От периферического нервного волокна к нейрону головного мозга: путь развития; актовая речь

вопросы истории

Смоленской государственной медицинской академии - 90 лет

Кафедре нормальной физиологии - 88 лет

Основателю и первому заведующему кафедрой профессору Д. С. Воронцову в 2011 году - 125 лет со дня рождения

УДК 612

ОТ ПЕРИФЕРИЧЕСКОГО НЕРВНОГО ВОЛОКНА К НЕЙРОНу ГОЛОВНОГО мозга: Путь РАзВИТИЯ; АКТОВАЯ РЕЧь

В. А. Правдивцев

Заведующий кафедрой нормальной физиологии Смоленской государственной медицинской академии

Уважаемый Игорь Викторович, уважаемый Владимир Григорьевич, уважаемые члены Ученого совета, уважаемые коллеги!

По сложившейся традиции прежде всего разрешите выразить искреннюю благодарность руководству Смоленской медицинской академии за оказанное доверие и ответственное предложение - выступить с юбилейной Актовой речью. Это предложение мы рассматриваем как признание определенных текущих достижений кафедры физиологии, чей возраст почти совпадает с возрастом академии, поэтому на примере нашего развития можно легко проследить сложный, но все-таки славный, победный путь, который прошла академия в целом за 90 лет своего существования.

Должен отметить, что на протяжении всего периода пребывания кафедры в составе университета, института, академии она всегда занимала достойное место. Во многом это было связано с тем, что первые ее заведующие были выдающимися физиологами, далеко известными за пределами страны. Мы имеем в виду профессоров Даниила Семеновича Воронцова, а также Николая Александровича Юденича, на долгие годы вперед определивших содержание как учебной работы, так и научного направления по изучению фундаментальных свойств нервной ткани, которое в последующем никогда не изменялось.

Современный этап развития нашего коллектива начинается с момента избрания после ухода из жизни Н. А. Юденича нового заведующего - доктора биологических наук Якова Андреевича Милягина.

До приезда в Смоленск Яков Андреевич длительное время был сотрудником различных учреждений

АМН СССР, в которых шлифовался его талант вдумчивого, кропотливого экспериментатора. В непростой для кафедры период профессор Я. А. Милягин, человек очень тактичный, смог убедить сотрудников в необходимости поставить дело изучения нервной ткани на качественно иную основу в сравнении с тем, что было ранее, максимально приблизив исследования к расшифровке конкретных системных механизмов поведенческих актов организма.

Разумеется, что в легендарные шестидесятые инициированные профессором Я. А. Милягиным дискуссии и семинары на кафедре о том, что такое кибернетика, обратная связь, функциональная система, системогенез, были производным абсолютной новизны системного подхода в физиологии и медицине. Сейчас теория систем - составная часть многих учебников и руководств, предмет студенческих лекций. Интересно, что когда возникла потребность ввести в российский учебник по нормальной физиологии 2001 года раздел о системогенезе, его поручили написать нашей кафедре, вспомнив о выдающемся вкладе в разработку проблемы профессора Я. А. Милягина.

Подчеркну, что деятельность профессора Я. А. Милягина в институте не ограничилась только просветительством. Особой его заслугой было установление контактов кафедры нормальной физиологии нашего института с кафедрой нормальной физиологии I Московского медицинского института, которой заведовал учитель Якова Андреевича академик АН СССР Петр Кузьмич Анохин. Благодаря этим контактам научная работа на кафедре была интенсифицирована, особенно после открытия на ее базе

лаборатории нейрофизиологии. Необходимо с благодарностью вспомнить ректора института профессора Григория Михайловича Старикова, проректора по учебной работе профессора Виктора Сергеевича Яснецова, которые не пожалели сил и средств для закупки необходимого оборудования. Справедливости

ради напомним, что открытие лаборатории было следствием реализации в начале семидесятых программы расширения материальной базы научных исследований, нацеленной на воспроизводство научных кадров, без чего перспективное развитие института было бы под вопросом.

Рис. 1. Практическое занятие на кафедре физиологии в 1924 году. Слева - заведующий профессор Д. С. Воронцов, справа - ассистент кафедры Л. Г. Трофимов - будущий крупный советский невролог, долгое время проработавший в Институте мозга АМН СССР

Как развивались дела на кафедре вслед за вводом лаборатории в эксплуатацию? На первом месте была учеба по освоению аппаратуры, приемов регистрации активности мозга. Хотел бы обратить внимание на то, что с открытием лаборатории кафедра оказалась практически на одном уровне со многими столичными учреждениями нейрофизиологического профиля, где также во многом была учеба. Все преодолевали одни и те же трудности. Среди них основными были трудности освоения микроэлектродной техники, на которую возлагали большие надежды, поскольку метод позволял судить об активности мозга не по косвенным, а по прямым показателям нейронной активности.

Однако проблемы методического порядка оказались малозначимыми в сравнении с проблемами методологического порядка, которые возникли сразу же, как только «процесс пошел», и все увидели на экране мониторов потенциалы одиночной клетки мозга - нейрона, морфологической и функциональ-

ной единицы ЦНС. Что было камнем преткновения? Простой пример: мозг подопытной кошки, стандартный объект нейрофизиологического анализа, содержит приблизительно два миллиарда нейронов. Возникает вопрос: «Что регистрировать, с чего начать, чтобы можно было оценить нейродинамику мозга пусть самого низшего порядка?»

Первые успехи микроэлектродных исследований сопровождали изучение исключительно линейных систем мозга. Вместе с тем, как только возникло желание продвинуться дальше, в глубь с целью изучения замкнутых нейронных сетей, обеспечивающих интегративные функции, немедленно обозначилась проблема отбора однотипных нейронов. Никто из экспериментаторов, фиксируя потенциалы действия, не мог конкретно ответить на вопросы, касающиеся положения нейрона в сети, хотя бы в отношении того, как он позиционируется относительного афферентного входа сети или ее эфферентного выхода.

Рис. 2. Профессор Д. С Воронцов со своими учениками по смоленскому периоду работы. Справа - профессор Н. А. Юденич, слева - профессор П. О. Макаров, основавший в 1950 году в Ленинградском государственном университете первую в СССР кафедру биофизики

Сразу же последовали различные рекомендации, ориентируясь на которые можно было отбирать предположительно однотипные нейроны в надежде на то, что последующий корреляционный анализ поможет разобраться в их иерархии. Укажу лишь на некоторые из высказанных рекомендаций. Во-первых - это рекомендации, связанные с учетом глубины расположения нейронов в коре мозга, параметров их спонтанной активности, далее - рекомендации, связанные с учетом латентных периодов, знака и паттерна вызванных реакций, размеров рецептивных полей и многие другие.

Не без гордости могу сказать, что в этой запутанной ситуации кафедра нашла свою нишу, поскольку к многочисленным критериям отбора нейронов предложила еще один.

Как выяснилось, оказалось возможным разделить работающие нейроны по показателю отличий реакций на поступление входных потоков разной степени синхронности разрядов в нервных волокнах. Соответствующие данные были получены по итогам выполнения в лаборатории 4 кандидатских диссертаций. Научным руководителем диссертаций был доктор медицинских наук профессор Лев Соломонович

Рахмилевич, заменивший в 1970 году на посту заведующего профессора Я. А. Милягина.

Назову авторов диссертаций, разработавших оригинальный критерий функциональной маркировки нейронов в нейронных сетях.

Итак, Сергей Борисович Козлов, в пределах 3-летнего срока аспиранта свершивший гигантский скачок в своем развитии. Диссертацию он начинал, записывая активность периферических волокон соматических нервов земноводных, а закончил проведением сложнейших экспериментов на корковых нейронах головного мозга высших млекопитающих. Фактически Сергей Борисович оказался в точке роста кафедры, символизировавшей расширение возможностей коллектива в результате выхода на новейшие технологии научных исследований.

Далее - Сергей Васильевич Ефременков, Виктор Павлович Козлов, Лариса Петровна Нарезкина. Все написанные ими диссертации, включая диссертацию С. Б. Козлова, дополняли друг друга в обосновании значимости синхронности разрядов афферентных волокон как фактора, определяющего формат активности исключительно входных, то есть афферентных элементов нейронных сетей.

Рис. 3. Коллектив кафедры нормальной физиологии в 1969 году. В центре - заведующий кафедрой профессор Я. А. Милягин, справа - будущий заведующий, докторант кафедры - Л. С. Рахмилевич

Несколько слов об особенностях диссертации Л. П. Нарезкиной. В какой-то степени эта диссертация, как и диссертация С. Б. Козлова, была знаковой. Дело в том, что к моменту ее выполнения нами были решены вопросы анализа нейронной активности с использованием ЭВМ. Сделать это было нелегко. Все начиналось с нуля, тем не менее удалось заинтересовать программистов кафедры вычислительной техники СФ МЭИ, заинтересовать не материально, но содержанием поставленной задачи, по итогам решения которой предполагалось получить гибридную биотехническую систему «нейрон мозга плюс ЭВМ». Это обстоятельство и выступило в роли мотивацион-ного фактора для наших коллег из технического вуза, написавших оригинальные компьютерные программы для устройств сопряжения усилителей биопотенциалов с лабораторной ЭВМ. Первым модулем системы был модуль обработки нейронной активности, апробированный при проведении опытов по диссертации Л. П. Нарезкиной - первой диссертации вуза, экспериментальная часть которой подкреплялась выведением на печать цифровых и графических характеристик опытных данных в режиме реального времени.

Отмечу, что наша работа по внедрению электронно-вычислительной техники в нейрофизиологический эксперимент имела ряд полезных побочных результатов. Например, компьютерная

балльно-рейтинговая система учета академической активности студентов, функционирующая у нас без принципиальных изменений свыше 15 лет. На протяжении 10 лет, в интервале с 1982 по 1992 год, наша кафедра проводила компьютерное обеспечение вступительных экзаменов и процедуры зачисления студентов на 1-й курс. Об использовании ЭВМ в деле приема ректор института профессор Николай Борисович Козлов выступил на семинаре ректоров в Москве. После этого кафедру с просьбами поделиться опытом за короткий временной отрезок посетили сотрудники 11 вузов. Самая представительная делегация была из Ленинградской Военно-медицинской академии имени С. М. Кирова.

Однако вернемся к проблематике научных исследований кафедры. Рубеж 80-х годов для коллектива вновь оказался переломным из-за наметившихся изменений устоявшихся, казалось, классических представлений об общих принципах работы головного мозга и одиночных нейронов. Причиной тому были неудачи на базе электрической теории нейрона объяснить на элементарном уровне закономерности обучения, памяти, адаптации, модификации активности центральных синапсов в ходе формирования функциональных контактов при выработке условных рефлексов. Фактически нейрофизиология некоторое время пребывала в кризисном состоянии.

Начало нового подхода открыла статья академика П. К. Анохина в журнале «Успехи физиологических наук» под названием «Механизмы интегративной деятельности нейрона». Доминантный тезис статьи сводился к тому, что нейрон не может быть электрическим интегратором, нейрон, и это было веско аргументировано, является интегратором нейрохимическим.

Разумеется, что дискуссия о принципах работы нейрона до появления статьи академика П. К. Анохина длилась несколько лет, причем в ней активно участвовал бывший заведующий кафедрой физиологии Смоленского университета профессор Д. С. Воронцов, теперь уже директор крупного Киевского института физиологии им. А. А. Богомольца. Даниил Семенович был адептом электрофизиологии, основателем биофизического направления в физиологии. Не случайно ученик Д. С. Воронцова по его работе в Смоленске физиолог профессор Петр Осипович Макаров в 1950 году учредил в Ленинградском университете первую в СССР кафедру биофизики, которой заведовал до конца своих дней. Приходится с сожалением констатировать, что профессор Воронцов дискуссию все же проиграл, при этом по ее итогам вместо электронейрофизиологии мы получили новую науку о нервной системе под названием нейробиология, убравшую разделительные границы между нейрогистологией, нейрофизиологией, нейрохимией, нейрофармакологией и нейрогенетикой. Таким образом, маятник от чисто электрофизиологических методов качнулся в сторону нейрохимических и нейрофармакологических методов изучения мозга и нейрона.

В рамках нейрохимического направления наша кафедра не потерялась, поскольку, перевооружившись, освоив технику микроионофоретического подведения медиаторных и биологически активных веществ к работающему нейрону, стала полноправным участником очередного этапа гонки в попытках продвинуться в понимании механизмов мозга и нейрона на новом уровне. Хочу акцентировать ваше внимание на том, что технология изготовления многоканальных микроэлектродов для регистрации и химического воздействия на нейрон, аппаратура для выведения активных веществ в околонейронное пространство -результат разработок, выполненных исключительно на кафедре, при этом техническая сторона дела обеспечивалась кандидатом медицинских наук доцентом Николаем Михайловичем Осиповым.

Учитывая, что процедура микроионофореза была поставлена у нас на хороший методический уровень, обработка данных полностью автоматизирована, для проведения экспериментов в Смоленский медицинский институт стали приезжать сотрудники Института нормальной физиологии АМН СССР, сотрудники других московских учреждений.

Пожалуй, нейрохимический этап научного развития кафедры оказался наиболее интересным и резуль-

тативным, поскольку в период с 1985 по 2002 год в лаборатории кафедры было выполнено 4 докторские диссертации. Помимо нашей диссертации, докторские диссертации выполнили Владимир Викторович Яснецов, Сергей Борисович Козлов, Ирина Николаевна Крылова. Все эти диссертации объединяет одно - химическая маркировка нейронов, отбираемых для анализа, фармакологические воздействия на нейроны наряду с воздействиями традиционного типа.

Коротко о частных задачах, которые решались в рамках нейрохимического этапа исследований лаборатории кафедры.

Необходимо отдельно отметить исследования, проводившиеся нами длительное время совместно с В. В. Яснецовым. Они оказались на острие интереснейшего направления физиологии мозга, связанного с выяснением роли нейропептидов в регуляции болевой чувствительности организма в составе антино-цицептивной системы.

Напомню, аналгезирующее действие препаратов опия было известно давно, однако точки фиксации опиатов в ЦНС идентифицированы лишь в 1973 году. Открытие опиатных рецепторов вызвало предположения о наличии в организме эндогенных морфино-подобных веществ, выделенных в 1975 году в форме олигопептидов. Из них наиболее привлекательными представлялись энкефалины и эндорфины, которые стали интенсивно изучать во многих научных центрах страны, в том числе и у нас, в Смоленском медицинском институте. Об актуальности полученных в нашей лаборатории исследовательских результатов можно судить по тому, что первая совместная статья, посвященная сравнительному анализу действия на нейроны ядер дорзомедиального гипоталамуса мет-энкефалина и гамма-эндорфина, была опубликована в «Докладах Академии наук СССР».

В последующем в лаборатории была проведена серия исследований по изучению нейронов в условиях микроионофоретических аппликаций разного типа энкефалинов и эндорфинов. Объектом изучения были нейроны дыхательного центра, нейроны гигантоклеточного ядра ретикулярной формации продолговатого мозга, ретикулярной формации среднего мозга, нейроны соматосенсорной, зрительной, моторной коры, ассоциативной теменной коры мозга у животных различного эволюционного уровня. Полученные данные были обобщены в многочисленных публикациях и в обзорной монографии заведующего лабораторией Института нормальной физиологии АМН СССР доктора биологических наук Леонарда Васильевича Калюжного под названием «Физиологические механизмы регуляции болевой чувствительности».

Участие кафедры в разработке вопроса о химической организации опиоидного компонента антиноци-

цептивной системы мозга дополнительно обеспечило академические, т. е. учебные результаты, что для вуза является весьма важным. В одном из номеров журнала «Вестник Смоленской медицинской академии» в форме студенческой лекции была напечатана обзорная статья о физиологических механизмах болевой и антиболевой системах мозга. Этот материал позже был использован в трех российских учебниках по нормальной физиологии. Один из них в 2009 году поступил в нашу библиотеку как учебник для студентов стоматологического факультета, последний - в текущем году вышел из печати как учебник для студентов лечебного и педиатрического факультетов.

Подчеркну, что изучение опиоидных пептидов, различных фармакологических веществ проводилось в лаборатории для решения задач и по другим направлениям физиологии головного мозга.

Так, в нашей диссертации такого рода анализ имел целью расшифровку динамики становления эфферентно-афферентных ассоциаций на уровне корковых и подкорковых нейронов. Вопрос проецировался на проблематику одного из самых загадочных аппаратов функциональных систем высшего порядка - акцептора результатов действия, аппарата прогнозирования и оценки качества конечных полезных результатов целенаправленных поведенческих актов.

В диссертации С. Б. Козлова изучались фазные и тонические реакции нейронов при длительном укачивании животных. Сергею Борисовичу удалось показать, что одним из патогенетических факторов болезни движения являются трансформации не только спонтанной, но и вызванной активности тех же эфферентно-афферентных нейронных ассоциаций. Во многих опытах наблюдались поразительные примеры отчетливой дезинтеграции таких ассоциаций уже через 20-30 минут укачивания.

Как выяснилось, микроионофоретическое подведение определенных биологически активных веществ к нейронам могло либо ускорять развитие дезинтеграций, либо все существенно замедлять. Последнее открывало возможность поиска препаратов коррекции статуса мозга, формирующегося при экстремальном укачивании животного. Именно этот аспект детально был рассмотрен в нашей лаборатории при выполнении фрагмента докторской диссертации сотрудницы Института «Гидробиос» МЗ России И. Н. Крыловой.

Как обстоят дела в нейрофизиологической лаборатории на сегодняшний день. Можно говорить о том, что направленность научных исследований осталась прежней, однако содержание работ претерпело изменения, при этом впервые обозначились задачи прикладного порядка. Это было связано с тем, что наши московские коллеги из Лаборатории синтеза Онкологического центра РАМН, руководимой доктором химических наук Эдгаром Андреевичем

Парфеновым, ознакомившись с нашим опытом нейрохимических исследований, предложили провести совместное изучение соединений, потенциально обладающих свойствами антигипоксантов. Таким образом, от экстремальных видов укачивания мы обратились к моделям экстремальных видов острой гипоксии с целью изыскания возможностей фармакологической защиты организма в целом и ЦНС в частности. Возглавил новое направление исследований в нашей лаборатории докторант кафедры Андрей Викторович Евсеев. Работа по изучению активности ЦНС, сердечно-сосудистой, дыхательной систем организма, продолжавшаяся несколько лет, завершилась в 2008 году написанием монографии и успешной защитой докторской диссертации в Военно-медицинской академии им. С. М. Кирова, а также защитой еще 2 кандидатских диссертаций - Дениса Владимировича Сосина и Сергея Александровича Яснецова.

Символично, что через нейрофизиологическую лабораторию кафедры, созданную в далекие семидесятые при самом активном участии В. С. Яснецова, прошли не только его сын Владимир Викторович, ставший крупным российским фармакологом, руководителем отдела Института медико-биологических проблем РАН, но и внук - бывший аспирант кафедры - С. А. Яснецов.

Уважаемые коллеги! Каждый из вас понимает, что научную жизнь остановить невозможно. Это вдвойне справедливо в отношении исследований с целью декодирования принципов работы элементарных единиц мозга - одиночных нейронов. Нейрон, как и атом, неисчерпаем, поэтому, заканчивая один цикл научных исследований, приходится открывать следующий, и так до бесконечности. Таким образом, точку в проделанной нами работе за многие десятилетия ставить не приходится, тем более что мы сейчас вступаем в очередной цикл комплексных исследований совместно с сотрудниками кафедры фармакологии академии, совместно с разработчиками систем технического и компьютерного обеспечения экспериментов СФ МЭИ, совместно со специалистами в области синтеза физиологически активных протективных веществ. Не сомневаюсь, что наш новый научный коллектив, в котором ведущие места начинают занимать молодые сотрудники, продолжит добрые традиции кафедры и Смоленской государственной медицинской академии. Пока о результатах можно говорить лишь в вероятностных категориях, но степень энтропии результатов по мере погружения в проблему, несомненно, будет уменьшаться. Вполне возможно, пройдет время, и, надеюсь, кто-нибудь из участников нынешнего научного коллектива кафедры выступит в честь очередного юбилея академии с Актовой речью на тему «От одиночного нейрона головного мозга к закономерностям работы целого организма», но это будет уже другая история.

Спасибо за внимание.