Изменение тканевого дыхания при повреждении клетки. Механизмы компенсации при повреждении. Редакция по изданию библиотеки «философское наследие»
Тема 1
Патологическая физиология клетки
Цель занятия: Изучить этиологию, механизмы развития и проявление повреждений клетки.
Патологическая физиология изучает жизнедеятельность больного организма. Основной задачей ее является изучение наиболее общих закономерностей развития болезни.
Для того, чтобы понять сложный специфический процесс болезни, надо начинать его анализ с типовых, неспецифических нарушений, прежде всего, на базовом уровне – уровне клетки. Повреждение клетки является одним из основных механизмов развития многих патологических процессов, возникающих под действием физических, химических и биологических факторов. С повреждением клеток непосредственно связаны нарушения функции тканей, органов и жизнедеятельности организма в целом. Одновременно повреждение клеток содержит в себе защитно-компенсаторные механизмы, направленные на ликвидацию и патогенного фактора, и последствий его действия.
Развитие морфологических, функциональных и биохимических методов исследований способствовало изучению основных механизмов и закономерностей процесса повреждения клеток на субклеточном и молекулярном уровнях. И это, в свою очередь, позволяет раскрыть сущность патогенеза многих болезней, что и определяет значение данной темы в курсе изучения патологической физиологии.
Компенсаторно-приспособительные процессы в клетке при ее повреждении
Компенсаторно-приспособительные процессы – это морфологические и функциональные изменения в организме, направленные на восполнение утраченных функций. В отличие от повреждений эти процессы сопровождаются повышением или нормализацией уровня жизнедеятельности и обеспечивают приспособление организма к изменившимся условиям существования при патологических состояниях. К компенсаторно-приспособительным процессам относятся:
· Гипертрофия – увеличение размеров органа или ткани благодаря увеличению размера каждой клетки.
· Гиперплазия – увеличение размеров органа или ткани в результате увеличения числа составляющих их клеток.
· Регенерация – восстановление (возмещение) структурных элементов ткани взамен погибших.
· Организация – замещение соединительной тканью нежизнеспособных тканей и инородных тел.
· Метаплазия – переход одного вида ткани в другой в пределах одного зародышевого листка.
Механизмы адаптации клеток при повреждении
Компенсация энергетических нарушений
· увеличение ресинтеза АТФ;
· активация транспорта АТФ;
· активация механизмов утилизации.
2.Защита мембран и ферментов клетки:
· Увеличение факторов антиоксидантной защиты.
· Активация буферной системы.
· Повышение активности ферментативной детоксикации микросом.
· Активация механизмов репарации компонентов мембран и ферментов.
3. Уменьшение степени или устранение дисбаланса ионов жидкости в клетках:
· Снижение степени нарушения энергоснабжения.
· Снижение степени повреждения мембран и ферментов.
· Активация буферных систем.
4. Устранение нарушений генетической программы:
· Устранение разрывов в нитях ДНК (активация ферментов репаративного синтеза ДНК).
· Ликвидация (блокада) измененного участка ДНК (эндонуклеазы – обнаруживают и удаляют измененный участок ДНК);
· Синтез нормального фрагмента ДНК вместо поврежденного или утраченного (ДНК-полимеразы – синтезируют нормальный фрагмент нуклеиновой кислоты взамен удаленной; лигазы – встраивают вновь синтезированный фрагмент на место удаленного).
5. Компенсация расстройств механизмов регуляции внутриклеточных процессов:
· Изменение числа функционирующих рецепторов;
· Изменение сродства рецепторов клеток к регуляторным факторам;
· Изменение активности аденилат- и гуанилатциклазной систем;
· Изменение активности и содержания внутриклеточных регуляторов метаболизма.
6. Снижение функциональной активности клетки:
· Снижения эффекторной импульсации от нервных центров;
· Снижение числа или чувствительности рецепторов;
· Внутриклеточное подавление реакций метаболизма;
· Репрессия активности отдельных генов.
7. Регенерация:
· Клеточная (митоз, амитоз);
· Восстановление органелл (митохондрий, ЭПР, ядра).
8. Гипертрофия .
9. Гиперплазия .
Действие на клетку патогенных факторов и развитие повреждения сопровождается активацией или включением реакций, направленных на устранение либо уменьшение степени повреждения и его последствий. Комплекс этих реакций обеспечивает приспособление клетки к изменившимся условиям ее жизнедеятельности. К числу основных приспособительных механизмов относят реакции компенсации, восстановления и замещения утраченных или поврежденных структур и нарушенных функций, защиты клеток от действия патогенных агентов, а также регуляторное снижение их функциональной активности. Весь комплекс таких реакций условно можно разделить на две группы: внутриклеточные и внеклеточные (межклеточные) механизмы компенсации.
К числу основных внутриклеточных механизмов компенсации при повреждении можно отнести следующие.
Компенсация нарушений процесса энергетического обеспечения клеток. Одним из способов компенсации нарушений энергетического обмена является интенсификация процесса гликолиза. Определенный вклад в компенсацию нарушений энергообеспечения внутриклеточных процессов при повреждении вносит активация ферментов транспорта и утилизации энергии АТФ (креатинфосфокиназы, АТФазы), а также снижение функциональной активности клетки. Последнее способствует уменьшению расхода АТФ.
Защита мембран и ферментов клеток . Одним из механизмов защиты мембран и ферментов клеток является ограничение свободно-радикальных реакций и процессов ПОЛ ферментами антиоксидантной защиты (супероксиддисмутазой, каталазой, глютатионпероксидазой). Другим механизмом защиты мембран и энзимов от повреждающего действия, в частности, ферментов лизосом, может быть активация буферных систем клетки. Это обусловливает уменьшение степени внутриклеточного ацидоза и, как следствие, избыточной гидролитической активности лизосомальных энзимов. Важную роль в защите мембран и ферментов клеток от повреждения играют ферменты микросом, обеспечивающие физико-химическую трансформацию патогенных агентов путем их окисления, восстановления, деметилирования и т.д.
Компенсация дисбаланса ионов и жидкости. Компенсация дисбаланса содержания ионов в клетке может быть достигнута путем активации механизмов энергетического обеспечения ионных «насосов», а также защиты мембран и ферментов, принимающих участие в транспорте ионов. Определенную роль в снижении степени ионного дисбаланса имеет действие буферных систем. Активация внутриклеточных буферных систем может способствовать восстановлению оптимальных соотношений К + , Na + и Са ++ . Снижение степени дисбаланса ионов, в свою очередь, может сопровождаться нормализацией содержания внутриклеточной жидкости.
Устранение нарушений в генетической программе клеток. Повреждения участка ДНК могут быть обнаружены и устранены с участием ферментов репаративного синтеза ДНК. Эти ферменты обнаруживают и удаляют измененный участок ДНК (эндонуклеазы и рестриктазы), синтезируют нормальный фрагмент нуклеиновой кислоты взамен удаленного (ДНК-полимеразы) и встраивают этот вновь синтезированный фрагмент на место удаленного (лигазы). Помимо этих ферментных систем репарации ДНК в клетке имеются энзимы, устраняющие «мелкомасштабные» биохимические изменения в геноме. К их числу относятся деметилазы, удаляющие метильные группы, лигазы, устраняющие разрывы в цепях ДНК, возникающие под действием ИИ или свободных радикалов.
Компенсация расстройств внутриклеточных метаболических процессов, вызванных нарушением регуляторных функций клеток. Сюда относят изменение числа рецепторов гормонов, нейромедиаторов и других ФАВ на поверхности клетки, а также чувствительности рецепторов к этим веществам. Количество рецепторов может меняться благодаря тому, что молекулы их способны погружаться в мембрану или цитоплазму клетки и подниматься на ее поверхность. От числа и чувствительности рецепторов, воспринимающих регулирующие стимулы, в значительной мере зависит характер и выраженность ответа на них.
Избыток или недостаток гормонов и нейромедиаторов или их эффектов может быть скомпенсирован также на уровне вторых посредников – циклических нуклеотидов. Известно, что соотношение цАМФ и цГМФ изменяется не только в результате действия внеклеточных регуляторных стимулов, но и при действии внутриклеточных факторов, в частности, фосфодиэстераз и Са ++ . Нарушение реализации регулирующих влияний на клетку может компенсироваться и на уровне внутриклеточных метаболических процессов, поскольку многие из них протекают на основе регуляции интенсивности обмена веществ количеством продукта ферментной реакции (принцип положительной или отрицательной обратной связи).
Снижение функциональной активности клеток . В результате снижения функциональной активности клеток обеспечивается уменьшение расходования энергии и субстратов, необходимых для осуществления пластических процессов. В результате этого степень и масштаб повреждения клеток при действии патогенного фактора существенно снижаются, а после прекращения его действия отмечается более интенсивное и полное восстановление клеточных структур и их функции. К числу главных механизмов, обеспечивающих временное понижение функции клеток, можно отнести уменьшение эфферентной импульсации от нервных центров, снижение числа или чувствительности рецепторов на поверхности клетки, внутриклеточное регуляторное подавление метаболических реакций.
Приспособление клеток в условиях повреждения происходит не только на метаболическом и функциональном уровнях. Повреждение обусловливает существенные структурные перестройки в клетке, имеющие приспособительное значение. Они достигаются за счет процессов регенерации, гипертрофии, гиперплазии, гипотрофии.
Регенерация (от лат. regeneratio – возрождение; восстановление) означает возмещение клеток и (или) ее отдельных структурных элементов взамен погибших, поврежденных или закончивших свой жизненный цикл. Регенерация структур сопровождается восстановлением их функций. Выделяют так называемую клеточную и внутриклеточную формы регенерации. Первая характеризуется увеличением числа клеток путем митоза или амитоза. Внутриклеточная регенерация проявляется восстановлением органелл – митохондрий, ядра, эндоплазматической сети и других структур клетки вместо поврежденных или погибших.
Гипертрофия (от греч. hyper – чрезмерно, увеличение; trophe – питаю) – увеличение объема и массы структурных элементов, в частности, клеток. Гипертрофия неповрежденных органелл клетки компенсирует нарушение или недостаточность функций ее поврежденных элементов.
Гиперплазия (от греч. hyper – чрезмерно; plaseo – образую) характеризуется увеличением числа структурных элементов, в частности, органелл в клетке. Нередко в одной и той же клетке наблюдаются признаки и гиперплазии, и гипертрофии. Оба процесса обеспечивают не только компенсацию структурного дефекта, но и возможность повышенного функционирования клетки.
Межклеточные (внеклеточные) механизмы взаимодействия и приспособления клеток при их повреждении. В пределах тканей и органов клетки не разобщены. Они взаимодействуют друг с другом путем обмена метаболитами, ФАВ, ионами. В свою очередь взаимодействие клеток тканей и органов в организме в целом обеспечивается функционированием системы кровообращения, эндокринными, нервными и иммунными влияниями.
Характерной чертой таких механизмов адаптации является то, что они реализуются, в основном, при участии клеток, которые не подвергались непосредственному действию патогенного фактора (например, гиперфункция кардиомиоцитов за пределами зоны некроза при инфаркте миокарда).
По уровню и масштабу такие реакции при повреждении клеток можно разделить на органно-тканевые, внутрисистемные, межсистемные. Примером приспособительной реакции органнотканевого уровня может служить активация функции неповрежденных клеток печени или почки при повреждении клеток части органа. Это снижает нагрузку на клетки, подвергшиеся патогенному воздействию, и способствует уменьшению степени их повреждения. К числу внутрисистемных реакций относится сужение артериол при снижении работы сердца (например, при инфаркте миокарда), что предотвращает или уменьшает степень повреждения.
Вовлечение в приспособительные реакции нескольких физиологических систем наблюдается, например, при общей гипоксии. При этом активируется работа систем дыхания, кровообращения, крови и тканевого метаболизма, что снижает недостаток кислорода и субстратов метаболизма в тканях, повышает их утилизацию и уменьшает благодаря этому степень повреждения их клеток (смотри главу 18 «Гипоксия»).
Активация внутриклеточных и межклеточных механизмов приспособления при повреждении, как правило, предотвращает гибель клеток, обеспечивает выполнение ими функций и способствует ликвидации последствий действия патогенного фактора. В этом случае говорят об обратимых изменениях в клетках. Если сила патогенного агента велика и (или) защитно-приспособительные реакции недостаточны, развивается необратимое повреждение клеток, и они погибают.
1. Компенсация нарушений энергетического обеспечения клеток:
a) интенсификация синтеза АТФ в процесса гликолиза, а также тканевого дыхания в неповрежденных митохондриях;
b) активация механизмов транспорта АТФ;
c) активация механизмов утилизации энергии АТФ;
2. Защита мембран и ферментов клеток:
a) повышение активности факторов системы антиоксидантной защиты;
b) активация буферных систем;
c) повышение активности ферментов детоксикации микросом;
d) активация механизмов синтеза компонентов мембран и ферментов;
3. Уменьшение степени или устранение дисбаланса ионов и жидкости в клетках:
a) снижение степени нарушения энергообеспечения;
b) снижение степени повреждения мембран и ферментов;
c) активация буферных систем;
4. Устранение нарушений в генетической программе клеток:
a) устранение разрывов в нитях ДНК;
b) ликвидация измененных участков ДНК;
c) синтез нормального фрагмента ДНК вместо поврежденного или утраченного;
5. Компенсация расстройств регуляции внутриклеточных процессов:
a) изменение числа “функционирующих” рецепторов клетки;
b) изменение сродства рецепторов клетки к регулирующим факторам;
c) изменение активности аденилат- и гуанилатциклазной систем;
d) изменение активности и содержания внутриклеточных регуляторов метаболизма (ферментов, катионов и др.);
6. Снижение функциональной активности клеток.
7. Регенерация
8. Гипертрофия
9. Гиперплазия.
1. Компенсация нарушений процесса энергетического обеспечения клеток.
Одним из способов компенсации нарушений энергетического обмена вследствие поражения митохондрий является интенсификация процесса гликолиза. Определенный вклад в компенсацию нарушений энергообеспечения внутриклеточных процессов при повреждении вносит активация ферментов транспорта и утилизации энергии АТФ (адениннуклеотидтрансферазы, креатинфосфокиназы, АТФ-аз), а также снижение функциональной активности клетки. Последнее способствует уменьшению расхода АТФ.
2. Защита мембран и ферментов клеток.
Одним из механизмов защиты мембран и ферментов клеток является ограничение свободнорадикальных и перекисных реакций ферментами антиоксидантной защиты (супероксидмутазой, каталазой, глутатионпероксидазой). Другим механизмом защиты мембран и энзимов от повреждающего действия, в частности, ферментов лизосом, может быть активация буферных систем клетки. Это обуславливает уменьшение степени внутриклеточного ацидоза и, как следствие, избыточной гидролитической активности лизосомальных ферментов. Важную роль в защите мембран и ферментов клеток от повреждения играют ферменты микросом, обеспечивающие физико-химическую трансформацию патогенных агентов путем их окисления, восстановления, деметилирования и т.д. Альтерация клеток может сопровождаться дерепрессией генов и, как следствие, активацией процессов синтеза компонентов мембран (белков, липидов, углеводов) взамен поврежденных или утраченных.
3. Компенсация дисбаланса ионов и жидкости.
Компенсация дисбаланса содержания ионов в клетке может быть достигнута путем активации механизмов энергетического обеспечения ионных “насосов”, а также защиты мембран и ферментов, принимающих участие в транспорте ионов. Определенную роль в снижении степени ионного дисбаланса имеет действие буферных систем. Активация внутриклеточных буферных систем (карбонатной, фосфатной, белковой) может способствовать восстановлению оптимальных соотношений ионов К+, Na+, Ca2+ другим путем уменьшения содержания в клетке ионов водорода. Снижение степени дисбаланса ионов в свою очередь, может сопровождаться нормализацией содержания внутриклеточной жидкости.
4. Устранение нарушений в генетической программе клеток.
Поврежденные участки ДНК могут быть обнаружены и устранены с участием ферментов репаративного синтеза ДНК. Эти ферменты обнаруживают и удаляют измененный участок ДНК (эндонуклеазы и рестриктазы), синтезируют нормальный фрагмент нуклеиновой кислоты взамен удаленного (ДНК-полимеразы) и встраивают этот вновь синтезированный фрагмент на место удаленного (лигазы). Помимо этих сложных ферментных систем репарации ДНК в клетке имеются энзимы, устраняющие “мелкомасштабные” биохимические изменения в геноме. К их числу относятся деметилазы, удаляющие метильные группы, лигазы, устраняющие разрывы в цепях ДНК, возникающие под действием ионизирующего излучения или свободных радикалов.
5. Компенсация расстройств механизмов регуляции внутриклеточных процессов.
К такого рода реакциям относятся: изменение числа рецепторов гормонов, нейромедиаторов и других физиологически активных веществ на поверхности клетки, а также чувствительности рецепторов к этим веществам. Количество рецепторов может меняться благодаря тому, что молекулы их способны погружаться в мембрану или цитоплазму клетки и подниматься на ее поверхность. От числа и чувствительности рецепторов, воспринимающих регулирующие стимулы, в значительной мере зависит характер и выраженность ответа на них.
Избытков или недостаток гормонов и нейромедиаторов или их эффектов может быть скомпенсирован также на уровне вторых посредников - циклических нуклеотидов. Известно, что соотношение цАМФ и цГМФ изменяется не только в результате действия внеклеточных регуляторных стимулов, но и внутриклеточных факторов, в частности, фосфодиэстераз и ионов кальция. Нарушение реализации регулирующих влияний на клетку может компенсироваться и на уровне внутриклеточны метаболических процессов, поскольку многие из них протекают на основе регуляции интенсивности обмена веществ количеством продукта ферментной реакции (принцип положительной или отрицательной обратной связи).
6. Снижение функциональной активности клеток.
В результате снижения функциональной активности клеток обеспечивается уменьшение расходования энергии и субстратов, необходимых для осуществления функции и пластических процессов. В результате этого степень и масштаб повреждения клеток при действии патогенного фактора существенно снижаются, а после прекращения его действия отмечается более интенсивное и полное восстановление клеточных структур и их функций. К числу главных механизмов, обеспечивающих временное понижение функции клеток, можно отнести уменьшение эфферентной импульсации от нервных центров, снижение числа или чувствительности рецепторов на поверхности клетки, внутриклеточное регуляторное подавление метаболических реакций, репрессию активности отдельных генов.
7. Регенерация
Под эти м процессом подразумевают возмещение клеток или их отдельных структур взамен погибших, поврежденных или закончивших свой жизненный цикл. Регенерация структур сопровождается восстановлением их функций. Выделяют клеточную и внутриклеточную формы регенерации. Первая характеризуется размножением клеток путем митоза или амитоза. Вторая - восстановлением органелл клетки вместо поврежденных или погибших. Внутриклеточная регенерация в свою очередь подразделяется на органоидную и внутриорганоидную. Под органоидной регенерацией понимают восстановление и увеличение количества субклеточных структур, а под - внутриорганоидной - количества отдельных их компонентов (увеличение крист в митохондриях, протяженности эндоплазматического ретикулума и т.д.).
8. Гипертрофия.
Гипертрофия представляет собой увеличение объема и массы структурных элементов органа, клетки. Гипертрофия неповрежденных органелл клетки компенсирует нарушение или недостаточность функции ее поврежденных элементов.
9. Гиперплазия.
Гиперплазия характеризуется увеличение числа структурных элементов, в частности, органелл в клетке. Нередко в одной и той же клетке наблюдаются признаки и гиперплазии и гипертрофии. Оба эти процесса обеспечивают не только компенсацию структурного дефекта, но им возможность повышенного функционирования клетки.
Действие на клетку патогенных факторов сопровождается активацией различных реакций и процессов, направленных на устранение либо уменьшение степени повреждения и его последствий, а также обеспечивающих устойчивость клеток к повреждению. Совокупность этих, реакций обеспечивает приспособление (адаптацию) клетки к изменившимся условиям ее жизнедеятельности. В этой ситуации обязанность врача заключается в стимуляции защитных систем клетки.
Любое повреждение. клетки вызывает в ней разной степени выраженности специфические и неспецифические изменения,
Специфические. изменения клеток при повреждении характерны для данного патогенного фактора при действии его на различные клетки. Так, повышение осмотического давления в клетке, сопровождается ее гипергидратацией, растяжением мембран и нарушением их целостности. Под влиянием разобщителей окисления и фосфорилирования снижается или блокируется сопряжение этих процессов и уменьшается эффективность биологического окисления. Повышенное содержание в крови гормона коры надпочечников- альдостерона - ведет к накоплению в клетке Na + .
Неспецифические изменения в клетках находят при альтерации различных видов клеток и действии на них широкого спектра патогенных агентов: при гипоксии, ацидозе, чрезмерной активации свободнорадикальных и перекисных реакций; денатурации молекул s белка; повышении проницаемости клеточных мембран; дисбалансе ионов и воды. Комплекс адаптивных реакций клеток условно подразделяют на внутриклеточные и межклеточные, или системные.
К внутриклеточным адаптивным механизмам относятся следующие реакции и Процессы: компенсация нарушений энергетического обеспечения клетки; защита мембран и ферментов клетки; уменьшение выраженности или устранение дисбаланса ионов и воды в клетке; устранение дефектов генетической программы клетки и механизмов ее реализации; компенсация расстройств механизмов регуляции внутриклеточных процессов; снижение функциональной активности клеток; регенерация; гипертрофия; гиперплазия.
Для межклеточных (системных) механизмов адаптации к повреждению характерно усиление взаимодействия клеток друг с другом. Такое взаимодействие осуществляется следующими путями: обмен метаболитами, местными биологически активными веществами - цитокинами, ионами; изменение лимфо- и. кровообращения; эндокринные влияния; нервные воздействия.
Все многообразные защитно-компенсаторные реакции клетки в ответ на её повреждение делятся на две группы:
1)реакции, направленные на восстановление нарушенного, внутриклеточного гомеостаза: а) активация механизмов активного транспорта веществ (Na-K-Са-насосов, Na- Са-, Na-H-обменных механизмов, микроциркулярного транспорта); б) усиление регенерации антиоксидантов; в) связывания, свободных жирных кислот (синтез триглицеридов); г) адаптация синтеза белков, нуклеиновых кислот, фосфолипидов. Непременными условиями реализации этих механизмов является достаточное энергообеспечение клетки. Это достигается повышением интенсивности энергетического обмена (активация гликолиза, клеточного дыхания, пентозного цикла) и перераспределением имеющихся в клетке энергетических ресурсов
2) реакции, направленные на создание функционального покоя поврежденной клетки. Их цель состоит в том,чтобы устранить возможные дополнительные сдвиги внутриклеточного гомеостаза при действии физиологических возмущающих факторов (стабилизация повреждения) и свести к минимуму энергетические затраты на исполнение специфических функций клетки. К таким реакциям можно отнести:
а) образование клеткой простагландинов и блокада ими в-адренорецепторов;
б) ингибирование аденилатциклазы и повышение активности фосфодиэстеразы, разрушающей цАМФ;
в) образование аденозина - естественного блокатора Са - каналов.
В центральной нервной системе.
Общие закономерности
Процессы компенсации в нервной системе чаще рассматриваются как реакции, возникающие после травм, оперативных вмешательств, тех или иных патологических явлений. В значительном числе случаев клиницисты сталкиваются с состоянием, когда в нервной системе уже развивается патологический процесс, но он еще не вызывает нарушений функций и не выявляется без специальных исследований.
Компенсаторные процессы реализуются вначале в силу внутриструктурных механизмов, происходящих, например, в пределах одного ядра нервной системы. В основе этой компенсации лежит ряд сложных перестроек в самой структуре. Она возможна за счет использования имеющихся резервов структуры и благодаря викарированию.
Викарирование в данном случае следует понимать как увеличение активности и функциональных возможностей сохранившихся структурных элементов. Например, переход мономодальных нейронов в полимодальные, моносенсорных нейронов в полисенсорные. Этот механизм при нарушениях центральной нервной системы основывается на том, что каждая ее структура является потенциально полифункциональной. Внутриструктурная компенсация часто зависит от индивидуальных особенностей организации анализаторов у человека. Так, 17 поле у одних людей может быть в два раза больше, чем у других. У некоторых людей отмечено расширение макулярной зоны 17 поля или передней части этого поля - области периферического зрения. Известно также, что латеральные коленчатые тела у отдельных индивидов
превышают среднюю величину на 185%. Естественно, во всех таких случаях компенсаторные возможности значительно шире.
Другой путь компенсации обеспечивается внутрисистемными взаимодействиями, например, в пределах стриопаллидарной системы, когда дисфункция хвостатого ядра в регуляции моторики может компенсироваться скорлупой.
Третий путь компенсации реализуется межсистемными взаимодействиями. Компенсация, как межсистемный процесс, обусловлена преимущественно участием в ликвидации развивающейся патологии одной структуры связанными с нею функционально структурами других систем. В этом случае другая система, за счет образования новых временных связей, может обеспечивать сохранение функции, которую первично призвана выполнять повреждаемая патологическим процессом система.
Следует отметить, что все пути компенсации реализуются параллельно, но вес участия каждого из них на разных этапах развития патологии различен. На начальных этапах большая доля компенсации осуществляется благодаря внутриструктурным процессам, при усилении патологии большую значимость приобретает внутрисистемная компенсация, затем межсистемная.
Довольно часто отсутствует параллель между мор-фологическими нарушениями центральной нервной системы и способностью выполнять этой структурой присущую ей функцию. Например, при повреждениях мозжечка растущей опухолью компенсация настолько совершенна, что клиническая симптоматика появляется при гибели большей части мозжечка. Более успешно компенсация функций реализуется при медленно растущем патологическом процессе в молодом возрасте.
Так, известно, что Луи Пастер в молодости перенес кровоизлияние в мозг, приведшее к значительному разрушению коры правого полушария его мозга. Однако это не помешало Пастеру сохранить и развить свои ментальные способности и выполнить выдающиеся работы в области биологии.
В другом известном случае после четырехкратной операции по поводу опухоли мозга у 12-летнего ребенка практически была удалена большая часть левого полушария мозжечка. Сразу после каждой операции у ребенка возникали нарушения двигательной сферы, речи и других функций мозга. Однако довольно быстро эти нарушения компенсировались.
Компенсаторные возможности мозга с возрастом уменьшаются, это обусловлено ослаблением лабильности в формировании новых функциональных связей.
Свойства центральной нервной системы,
Обеспечивающие механизмы компенсации
Нарушенных функций
Физиологические механизмы компенсации нарушений функций образований ЦНС базируются на специфических свойствах нейронов подкорковых и корковых структур мозга.
К этим свойствам относятся:
Полифункциональность каждого из элементов
нервной системы;
Полисенсорность нейронов;
Относительная специализация нейронов отдель
ных областей мозга;
Локализация функций в коре;
Параллельная (одновременная) обработка разно-
сенсорной информации;
Способность к саморегуляции, самоорганизации;
Доминантный механизм;
Рефлекторный принцип функционирования;
Обратная связь;
Избыточность структурная и функциональная;
Надежность;
Функциональная асимметрия;
Принцип общего конечного пути;
Способность нервных элементов к синхрониза
ции активности;
Пластичность нервных центров и отдельных ней
ронов;
Принцип иррадиации и концентрации активно
сти;
Интегративность нервной системы.
Полифункциональность. Основная функция нервной системы заключается в сборе, переработке, хранении, воспроизведении и передаче информации с целью организации интеллектуальной, поведенческой деятельности, регуляции функционирования органов, систем органов и обеспечения их взаимодействия.
Многие из перечисленных функций реализуются уже на субнейронном уровне. Так, микротрубочки, синапс, дендриты, мембрана нейронов обладают способностью выполнять все информационные функции нервной системы: восприятие, обработку, хранение, многократное воспроизведение и передачу информации. В этом и заключается основной принцип функционирования нервной системы - принцип полифункциональности.
Полифункциональность присуща большинству структур центральной нервной системы. Например, раздражение одной и той же структуры бледного шара разной частотой импульсов может вызывать либо двигательную, либо вегетативную реакцию. Сенсомотор-ная кора способна воспринимать сигналы кожной, зрительной, слуховой и других видов рецепции. В
ответ на эти сигналы в сенсомоторной коре формируются реакции, которые обычно возникают при нормальной деятельности коркового конца зрительного, слухового или других анализаторов.
Следовательно, благодаря полифункциональности одна и та же функция может быть выполнена разными структурами мозга. Этот принципиальный момент свидетельствует о практически безграничных возможностях компенсации функции в центральной нервной системе.
Свойства полифункциональности нервных центров тесно связаны со свойством полисенсорности нейронов.
Полисенсорность - это способность одного нейрона реагировать на сигналы разных афферентных систем. Нейрофизиологи выделяют нейроны моносенсорные, реагирующие только на один вид сигналов, би-сенсорные - - реагирующие на два разных сигнала, например, некоторые нейроны зрительной коры могут реагировать на зрительные и слуховые раздражения. Наконец, в коре мозга имеются нейроны, которые реагируют на три и более вида сигналов. Эти нейроны называются полисенсорными.
Помимо способности реагировать на раздражения разных сенсорных систем, нейроны отдельных областей мозга способны реагировать только на одну характеристику сенсорного раздражения, например на определенную частоту звука или только на один цвет. Такие нейроны называются мономодальными.
Мономодальные нейроны обладают высокой избирательностью и высокой чувствительностью к определенным видам раздражений, т.е. эти нейроны являются специализированными. Локализуются специализированные нейроны в зонах первичных проек-
ций анализаторов. Такими зонами являются первичные области зрительной, слуховой, кожной и других зон коры.
Преимущественное расположение моносенсорных нейронов определяет локализацию функций в коре. В истории изучения локализации функций в коре головного мозга можно выделить два представления: по одному из них моторные и сенсорные функции представлены строго локальными участками, повреждение которых должно навсегда исключать ту или иную функцию. Противоположное ему представление обосновывало эквипотенциалъностъ коры в реализации сенсорики и моторики.
В итоге многолетних исследований центральной нервной системы сформировалось компромиссное представление. В настоящее время можно считать установленным, что локализация функций в коре определяется прежде всего моносенсорными нейронами, имеющими наименьшие пороги чувствительности на свои адекватные раздражения. Однако рядом с этими нейронами всегда имеются полисенсорные нейроны, которые обеспечивают взаимодействие локальной структуры с другими структурами мозга, а тем самым - возможность образования временной связи, компенсацию нарушений функций своей структуры и структур, с нею связанных.
В тех случаях, когда нейрон реагирует на два признака одного и того же сенсорного стимула, например, на два цвета зрительного раздражения или на два тона слухового, эти нейроны относят к бимодальным. Нейроны, реагирующие на три и более признака одного сенсорного канала, называются полимодальными.
Полимодальные нейроны обеспечивают внутрисистемную компенсацию нарушенных функций.
Параллельно с этим возможен и другой механизм компенсации - за счет способности мономодальных нейронов становиться би- и полимодальными.
В опытах с регистрацией активности отдельных нейронов показано, что мономодальные нейроны слуховой коры, реагирующие на тон с частотой 1 000 Гц, при подаче тона с частотой 500 Гц вначале не реагировали на этот сигнал, а после ряда сочетаний тона 500 Гц с внеклеточной деполяризацией мономодального нейрона через микроэлектрод, последний обучался реагировать и на тон 500 Гц. Следовательно, нейрон становился бимодальным и за -счет этого мог компенсировать нарушения, вызываемые гибелью нейронов, способных отвечать на сигналы с частотой 500 Гц.
Принципиально такой же механизм временной связи лежит в основе обучения моносенсорных нейронов реагировать на стимулы разной сенсорности, т.е. на сигналы разных анализаторных систем. В этом случае речь идет о межанализаторной, межсистемной компенсации.
В коре мозга нет такой зоны, которая была бы связана с реализацией только одной функции. В разных отделах мозга имеется разное количество полисенсорных и полимодальных нейронов. Наибольшее количество таких нейронов находится в ассоциативных и во вторичных, третичных зонах коркового конца анализаторов. Значительная часть нейронов моторной коры (около 40%) также является полисенсорной, они реагируют на раздражения кожи, на звук, свет. В 17 поле зрительной коры к полисенсорным относится около 15% нейронов, а в 18-19 полях той же коры таких нейронов более 60%. В коленчатых телах на звуковое и световое раздражение реагирует до 70% нейронов, а на раздражение кожи - 24% . Свойством полисенсорности обладают также нейроны неспеци-
фических ядер таламуса, красного ядра среднего мозга, хвостатого ядра, скорлупы, ядер слуховой системы ствола мозга, ретикулярной формации.
Число полисенсорных нейронов в структурах мозга меняется в зависимости от функционального состояния нервной системы и от выполняемой в данный момент времени задачи. Так, в период обучения с участием зрительного и моторного анализаторов число полисенсорных нейронов в этих зонах коры возрастает. Следовательно, направленное обучение создает условия увеличения полисенсорных нейронов и, тем самым, компенсаторные возможности нервной системы возрастают.
Наличие полисенсорных нейронов, увеличение их числа при функциональных нагрузках на нервную систему определяют динамические возможности компенсации ее структур при различного рода дисфункциях.
Для клинической медицины важно также, что некоторые нейроны коры мозга в результате обучения способны становиться полисенсорными, т.е. если до применения сочетания условного и безусловного стимулов нейрон реагировал только на безусловный стимул, то после ряда сочетаний этот нейрон становится способным реагировать и на условный стимул.
Полимодальность и полисенсорность позволяют нейрону одновременно воспринимать раздражения от разных анализаторов или, если от одного анализатора, то воспринимать одновременно сигналы с разными его характеристиками. Одновременное параллельное восприятие сигналов предполагает и одновременную параллельную их обработку. Об этом свидетельствуют условнорефлекторные эксперименты, в которых показано, что в результате выработки условного рефлекса на одновременный комплекс сигналов,
предъявляемых разным анализаторам (например, слуховому и зрительному), его можно вызвать любым отдельным сигналом этого комплекса.
Полифункциональность и полисенсорность связаны с другим свойством функционирования мозга -его надежностью. Надежность обеспечивается, помимо полисенсорности и полифункциональности, такими механизмами, как избыточность, модульность, ко-оперативность.
Избыточность, как элемент обеспечения надежности функционирования мозга, достигается разными способами. Наиболее распространенным является резервирование элементов. У человека в коре постоянно активны только доли процента нейронов, но их достаточно для поддержания тонуса коры, необходимого для реализации ее деятельности. При нарушении функционирования коры количество фоновоак-тивных нейронов в ней значительно увеличивается.
Избыточность элементов в ЦНС обеспечивает сохранение функций ее структур даже при повреждении значительной их части. Например, удаление значительной части зрительной коры не приводит к нарушениям зрения. Однополушарное повреждение структур лимбической системы не вызывает специфических для лимбической системы клинических симптомов. Доказательством того, что нервная система имеет большие резервы, являются следующие примеры. Глазодвигательный нерв нормально реализует свои функции регуляции движений глазного яблока при сохранности в его ядре всего 45% нейронов. Отводящий нерв нормально иннервирует свою мышцу при сохранности 38% нейронов его ядра, а лицевой нерв выполняет свои функции всего при 10%-ной сохранности числа нейронов, расположенных в ядре этого нерва.
Высокая надежность в нервной системе обусловлена также множеством связей ее структур, большим количеством синапсов на нейронах. Так, нейроны мозжечка имеют на своем теле и дендритах до 60 тыс. синапсов, пирамидные нейроны двигательной коры - до 10 тыс., альфа-мотонейроны спинного мозга - до 6 тыс. синапсов.
Резервирование проявляется множеством путей реализации сигнала; так, дублирующийся двигательный сигнал, идущий из коры к мотонейронам спинного мозга, может достигнуть их не только от пирамидных нейронов 4 поля коры, но и от добавочной моторной зоны, из других проекционных полей, из базальных ганглиев, красного ядра, ретикулярной формации и других структур. Следовательно, повреждение моторной коры не должно приводить к полному выпадению двигательной информации к мотонейронам спинного мозга.
Следовательно, помимо резервирования, надежность нервной системы достигается дублированием, что позволяет оперативно вводить, по мере надобности, дополнительные элементы, чтобы реализовать ту или иную функцию. Примером такого дублирования может служить многоканальная передача информации, например в зрительном анализаторе.
Когда надежность функционирования мозга не обеспечивается за счет дублирования и резервирования, включается механизм вероятностного участия нейронов в реализации заданной функции. Вероятностный механизм создает оперативную избыточность участия нервных клеток различных модулей для организации той или иной реакции. Вероятностный принцип функционирования нервной системы заключается в том, что нейроны действуют не изолированно, а в популяции. Естественно, единое состояние всех ней-
ронов популяции при приходе в нее сигнала невозможно. Участие отдельного нейрона в организации реакции обусловлено его состоянием (порог возбудимости, генерализация импульса и т.д.). В связи с этим участие в реакции может быть реализовано или нет, т.е. оно вероятностно.
Модульность - это принцип структурно-функциональной организации коры мозга, который заключается в том, что в одном нейронном модуле осуществляется локальная переработка информации от рецепторов одной модальности. Различают два вида модулей: микромодули и макромодули. Микромодули в соматосенсорной коре представляют собой объединение 5-6 нейронов, среди которых имеются пирамидные нейроны, их апикальные дендриты образуют дендритный пучок. Между дендритами этого пучка имеют место не только синаптические связи, но и электротонические контакты. Последние обеспечивают синхронность работы нейронов микромодуля, что повышает надежность передачи информации.
В микромодуле представлены также звездчатые клетки. Они имеют синапсы на пирамидных нейронах своего модуля и контакты от восходящих таламо-кортикальных волокон. Некоторые звездчатые клетки посылают аксоны вдоль поверхности коры, создавая таким образом условия для передачи информации от одного модуля коры к другому и образуя тормозное окружение вокруг активного модуля.
Микромодули объединяются в макромодули - вертикально ориентированные колонки (по Маунткаслу), их диаметр достигает 500-1 000 мкм. Маунткасл нашел, что при погружении микроэлектрода перпендикулярно поверхности коры все регистрируемые при этом нейроны реагируют на раздражение одной сен-сорности (например, на свет).
При погружении микроэлектрода под углом к поверхности коры на его пути встречались нейроны разной сенсорности, т.е. реагирующие на разные сигналы (например, на свет, звук).
Считается, что в этом случае микроэлектрод пронизывает соседние колонки и регистрирует нейроны разной сенсорности. На основании исследований Ма-унткасла и др. признается моносенсорность, монофункциональность колонки.
Такое заключение противоречит принципу поли-сенсорности нейронов. В одном модуле должны быть как нейроны моносенсорные или мономодальные, так и нейроны полисенсорные, в противном случае резко снижается информационная надежность нервной системы, ее пластичность, а значит, и: способность к образованию новых функциональных компенсаторных связей.
В зрительной коре имеет место чередование колонок, нейроны которых реагируют на зрительные стимулы либо только правого, либо только левого глаза. Следовательно, в зрительной коре обоих полушарий мозга имеются глазодоминантные колонки, т.е. колонки, реагирующие на стимуляцию одного глаза.
В слуховой коре выделяются колонки, способные дифференцировать сигналы, идущие от обоих ушей, и колонки, не способные к такой дифференциации.
В сенсомоторной коре рядом расположенные колонки выполняют разнонаправленные реакции: например, одни из них возбуждают мотонейроны спинного мозга, другие - тормозят их.
Модульный принцип структурно-функциональной организации работы мозга является проявлением кооперативного характера функционирования нейронов мозга. Кооперативность позволяет нейронам модуля участвовать в реализации функции по вероятностно-
му типу, что создает возможность относительной взаимозаменяемости нейронов, и, тем самым, повышает надежность нервной деятельности. В результате функционирование системы становится малозависящим от состояния отдельной нервной клетки. С другой стороны, подвижная структура таких рабочих единиц, формируемых вероятностным участием в них нервных клеток, обусловливает большую гибкость межнейронных связей и легкость их перестроек, которые определяют свойства пластичности, характерные для высших отделов мозга.
Кооперативность дает возможность структуре выполнять функции, не присущие отдельным ее элементам. Так, отдельный нейрон мозга не способен к обучению, но, находясь в сети нейронов, он приобретает такую способность.
Кооперативность позволяет реализовывать механизмы саморегуляции и самоорганизации, присущие нервной системе с самых ранних этапов ее организации.
Саморегуляция - свойство структур нервной системы автоматически устанавливать и поддерживать на определенном уровне свое функционирование. Основным механизмом саморегуляции является механизм обратной связи. Этот механизм хорошо иллюстрируется на примере поддерживающей реверберации при межполушарном развитии эпилептического судорожного состояния. Обратная связь в нервной системе имеет либо усиливающее, либо тормозное, либо чисто информационное значение о результатах деятельности, реакции системы, куда был адресован сигнал.
Обратная связь упорядочивает, суживает множество вариантов прохождения сигнала, создавая тормозное окружение пути возбуждения из неактивных нейронов.
Тесно связан с саморегуляцией нервной системы механизм ее самоорганизации. Самоорганизующиеся системы вообще имеют ряд особенностей, которые присущи и ЦНС:
Множество входов;
Множество выходов;
Высокий уровень сложности взаимодействия сво
их элементов;
Большое количество функционирующих элемен
тов;
Наличие вероятностных и жестких детермини
рованных связей;
Наличие функции переходных состояний;
Множество функций;
Наличие выходной функции с обратной связью.
Благодаря принципу самоорганизации компенса
ция функций в нервной системе обеспечивается пу
тем изменения весов функционирования связей, фор
мированием новых связей на основе включения в ак
тивность потенциальных синапсов, использованием
накопленного опыта данного индивида.
Развитие нервной системы в фило- и онтогенезе приводит к непрерывному усложнению взаимодействия ее систем. Чем больше форм, видов, число условных рефлексов, организуемых в онтогенезе, тем больше связей устанавливается между структурами нервной системы.
Увеличение количества функциональных связей между структурами нервной системы имеет решающее значение, так как в этом случае возрастает число вариантов прохождения сигналов, значительно расширяются возможности компенсации нарушенных функции.
Благодаря самоорганизации развитие клинических признаков патологии нервной системы на определенном этапе не проявляется.
Самоорганизация приводит к качественным изменениям взаимодействия систем, что позволяет реализовать нарушаемую патологией функцию. Здесь немаловажно то, что нервная система, помимо возможности большого выбора путей для достижения цели, способна избирательно усиливать или ослаблять сигналы.
В первом случае, при усилении сигнала, обеспечивается надежная передача информации при частичной морфологической сохранности структуры.
Во втором случае, при ослаблении сигнала, появляется возможность снизить помеху, идущую от других источников. Так как нервная система способна к избирательной фильтрации нужного сигнала, то это позволяет ей, выделив нужный, но слабый сигнал, во-первых, прямо усилить его, а во-вторых, дать ему преимущество при прохождении к воспринимающей структуре за счет снижения силы ненужных, мешающих сигналов.
Компенсаторные возможности нервной системы связаны также со специфической локализацией функций в коре мозга, которая не является абсолютной. Прежде всего каждый корковый конец анализатора имеет первичные, вторичные и третичные поля.
Первичные поля коры соответствуют архитектоническим полям коры, в которых оканчиваются сенсорные проекционные пути. Эти зоны связаны с периферическими рецептирующими системами наиболее прямыми путями, они имеют четкую соматотопическую локализацию, в них осуществляется качественный анализ приходящих специфических сигналов. Поражение этих зон ведет к элементарным расстройствам чувствительности.
Вторичные поля коры находятся вблизи первичных. Во вторичных полях, связанных с рецептирующими системами прямо и опосредованно, продолжа-
ется обработка сигнала, определяется его биологическая значимость, устанавливаются связи с другими анализаторами и с исполнительной, чаще с двигательной системой. Поражение этой зоны приводит к расстройствам специфических для данного анализатора памяти и восприятия.
Третичные, или ассоциативные, зоны располагаются в областях взаимного перекрытия анализаторов и занимают у человека большую часть коркового представительства данного анализатора.
Нейронные объединения этих зон наиболее адаптированы для установления связи с другими областями мозга, а тем самым наиболее приспособлены к реализации компенсаторных процессов. Поражения ассоциативных областей не ведут к расстройствам специфических функций анализаторов, а проявляются в наиболее сложных формах аналитико-синтетической деятельности (гнозиса, праксиса, речи, целенаправленного поведения), связанных с функцией данного анализатора.
Структурная локализация функций предполагает, что мозг имеет детерминированные пути, системы, реализующие проведение сигнала, организацию той или иной реакции и т.д. Однако помимо жестко детерминированных связей в мозту реализуются функциональные связи, развивающиеся в онтогенезе.
Чем более упрочены, закреплены связи между структурами мозга в процессе индивидуального развития, тем труднее использование компенсаторных возможностей при патологиях.
На основе принципа структурности реализуется механизм иерархичности. Он заключается не столько в соподчинении, сколько в организации компенсаторных процессов. Каждая вышележащая структура участвует в реализации функций нижележащей, но де-
лает это тогда, когда нижележащая структура затрудняется в выполнении своих функций.
Структуры мозга при обучении, при дисфункции одной из них не локализуют возбуждение в своих границах, а позволяют ему широко распространяться по мозгу - принцип иррадиации.
Иррадиация состояния активности распространяется в другие структуры мозга как по прямым связям, так и по опосредованным путям. Возникновение иррадиации при гипофункции структуры, участвующей в реализации того или иного процесса, позволяет найти пути компенсации гипофункции и реализовать нужную реакцию.
Нахождение нового пути закрепляется по рефлекторному принципу и заканчивается концентрацией активности в определенных структурах, заинтересованных в выполнении реакции.
С концентрацией активности в определенных структурах мозга тесно связаны конвергентность и принцип общего конечного пути. Этот принцип реализуется на отдельном нейроне и на системном уровне. В первом случае информация в нейроне собирается на дендритах, соме нейрона, а передается преимущественно через аксон. Информация из нейрона может быть передана не только через аксон, но и через дендритные синапсы. Информация через аксон подается в нейроны других структур мозга, а через синапсы ден-дритов только на соседние нейроны.
Наличие общего конечного пути позволяет нервной системе иметь разные варианты достижения нужного эффекта через разные структуры, имеющие выход на один и тот же конечный путь.
Трудности компенсаций, отмечаемые в более старших возрастах, обусловлены не тем, что резервы мозга исчерпаны, а тем, что сформировано большое ко-
личество оптимальных путей реализации функции, которые хотя и задеиствуются в случае патологии, но из-за нее же и не могут быть реализованы. Чаще при патологии требуется формирование новых путей реализации той или иной функции.
В основе формирования новых путей, новых функций структуры мозга лежит следующий принцип его функционирования - принцип пластичности.
Пластичность позволяет нервной системе под воздействием различных стимулов осуществлять реорганизацию связей для целей сохранения основной функции или для реализации новой функции.
Пластичность позволяет нервным центрам реализовать функции, которые ранее им не были присущи, но благодаря имеющимся и потенциальным связям эти центры становятся способными участвовать в компенсации нарушенных в других структурах функций. Полифункциональные структуры обладают большими возможностями пластичности. В связи с этим неспецифические системы мозга, ассоциативные структуры, вторичные зоны проекций анализаторов, как имеющие значительное число полифункциональных элементов, более способны к пластичности, чем зоны первичных проекций анализаторов. Четким примером пластичности нервных центров является классический опыт П.К. Анохина с изменением связей центров диафрагмального и плечевого нервов.
В этом опыте были перерезаны диафрагмальный и плечевой нервы и центральный конец диафрагмального нерва был присоединен к периферическому концу плечевого, и, наоборот, центральный конец плечевого нерва к периферическому диафрагмального. По истечении некоторого времени после операции у животного восстанавливались правильная регуляция дыхания и правильная последовательность произвольных движений.
Следовательно, нервные центры перестроили свою функцию таким образом, как этого требовала периферическая мышечная система, с которой была установлена новая связь.
На ранних этапах онтогенеза перестройки такого типа идут более совершенно, динамично.
Наиболее существенную роль в компенсации дисфункций структур мозга играет рефлекторный принцип его функционирования. Каждая новая рефлекторная связь между структурами мозга является новым его состоянием, позволяющим реализовывать требуемую в данный момент функцию.