникает либо спонтанно, либо в результате синаптического возбуждения. Она вызывает прохождение потенциалов действия по аксонам, поступление ионов Са2+ в окончания и выделение гормона в кровяное русло за счет экзоцитоза (приложение 16.11).
Недавние открытия сгладили различие между нейросекреторными клетками и «обычными» нейронами. Нейроны, напоминающие нейросекреторные клетки, были описаны у книдарий и плоских червей, лишенных сосудистых систем. У гидры обнаружен головной активатор (табл. 16.1), очищенный в 1981 г. Шаллер (Schaller) с соавторами. Это вещество в концентрации I «гидра-эквивалент»/мл, т.е. менее 10~10 моль/л, вызывает in vitro регенерацию щупалец фрагментами тела. Интересно, что с помощью антител к этому пептиду в мозгу млекопитающих была обнаружена система содержащих его нейронов.
Более того, некоторые описанные на сегодняшний день нейроны функционируют как классические нейросекреторные клетки (т. е. секретируют гормоны), но лишены характерной для них цитологии. Другие нейроны, напротив, имея цитологию типичных нейросекреторных клеток, не выполняют их функций: вместо выделения секрета в циркуляторную систему они непосредственно контактируют с клетками-мишенями.Принципиальное сходство нейросекреторных и обычных нейронов доказывается секрецией многими, а возможно, и всеми нейронами (включая и те, что образуют обычные медиаторы) особых пептидов, хотя первоначально это считали специфическим свойством нейросекреторных клеток. Более того, типичные нейросекреторные клетки могут оказывать координированное воздействие на физиологию и поведение животного. В «сумковых клетках» моллюска Aplysia нейросекрет синтезируется в виде высокомолекулярного белка, или прогормона. В секреторных гранулах он расщепляется на более короткие фрагменты под действием ферментов, так что выделяется не единственный гормон, а «коктейль» пептидов. Один из них — «гормон откладки яиц» — через кровоток достигает гонад и индуцирует икрометание. Другой стимулирует нервные окончания и нейрогемальном комплексе, обеспечивая их максимальную активность. Ряд гормонов, включая гормон откладки яиц, диффундирует по всему абдоминальному ганглию и стимулирует особые нейроны, запускающие высокоспецифический тип поведения, сопровождающий икрометание.