Нервы (физиология, строение, регуляция, функции, патофизиология, клиническое значение)

Введение

Нейробиология - это обширная и быстро развивающаяся область, имеющая значительные клинические и технологические последствия. Глубокие вопросы, такие как то, что составляет человеческие личности и развитие сознания, сводятся к количественным процессам. В корне этого поля находится нейрон и то, как информация передается по всему телу с помощью электрохимических сигналов. В этой статье будет рассмотрен механизм такой кооперации и коммуникации, как фундаментальный обзор физиологии нерва.

Клеточное строение нервов

Нейрон состоит из клеточного тела, называемого сомой, и, по крайней мере, одной ветви, называемой нейритом. Нейриты, которые передают сигналы от сомы, называются аксонами, а нейриты, которые передают сигналы к соме, называются дендритами. Сома содержит органеллы, подобные другим клеточным телам, таким как ядро, митохондрии и лизосомы. Грубый эндоплазматический ретикулум нейрона, который называется субстанцией Ниссля, является исключительно заметным, поскольку он должен синтезировать большое количество мембраны для нейритов. [1] [2]

Физиология: Нерв

Большинство аксонов и длинных дендритов покрыты защитным покрытием, называемым миелином, который представляет собой мембрану, которая действует как электрический изолятор для увеличения скорости прохождения импульсов. Миелин образуется, когда ненейронная опорная клетка, называемая глиальной клеткой, плотно оборачивается вокруг нейрита, сжимая цитоплазму глиальной клетки в направлении периферии, оставляя только ее клеточную мембрану во внутреннем слое. Миелин не полностью покрывает нейрит, но оставляет зазоры, называемые узлами Ранвье, что будет обсуждаться далее в разделе «Механизм». В центральной нервной системе (ЦНС) миелин происходит из глиальных клеток, называемых олигодендроцитами, которые синтезируют миелиновые пучки для многих аксонов. В периферической нервной системе (ПНС) источником миелина являются специализированные клетки, называемые клетками Шванна, причем каждая клетка Шуана создает только один миелиновый пучок междоузлия одного аксона. [3]

Аксоны нескольких нейронов связаны вместе в структуру, называемую нервом. Внутри нерва каждый отдельный аксон заключен в слой соединительной ткани, называемый эндоневрием. Эндоневрий создает эндоневриальную жидкость, которая защищает аксон во время травмы. Многие аксоны объединяются в пучок, и покрытие каждого пучка представляет собой слой, называемый периневрием. Наружным слоем является эпинеуриум, который охватывает многочисленные пучки и кровеносные сосуды нерва. [1] [4]

Развитие нервной ткани

Нейроны образуются из эктодермальных эмбриологических производных. Во время эмбриогенеза область аксиальной мезодермы образует хорду, которая лежит вентрально по отношению к нейроэктодерме. Эта хорда вызывает складывание нервной пластинки в нервную трубку, которая становится нейроэктодермой. Нейроны ЦНС происходят из нейроэктодермы, в то время как нейроны ПНС (ганглиозные клетки) и клетки Шванна происходят из клеток нервного гребня, которые граничат с нервной пластинкой. Развитие нейронов прекращается до рождения, поэтому любой нейрон, который умирает, не может быть заменен, и все дальнейшие изменения в нервной системе происходят из-за изменений в соединении между существующими нейронами. Таким образом, после рождения нервная система характеризуется пластичностью, способностью формироваться под воздействием опыта. Процессы развития, такие как нейронная миграция, созревание и синаптогенез, находятся под влиянием факторов окружающей среды, таких как сенсорные стимулы, отношения, гормоны и определенные лекарства. [5] [6]

Функция нервов

Основной функцией нервов является передача информации по всему телу с помощью электрохимических сигналов. Нервы подразделяют на три функциональные категории: сенсорные нейроны, моторные нейроны и интернейроны. Сенсорные нейроны получают и интерпретируют сенсорные стимулы, моторные нейроны передают сообщения мышцам или железам, а межнейроны передают сигналы между другими нейронами. Нервные волокна, которые посылают информацию от сенсорных нейронов в центральную нервную систему, называют афферентными нервными волокнами, в то время как нервные волокна, которые переносят информацию от центральной нервной системы, такие как двигательные нейроны к мышцам, называют эфферентными нервными волокнами. [1] [7]

Сенсорные рецепторы представляют собой специализированные области или структуры сенсорных нейронов, ответственные за обнаружение всех чувств и выполнение многих функций по всему телу. Эти рецепторы реагируют на изменения в окружающей среде путем преобразования химической или механической энергии в потенциалы действия, которые передаются в центральную нервную систему. Различные типы рецепторов стимулов опосредуют каждое из пяти основных чувств человека (зрение, слух, обоняние, вкус и осязание). Существует много других типов рецепторов, включая хеморецепторы, фоторецепторы, барорецепторы и проприоцепторы, которые обнаруживают химические вещества, свет, давление и движение соответственно. Нервные волокна были классифицированы на основе многочисленных параметров, включая относительный диаметр и миелинизацию, как показано на рисунке ниже. [8] [9]

Механизм ругуляции функции нервов

Нервные импульсы передаются и передаются через потенциалы действия, которые являются краткими изменениями мембранного потенциала. Нейроны имеют потенциал мембраны покоя около -60 мВ; это происходит из-за слоя отрицательно заряженных ионов на внутренней клеточной мембране нейрона и слоя положительно заряженных ионов на наружной клеточной мембране. Такое разделение заряда приводит к появлению электрического потенциала, который в состоянии покоя (не во время потенциала действия) на 60 мВ является более отрицательным во внутренней части ячейки. Этот потенциал генерируется движением ионов натрия, калия и хлорида в и из клетки вниз по их концентрации и электрическим градиентам, при помощи насоса Na-K, активно перекачивающего натрий и калий против их градиента концентрации, чтобы предотвратить концентрационное равновесие. Концентрация калия внутри нейрона высокая, а концентрация натрия относительно низкая, поэтому ионы калия выталкиваются из клетки за счет градиента концентрации, а ионы натрия - внутри клетки - это также уравновешивается электрическим градиентом, с отрицательно заряженная внутренность ячейки, тянущая положительно заряженные ионы внутрь. Мембрана нейронных клеток наиболее проницаема для калия благодаря большому количеству калиевых каналов, поэтому мембрана нейронов в покое находится в наибольшей степени под влиянием относительных концентраций калия. [10] [11] [12]

После стимуляции изменение проницаемости натриевых каналов или открытие натриевого канала, управляемого напряжением, заставляет натрий проникать в клетку после градиента концентрации натрия. Мембранный потенциал быстро меняется, приближаясь к нулю, и становится положительным, процесс, известный как деполяризация. Этот потенциал действия длится всего миллисекунду, но распространяется на соседние участки аксона, вызывая электрохимическую волну. Кроме того, потенциалы действия представляют собой явление «все или ничего», означающее, что минимальный порог деполяризации должен быть достигнут, чтобы вызвать потенциал действия с полной амплитудой, иначе ни один не будет возникать вообще. [10] [11] [12]

Этот процесс деполяризации опосредован потоком ионов через управляемые напряжением ионные каналы. Достаточно сильное событие деполяризации приводит к открытию управляемых напряжением каналов ионов натрия, позволяя ионам натрия протекать через клеточную мембрану в нейрон. Когда это происходит, потенциал мембраны резко возрастает. Калиброванные по напряжению калиевые каналы тоже открываются, но только после небольшой задержки. Это позволяет ионам калия вытекать за пределы нейрона, удаляясь от теперь более положительно заряженного внутреннего пространства клетки, что возвращает потенциал клеточной мембраны обратно к первоначальному значению -60 мВ. Управляемые напряжением натриевые каналы, которые были активированы первыми, также сначала закрываются, что приводит к короткому периоду, когда натриевые каналы закрываются, а калиевые каналы остаются открытыми, что приводит к временному периоду гиперполяризации, когда потенциал мембраны ниже -60 мВ до тех пор, пока напряжение- калиевые каналы также инактивируются. Эти управляемые напряжением ионные каналы имеют короткий рефрактерный период бездействия после закрытия, когда никакое количество стимула не может реактивировать их, что предотвращает возникновение избыточных потенциалов действия. [10] [11] [12]

Нервные импульсы зависят от способности результирующего потенциала действия распространяться по длине аксона без потери амплитуды. Этот процесс отличается миелинизированным и немиелинизированным аксонами. В немиелинизированных аксонах исходный потенциал действия приводит к притоку ионов натрия. Эти ионы натрия будут отталкиваться друг от друга и притягиваться к соседнему, более отрицательному участку аксона, что также вызывает там деполяризацию, открывая, таким образом, соседние каналы с ионами, управляемыми напряжением, что позволяет большему количеству ионов натрия проникать, дополнительно деполяризуя по всей длине аксона. Скорость распространения зависит от скорости деполяризации сегмента аксона перед потенциалом действия. Эта скорость зависит от концентрации натриевых каналов и диаметра аксона. Чем больше аксон, тем меньше внутреннее сопротивление потоку ионов, таким образом, существует большая проводимость и более быстрые нервные импульсы. Наличие миелина значительно увеличивает скорость проводимости. Миелин уменьшает емкость, то есть способность сохранять заряд, той части аксона, которую он покрывает. Если участок аксона не может хранить заряд, больше заряда распространяется по остальному аксону, увеличивая скорость деполяризации и скорость распространения. Миелин настолько плотно обернут вокруг аксона, что поток ионов через аксонную мембрану не может возникнуть, иначе известный как повышенное трансмембранное сопротивление, поэтому миелинизированные аксоны развивают потенциалы действия только в небольших промежутках в миелине, называемых узлами Ранвье. Как только потенциал действия развивается в узле, ток быстро перемещается вдоль миелинизированной секции к следующему узлу, где генерируется другой потенциал действия. Эти скачки потенциалов действия в миелиновых аксонах называются солевой проводимостью. Миелинизированные аксоны развили определенные характеристики, чтобы максимизировать эффективность. Натриевые каналы, управляемые напряжением, гораздо плотнее в узлах Ранвье и редки или отсутствуют под миелиновыми оболочками. Это позволяет нейрону сосредоточить свою энергию на открытии и синтезе каналов в узлах, а не тратить ресурсы в миелинизированном участке, где ионы должны распространяться вдоль аксона. [10] [11] [12]

Свойства нейритов позволяют проводить потенциалы действия по всей длине нейрона. Когда нервный импульс достигает конца нейрона, он должен быть передан соседнему нейрону для связи с остальной частью тела. Этот процесс, называемый синаптической передачей, может происходить электрически или химически. Нейроны, которые находятся достаточно близко друг к другу, могут напрямую переносить ионы от одного нейрона к другому. Этот электрический синапс позволяет быстро передавать информацию. При химических синапсах пресинаптический нейрон высвобождает нейротрансмиттеры из везикул накопления в синаптическую щель. Эти нейротрансмиттеры связываются с постсинаптическим нейроном, вызывая либо возбуждающую, либо тормозную реакцию в клетке. [10] [11] [12]

Оценка и тестирование функции нервов

Функциональность периферических нервных волокон проверяется в клинической практике, чаще всего с помощью исследований нервной проводимости (NCS) и электромиограмм (EMG). NCS выполняется путем размещения стимулирующего электрода вдоль периферического нерва и записывается записывающим электродом на мышцу для исследования двигательного нерва. Стимулирующий электрод может быть размещен на коже с записывающим электродом, расположенным проксимально на нерве для исследования сенсорного нерва. Электрический импульс генерируется одним электродом и записывается другим. Этот импульс может генерировать различные параметры исследования, включая амплитуду, длительность и скорость проводимости потенциала действия. Некоторые специальные тесты, такие как ответы F и H, могут предоставить информацию о более проксимальных сегментах нерва. Информация о дисфункции периферических нервов может быть собрана из этих исследований. Показания для NCS включают невропатии, демиелинизирующие состояния, такие как синдром Гийена-Барре, и радикулопатии. [13] [14]

Во время ЭМГ иглы тестер помещает электроды иглы через кожу непосредственно в мышцу. Когда пациент сокращает мышцы с возрастающей силой, набирается больше двигательных единиц. Исходя из принципа размеров Хеннемана, малые двигатели с медленным движением набираются с меньшим порогом, чем большие двигатели с быстрым движением. Одним из признаков повреждения нерва является случай, когда последовательные двигательные единицы не набираются при обычно достаточном мышечном напряжении. Этот тест особенно полезен при диагностике мышечных состояний и состояний, влияющих на двигательный нейрон и нервно-мышечное соединение, таких как мышечная дистрофия, миастения и потеря двигательных нейронов при боковом амиотрофическом склерозе (БАС). На практике неврологи часто проводят исследования нервной проводимости и электромиограммы. [15]

Патофизиология нервов

Существует много этиологий, при которых нервная функция может быть ненормальной с широким спектром последствий. Демиелинизация PNS может происходить из-за аутоиммунных процессов, приводящих к хронической воспалительной демиелинизирующей полиневропатии (CIDP) или острой демиелинизирующей полиневропатии при синдроме Гийена-Барре. Демиелинизация ЦНС приводит к рассеянному склерозу. Повреждение нерва из-за постоянно повышенного уровня глюкозы в крови приводит к диабетической невропатии. Дегенерация нейронов и дисфункция синапсов вызывают ALS, болезнь Паркинсона, миастению, синдром Ламберта-Итона и многие другие неврологические состояния. [1] [11]

Клиническое значение оценки нервов

Понимание физиологии нерва является важным шагом в понимании различных типов периферической невропатии.Двумя основными типами периферических невропатий являются аксональные и демиелинизирующие невропатии. Первичная патология при аксональной невропатии - это потеря аксонов, которая обычно начинается дистально при отмирании и клинически проявляется зависимой от длины периферической невропатией. Общие причины связаны с метаболическими нарушениями нервов, такими как диабет, дефицит питательных веществ и недостаточность органов. Эти невропатии также затрагивают в основном более мелкие нервные волокна, которые служат для сенсорных функций боли и температуры. Их также часто называют периферической невропатией мелких волокон. Другим основным типом является демиелинизирующая невропатия, такая как острый синдром Гийена-Барре и хроническая воспалительная демиелинизирующая полинейропатия. Поскольку патология включает преимущественно миелиновые оболочки, вовлекаются более крупные и более проксимальные нервы. В результате эти невропатии не зависят от длины и вовлекают как проксимальный, так и дистальный сегменты нервов, включая нервные корешки. Клинически, более крупные волокна вовлекаются на ранней стадии, что приводит к ранней потере положения сустава и вибрационных ощущений и ранней потере глубоких сухожильных рефлексов.

Нейрофизиологически, при исследованиях нервной проводимости, аксональная невропатия характеризуется потерей амплитуды потенциала нервного действия, тогда как демиелинизирующая невропатия характеризуется ранним снижением скоростей нервной проводимости.

Физиология генерации и проводимости нервных импульсов, то, как они ослабляются миелином или его отсутствием, и интранейрональное общение имеют серьезные клинические последствия для организма. Точное понимание этих процессов помогает интерпретировать исследования проводимости, ставить диагнозы и эффективно лечить неврологические состояния. Неврология, Цилиндрический нерв оси, Аксон, Оболочка клеточного тела, Ядро, Протоплазма клетки, Дендрон, Миелиновая оболочка.

Неврология, продольный разрез нервного волокна, Инклюзия, Ядро, Узел Ранвье, Нейролемма, Медуллярная оболочка, Ось-цилиндр.

Неврология, нервный пучок, пучок, эпиневрий, периневрий. Типы нервных волокон.

Нейрональный потенциал действия. Пунктирная линия представляет пороговое напряжение.

Литература по физиологии нервов

Ludwig PE, Varacallo M. StatPearls [Internet]. StatPearls Publishing; Treasure Island (FL): Nov 14, 2018. Neuroanatomy, Neurons.
Hanz S, Fainzilber M. Retrograde signaling in injured nerve--the axon reaction revisited. J. Neurochem. 2006 Oct;99(1):13-9
Kuhn S, Gritti L, Crooks D, Dombrowski Y. Oligodendrocytes in Development, Myelin Generation and Beyond. Cells. 2019 Nov 12;8(11)
Banin VV, Gasymov EK. [Distribution of proteins in neural membranes as a factor of reabsorption of endoneural (interstitial) fluid]. Arkh Anat Gistol Embriol. 1990 Sep;99(9):47-54.
Elshazzly M, Caban O. StatPearls [Internet]. StatPearls Publishing; Treasure Island (FL): Oct 27, 2018. Embryology, Central Nervous System.
Kolb B, Gibb R. Brain plasticity and behaviour in the developing brain. J Can Acad Child Adolesc Psychiatry. 2011 Nov;20(4):265-76.
Kumar P, Prabhakar NR. Peripheral chemoreceptors: function and plasticity of the carotid body. Compr Physiol. 2012 Jan;2(1):141-219
Wu C, Du YW, Huang L, Ben-Shoshan Galeczki Y, Dagan-Wiener A, Naim M, Niv MY, Wang P. Biomimetic Sensors for the Senses: Towards Better Understanding of Taste and Odor Sensation. Sensors (Basel). 2017 Dec 11;17(12)
Liu B, Xin W, Tan JR, Zhu RP, Li T, Wang D, Kan SS, Xiong DK, Li HH, Zhang MM, Sun HH, Wagstaff W, Zhou C, Wang ZJ, Zhang YG, He TC. Myelin sheath structure and regeneration in peripheral nerve injury repair. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2019 Oct 29;116(44):22347-22352.
Kamiya H. Excitability Tuning of Axons by Afterdepolarization. Front Cell Neurosci. 2019;13:407.
Chen I, Lui F. StatPearls [Internet]. StatPearls Publishing; Treasure Island (FL): Aug 27, 2019. Neuroanatomy, Neuron Action Potential.
Korrell KV, Disser J, Parley K, Vadisiute A, Requena-Komuro MC, Fodder H, Pollart C, Knott G, Molnár Z, Hoerder-Suabedissen A. Differential effect on myelination through abolition of activity-dependent synaptic vesicle release or reduction of overall electrical activity of selected cortical projections in the mouse. J. Anat. 2019 Sep;235(3):452-467.
Herrmann DN. Noninvasive and minimally invasive detection and monitoring of peripheral neuropathies. Expert Rev Neurother. 2008 Dec;8(12):1807-16
Jablecki CK, Andary MT, So YT, Wilkins DE, Williams FH. Literature review of the usefulness of nerve conduction studies and electromyography for the evaluation of patients with carpal tunnel syndrome. AAEM Quality Assurance Committee. Muscle Nerve. 1993 Dec;16(12):1392-414
Farina D, Fosci M, Merletti R. Motor unit recruitment strategies investigated by surface EMG variables. J. Appl. Physiol. 2002 Jan;92(1):235-47

^Наверх