Молекулярные механизмы функционирования сенсорных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАНЯТИЕ

Тема: Молекулярные механизмы функционирования сенсорных систем

1. Слуховой анализатор

Особенности строения улитки. Кортиев орган, его строение и механизм Возбуждения (колебания базилярной мембраны, рецепторные клетки, ионные каналы, генерация рецепторного потенциала). Восприятие звуков различной частоты. Исследование остроты слуха, бинаурального слуха, костной и воздушной проводимости звука у человека.

Слуховой анализатор воспринимает звуковые сигналы, представляющие собой колебания воздуха с разной частотой и силой, трансформирует механическую энергию этих колебаний в нервное возбуждение, которое субъективно воспринимается как звуковое ощущение.

Ушная улитка -- это передний отдел перепончатого лабиринта. Отвечает за слуховую часть внутреннего уха, воспринимающего и распознающего звуки.

Улитка -- это заполненный жидкостью перепончатый канал, образующий два с половиной витка спирали. Внутри по всей длине расположен костный стержень. К противоположной стенке идут две плоские мембраны (основная и рейснерова), таким образом, улитка по всей длине делится на три параллельных канала. Два наружных канала -- лестница преддверия и барабанная лестница -- сообщаются между собой у верхушки улитки. Центральный (спиральный) канал началом сообщается с мешочком и слепо оканчивается.

Каналы заполнены жидкостью: спиральный канал -- эндолимфой, лестница преддверия и барабанная лестница -- перилимфой.

Кортиев орган -- периферический (рецепторный) отдел слухового анализатора, расположенный внутри перепончатого лабиринта улитки. Представляет собой совокупность волосковых (сенсорно-эпителиальных) клеток, расположенных на базилярной пластинке улиткового протока, которые осуществляют преобразование звукового раздражения в физиологический акт слухового восприятия путём передачи нервного импульса слуховым нервным волокнам, расположенным в канале внутреннего уха, и далее в слуховую зону коры больших полушарий, где и анализируются звуковые сигналы. Таким образом в кортиевом органе начинается первичное формирование анализа звуковых сигналов.

Кортиев орган проэволюционировал на основе структур органов боковой линии.

Звуковые колебания воспринимаются барабанной перепонкой и через систему косточек среднего уха передаются жидким средам внутреннего уха -- перилимфе и эндолимфе. Колебания последних приводят к изменению взаиморасположения волосковых клеток и покровной перепонки Кортиева органа, что вызывает сгибание волосков и возникновение биоэлектрических потенциалов, улавливаемых и передаваемых в центральную нервную систему отростками нейронов спирального ганглия, подходящими к основанию каждой волосковой клетки.

По другим представлениям, волоски звуковоспринимающих клеток -- лишь чувствительные антенны, деполяризующиеся под действием приходящих волн за счёт перераспределения ацетилхолина эндолимфы. Деполяризация вызывает цепь химических превращений в цитоплазме волосковых клеток и возникновение нервного импульса в контактирующих с ними нервных окончаниях.

Различающиеся по высоте звуковые колебания воспринимаются различными отделами Кортиевого органа: высокие частоты вызывают колебания в нижних отделах улитки, низкие -- в верхних, что связано с особенностями гидродинамических явлений в ходе улитки. Таким образом, улитка является механическим измерителем АЧХ, и по действию схожа с АЧХ-метром, а не с микрофоном. Это позволяет мозгу получать звук в виде спектра мощности. Для низких частот (десятки герц) ухо и мозг успевают также извлечь информацию о фазе гармоник, что позволяет определить направление (как угол относительно оси, проходящей через уши) низкочастотного колебания из разности фаз сигналов от правого и левого уха.

Основание улиткового канала называется базилярной мембраной. Она наиболее узка у основания и наиболее широка у верхушки. Когда стремечко среднего уха колеблется, от него по базилярной мембране к верхушке улитки распространяется колебательная волна - бегущая волна, похожая по форме на волну на поверхности воды.

В перепончатом лабиринте внутреннего уха содержатся:

- рецепторные клетки органа слуха и равновесия,

- а также начальные отделы идущих от них в ЦНС проводящих путей.

Причём, в каждой части лабиринта (улитке, мешочках преддверия, полукружных каналах) рецепторные образования имеют строго определённую функцию.

А в передачу сигнала от внешнего раздражителя на рецепторные клетки вовлечены перилимфа и эндолимфа.

Ионные каналы -- порообразующие белки, поддерживающие разность потенциалов, которая существует между внешней и внутренней сторонами клеточной мембраны всех живых клеток. Относятся к транспортным белкам. С их помощью ионы перемещаются согласно их электрохимическим градиентам сквозь мембрану.

В результате изменения ионной проницаемости происходит изменение мембранного потенциала (деполяризация или гиперполяризация) чувствительного нейрона (в первичном рецепторе) или рецептирующей клетке (во вторичном рецепторе). Изменение мембранного потенциала, наступающее в результате действия раздражителя, называют рецепторным потенциалом (РП) .

Восприятие звуков различной высоты (частоты), согласно резонансной теории Гельмгольца, обусловлено тем, что каждое волокно основной мембраны настроено на звук определенной частоты. Так, звуки низкой частоты воспринимаются длинными волнами основной мембраны, расположенными ближе к верхушке улитки; звуки высокой частоты воспринимаются короткими волокнами основной мембраны, расположенными ближе к основанию улитки. При действии сложного звука возникают колебания различных волокон мембраны.

При увеличении частоты звуковых колебаний максимальное отклонение основной мембраны смещается к основанию улитки, где располагаются более короткие волокна основной мембраны, -- у коротких волокон возможна более высокая частота колебаний. Возбуждение волосковых клеток именно этого участка мембраны при посредстве медиатора передается на волокна слухового нерва в виде определенного числа импульсов, частота следования которых ниже частоты звуковых волн (лабильность нервных волокон не превышает 800--1000 Гц). Частота воспринимаемых звуковых волн достигает 20 000 Гц. Таким способом осуществляется пространственный тип кодирования высоты частоты звуковых сигналов.

При действии тонов примерно до 800 Гц, кроме пространственного кодирования, происходит еще и временное (частотное) кодирование, при котором информация передается также по определенным волокнам слухового нерва, но в виде импульсов (залпов), частота следования которых повторяет частоту звуковых колебаний. Правомерность этого положения подтверждается результатами протезирования слуха человека, когда электроды вживляют в слуховой нерв, а его волокна раздражают электрическими импульсами разных частот, которые соответствуют звукосочетаниям определенных слов и фраз, обеспечивая смы-словое восприятие речи. Тональность (частота) звука Человек может воспринимать звуки с частотой колебания от 16 до 20 000 Гц. Этот диапазон соответствует 10--11 октавам. Верхняя граница воспринимаемых звуков зависит от возраста: чем человек старше, тем она ниже; старики часто не слышат высоких тонов (например, звука, издаваемого сверчком

Слуховая чувствительность. Минимальную силу звука, слышимого человеком в половине случаев его предъявления, называют абсолютной слуховой чувствитель-ностью. Установлено, что пороги слышимости сильно изменяются в зависимости от частоты звука.

В области частот от 1000 до 4000 Гц слух человека обладает максимальной чувствительностью. В этих пределах слышен звук, имеющий ничтожную энергию порядка 1*10-12 Втм2 (1 * 1 0-9 эргс-см2). При звуках ниже 1000 и выше 4000 Гц чувствитель- ность резко уменьшается: например, при 20 и при 20 000 Гц пороговая энергия звука должна быть около 1*10-3 Втм2 (1 эргс-см3) (нижняя кривая AEFGD на 225).

При увеличении силы звука неизменной частоты можно дойти до такой силы, когда звук вызывает неприятное ощущение давления и даже боли в ухе. Звуки такой силы дадут, очевидно, верхний предел слышимости (кривая ABCD на 225) и ограничат область слухового восприятия. Внутри этой области лежат и так называемые речевые поля, в пределах которых по частоте и интенсивности распределяются звуки речи.

Исследование остроты слуха

Исследование остроты слуха производится посредством специального аппарата - аудиометра. С помощью такого медицинского оборудования врачи-оториноларингологи могут определить нижнюю и верхнюю границу слышимости пациента.

ВОЗМОЖНОСТИ АУДИОМЕТРИИ:

* Позволяет исследовать слуховую активность.

* Определяет восприятие речи.

* Обнаруживает нарушения слуха.

В обязательном порядке аудиограмма выполняется, если пациент жалуется на боль в ухе или на резкое снижение слуха. Показанием к проведению процедуры также является отит, состояние хронической или острой глухоты. Может назначаться больным для контроля результата пройденной терапии.

Исследование бинаурального слуха

Бинауральный слух -- это способность воспринимать звуки двумя ушами. Нормальная работа обоих органов очень важна, поскольку позволяет более качественно воспринимать звуковые сигналы, оценивать их источник. Диагностика бинаурального слуха направлена на оценку способности слышать каждым из ушей. Это исследование показано людям со сложностями в:

* восприятии звуков одним ухом

* понимании речи, когда есть фоновый шум

* локализации источника звука.

Для проверки бинаурального слуха разработаны различные методики. Один из самых простых тестов предполагает использование камертонов -- «вилок», способных издавать равномерный звук.

Различают костную и воздушную звуковую проводимость. Воздушная проводимость звука обеспечивается распространением звуковой волны обычным путем через звукопередающий аппарат. Костная проводимость звука - это передача звуковых волн непосредственно через кости черепа. При патологических изменениях в звукопередающем аппарате слуховая чувствительность частично сохраняется за счет костной проводимости звука.

2. Боль

Молекулярные механизмы ноцицепции (пуриновые рецепторы, TRP-каналы, чувствительные к закислению ионные каналы). Антиноцицептивная система, способы коррекции боли. Исследование болевой чувствительности у человека.

Боль -- это активность в афферентных (чувствительных) нервных волокнах периферической и центральной нервной системы, возбуждаемая разнообразными стимулами, обладающими пульсирующей интенсивностью. Данная активность генерируется ноцицепторами, или по-другому рецепторами боли, которые могут отслеживать механические, тепловые или химические воздействия, превышающие генетически установленный порог возбудимости. Получив повреждающий стимул, ноцицептор передаёт сигнал через спинной мозг и далее в головной. Ноцицепция сопровождается также самыми разнообразными проявлениями и может служить для возникновения опыта боли у живых существ.

Пуриновые рецепторы располагаются на иммунных и соматических клетках организма животных и человека. Суммация сигналов с пуриновых и TOLL-подобных рецепторов происходит на уровне формирования инфламасомы и приводит к суммации первого и второго сигналов врожденного иммунитета. Первый сигнал - с PAMPs (pathogen assotia-ted molecular patterns), второй - с DAMPs (danger associated molecular patterns). Аденозинтрифосфат (АТФ) является наиболее изученным DAMP. АТФ соединяется с пуриновыми рецепторами, к которым относятся Р2 (лучше всего описаны Р2Х7 рецепторы), что приводит к открытию каналов этих рецепторов и прохождению АТФ внутрь клетки. Параллельно наблюдают выход К+ из клетки и вход Ca2+ и Na+ в клетку, что ассоциируется с активацией иммунокомпетентной клетки. Источником экстраклеточного АТФ служат погибающие путем некроза или апоптоза поврежденные клетки, а также активированные иммуноциты. В эффекторах врожденного иммунитета суммируются сигналы с Р2 и TOLL-подобных рецепторов, а активация Р2 рецепторов в лимфоцитах вносит вклад в активацию клеток, опосредованную Т-клеточным рецептором. Негативной стороной активации пуриновых рецепторов является стимулирующее влияние на пролиферацию и метастазирование опухолевых клеток. Практическим выходом знаний о функционировании пуриновых рецепторов для клинической иммунологии является применение агонистов и антагонистов пуриновых рецепторов, а также объяснение действия иммуномодуляторов с позиции запуска K+/Na+ насоса, приводящего к длительной активации иммунокомпетентных клеток.

TRP-каналы

TRP-каналы (Transient Receptor Potential channels, «каналы транзиентной рецепторного потенциала») - это группа рецептор -управляемые катионных каналов , расположенных в основном в плазматической мембране многих типов клеток животных и человека. Существует около 28 типов TRP-каналов, которые сходны между собой по строению. Большинство из этих каналов являются медиаторами различных ощущений, таких как ощущение боли, жары, тепла или холода, различных видов вкуса, давления и зрения. В организме млекопитающих некоторые TRP-каналы, как считается, служат по микроскопические термометры и нужны для различения горячего и холодного. Некоторые TRP-каналы активируются молекулами, найденными в специях, а именно в чеснока (аллицин), перцы чили (капсаицин), васаби(Аллилизотиоцианат), другие активируются ментолом, камфарой, мятой и другими охлаждающими компонентами, третьи активируются молекулами, найденными в каннабиса (то есть THC, CBD и CBN). Некоторые действуют как сенсоры осмотического давления, объема, растяжение и вибрации. Эти ионные каналы имеют относительно неизбирательного проницаемость для катионов, в том числе для ионов натрия, кальция и магния.

Кислото-чувствительные ионные каналы (КЧИК) (англ. Acid-Sensing Ion Channels) -- нейронные потенциал-независимые катионные каналы, активируемые внеклеточными протонами. Белки КЧИК являются подсемейством суперсемейства ЭНК ионных каналов. На сегодня распознано пять белков семейства КЧИК, которые кодируются генами ASIC1, ASIC2, ASIC3 и ASIC4 КЧИК1a, 1 и 2a, 2b являются сплайс-вариантами.

КЧИК трёхмерны и могут образовывать различные комбинации субъединиц. КЧИК2b сам по себе нефункционален, но модулирует активность канала при участии в образовании гетеромультимеров. Функции КЧИК4 на текущий момент неизвестны. Деятельность всех КЧИК происходит в периферической нервной системе, в то время как деятельность КЧИК1a, 2а, 2б и 4 отражается и на работе центральной нервной системы. КЧИК являются Na+ проницаемыми, в то же время КЧИК1a слабопроницаем для Ca++.

КЧИК являются возможными целями для широкого спектра препаратов, влияющих одновременно как на ЦНС, так и на ПНС[2]. Особый интерес в плане влияния на боль представляет подтип рецептора КЧИК3, который ярко выражен в ноцицепторах. Этот подтип во время активации протонами даёт двухфазный ток, где за начальным внутренним током Na+ вскоре следует устойчивый катионный ток.

Антиноцицептивная система

Антиноцицептивная система - это иерархическая совокупность нервных структур на разных уровнях ЦНС, с собственными нейрохимическими механизмами, способная тормозить деятельность болевой (ноцицептивной) системы.

В АНЦ-системе используется в основном опиатергическая система регуляции, основанная на взаимодействии лигандов-опиоидов с опиатными рецепторами.

Антиноцицептивная система подавляет боль на нескольких различных уровнях. Если бы не было такой её обезболивающей работы, то, боюсь, что ведущим чувством в нашей жизни стала бы боль. Но по счастью, после первого резкого приступа боли она отступает, давая нам возможность передохнуть. Это - результат работы антиноцицептивной системы, подавившей боль через некоторое время после её возникновения.

Антиноцицептивная система также вызывает повышенный интерес оттого, что именно она породила интерес к наркотикам. Ведь первоначально наркотики применялись именно как обезболивающие средства, помогающие антиноцицептивной системе подавлять боль, или заменяющие её в подавлении боли. И до сих пор медицинское применение наркотиков оправдано именно их обезболивающим эффектом. К сожалению, побочные эффекты наркотиков делают человека зависимым от них и со временем превращают в особое страдающее существо, а затем обеспечивают ему преждевременную смерть.

Болевая чувствительность меняется в течение жизни человека, отметили британские ученые в своем новом исследовании. Как оказалось, такие факторы как образ жизни и окружающая среда влияют на болевой порог. Результаты работы были опубликованы в журнале Nature Communications. В своей работе ученые из Королевского колледжа Лондона анализировали болевую чувствительность у 25 пар однояйцевых близнецов. Всем участникам грели руку, повышая температуру до тех пор, пока человек не чувствовал, что ему уже больно.

После специалисты сравнили болевой порог каждого с его ДНК - причем не последовательность ДНК, которая у близнецов одинаковая, а эпигенетические маркеры на ней. Известно, что к ДНК добавляются химические сигналы (эпигенетические маркеры), которые выключают или включают гены, эти сигналы могут отличаться друг от друга. Ученые проверили свыше 5 млн. эпигенетических маркеров близнецов и других людей, не состоявших в родственных связях с испытуемыми.

В результате у близнецов были обнаружены различия в девяти генах, имеющих отношение к болевой чувствительности. Особенно эпигенетические различия проявлялись в гене TRPA1, который является основным при разработке анальгетиков.

TRPA1 кодирует белок, отвечающий за проведение сигнала нервными клетками, которые реагируют на боль. Именно благодаря этому белку нервные клетки могут переводить восприятие тепла в ощущение боли.

"Известно, что такие факторы стресса, как диета, курение, употребление алкоголя и влияние загрязнений в окружающей среде влияют на гены, но мы даже не представляли, действуют ли они на гены чувствительности к боли", - отмечает ведущий автор работы Тим Спектор (Tim Spector).

Более того, ученые выяснили, что у людей, не состоящих в родстве с близнецами, уровень метилирования ДНК в найденных генах был высоким, то есть эти участники обладали повышенной чувствительностью к боли, и наоборот. звук боль чувствительность человек

"Полученные данные могут быть использованы при создании эффективных методов лечения хронической боли с помощью эпигенетического выключения гена TRPA1 и других генов, контролирующих чувствительность к боли”, - комментирует профессор Джордана Белл (Jordana Bell), соавтор работы.

Размещено на Allbest.ru