Открытие механизма возникновения потенциала действия Ходжкином (Hodgkin) и Хаксли (Huxley) из Плимута и Кембриджа и другими привело к присуждению им Нобелевской премии 1963 г. С помощью так называемого метода «фиксации потенциала» и путем замещения одного из ионов веществом, для которого мембрана непроницаема, были измерены токи определенных ионов через мембрану при различных потенциалах. Другой метод заключался в избирательной блокировке ионных каналов ядами: натриевых — тетродотоксином, выделенным из иглобрюха, калиевых— тетраэтиламмонием.
Возникновение потенциалов действия обусловлено наличием в мембране ионсе-лективных каналов с воротным потенциалом. Натриевые каналы, по-видимому, меняют свою форму при деполяризации, от-крывая «ворота», через которые ионы Na+ входят в аксон, приводя к еще большей деполяризации мембраны. Это открывание— явление кратковременное, вслед за ним быстро наступает «натриевая инактивация».
Существуют также калиевые каналы с воротным потенциалом. Они открываются после натриевых, и диффузия ионов К + через них (достаточно одного из каждых 107 ионов К+ на импульс) восстанавливает потенциал покоя. За этим следует короткий период «отдыха», в течение которого мембрана рефрактерна, т. е. не способна активироваться. В клетках многих моллюсков основной вклад в возникновение потенциала действия вносят Са2+-каналы. Известен мутант дрозофилы shaker (трясущийся), названный так из-за паралитических вздрагиваний конечностей во время эфирной анестезии. Калиевые каналы с воротным потенциалом у него отсутствуют или дефектны (затронутые этой мутацией гены идентифицированы). В результате реполяризация запаздывает, и потенциалы действия растягиваются во времени.
Одни и те же типы научения обнаружены во всем животном царстве, но только недавно Канделом (Kandel) и другими были исследованы их клеточные механизмы.
Мантийная полость моллюска Aplysia имеет сифон и защитную пластинку. Легкое прикосновение активирует сенсорный путь от каждой из этих структур, нейроны которого образуют синаптические контакты непосредственно с мотонейронами, управляющими защитной реакцией втягивания ктенидия (моносинаптическая рефлекторная дуга—см. разд. 16.9.3). Сенсорные нейроны, иннервирующие хвостовую зону, стимулируют интернейроны, образующие синапсы с сенсорными окончаниями.
В пресинаптических окончаниях сенсорных нейронов происходят изменения, определяющие модификацию поведения, т.е. научение. Частая стимуляция дыхательных структур, вызывая неоднократное проведение потенциалов действия в эти окончания, приводит к градуальной инактивации Са21"-каналов (разд. 16.3.3), уменьшению количества выделяемого в ответ на каждый стимул медиатора и ослаблению поведенческой реакции. Эта простейшая форма научения называется привыканием.
Если на «хвостовую» зону действует мощный, угрожающий животному раздражитель, ответ на широкий круг других стимулов, включая и легкое прикосновение к дыхательным структурам, усиливается.Выработка условного рефлекса—это одна из форм ассоциативного научения (помните собак Павлова?). Так, если за серией слабых стимуляций жаберной пластинки каждый раз немедленно следует угрожающее раздражение «хвоста», животное начнет реагировать гораздо сильнее на стимуляцию пластинки, чем, например, сифона. Описанное сочетание стимулов приводит к выделению из интернейронов 5-НТ и синтезу сАМР во всех сенсорных окончаниях как раз тогда, когда с приходом потенциалов действия повышается уровень ионов Са2+ в окончаниях только стимулированных сенсорных нейронов пластинки. Считается, что Са'+ активирует сАМР, а тот в свою очередь усиливает выделение медиатора, которого в результате высвобождается значительно больше, чем во время сенсибилизации.
Описанные выше формы научения являются кратковременными — они сохраняются в течение нескольких минут или, в лучшем случае, часов.
Хотя окончательное строение нервной системы невероятно сложное, она развивается из простого эпителия. На конце отростков эмбриональных клеток находятся конусы амебоидного роста, оканчивающиеся псевдоподиями. Формирование «правильных» связей нейронов имеет решающее значение для дальнейшей работы нервной системы (разд. 16.8.4). Механизмы этого процесса изучены у насекомых, в частности, у кузнечиков, поскольку их эмбриональные ганглии достаточно прозрачные, а число клеток в них невелико. В результате отдельные нейроны и даже их растущие аксоны могут быть надежно идентифицированы.
В то время как одни клетки развиваются, другие становятся избыточными и элиминируются. Хотя различные ганглии в нервном стволе эмбриона насекомых содержат одинаковое число клеток, некоторые клетки абдоминальных ганглиев утрачиваются, а их аналоги в тораксе развиваются для управления конечностями (они сохраняются, даже если конечности удалить). Аналогичным образом у гермафродитной формы нематоды Caenorhahditis 302 нейрона, а у самцов в связи с репродуктивными функциями сохраняются еще 79 нейронов. Такой процесс запрограммированной гибели клеток детерминирован генетически. «Программа» развития дегенерирующих клеток такая же, что и у их выживающих «сестер», однако у них включается «программа самоубийства». Один из наиболее интересных мутантов у Caenorhabditis (по гену ced-3) в этом отношении дефектен. Клетки, которые в норме должны погибать, выживают и формируют функциональные связи; по-видимому, на животном это не отражается!Выросты различных клеток в ганглиях эмбриона кузнечика появляются в четкой последовательности; отростки, заканчивающие развитие первыми, называются пионерными волокнами. Прорастая от ганглия к ганглию или от эпидермальных сенсорных клеток в центральную нервную систему, они следуют стереотипными путями. Ориентация конусов роста, по-видимому, определяется различными факторами их окружения, но главным образом, вероятно,положением базальных мембран и глиаль-ных клеток.
Волокна, вырастающие позднее, часто следуют за пионерными и в их отсутствие (при экспериментальном удалении отдельных эмбриональных клеток методами лазерной микрохирургии) дезориентируются. Если в эксперименте задержать развитие клетки, ее аксон «отыщет» правильный путь, несмотря на появление множества дополнительных факторов.
Среди наиболее известных ритмов биологической активности некоторые связаны с регулярным чередованием дня и ночи. Циркадианный (circa dies—около суток) ритм у моллюска Aplysia захватывается (настраивается) изменениями в суточном цикле освещенности, однако, если животное содержать в неизменных условиях, он сохраняется в течение нескольких дней, лишь немного изменяя длину каждого цикла. Это свойство циркадианного ритма дает организму возможность реагировать на факторы окружающей среды еще до их наступления.
Ритмическая активность широко распространена среди нейронов центральной нервной системы и сохраняется в течение нескольких недель даже при извлечении ганглиев из тела и содержании их в культураль-ной среде. Различные клетки имеют свои собственные ритмы, однако в природе они синхронизируются «главными часами», локализованными в «D-клетках» глаза (это не фоторецепторы, а клетки, непосредственно получающие от них информацию через синапсы). Циркадианный ритм может быть зарегистрирован в D-клетках изолированного глаза, которые оказывают свое влияние не за счет секреции гормонов, как когда-то считалось, а через аксоны, проходящие почти по всей нервной системе.
Были исследованы фундаментальные механизмы работы биологических часов.Обработка анизомизином, который блокирует синтез белка в клетке, связываясь с одной из субъединиц рибосом, уничтожает ритм, а короткое воздействие этого вещества «останавливает часы» на время, т. е. заставляет их «отставать». Джаклет (Jac-klet, 1981) следал вывод, что «суточный синтез белка—основное условие хода цирка-дианных часов». Соответствующие белки могут быть ферментами протеинкиназами, которые, как известно, влияют на ионные каналы и, следовательно, на импульсную работу других систем.