Нервная система человека состоит из миллионов нервных клеток, которые постоянно обмениваются информацией. Отростки одной клетки соединяются с десятками других и образуют особые щелевые контакты - синапсы. Как только нервный импульс доходит до места, где одна клетка соединяется с другой, выбрасывается небольшое количество химического посредника. Эти химические посредники (или нейромедиаторы) передают возбуждение от одной нервной клетки к другой. В некоторых случаях они могут передавать не возбуждение, а торможение, а иногда существенно влияют на внутренние процессы в клетке - например, изменяют экспрессию генов и заставляют клетку синтезировать новые белки.
Нейромедиаторы связывают нервные клетки и между собой, и с мышцами. Именно с помощью химических посредников нервная система регулирует работу почти всех внутренних органов. Выделяясь из окончаний вегетативной нервной системы, нейромедиаторы заставляют сердце биться медленнее ночью и быстрее днём, снижают артериальное давление, пока мы лежим, регулируют мочеиспускание во сне и так далее.
Только в начале XX века учёные сошлись на том, что нервная система - это множество нервных клеток, а не сложная сеть волокон. Многие исследователи до 1930-х годов не верили, что нервные клетки передают импульсы с помощью химических посредников.
Почему воевали «суповики» и «искровики»
В 1914 году британский фармаколог Генри Дейл работал над лекарствами, симулирующими работу вегетативной нервной системы. В результате кропотливой работы он выделил множество интересных молекул. Часть из них нашли своё клиническое применение, другие - нет. Среди последних была одна особая молекула - ацетилхолин. В экспериментах на мышах Дейл установил, что эта молекула повторяет действие одного отдела вегетативной нервной системы - парасимпатической нервной системы. Парасимпатическая нервная система замедляет дыхание во сне и сердцебиение, регулирует сексуальное возбуждение, выделение желудочного сока и другие физиологические эффекты. Эффект ацетилхолина продолжался всего минуты. Именно поэтому для медицинских целей это вещество было совершенно непригодно.
Через 20 лет после этого открытия исследователю из Австрии Отто Леви приснился сон с идеей эксперимента, доказывающего существование химических посредников. По воспоминаниям Леви (которые многие считают преувеличенными) он проснулся посреди ночи в 1921 году, сделал заметку с планом отличного эксперимента и вернулся в кровать. Утром идею он вспомнить не смог, а записи оказались каракулями. Но следующей ночью он проснулся опять, и в этот раз не стал ничего записывать, а прямиком отправился в лабораторию.
Леви препарировал двух лягушек и извлёк их сердца. Одно сердце - с частью блуждающего нерва, другое было изолировано от всех нервов. В спокойном состоянии вне тела сердца бились с постоянной частотой. Сердце с блуждающим нервом Леви поместил в специальный раствор и начал стимулировать нерв током. В результате сердцебиение замедлялось. Затем он достал сердце из раствора и поместил туда другое (без нервов), оно тут же замедлило свой ход. Эксперимент доказывал, что блуждающий нерв (часть парасимпатической нервной системы) замедляет сердцебиение с помощью химического посредника.
Многие исследователи, которые пытались повторить эксперимент, не смогли получить те же результаты. В 1926 году Леви попросили повторить его эксперимент публично на Международном физиологическом конгрессе в Стокгольме. Ему удалось это сделать 18 раз подряд.
Фактически публикация этих данных спровоцировала настоящую войну между фармакологами , которые поддержали теорию химической передачи возбуждения, и некоторыми нейрофизиологами, которые были уверены, что нервный импульс может передаваться только напрямую. Среди историков науки это противостояние получило название войны «суповиков» и «искровиков».
Леви долго работал над тем, чтобы идентифицировать химическое вещество, выделяющееся из окончания блуждающего нерва. Он провёл эксперименты со многими химическими соединениями и осторожно высказался на тему того, что это может быть ацетилхолин. Убедил его в этом его британский друг - Генри Дейл, который вспомнил о своих открытиях 20-летней давности. После вручения Дейлу и Леви Нобелевской премии в 1938 году критики поубавилось.
Джон Экклс, ещё один известный нейрофизиолог, был классическим сторонником теории электрической передачи. Его не убедили ни эксперименты, ни Нобелевская премия Леви. Во время Второй мировой войны Экклс работал в одной лаборатории со Стивеном Куффлером и Бернардом Кацем - двумя невероятно влиятельными сторонниками теории химической передачи. Буквально на его глазах Кац и Куффлер накапливали всё больше свидетельств в пользу химической теории. Cогласно истории, Экклс впал в депрессию, из которой его вытянул известный философ науки Карл Поппер. В 1951 году Экклс начал изучать спинной мозг. Он одним из первых доказал химическую передачу между нейронами спинного мозга и открыл тормозной медиатор - гамма-аминомасляную кислоту. В 1963 году он был удостоен Нобелевской премии.
Какие белки помогают нам помнить всё
Эрик Кэндел, выпускник медицинской школы Нью-Йоркского университета, разбирался, как работает память. Чтобы приблизиться к решению проблемы, он искал память у животных с максимально простой нервной системой. Поиски привели его к морскому зайцу (или аплизии). У него всего 20 тысяч крупных нервных клеток, которые легко разглядеть даже без микроскопа.
Привыкание.
У аплизии (как и у многих моллюсков)
есть жабры и небольшая
трубка - сифон, с помощью которой моллюски передвигаются, размножаются и выделяют продукты обмена во внешнюю среду. Если дотронуться до сифона аплизии, она тут же втянет его вместе с жабрами внутрь. Можно проделать это несколько раз, и аплизия перестанет втягивать жабры. Это один из самых простых видов памяти.
Сенситизация. Другой вид памяти у морского зайца - повышение чувствительности. Если перед тем, как дотронуться до сифона, ударить аплизию небольшим разрядом электрического тока в хвост, она начнёт более интенсивно втягивать жабры в ответ на любое прикосновение.
Условный рефлекс. В этом случае нужно сначала дотронуться до сифона (при этом жабры втянутся не очень сильно), потом ударить моллюска током (тут они втянутся куда сильнее) и проделать это много раз. В результате аплизия «ассоциирует» прикосновение с ударом тока и начинает втягивать жабры сильнее после обычного прикосновения без удара током.
В рефлексах втягивания жабр участвуют всего несколько нейронов. Сенсорный нейрон передаёт нервный импульс на моторный нейрон, который вызывает сокращение мышц и втягивание жабр. При ударе аплизии возбуждается ещё один нейрон - модуляторный. Он протягивается через всё тело моллюска и регулирует работу других нервных клеток. Когда аплизия запоминает, что ей следует сильнее втягивать жабры, связи между сенсорным и моторным нейронами усиливаются.
Именно эта маленькая молекула
необходима для формирования памяти
Усиление связей возможно благодаря ещё одному нейромедиатору - серотонину. Он выделяется из окончания модуляторного нейрона и связывается со специальным рецептором на поверхности сенсорного нейрона. В результате запускается целый каскад биохимических реакций. С рецептором серотонина связаны так называемые G-белки, которые активируют фермент - аденилатциклазу.
Аденилатциклаза - очень популярный в нашем организме фермент. Она превращает АТФ (аденозин-трифосфат) - основной источник энергии в клетке - в циклический АМФ (аденозин-монофосфат), который в десятки раз усиливает действие серотонина. Одна молекула серотонина связывается всего с одним рецептором, а внутри клетки в ответ на это синтезируются сотни молекул циклического АМФ.
Именно эта маленькая молекула необходима для формирования памяти. Циклический АМФ заставляет работать другие ферменты. Например, в случае с запоминанием и усилением синаптической связи это протеинкиназа А, которая изменяет молекулу кальциевого канала в мембране нейрона. Из-за этого в клетку начинают активно поступать ионы кальция. Электрический потенциал в нервном окончании возрастает. Всего одного нервного импульса достаточно для того, чтобы высвободить куда больше глутамата и передать возбуждение на моторный нейрон.
Периферическая нервная система - условно выделяемая часть нервной системы, структуры которой находятся вне головного и спинного мозга.
Нервная система состоит из клеток - нейронов , функция которых состоит в переработке и распространении информации. Нейроны контактируют друг с другом посредством соединений - синапсов . Один нейрон передает информацию другому через синапсы при помощи химических переносчиков - медиаторов . Нейроны делят на 2 типа: возбуждающие и тормозные . Тело нейрона окружают густо ветвящиеся отростки - дендриты , которые предназначены для приема информации. Отросток нервной клетки, передающий нервные импульсы, называется аксоном . Его длина у человека может достигать 1 метра.
Периферическая нервная система подразделяется на вегетативную нервную систему, отвечающую за постоянство внутренней среды организма, и соматическую нервную систему , иннервирующую (снабжающую нервами) мышцы, кожу, связки.
В состав периферической нервной системы (или периферического отдела нервной системы) входят нервы, отходящие от головного мозга - черепные нервы и от спинного мозга - спинномозговые нервы, а также нервные клетки, выселившиеся за пределы центральной нервной системы. В зависимости от того, какого вида нервные волокна преимущественно входят в состав нерва, различают нервы двигательные, чувствительные, смешанные и автономные (вегетативные).
Нервы появляются на поверхности мозга двигательными или чувствительными корешками. При этом двигательные корешки являются аксонами двигательных клеток, находящихся в спинном и головном мозге, и достигают иннервируемого органа не прерываясь, а чувствительные - аксонами нервных клеток спинномозговых узлов. К периферии от узлов чувствительные и двигательные волокна образуют смешанный нерв.
Все периферические нервы на основании их анатомических особенностей делят на черепные нервы -12 пар, спинномозговые нервы - 31 пара, автономные (вегетативные) нервы.
Черепные нервы отходят от головного мозга и к ним относят:
- 1-я пара - обонятельный нерв
- 2-я пара - зрительный нерв
- 3-я пара - глазодвигательный нерв
- 4-я пара - блоковый нерв
- 5-я пара - тройничный нерв
- 6-я пара - отводящий нерв
- 7-я пара - лицевой нерв
- 8-я пара - преддверноулитковый нерв
- 9-я пара - языкоглоточный нерв
- 10-я пара - блуждающий нерв
- 11-я пара - добавочный нерв
- 12-я пара - подъязычный нерв
Через периферический нерв, спинномозговой узел и задний корешок нервные импульсы попадают в спинной мозг, то есть в центральную нервную систему.
Восходящие волокна от ограниченного участка тела собираются воедино и образуют периферический нерв . Волокна всех типов (поверхностной и глубокой чувствительности, волокна, иннервирующие скелетные мышцы, и волокна, иннервирующие внутренние органы, потовые железы и гладкие мышцы сосудов) объединяются в пучки, окруженные 3 соединительнотканными оболочками (эндоневрий, периневрий, эпиневрий) и формируют нервный кабель.
После того как периферический нерв через межпозвонковое отверстие проникает в позвоночный канал, он раздваивается на передний и задний спинномозговые корешки.
Передние корешки покидают спинной мозг, задние - в него входят. Внутри нервных сплетений, располагающихся вне позвоночного канала, волокна периферических нервов переплетаются таким образом, что в конечном итоге волокна от одного отдельного нерва оказываются на различных уровнях в составе разных спинномозговых нервов.
В состав периферического нерва входят волокна из нескольких различных корешковых сегментов.
Спинномозговые нервы в количестве 31 пары распределяются на:
- шейные нервы- 8 пар
- грудные нервы -12 пар
- поясничные нервы - 5 пар
- крестцовые нервы - 5 пар
- копчиковый нерв - 1 пара
Каждый спинномозговой нерв является смешанным нервом и образуется путем слияния принадлежащих ему 2 корешков: чувствительного корешка, или заднего корешка, и двигательного корешка, или переднего корешка. В центральном направлении каждый корешок связан со спинным мозгом при помощи корешковых нитей. Задние корешки являются более толстыми и в своем составе содержат спинномозговой узел. Передние корешки узлов не имеют. Большинство спинномозговых узлов залегает в межпозвоночных отверстиях.
Внешне спинномозговой узел выглядит как утолщение заднего корешка, расположенное чуть ближе к центру от места слияния переднего и заднего корешков. В самом спинномозговом узле синапсов нет.
Последнее обновление: 29/09/2013
Синапс – определение, структура, роль синапса в строении нервной системы
Синапс в структуре нервной системы – это небольшой участок в окончании нейона, отвечающий за передачу информации между нервными клетками. В его формировании участвуют две клетки – передающая и воспринимающая.
Определение понятия
Синапс является небольшим отделом в окончании нейрона. С его помощью ведется передача информации от одного нейрона к другому. Синапсы располагаются в тех участках нервных клеток, где они контактируют друг с другом. Кроме того, синапсы имеются в местах, где нервные клетки вступают в соединение с различными мышцами или железами организма.
Строение синапса
Структура синапса состоит из трех частей, каждая из которых несет свои функции в процессе передачи информации. В его строении задействованы обе клетки, и передающая, и воспринимающая.
На конце аксона передающей клетки располагается начальная часть синапса – пресинаптическое окончание. Оно способно вызывать в клетке запуск (термин имеет несколько названий – «нейромедиаторы», «посредники», «медиаторы») – специальных химических веществ, благодаря которым реализовывается передача электрического сигнала между двумя нейронами.
Средняя часть синапса является синаптической щелью – пространством между двумя вступающими во взаимодействие нервными клетками. Именно через эту щель и идет электрический импульс от передающей клетки.
Заключительная часть синапса является частью клетки воспринимающей и называется постсинаптическим окончанием – контактирующем фрагментом клетки со множеством чувствительных рецепторов в своей структуре.
Механизм работы синапса
Из пресинаптического окончания вниз по аксону нейрона проходит электрический заряд от передающей клетки к воспринимающей. Он запускает выброс в синаптическую щель нейротрансмиттеров. Данные медиаторы двигаются через синаптическую щель до постсинаптического окончания следующей клетки, где вступают во взаимодействие с многочисленными ее рецепторами. Данный процесс вызывает цепь биохимических реакций и, как следствие, провоцирует запуск электрического импульса с кратким изменением своего потенциала на участке клетки. Данное явление известно как потенциал действия (или волна возбуждения при прохождении нервного сигнала).
В недавно опубликованной книге «Облава на м-ра Альберта» (Driving Mr. Albert) рассказана подлинная история патологоанатома Томаса Харви, который в 1955 г. произвёл вскрытие Альберта Эйнштейна. Выполнив работу, Харви самым непочтительным образом забрал мозг учёного домой, где в течение 40 лет хранил его в пластиковой банке с дезинфицирующей жидкостью. Время от времени патологоанатом отдавал маленькие срезы мозговой ткани исследователям из разных частей света, пытавшимся выяснить причины гениальности Эйнштейна. Когда Харви перевалило за 80, он погрузил остатки мозга в багажник своего «Бьюика» и повёз возвращать их внучке гения.
Одной из тех, кто изучал срезы мозговой ткани Эйнштейна, была Мэриан Даймонд (Marian C. Diamond) - авторитетный гистолог из Калифорнийского университета в Беркли. Она установила, что числом и размерами нервных клеток (нейронов) головной мозг великого физика ничем не отличается от мозга обычного человека. Но в ассоциативной области коры, ответственной за высшие формы мыслительной деятельности, Даймонд обнаружила необычайно большое количество вспомогательных элементов нервной ткани - клеток нейроглии (глии). В мозге Эйнштейна их концентрация была намного больше, чем в голове среднестатистического Альберта.
Любопытное совпадение? Возможно. Но сегодня учёные получают всё больше данных, указывающих на то, что глиальные клетки играют гораздо более важную роль в деятельности мозга, чем предполагалось ранее. Долгие десятилетия всё внимание физиологов было сосредоточено на нейронах - главных, по их мнению, приёмопередатчиках мозга. Хотя глиальных клеток в 9 раз больше, чем нейронов, учёные отводили им скромную роль элементов, поддерживающих жизнедеятельность мозга (транспорт питательных веществ из кровеносных сосудов в нейроны, поддержание нормального баланса ионов в мозге, обезвреживание болезнетворных микробов, ускользнувших от преследования иммунной системы, и т. д.). А тем временем нейроны, поддерживаемые глией, были вольны общаться друг с другом через крошечные контактные точки (синапсы) и формировать сложнейшие сети соединений, благодаря которым мы думаем, вспоминаем прошлое или испытываем радость.
Неизвестно, как долго просуществовала бы ещё такая модель устройства мозга, если бы не недавно обнаруженные факты, свидетельствующие о том, что на протяжении всей жизни человека (от периода эмбрионального развития и до глубокой старости) нейроны и глия ведут весьма оживлённый диалог. Глия влияет на образование синапсов и помогает мозгу определять, какие нервные связи усиливаются или ослабевают с течением времени (эти изменения напрямую связаны с процессами общения и долгосрочной памяти). Последние исследования показали, что глиальные клетки общаются и друг с другом, влияя на деятельность мозга в целом. Нейробиологи с большой осторожностью наделяют глию новыми полномочиями. Однако можно вообразить, какое волнение они испытывают при мысли о том, что большая часть нашего мозга почти не изучена и, следовательно, может ещё раскрыть множество тайн.
Глиальные клетки общаются с нейронами
Мы представляем себе нервную систему в виде переплетения проводов, соединяющих нейроны. Каждый нейрон снабжён одним длинным отростком - аксоном, переносящим электрические сигналы от тела нейрона к расширенным участкам на его конце - аксонным терминалям. Каждая терминаль высвобождает в синаптическую щель молекулы химического посредника - нейротрансмиттера, которые достигают соответствующих рецепторов на коротких ветвящихся отростках (дендритах) соседнего нейрона. Пространства между нейронами и аксонами заполнены массой разнообразных клеток глии. К тому времени, как скончался Эйнштейн, нейробиологи уже подозревали, что глиальные клетки принимают участие в переработке информации, но доказательств у них не было. В конце концов они оставили глию в покое.
Причина того, что учёные не смогли обнаружить обмен сигналами между глиальными клетками, отчасти была связана с несовершенством методик. Но главными виновниками неудач были сами исследователи, ошибочно считавшие, что если клетки глии наделены способностью к общению, то обмениваться информацией они должны точно так же, как и нейроны, - с помощью электрических сигналов. Предполагалось, что клетки глии тоже должны генерировать электрические импульсы (потенциалы действия), стимулирующие выброс в синаптическую щель нейротрансмиттеров, которые, в свою очередь, вызывают импульсы в других клетках. Исследователи обнаружили, что глиальные клетки обладают несколькими типами ионных каналов, ответственных за генерирование электрических сигналов в аксонах, но они предположили, что эти каналы нужны глии просто для того, чтобы чувствовать уровень активности соседних нейронов. Было установлено, что мембрана глиальных клеток не обладает свойствами, необходимыми для проведения потенциалов действия. Нейробиологи, однако, упустили из виду одно обстоятельство, которое удалось обнаружить только благодаря современным методам исследования: глиальные клетки передают друг другу сообщения с помощью химических, а не электрических сигналов.
Важный вклад в понимание механизмов, позволяющих глии распознавать нейронную активность, был сделан в середине 1990-х гг., когда учёные обнаружили в мембранах глиальных клеток рецепторы, реагирующие на разнообразные химические вещества, включая и нейротрансмиттеры. Это открытие навело их на мысль, что клетки глии способны общаться друг с другом с помощью сигналов, которые не распознаются нервными клетками.
Экспериментально было установлено, что показателем активации глиальных клеток служит поглощение ими кальция. На основании этого наблюдения учёные разработали метод, позволяющий визуально определять, обладают ли терминальные шванновские клетки (один из типов глиальных клеток, окружающих синапсы в области контакта нервов с мышечными клетками) чувствительностью к нервным сигналам, приходящим к этим синапсам. Было показано, что шванновские клетки действительно реагируют на синаптические импульсы и что такая реакция сопровождается проникновением в них ионов кальция.
Но ограничивается ли участие глии в нервных процессах только «подслушиванием» нейронных переговоров? Ведь шванновские клетки окружают аксоны как в области синапсов, так и по ходу нервов в разных частях тела, а глиальные клетки другого типа (олигодендроциты) образуют оболочки вокруг аксонов в центральной нервной системе (т. е. в головном и спинном мозге). Сотрудники лаборатории Национального института здравоохранения решили выяснить, способна ли глия отслеживать и нервные сигналы, распространяющиеся по аксонам в нервных цепях. И если такое общение между глией и нейронами существует, какие механизмы лежат в его основе и, что ещё важнее, как влияют на работу глиальных клеток «подслушанные» ими нервные сообщения?
Чтобы ответить на эти вопросы, мы культивировали сенсорные нейроны (клетки дорсально-корешкового ганглия, ДКГ) мыши в специальных лабораторных чашках с электродами, с помощью которых можно было вызывать потенциалы действия в аксонах. В одни чашки с нейронами мы добавили шванновские клетки, в другие - олигодендроциты. Необходимо было одновременно контролировать активность и аксонов, и глии. За активностью нервных и глиальных клеток мы следили визуально, вводя в них краситель, который при связывании с ионами кальция должен был флуоресцировать. Когда по аксону пробегает нервный импульс, потенциалозависимые ионные каналы в нейронной мембране открываются, и ионы кальция проникают в клетку. Следовательно, распространение импульсов по аксонам должно сопровождаться зелёными вспышками внутри нейронов. По мере роста концентрации кальция в клетке флуоресценция должна становиться ярче. Её интенсивность можно измерить с помощью фотоэлектронного умножителя, а искусственно окрашенные изображения светящейся клетки воспроизвести в реальном времени на экране монитора. Если глиальные клетки реагируют на нервные сигналы и поглощают в это время ионы кальция из окружающей среды, они тоже должны засветиться - только немного позднее, чем нейроны.
Сидя в затенённой комнате и напряжённо вглядываясь в экран монитора, мы с биологом Бетом Стивенсом (Beth Stevens) собирались приступить к эксперименту, на подготовку которого у нас ушло несколько месяцев. На включение стимулятора нейроны ДКГ тут же отреагировали изменением цвета: по мере увеличения концентрации кальция в их аксонах они превратились из синих в зелёные, затем - в красные и, наконец, побелели. Поначалу ни в шванновских клетках, ни в олигодендроцитах никаких изменений не обнаружилось, но спустя 15 долгих секунд они, подобно ёлочным лампочкам, начали загораться. Каким-то неведомым образом клетки глии почувствовали, что по аксонам пробегают импульсы, и отреагировали на это событие увеличением концентрации кальция в цитоплазме.
Глиальные клетки общаются друг с другом
Нам удалось показать, что глия способна распознавать импульсную активность в аксонах, реагируя на неё поглощением кальция. В нейронах он активирует ферменты, ответственные за выработку нейротрансмиттеров. Вполне вероятно, что поступление кальция в глиальные клетки также вызывает активацию ферментов, связанных с развитием какой-то реакции. Но какой?
Исследование ещё одного типа глиальных клеток - астроцитов, транспортирующих питательные вещества из капилляров в нервные клетки и поддерживающих оптимальный уровень ионов, необходимый для генерирования нервных импульсов в окружающей нейроны среде (включая и удаление избытка нейротрансмиттеров и ионов, высвобождаемых нейронами во время импульсации), поможет ответить на этот вопрос. В 1990 г. Стивен Смит из Йельского университета показал, что если в культуру астроцитов добавить нейротрансмиттер глутамат, концентрация кальция в клетках резко возрастает. Клетки ведут себя так, словно только что произошёл выброс нейротрансмиттера из нейрона и они горячо обсуждают друг с другом вызвавшую его импульсацию нейронов.
Некоторые нейробиологи пытались выяснить, не явилось ли общение глиальных клеток следствием простого перемещения ионов кальция или связанных с ним сигнальных молекул из одного астроцита в соседний через соединяющие их открытые ворота. В 1996 г. Бен Кейтер (Ben Kater) из Университета штата Юта опроверг это предположение. С помощью острого микроэлектрода он разрезал слой астроцитов в культуре на две части, оставив между ними зазор, не содержавший клеток и разделявший популяцию астроцитов. Когда концентрация кальция в клетках по одну сторону разреза возрастала, то же происходило и по другую сторону. Таким образом выяснилось, что астроциты посылали друг другу сигналы через внеклеточную среду.
АТФ как химический посредник
Выявленные закономерности привели исследователей в замешательство. Коммуникация глиальных клеток, как и нейронов, контролируется токами кальция. Однако если изменения его уровня в нейронах вызывают электрические импульсы, то в глии - нет. Возникает вопрос: не было ли инициировано перемещение ионов кальция в глию каким-то другим электрическим феноменом? А если нет, то какова природа механизма?
Когда учёные экспериментировали с глией, в поле зрения им постоянно попадала знакомая всем молекула аденозинтрифосфата (АТФ). Будучи основным источником энергии в живых клетках, АТФ обладает многими признаками, благодаря которым прекрасно подходит на роль химического посредника между клетками. В окружающей среде он содержится в больших количествах, а во внеклеточном пространстве его мало. Благодаря небольшим размерам молекула способна к быстрой диффузии и легко разрушается ферментами. Более того, АТФ присутствует в аксонных терминалях, где обычно и хранятся молекулы нейротрансмиттеров, и может высвобождаться в синаптическую щель.
В 1999 г. Питер Гатри (Peter B. Guthrie) и его сотрудники из Университета штата Юта показали, что при возбуждении астроциты выбрасывают в окружающую среду АТФ. Затем он связывается рецепторами на соседних астроцитах, заставляя открываться ионные каналы и способствуя перемещению кальция внутрь клеток. В свою очередь, повышение уровня кальция в клетках заставляет их высвобождать во внеклеточную среду новые порции АТФ - так в популяции астроцитов инициируется цепная реакция, связанная с изменением внутриклеточного уровня кальция и опосредованная АТФ.
 Как общаются глиальные клетки? В культуральную среду, содержавшую кальций, помещались астроциты (а) и сенсорные нейроны. После того как под влиянием электрической стимуляции нейроны принялись генерировать распространяющиеся по аксонам (зигзаги молний) (b) импульсы (потенциалы действия), глия начала флуоресцировать - признак того, что глиальные клетки отреагировали на это событие поглощением кальция. Спустя 10 и 12,5 секунд (с и d) по всей популяции астроцитов прокатились две огромные волны проникновения кальция внутрь клеток. О росте концентрации кальция в астроцитах свидетельствует изменение их цвета: вначале они были зелёными, затем стали синими и наконец красными. |
В результате наблюдений родилась модель, позволившая объяснить способность околоаксонной глии распознавать нейронную активность, и передавать затем сообщения другим глиальным клеткам, окружающим синапс. Импульсация нейронов побуждает глиальные клетки, окружающие аксон, высвобождать АТФ, который вызывает поглощение кальция соседними глиальными клетками. Это стимулирует выброс новых порций АТФ, что активирует передачу сообщения по длинной цепочке глиальных клеток иногда на значительное расстояние от нейрона, инициировавшего всю последовательность данных событий. Но каким образом глиальным клеткам, участвовавшим в нашем эксперименте, удавалось распознавать импульсацию нейронов - ведь аксоны не образуют с глией синаптических контактов и в области синапсов не было никаких глиальных клеток? Участием нейротрансмиттеров феномен объяснить нельзя: из аксонов они не диффундируют. Быть может, его причиной был АТФ, способный каким-то образом просачиваться из аксонов?
Для проверки гипотезы мы решили провести электрическую стимуляцию чистых культур аксонов ДКГ и последующий химический анализ культуральной среды. Воспользовавшись ферментом, ответственным за свечение брюшка у жуков-светляков (эта реакция требует участия АТФ), мы наблюдали свечение среды во время распространения импульса по аксонам, что свидетельствовало о высвобождении из них АТФ. Затем мы добавили в культуру шванновские клетки, также начинавшие светиться после того, как по аксонам пробегали потенциалы действия. Но когда мы добавили в среду фермент апиразу, быстро разрушающую АТФ и не дающую ему достигнуть шванновских клеток, глия во время импульсации аксонов оставалась тёмной. Таким образом, содержание кальция в шванновских клетках не менялось, т. к. они не получали АТФ-сигнала.
АТФ, высвободившийся из аксонов, на самом деле стимулировал транспорт кальция внутрь шванновских клеток. С помощью биохимического анализа и цифровой микроскопии нам удалось показать, что в результате этого события сигнальные молекулы перемещаются от клеточной мембраны к ядру и включают здесь различные гены. Таким образом, мы обнаружили поразительный факт: генерируя импульсы, призванные обеспечить общение с другими нейронами, нервная клетка и её аксон могут влиять на считывание генов в глиальной клетке и изменять тем самым её поведение.
Аксоны определяют судьбу глиальных клеток
Какие функции глии могут контролировать гены, включённые АТФ? Приказывают ли они глиальным клеткам действовать таким образом, чтобы повлиять на окружающие их нейроны? Стивенс попытался ответить на вопрос, обратив внимание на процесс, способствующий образованию миелиновой изолирующей оболочки вокруг аксонов. Благодаря ей аксоны способны проводить нервные импульсы с огромной скоростью на значительные расстояния. Её образование позволяет малышу всё крепче удерживать голову в вертикальном положении, а разрушение вследствие некоторых болезней (например, рассеянного склероза) превращает человека в инвалида.
Мы решили выяснить, как незрелая шванновская клетка, расположенная на аксоне в периферической нервной системе плода или младенца, узнаёт, нуждается ли отросток в миелинизации и когда нужно приступить к его «пеленанию» миелином. Или, напротив, следует ли ей превратиться в клетку, которая не будет сооружать миелиновую оболочку? Вообще говоря, в миелине нуждаются только аксоны большого диаметра. Могут ли аксональные нервные импульсы или высвобождение АТФ влиять на выбор шванновской клетки? Мы обнаружили, что шванновские клетки в культуре пролиферировали медленнее в том случае, когда окружали импульсирующие, а не молчащие аксоны. Более того, они приостанавливали своё развитие и прекращали выработку миелина. Добавление АТФ вызывало такие же эффекты.
А Витторио Галло (Vittorio Gallo) из соседней лаборатории НИЗ, изучая олигодендроциты, образующие миелиновые оболочки вокруг аксонов в головном мозге, обнаружил совершенно иную картину. АТФ не угнетал пролиферацию клеток, но аденозин (вещество, в которое превращается молекула АТФ после отщепления от неё остатков фосфорной кислоты) стимулировал созревание клеток и выработку миелина.
Понимание механизмов миелинизации имеет важнейшее значение. Болезни, сопровождающиеся разрушением миелиновой оболочки, каждый год уносят тысячи человеческих жизней и вызывают паралич и слепоту. Неизвестно, какой фактор инициирует миелинизацию, но аденозин стал первым веществом «аксонального происхождения», у которого была выявлена способность стимулировать этот процесс. Тот факт, что аденозин высвобождается из аксонов в ответ на распространение импульсов, означает, что электрическая активность мозга действительно влияет на процесс миелинизации. Подобные открытия помогут учёным вести поиск средств для лечения болезней демиелинизации. Возможно, эффективными окажутся лекарства, напоминающие своей химической структурой аденозин. И не исключено, что добавление аденозина в культуру стволовых клеток превратит их в миелинизирующие глиальные клетки, которые можно будет использовать в качестве трансплантатов.
Вырываясь из путнейронных сетей
Ограничивается ли участие глии в регуляции нейронных функций образованием вокруг аксонов миелиновой оболочки? По-видимому, нет. Ришар Робитайль (Richard Robitaille) из Монреальского университета обнаружил, что величина электрического потенциала, возникающего в мышце лягушки под влиянием стимуляции синапса, увеличивалась или уменьшалась в зависимости от того, какие химические вещества он вводил в шванновские клетки, окружающие этот синапс. Когда Эрик Ньюман (Eric A. Newman) из Миннесотского университета прикасался к сетчатке крысы, посылаемые глией «кальциевые сигналы» изменяли частоту импульсации зрительных нейронов. А Майкен Недергард (Maiken Nedergaard) из Нью-Йоркского медицинского колледжа, изучавший срезы гиппокампа крысы (эта область мозга принимает участие в процессах памяти), наблюдал усиление электрической активности синапсов в то время, когда окружающие астроциты увеличивали поглощение кальция. Подобные изменения эффективности синапсов учёные рассматривают в качестве главного фактора пластичности нервной системы, т. е. её способности изменять реакции на основании прошлого опыта, и глия, таким образом, может играть важную роль в клеточных процессах обучения и памяти.
Бен Баррес из Стэнфордского университета обнаружил, что если выращивать нейроны из сетчатки крысы в лабораторной культуре, не содержавшей астроцитов, синапсов на нейронах образуется очень мало. Когда же учёный добавил в культуру астроциты или просто среду, в которой прежде находились астроциты, синапсы появились в большом количестве. Затем он обнаружил присутствие в среде двух химических веществ, высвобождаемых астроцитами для стимуляции образования синапсов, - жировой комплекс под названием ароЕ/холестерин и белок тромбоспондин.
Немного позднее Ле Тиан и Уэсли Томпсон из Техасского университета в Остине изучали мышей, которым вводились вещества, заставлявшие флуоресцировать шванновские клетки. Это позволило им воочию наблюдать за деятельностью глиальных клеток в области контактов нервов с мышечными волокнами. После того как учёные перерезали подходящий к мышце аксон, нервно-мышечный синапс исчезал, но на его «мышечной стороне» оставалась группа рецепторов нейротрансмиттера. Исследователям, конечно, было известно, что аксон вновь сможет прорасти к покинутым им рецепторам. Но как он найдёт к ним путь?
Следя за флуоресценцией, Томпсон увидел, что шванновские клетки, окружавшие интактные синапсы, почувствовали, что синапс-сосед оказался в беде. Тогда они дружно выпустили в его сторону отростки, дотянулись ими до повреждённого синапса и образовали своего рода мостик, по которому аксон мог послать к своему синапсу новую проекцию (см. фото). Эти данные указывают на то, что глия помогает нейронам определить место, где нужно образовывать синаптические соединения. Сегодня учёные пытаются использовать эту способность глии для лечения повреждений спинного мозга: они трансплантируют шванновские клетки в повреждённые участки спинного мозга лабораторных животных.
В связи с описанными выше наблюдениями остро встаёт одна проблема. Поглощение кальция распространяется по всей популяции астроцитов, подобно прокатывающимся по стадиону волнам взявшихся за руки болельщиков. Такая дружная реакция эффективна для управления работой всей группы клеток, но она слишком груба для передачи сложных сообщений. Принцип «все как один!» может оказаться полезным для координации общей активности мозга во время цикла сон-бодрствование, но чтобы входить во все тонкости переработки информации, глиальные клетки должны уметь «переговариваться» и со своими непосредственными соседями.
Стивен Смит предполагает, что нейроны и клетки глии способны вести друг с другом беседы и более «интимного свойства». Экспериментальные методы, которыми располагали в то время учёные, не позволяли им апплицировать нейротрансмиттеры в таких ничтожно малых дозах, которые могли бы воспроизвести истинные «переживания» астроцита, находящегося рядом с синапсом. Филипу Хейдону (Philip G. Haydon) из Пенсильванского университета удалось добиться этого только в 2003 г. с помощью современного лазерного метода аппликации нейротрансмиттеров. Учёный стимулировал в срезах гиппокампа выброс такого ничтожного количества глутамата, которое мог обнаружить только один-единственный астроцит. Хейдон наблюдал при этом, что астроцит посылает специфические кальциевые сигналы лишь небольшому числу окружающих его астроцитов. Исследователь предположил, что наряду с «кальциевыми волнами», оказывающими широкомасштабное воздействие, «между астроцитами существуют и близкодействующие связи». Иными словами, разрозненные цепочки астроцитов в головном мозге координируют свою активность в соответствии с активностью нейронных цепей.
Описанные выше открытия позволили Хейдону, автору этой статьи, сформулировать рабочую гипотезу, согласно которой обмен сигналами помогает астроцитам активировать нейроны, чьи аксоны оканчиваются на сравнительно большом от них расстоянии. А также утверждать, что эта активация способствует высвобождению нейротрансмиттеров из отдалённых синапсов. Это позволяет астроцитам регулировать готовность отдалённых синапсов к изменению своей силы (эффективности), что является клеточной основой процессов памяти и обучения.
Результаты исследований, представленные на ежегодном съезде Общества нейробиологии в ноябре 2003 г., подкрепляют эту гипотезу и даже свидетельствуют об участии глии в образовании новых синапсов. Следует упомянуть выполненную два года назад работу Бена Барреса (Ben A. Barres) и Фрэнка Фрайгера (Frank W. Pfrieger) из Стэнфордского университета, сообщивших, что выращенные в культуре нейроны крысы в присутствии астроцитов образуют большее количество синапсов. Впоследствии сотрудники из лаборатории Барреса обнаружили, что белок тромбоспондин, предположительно астроцитарного происхождения, выполняет функцию химического посредника и стимулирует образование синапсов. Чем большее количество этого белка учёные добавляли в культуру астроцитов, тем больше синапсов появлялось на нейронах. Возможно, тромбоспондин отвечает за связывание белков и других соединений, необходимых для образования синапсов во время роста молодых нервных сетей и, следовательно, может участвовать в модификации синапсов, когда эти сети подвергаются старению.
Будущие исследования расширят наши представления о влиянии глии на нейронную часть головного мозга. Возможно, учёным удастся доказать, что наша память (или её клеточный аналог - такой, как долговременная потенциация) зависит от функционирования синаптических астроцитов. Не исключено также, что будет установлено, каким образом сигналы, передаваемые по цепочкам астроцитов, оказывают влияние на отдалённые синапсы.
Сравнение головного мозга показывает, что чем более высокое положение занимают животные на «эволюционной лестнице», тем выше у них соотношение между числом глиальных клеток и нейронов. Хейдон предполагает, что увеличение связности астроцитов может повышать способности животных к обучению. Эта гипотеза проверяется сегодня экспериментально. Не исключено, что высокие концентрации глиальных клеток в мозге, а возможно, и наличие в нём более «действенной» глии, и превращает некоторых людей в гениев. Эйнштейн учил нас думать нетрадиционно. Его примеру последовали учёные, дерзнувшие «выпутаться» из нейронных сетей и решившие наконец выяснить, какое участие в переработке информации принимает нейроглия.
Об авторе:
Дуглас Филдз
(R. Douglas Fields) -
заведующий отделением развития и пластичности нервной системы
Национального института охраны здоровья ребёнка и развития
человека, а также адъюнкт-профессор Мэрилендского университета (руководитель Программы развития нейробиологии и когнитивных наук). После защиты докторской диссертации работал в Йельском и Стэнфордском университетах.
8285 0
Нейроны
У высших животных нервные клетки образуют органы центральной нервной системы (ЦНС) - головной и спинной мозг — и периферической нервной системы (ПНС), которая включает в себя нервы и их отростки, соединяющие ЦНС с мышцами, железами и рецепторами.Структура
Нервные клетки не воспроизводятся митозом (делением клеток). Нейроны называют амитотическими клетками - если они разрушены, они уже не восстановятся. Ганглии — это пучки нервных клеток вне ЦНС. Все нейроны состоят из перечисленных ниже элементов.Тело клетки . Это ядро и цитоплазма.
Аксон. Это длинный, тонкий отросток, который передает информацию от тела клетки к другим кяеткам через соединения, называемые синапсами. Некоторые аксоны имеют длину меньше сантиметра, а другие — более 90 см. Большинство аксонов находятся в защитном веществе, называемом миелиновой оболочкой, которая помогает ускорить процесс передачи нервных импульсов. Сужения на аксоне через определенный промежуток называются перехватами Ранвье.
Дендриты. Это сеть коротких волокон, которые отходят от аксона или тела клетки и соединяют концы аксонов от других нейронов. Дендриты получают информацию для клетки, получая и проводя сигналы. У каждого нейрона могут быть сотни дендритов.
Структура нейрона
Функции
Нейроны контактируют друг с другом электрохимическим способом, передавая импульсы по всему телу.Миелиновая оболочка
. Шванновские клетки обвивают спиралью один или более аксонов (а) , образуя миелиновую оболочку.. Она состоит из нескольких слоев (возможно, 50-100) плазматических мембран (б) , между которыми циркулирует жидкая цитозоль (цитоплазма, лишенная ипохондрий и др. элементов эндоплазматической сети), за исключением самого верхнего слоя (в) .
. Миелиновая оболочка вокруг длинного аксона разделена на сегменты, каждый из которых образован отдельной Шванновской клеткой.
. Соседние сегменты разделены сужениями, называемым перехватами Ранвье (г) , где аксон не имеет миелиновой оболочки.
Нервные импульсы
У высших животных сигналы посылаются по всему телу и от головного мозга в виде электрических импульсов, передаваемых через нервы. Нервы создают импульсы, когда происходит физическое, химическое или электрическое изменение мембраны клетки.1 Покоящийся нейрон
Покоящийся нейрон имеет отрицательный заряд внутри мембраны клетки (а) и позитивный заряд вне этой мембраны (б). Такое явление называется остаточным потенциалом мембраны.Он поддерживается двумя факторами:
Различная проницаемость клеточной мембраны для ионов натрия и калия, у которых одинаковый положительный заряд. Натрий диффузирует (проходит) в клетку медленнее, чем калий выходит из нее.
Обмен натрий-калий, при котором из клетки выходит больше положительных ионов, чем входит в нее. В результате вне клеточной мембраны скапливается большая часть положительных ионов, чем внутри нее.
2 Стимулированный нейрон
Кода нейрон стимулируется, проницаемость какого-либо участка (в) клеточной мембраны изменяется. Положительные ионы натрия (г) начинают проникать в клетку быстрее, чем в покоящемся положении, что приводит к повышению положительного потенциала внутри клетки. Это явление называется деполяризацией.3 Нервный импульс
Деполяризация постепенно распространяется на всю клеточную мембрану (д). Постепенно заряды по сторонам клеточной мембраны меняются (не некоторое время). Это явление называется обратной поляризацией. Это и есть, по сути, нервный импульс, передающийся вдоль клеточной мембраны нервной клетки.4 Реполяризация
Проницаемость клеточной мембраны снова меняется. Положительные ионы натрия (Na+) начинают выходит из клетки (е). Наконец, вне клетки снова образуется положительный заряд, а внутри нее - положительный. Этот процесс называется реполяризацией.