Основы нейробиологии

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2022

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ 
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ 
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ  
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

О. Л. Кундупьян,

А. С. Фомина,
М. Ю. Бибов.

ОСНОВЫ 
НЕЙРОБИОЛОГИИ

Учебник

УДК 577.25(075.8)
ББК 28.7 я73
   К 91

Печатается по решению кафедры физиологии человека и животных 
Академии биологии и биотехнологии им. Д. И. Ивановского 
Южного федерального университета
(протокол № 5 от 27 апреля 2021 г.)

Рецензенты:

доцент кафедры «Биология и общая патология» Донского государственного 
технического университета, кандидат биологических наук, старший научный 
сотрудник И. В. Соболева; заведующий кафедрой физиологии человека 
и животных Академии биологии и биотехнологии им. Д. И. Ивановского 
Южного федерального университета, кандидат биологических наук, 
старший научный сотрудник Е. К. Айдаркин

 
Кундупьян, О. Л.
К 91  
Основы нейробиологии : учебник / О. Л. Кундупьян, А. С. Фомина, 
М. Ю. Бибов ; Южный федеральный университет ; Донской государственный 
технический университет ; Ростовский государственный медицинский университет. — Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального 
университета, 2022. — 384 с.

ISBN 978-5-9275-4062-4

Cодержит полное и систематическое изложение материала, входящего в учебную 
программу курса «Нейробиология», изучаемую студентами специальности «Биология» Академии биологии и биотехнологии им. Д. И. Ивановского Южного федерального университета. Последовательно рассматриваются следующие темы: архитектоника 
нервной системы, нейрогенез зрелой ЦНС, роль астроглиальных клеток в ЦНС, строение и функции гематоэнцефалического барьера, особенности организации синапсов, 
молекулярные механизмы внутриклеточной сигнализации в нервной ткани, нейромедиаторные системы мозга, механизмы сна и бодрствования, нейродегенеративные заболевания ЦНС. Содержит тестовые задания и ситуационные задачи. Предназначен 
для студентов, которые обучаются по программам бакалавриата и магистратуры в области физиологии, нейробиологии, психофизиологии и психоневрологии. 

 
УДК 577.25(075.8)
ISBN 978-5-9275-4062-4 
ББК 28.7 я73

 
© Южный федеральный университет, 2022
 
© Кундупьян О. Л., Фомина А. С., Бибов М. Ю., 2022
 
© Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2022

Содержание

Введение .........................................................................................9

1. Архитектоника нервной системы. Основные эволюционные 
этапыипринципы формирования нервной системы ..................... 11

1.1. Нервная сеть кишечнополостных (Coelenterata): наиболее 
простойпринцип организации нервной системы ........................ 11
1.2. Особенности организации нервной системы плоских червей 
(Plathelminthes): централизация и цефализация нервной 
системы ....................................................................................... 16
1.3. Особенности строения нервной системы кольчатых червей 
(Annelida) и членистоногих (Arthropoda) ...................................... 18
1.4. Основные принципы организации нервной системы 
у хордовых (тип Chordata)............................................................ 19
1.5. Развитие нервной системы позвоночных ................................... 22

2. Роль и значение астроглиальных клеток в ЦНС ............................ 30

2.1.Общая характеристика глиальных клеток ................................... 30
2.2.Характеристика и функции астроцитов ....................................... 31
2.3.Нейрон-глиальные взаимодействия ............................................ 33
2.4.Нейроваскулярное сцепление (coupling) ..................................... 36
2.5.Кальциевые волны в астроцитах ................................................ 36
2.6.Синантоциты— новый подтип глии ............................................. 39
2.7.Роль и значение астроглии при патологии головного мозга ....... 41

О. Л. Кундупьян, А. С. Фомина, М. Ю. Бибов.  Основы нейробиологии

3. Нейрогенез в зрелой ЦНС ............................................................ 47

3.1.Общая характеристика процесса нейрогенеза ............................ 47
3.2.Оценка процессов нейрогенеза с помощью 
специфических маркеров ............................................................ 53
3.3.Нейрогенез и микроглия ............................................................. 54
3.4.Регуляция процессов нейрогенеза в зрелом мозге 
посредствомнейромедиаторов .................................................. 55
3.5.Адаптивная роль нейрогенеза..................................................... 56

4. Строение и функции гематоэнцефалического барьера ................... 64

4.1.Общий план строения гематоэнцефалического барьера ............. 64
4.2.Транспорт веществ через гематоэнцефалический барьер .......... 68
4.3.Нарушения гематоэнцефалического барьера.............................. 69

5. Нейробиология синаптических контактов ..................................... 72

5.1.Общая характеристика синаптических контактов ....................... 72
5.2.Электрические синапсы .............................................................. 73
5.3.Химические синапсы ................................................................... 76
5.4.Везикулярная гипотеза высвобождения медиатора ................... 78
5.5.Передача возбуждения в химическом синапсе ........................... 83

6. Молекулярные механизмы внутриклеточной сигнализации 
в нервной ткани ......................................................................... 91

6.1. GPCR-зависимые механизмы внутриклеточной сигнализации, 
опосредованные G-белками ........................................................ 92
6.1.1. Общие принципы G-белок-зависимой сигнализации ......... 94
6.1.2. Цикл G-белков .................................................................... 97
6.1.3. Роль субъединиц G-белков в трансдукции сигнала ........... 99
6.2. Эффекторные ферменты, ионные каналы и мембранные 
переносчики, модулируемые G-белками ................................... 101
6.2.1. Роль аденилатциклазы в процессах сигнализации, 
опосредованных G-белками ............................................ 101
6.3. Фосфолипиды как источники вторичных мессенджеров .......... 104
6.3.1. Роль ДАГ в качестве вторичного мессенджера ............... 107

Содержание 
5

6.3.2. Роль ИФ3 в качестве вторичного мессенджера ............... 108
6.3.3. Роль фосфолипазы А2, арахидоната и различных метаболитов инозитола вовнутриклеточной сигнализации ...... 110
6.4. Сигнальный механизм PI3K/Akt/PKB/mTOR .............................. 111
6.5. Роль ионов Ca2+ в качестве вторичных мессенджеров ............. 112
6.5.1. Биологические эффекты Ca2+, 
опосредованныекальмодулином .................................... 113
6.6. Роль NO в регуляции активности гуанилатциклазы .................. 114
6.6.1. Активация гуанилатциклазы ........................................... 117
6.6.2. цГМФ-фосфодиэстераза как эффекторный фермент 
вфор ми ровании зрительного восприятия упозвоночных 117
6.7. Регуляция работы ионных каналов G-белками ......................... 118
6.8. Роль протеинкиназ в регуляции активности клеток 
нервнойткани ........................................................................... 120
6.8.1. Строение и функции протеинкиназы А ............................ 123
6.8.2. Строение и функции Са2+-кальмодулин-зависимых 
протеинкиназ ................................................................... 128
6.8.3. Структура и функции протеинкиназы С (ПКС) .................. 132
6.8.4. Роль тирозинкиназ в регуляции роста 
идифференцировкиклеток ............................................. 134
6.9. Протеинфосфатазы ................................................................... 137
6.9.1. Строение и принципы регуляции РР-1 икальцинейрина ... 138
6.9.2. Протеинфосфатаза-1 (РР-1) .............................................. 140
6.9.3. Кальцинейрин (РР-2В) ...................................................... 140
6.10. Взаимодействие между различными сигнальными 
механизмами внейронах головного мозга ............................. 143
6.11. Механизмы внутриклеточной сигнализации, действующие 
науровне регуляции экспрессии генов ................................... 144
6.11.1. Внутриклеточные сигналы, оказывающие влияние 
науровень транскрипции ............................................. 148
6.11.2. Роль цАМФ и Са2+ в регуляции экспрессии генов ........ 150
6.11.3. Транскрипционные факторы семейства AP-1 .............. 153
6.11.4. Гены немедленного раннего ответа ............................. 154
6.11.5. Регуляция гена c-fos ..................................................... 155
6.11.6. Регуляция гена c-jun ..................................................... 156
6.12. Краткое содержание главы ..................................................... 156

О. Л. Кундупьян, А. С. Фомина, М. Ю. Бибов.  Основы нейробиологии

7. Механизмы бодрствования и сна ................................................162

7.1.Механизмы медленноволнового сна ........................................ 165
7.2.Механизмы быстрого сна .......................................................... 170
7.3.Роль мелатонина в регуляции цикла «бодрствование-сон» ...... 173
7.4.Теории, объясняющие биологическую необходимость сна ....... 174
7.4.1. Висцеральная теория ....................................................... 174
7.4.2. Биофизическая теория сна .............................................. 175
7.4.3. Теория синаптического гомеостаза ................................. 176
7.5.Нарушения сна .......................................................................... 177

8. Медиаторные системы мозга .....................................................184

8.1. Строение и функции рецепторов нейромедиаторов ................. 187
8.2. Строение и функции ионотропных рецепторов ......................... 188
8.2.1. Строение и функции рецептора глицина.......................... 188
8.2.2. Ионотропные рецепторы пуриновых нуклеотидов .......... 189
8.2.3. Метаботропные рецепторы, ассоциированные 
сG-белками: семейство рецепторов GPCR ...................... 189
8.3. Медиатор ацетилхолин.Общая характеристика ....................... 205
8.4. Ионотропные рецепторы........................................................... 208
8.4.1.Строение и функции ацетилхолинового рецептора ......... 208
8.4.2.Строение и функции нейрональногорецептораnAChR .... 217
8.5. Мускариновый рецептор ацетилхолина (mAChR) ..................... 220
8.6. Роль ацетилхолина в механизмах памяти ................................ 221
8.7. Патология холинергической системы ....................................... 222
8.8. Медиатор норадреналин ........................................................... 226
8.8.1. Общая характеристика норадреналина ........................... 226
8.8.2. Адренергические рецепторы ........................................... 229
8.8.3. Роль норадреналина в механизмах памяти .................... 229
8.8.4. Нарушение работы адренергической системы ................ 230
8.9. Медиатор дофамин ................................................................... 234
8.9.1. Метаботропные рецепторы дофамина ............................ 236
8.9.2. Патология дофаминергической системы ........................ 237

Содержание 
7

8.10. Медиатор серотонин ............................................................... 241
8.10.1. Особенности строения ионотропного серотонинового 
рецептора 5-НТ3 ............................................................... 242
8.10.2. Метаботропные рецепторы серотонина ........................ 243
8.10.3. Патология серотонин ергической системы .................... 243
8.11. Медиатор ГАМК ....................................................................... 249
8.11.1. Особенности строения и функций рецептораГАМКА ..... 250
8.11.2. Метаботропный рецептор γ-аминомасляной кислоты 
(ГАМКБ) ............................................................................. 252
8.11.3. Патология ГАМК-эргической системы ........................... 253
8.12. Медиатор глутамат .................................................................. 257
8.12.1. Строение и функции ионотропного рецептора 
глутаминовой кислоты (Glu) ............................................ 258
8.12.2. NMDA-независимые рецепторы Glu ............................... 259
8.12.3. NMDA-зависимые рецепторы Glu ................................... 263
8.12.4. Метаботропные рецепторы глутаминовой кислоты (Glu) .. 266
8.12.5. Патология глутаматной системы ................................... 268
8.13. Гистамин .................................................................................. 271
8.13.1. Патология гистаминергической системы мозга ............ 272

9. Нейробиология болезни Альцгеймера .........................................276

9.1.Общая характеристика заболевания ......................................... 276
9.2.Стадии болезни Альцгеймера ................................................... 277
9.3.Причины возникновения заболевания 
ипатологическаяанатомия ....................................................... 278
9.4.Гипотезы возникновения болезни Альцгеймера ....................... 280
9.4.1. Холиновая гипотеза ......................................................... 281
9.4.2. Гипотеза накопления дефектного β-амилоида 
итау-белка ....................................................................... 282
9.4.3. Кальциевая гипотеза болезни Альцгеймера— 
гипотеза«кальциевого дисгомеостаза» .......................... 284
9.4.4. Нарушение функции митохондрий в нейронах ................. 287
9.4.5. Норадренергическая гипотеза— дисбаланс активации 
рецепторов к норадреналину ........................................... 288
9.5.Роль периваскулярных пространств Вирхова— Робена 
ввозникновении болезни Альцгеймера .................................... 289

О. Л. Кундупьян, А. С. Фомина, М. Ю. Бибов.  Основы нейробиологии

10. Нейробиология болезни Паркинсона ..........................................296

10.1.Общая характеристика заболевания ...................................... 296
10.2.Патологоанатомическая картина болезни Паркинсона— 
гибель дофаминергических нейронов .................................... 297
10.3.Дефектный α-синуклеин как фактор гибели 
дофаминергических нейронов ............................................... 299
10.4.Нейрохимические нарушения при болезни Паркинсона ........ 304
10.5.Митофагия при болезни Паркинсона...................................... 306

11. Нейробиология эпилепсии ........................................................315

11.1.Общая характеристика заболевания ...................................... 315
11.2.Типы эпилептических расстройств ........................................ 318

12. Нейробиология шизофрении .....................................................326

12.1.Общая характеристика заболевания ...................................... 326
12.2.Теории возникновения шизофрении ...................................... 328
12.2.1. Нейроанатомическая теория ...................................... 328
12.2.2. Нейрохимическая теория ............................................ 331
12.2.3. Гипотеза митохондриальной дисфункции ................... 334

Ключи к тестовым заданиям .........................................................339

Список сокращений ......................................................................343

Список использованной литературы ...............................................344

Введение

Понятие нейробиологии объединяет широкий спектр исследований, посвященных функционированию нервной системы в норме и при патологиях различного генеза. Благодаря существующей тенденции к слиянию нейронаук, 
молекулярной физиологии, биохимии и других наук удалось получить всеобъемлющие знания о функционировании нейронов и глиальных клеток, нейронных сетей, механизмов сна и бодрствования, а также нарушениях деятельности 
центральной нервной системы (ЦНС).
Несмотря на популярность нейробиологии как образовательного курса среди обучающихся различных направлений, а также востребованности получаемых знаний в научной деятельности студентов и аспирантов, в отечественной 
литературе слабо представлены современные учебные разработки по данному 
курсу. Это связано с новизной учебного курса, его междисциплинарностью и 
большим объемом исследований в современной нейронауке.
В учебнике рассмотрены вопросы формирования нервной системы в филогенезе и онтогенезе. Прослеживаются основные черты архитектоники нервной системы у различных видов животных, от кишечнополостных до человека. 
Вданном учебном пособии с использованием современных литературных данных подробно изложены некоторые ключевые вопросы нейробиологии: особенности строения и функционирования астроцитов, гематоэнцефалического 
барьера и синаптических контактов, механизмы нейрогенеза, бодрствования и 
сна. Рассматриваются строение и принципы функционирования ионотропных 
и метаботропных рецепторов основных нейромедиаторов. Особое внимание 
уделено принципам структурной организации и функционирования рецепторов, ассоциированных с G-белками (GPCR). Также рассмотрены основные 
молекулярные механизмы внутриклеточной сигнализации, лежащие в основе формирования физиологических реакций нейронов и глиальных клеток на 
внешние стимулы. Отдельно представлены данные об основах нейродегенеративных заболеваний— болезни Альцгеймера и болезни Паркинсона, а также о 
нейробиологии эпилепсии и шизофрении как комплексных нейропсихических 
расстройств. Разделы проиллюстрированы рисунками и схемами. Каждый 

О. Л. Кундупьян, А. С. Фомина, М. Ю. Бибов.  Основы нейробиологии

раздел завершается блоками тестовых вопросов и ситуационных задач, разработанных авторами учебного пособия. Их использование в образовательном 
процессе позволит систематизировать и закрепить полученные знания, побудить обучающихся к самостоятельному поиску дополнительной информации, 
ее анализу и синтезу.
Использование учебного пособия при подготовке специалистов биологического профиля будет способствовать формированию современных представлений о ряде аспектов функционирования ЦНС.
Авторы выражают благодарность за консультационную поддержку и помощь в подготовке иллюстративного материала профессору кафедры «Биология и общая патология» ДГТУ, д.б.н., профессору Менджерицкому Александру 
Марковичу, доцентам кафедры «Биология и общая патология» ДГТУ, к.б.н. Соболевой Ирине Владимировне, к.б.н. Евсюкову Александру Павловичу, доценту 
кафедры общей биологии и анатомии РостГМУ, к.б.н. Иваницкой Людмиле Николаевне, заведующему кафедрой физиологии человека и животных Академии 
биологии и биотехнологии им. Д.И.Ивановского, с.н.с., к.б.н. Айдаркину Евгению Константиновичу.