Аксонный рефлекс [1] (или реакция вспышки) [2] — это реакция, стимулируемая периферическими нервами тела, которая идет от тела нервной клетки и разветвляется, чтобы стимулировать целевые органы. Рефлексы — это отдельные реакции, которые отвечают на стимул, составляющий строительные блоки общей сигнализации в нервной системе организма. Нейроны — это возбудимые клетки, которые обрабатывают и передают эти рефлекторные сигналы через свои аксоны, дендриты и тела клеток. Аксоны напрямую облегчают межклеточную коммуникацию, проецируясь от тела нейронной клетки к другим нейронам, локальной мышечной ткани, железам и артериолам. В аксонном рефлексе сигнализация начинается в середине аксона в месте стимуляции и передает сигналы непосредственно к эффекторному органу, минуя как центр интеграции, так и химический синапс, присутствующий в рефлексе спинного мозга. Импульс ограничивается одним раздвоенным аксоном [3] или нейроном, аксон которого разветвляется на два отдела и не вызывает общей реакции на окружающую ткань.
Дуга аксонального рефлекса отличается от дуги спинномозгового рефлекса . В пути спинномозгового рефлекса афферентный нейрон передает информацию интернейронам спинного мозга . Эти интернейроны действуют коллективно, обрабатывают и осмысливают входящие стимулы и стимулируют эффекторные нейроны, действующие как центр интеграции. [4] Эффекторные нейроны, покидающие центр интеграции, передают ответ исходной ткани, в которой возник рефлекс, что приводит к ответу. Аксональный рефлекс приводит к локализованному ответу только локально иннервируемых клеток одного нейрона, где возник сигнал. [ 5] Путь аксонального рефлекса не включает в себя центр интеграции или синапс, который передает связь между нейронами в рефлексе спинного мозга. Таким образом, стимул перенаправляется в эффекторный орган, не попадая в тело нейронной клетки, и, следовательно, указывает на то, что аксональный рефлекс не является истинным рефлексом, при котором афферентные импульсы проходят через центральную нервную систему перед стимуляцией эфферентных нейронов.
Аксональный рефлекс был открыт и описан как «новый тип периферического рефлекса», который обходит центр интеграции и синапс в центральной нервной системе. Открытие аксонального рефлекса показало, что аксональный рефлекс активирует местные артериолы, вызывая вазодилатацию и сокращение мышц. Это сокращение мышц наблюдалось у людей с астмой, у которых высвобождаемые нейропептиды заставляли гладкую мускулатуру в дыхательных путях сокращаться. Аналогичным образом высвобождение холинергических агентов в окончаниях судомоторных нервов вызывает аксональный рефлекс, который стимулирует потовые железы, заставляя тело потеть в ответ на тепло. Аксональный рефлекс возможен благодаря передаче сигналов от кожных рецепторов на коже.
Аксонный рефлекс был открыт Ковалевским и Соковниным, двумя русскими учеными, в 1873 году. [5] Они описали аксонный рефлекс как новый тип периферического (или локального) рефлекса, при котором электрический сигнал начинается в середине аксона и передается немедленно, минуя как центр интеграции, так и химический синапс, как это обычно наблюдается в рефлексе спинного мозга.
В 1890 году британский физиолог Джон Ньюпорт Лэнгли исследовал движение шерсти у кошек, когда они подвергались воздействию холодной температуры. Лэнгли заметил, что даже после стимуляции шерсть кошки в окружающих областях продолжала подниматься. Лэнгли пришел к выводу, что первичная нейронная стимуляция не заканчивалась после первого синапса, а скорее была вовлечена в разветвленные связи с несколькими нейронами, заставляя шерсть кошки в окружающих областях подниматься. [4] Лэнгли определил этот путь как «аксонный рефлекс».
В начале 20 века британский кардиолог сэр Томас Льюис исследовал механическое истирание кожи. Кожа продемонстрировала трехфазную реакцию. Во-первых, красное пятно развивается и распространяется наружу из-за высвобождения гистамина из тучных клеток. Во-вторых, более яркий красный цвет распространяется вокруг исходного пятна из-за расширения артериол. Последней фазой было образование волдыря, заполненного жидкостью, над исходным пятном. Льюис считал, что реакция кожи была вызвана расширением соседних кровеносных сосудов, которое было вызвано нервной системой через аксонный рефлекс. [4] Этот трехфазный ответ был назван тройным ответом Льюиса . Расширение артериол в пораженной области происходит из-за вазодилатации . Хотя Льюис наблюдал вазодилатацию, которую можно было бы объяснить аксонным рефлексом, пока не было прямых доказательств, объясняющих разветвление нервов от центра аксона, а не от тела клетки, или какие химические вещества ответственны за симптомы гусиной кожи, красной линии и расширенных кровеносных сосудов. [4]
В 1960-х годах ученые А. Янско-Габор и Дж. Сольчани продемонстрировали, что при нанесении на кожу раздражающих химических веществ и электрических стимуляторов стимулируются кожные ноцирецепторы . Эти болевые сенсоры посылают сигналы в соседние ткани, что приводит к экстравазации , также известной как утечка из кровеносных сосудов. Эта реакция похожа на исследование Льюиса с вазодилатацией, поскольку оба полагаются на неповрежденное сенсорное нервное питание, которое влияет на соседние ткани. [5]
В конце 20-го века появились более сложные методы прямого наблюдения за аксонным рефлексом из-за более точных инструментов визуализации и более продвинутых методов. Одним из примеров являются лазерные допплеровские исследования, которые используют лазерную допплеровскую визуализацию для наблюдения за кровотоком кожи с целью определения сосудистой функции. [6] Эти виды экспериментальных методов сбора данных производят экспериментальные данные, которые предполагают механизм, объясняющий, как взаимодействие нейронных факторов и генетических возможностей делает некоторых людей более устойчивыми к холоду. Эти методы исследования помогли улучшить медицинское лечение и профилактику повреждений кожи, связанных с холодом, и обморожений.
Когда проксимальный импульс стимулирует рецепторы растяжения и тепла на одной ветви раздвоенного аксона, произведенный сигнал движется назад к точке раздвоения аксона. Затем импульс отражается вниз по другой ветви аксона к эффекторному органу, вызывая аксональный рефлекс. Аксональные рефлексы стимулируют многочисленные эффекторные органы, включая эндокринную, сосудистую и кровеносную системы, в зависимости от места стимуляции. Одним из примеров является зуд, тип ноцицепции, при котором рефлекс часто вызывает желание почесаться. Соединение капсаицин может быть использовано для истощения химических веществ в аксональных рефлекторных нервных окончаниях и уменьшения симптомов зуда и боли. [5]
Физиологически аксональный рефлекс помогает поддерживать гомеостаз или регуляцию внутренней среды организма в ответ на изменяющуюся внешнюю среду, обеспечивая стабильность и относительное постоянство внутренней среды. Аксональный рефлекс реагирует на внешние изменения температуры, химической концентрации и состава воздуха. Примерами механизмов, опосредованных аксональным рефлексом, являются зуд, воспаление, боль, астма и кожное кровообращение. [5]
Тело реагирует на множественные типы травм, включая инфекцию, физическую травму или токсическое повреждение тканей через воспаление . Когда болевые ощущения усиливаются, аксональный рефлекс стимулирует (и отвечает за) высвобождение многих необходимых химических веществ, которые способствуют местному воспалению тканей травмированной области. [5] Аксональный рефлекс регулирует вазодилатацию или дополнительный приток крови к целевым тканям. Аксональный рефлекс позволяет мышцам сокращаться в кратчайшие сроки, регулируя проводимость сигнала в нервно-мышечном соединении.
В дермальном кровообращении аксонный рефлекс контролирует температуру и кровообращение в тканях посредством вазодилатации. Небольшие нервные волокна, называемые терморецепторами, чувствительны к температуре и могут действовать как датчики, которые инициируют аксонный рефлекс, опосредованный вазодилатацией. Нейромышечные заболевания можно предсказать на ранней стадии по наличию аномальных рефлексов мышечных волокон и соответствующих подергиваний. Это происходит из-за того, что аксоны могут генерировать собственные потенциалы действия при перевозбуждении от исходного стимула; это известно как потенциал фасцикуляции в мышечном волокне. [7] Фасцикуляции являются характерными признаками бокового амиотрофического склероза (БАС) и могут быть свидетельством аномального аксонного рефлекса при дальнейших исследованиях. [8]
При астме аксональный рефлекс вызывает высвобождение различных нейропептидов , включая вещество P , нейрокинин A и кальцитонин . Все три этих нейропептида вызывают сокращение гладких мышц дыхательных путей, что также происходит через аналогичный механизм при аллергии.
Этот же механизм реакции также отвечает за потерю тепла тела в конечностях, что демонстрируется с помощью теста Хантера. Одним из клинических тестов, который может быть выполнен для пациента, является QSART, или количественное тестирование судомоторного аксонного рефлекса, которое стимулирует автономную нервную систему человека, стимулируя потовые железы посредством стимулирования аксональных рефлексов. [9] Кожа стимулируется электричеством, вызывая указанные аксональные рефлексы, что позволяет оценить тип и тяжесть автономных нервных расстройств и периферических невропатий, таких как астма или рассеянный склероз.
Люди и приматы используют судомоторную реакцию для осуществления терморегуляции или контроля температуры своего тела, в основном через симпатическую нервную систему с незначительным влиянием парасимпатической нервной системы . [10] Теплочувствительные рецепторы присутствуют в коже, внутренних органах и спинном мозге, где они получают информацию из внешней среды и отправляют ее в терморегуляторный центр в гипоталамусе.
Реакция пота стимулирует мускариновые рецепторы M3 на потовых железах и рефлекс аксона судомоторного типа. При рефлексе судомоторного типа холинергические агенты связываются с никотиновыми рецепторами на окончаниях нервов судомоторного типа, вызывая импульс, который движется к соме или противоположно нормальному импульсу. В соме постганглионарного симпатического нейрона судомоторного типа импульс разветвляется и движется ортодромически или от сомы. Наконец, когда этот импульс достигает других потовых желез, он вызывает косвенный аксонорефлекторный ответ пота. Рефлексы аксона судомоторного типа могут быть периферически усилены при передаче величины потенциала действия ацетилхолином . [ 10] Ацетилхолин также активирует волокна судомоторного типа и первичные афферентные ноцицепторы, вызывая рефлексы аксона в обоих случаях. Однако при повреждении нервов ( нейропатии ) все равно наблюдается некоторое усиление потоотделения, опосредованного аксональным рефлексом.
Кожные рецепторы — это сенсорные рецепторы в коже, которые обнаруживают изменения температуры ( терморецепторы ) и боли ( ноцицепторы ). Эти кожные рецепторы инициируют импульс посредством возбуждения основного сенсорного аксона в спинной мозг. Аксонный рефлекс — это распространение этого импульса от основного аксона к близлежащим кровеносным сосудам в стимулируемой области кожи. Эти импульсы в пораженной области высвобождают химические вещества, которые вызывают расширение и утечку кровеносных сосудов, заставляя кожу потеть. Высвобождается ацетилхолин, что приводит к увеличению внеклеточного кальция, что вызывает внеклеточную гиперполяризацию с последующим расширением артериол. Покраснение приводит к вспышке реакции аксонного рефлекса. [11]
Этот механизм вазодилатации подтверждается исследованиями, а эффективность вазомоторной реакции можно объяснить значением Тау (постоянная времени циркуляции крови в этой области испытывает воздействие датчика). В целом, значение Тау не сильно меняется при температурах 39 °C и выше, тогда как температуры ниже 39 °C будут демонстрировать значительную дисперсию в значении Тау. Сигнал, вызывающий вазодилатацию, возникает из-за повышения температуры кожи, приближающейся к пороговому значению около 40 °C. Фаза охлаждения Тау будет зависеть от механики тела и способности человека излучать тепло из тела.