Сокращение стенок тела возникает быстро и длится недолго, в то время как распрямление (erection) мышечного кольца происходит более медленно и длится дольше. Такая реакция хорошо объясняется синаптическими потенциалами, которые вызывают облегчение на определенных частотах и управляют последовательной активацией двух мотонейронов. Когда клетка посылает серию импульсов в ответ на физиологический раздражитель, синаптические потенциалы в химических синапсах могут быть обнаружены и в мотонейронах. Эти синаптические потенциалы проходят фазы облегчения и депрессии. Облегчение (facilitation), однако, значительно более выражено и дольше длится в синапсах АЕ мотонейронов. Большое количество косвенных экспериментов позволяют предполагать, что облегчение и депрессия зависят от количества медиатора, высвобожденного из терминалей N клеток. Сходные эффекты были обнаружены в клетках-мишенях, иннервируемых кортикальными нейронами.

У пиявок и Aplysia, имеются и более медленные пути проведения сигнала, посредством интернейронов, которые идут параллельно основному пути. Они служат для координации более сложных движений в определенную сторону в ответ на механическое раздражение. Например, Кристан и его коллеги показали, что в случае давления на одну сторону пиявки возникает сгибание тела. Направление сгибания зависит от того, на какой участок тела наносится раздражение. Рефлекс сгибания способствует развороту тела от раздражителя. Относительная частота активности четырех Ρ нейронов, которые распознают место нанесения раздражения, анализируется сетью из 25-30 интернейронов, контролирующих сгибание тела в нужном направлении. Это достигается путем сокращения одних мышц и расслабления других. То, каким образом происходит активация двигательных нейронов, зависит от результатов работы этой нейронной сети. Интересно, что в стоматогастрическом ганглии омаров любой интернейрон может быть вовлечен в анализ большого количества движений.

Мембранный потенциал, пресинаптическое ингибирование и освобождение медиатора

У пиявки насосную функцию кровеносных сосудов, составляющих сегментарные «сердца», контролируют мотонейроны ЦНС. Циркуляция крови зависит от перистальтических волн, распространяющихся вдоль тела животного, и скоординированного насосного механизма по обеим сторонам тела. В хорошо изученных нейронах пиявки, управляющих частотой сокращения «сердец», ритмическая активность формируется путем циклического изменения мембранного потенциала за счет синапсов вставочных нейронов24). Это, в свою очередь, регулирует процесс освобождения медиатора в двигательных клетках. Деполяризация и гиперполяризация на пресинаптическом уровне уже в течение короткого времени вызывают значительные реакции. В частности, длительная деполяризация пресинаптической терминали в синапсе между интернейроном и двигательным мотонейроном «сердца» приводит к тому, что в ответ на потенциал действия выделяется больше медиатора. И наоборот, если пресинаптическая терминаль гиперполяризуется, высвобождается меньшее количество передатчика.

Сдвиг потенциала покоя даже на 5 мВ (от —40 до —35 мВ) может вызвать трехкратное увеличение количества высвобождаемого медиатора, в то время как амплитуда и продолжительность потенциала действия не так явно меняются в ответ на подобное изменение МП. Нервная терминаль периодически гиперполяризуется в результате тормозного влияния отдельных интернейронов, что значительно уменьшает количество квантов медиатора, выделяющихся в ответ на приходящий импульс. Это является примером того, как осуществляется пресинаптическое ингибирование при гиперполяризации, механизм которой можно объяснить путем анализа квантового состава. Торможение так реализовано во времени, чтобы обеспечивать расслабление сосудов тела с одной стороны во время сокращения их на контралатеральной стороне. Аналогичное влияние величины мембранного потенциала на пресинапсе на секрецию медиатора можно более тщательно изучить на синапсах, образующихся между нейронами в культуре клеток

Повторная активность и блок проведения сигнала

Угнетение проведения сигнала представляет собой еще один хорошо изученный механизм регулирования работы синапса. В ЦНС пиявок и тараканов, а также в двигательных аксонах ракообразных в ответ на серию потенциалов действия физиологической частоты возникает угнетение проводимости сигнала на определенных участках ветвления. В Т, N и Ρ нейронах пиявки механизм подобного ингибирования зависит от гиперполяризации, вызываемой электрогенным натриевым насосом и длительными изменениями проводимости кальций-активируемых калиевых каналов. Так, например, частые повторные прикосновения или давление на кожу пиявки вызывают серию импульсов и длительную гиперполяризацию Ρ клеток. В результате это го проведение сигнала блокируется в точках ветвления в области нейропиля, где создаются неблагоприятные условия для проведения импульса. Именно здесь аксоны малого диаметра переходят в большие по диаметру, в то время как в других веточках этого же нейрона сигнал проводится.

Блок проведения является несинаптическим механизмом, который на время отсоединяет или клетки от некоторых их мишеней. Когда же блокированными оказываются не все, а только часть волокон, освобождение передатчика происходит, но в меньшем количестве. Повреждая при помощи лазера определенные точки ветвления, Мюллер с коллегами сумели оценить вклад отдельных веточек. Синаптические потенциалы, записанные на пресинапсах мотонейронов, полностью исчезли при блоке проведения в ответ на повреждения лазером, нанесенные в точках. Однако одновременно с этим синаптические потенциалы были зарегистрированы в мотонейроне, иннервируемом той же клеткой, поскольку этот мотонейрон получал сигналы от веточек, проведение в которых не было нарушено. Повторная активность в физиологическом диапазоне частот привела (в этом случае) к достоверному уменьшению поверхности кожи, с которой вызывались ответы мотонейрона, т. е. к временному сокращению размеров рецепторного поля.

Блокирование проведения может привести порой к неожиданному эффекту. Потенциал действия, который не смог перейти с малого аксона на большой, вызывает на последнем локальный потенциал. Этот деполяризационный потенциал, имеющий подпороговую амплитуду, длится гораздо дольше, чем исходный потенциал действия. Таким образом, может возникнуть второй потенциал действия, распространяющийся ретроградно от точки ветвления в сторону терминали чувствительной клетки и там вызывающий повторное выделение медиатора, с небольшой задержкой после первого импульса.

Блок проведения в дорзальных аксонах спинного мозга млекопитающих впервые был описан Барроном и Метьюсом в 1935 году, затем прочно забыт и только гораздо позже стал изучаться на беспозвоночных. Сейчас уже очевидно, что блок проведения является ключевым моментом интегративных процессов на дендритах ЦНС млекопитающих.

Высшие уровни интеграции

Одной из целей изучения таких животных, как пиявки, является исследование того, каким образом простейшие элементарные рефлексы образуют сложные поведенческие реакции. Пиявка оказалась особенно подходящим объектом для изучения путей и отдельных клеток, которые действуют слаженно во время плавания. Этот сложный тип движений изучался Стентом, Кристаном, Фризером и их коллегами. Активность головного и хвостового «мозга» вовсе не являются необходимым условием для осуществления плавательного движения, которое возникает и в нескольких изолированных сегментах и даже всего в одном сегменте. Как и у других беспозвоночных (таких как тараканы, саранча и сверчки), у которых высшие моторные программы с участием небольшого количества нейронов способны контролировать сложные движения, базовый ритм движений пиявки задается рядом возбуждающих и тормозных взаимодействий в ЦНС. Периферические рецепторы служат для регуляции, усиления, ослабления или полной остановки движений пиявки. Сходным же образом препараты изолированного мозга млекопитающих способны генерировать ритм дыхательных движений in vitro.