Серое вещество образуется скоплениями нервных клеток (с начальными отделами отходящих от их тел отростков). Отдельные ограниченные скопления серого вещества носят названия ядер.
Вегето-сосудистая дистония симптомы
Это заболевание характеризуется утомляемостью, слабостью, головной болью, склонностью к обморочным состояниям, ощущением нехватки воздуха, плохой адаптацией к жаре или душным помещениям, повышенной потливостью и прочими расстройствами.Это вызвано патологическими изменениями в работе вегетативной нервной системы .
Вегетативная нервная система (ВНС) - отдел нервной системы , контролирующий и регулирующий работу всех внутренних органов. Это автономная нервная система, так как ее деятельность не подвластна воле и контролю сознания человека. ВНС участвует в регуляции множества биохимических и физиологических процессов , например, поддерживает нормальную температуру тела , оптимальный уровень артериального давления , отвечает за процессы пищеварения , мочеобразования , за деятельность сердечно-сосудистой , эндокринной, иммунной систем и пр.
К основным отделам ВНС
относятся:
симпатический
и парасимпатический
.
Симпатический отдел ВНС
отвечает за расслабление мускулатуры
пищеварительного тракта
, мочевого пузыря
,
Нейрон (нервная клетка) - основной структурный и функциональный элемент нервной системы; у человека насчитывается более ста миллиардов нейронов. Нейрон состоит из тела и отростков, обычно одного длинного отростка - аксона и нескольких коротких разветвленных отростков - дендритов. По дендритам импульсы следуют к телу клетки, по аксону - от тела клетки к другим нейронам, мышцам или железам. Благодаря отросткам нейроны контактируют друг с другом и образуют нейронные сети и круги, по которым циркулируют нервные импульсы. Нейрон, или нервная клетка - это функциональная единица нервной системы. Нейроны восприимчивы к раздражению, то есть способны возбуждаться и передавать электрические импульсы от рецепторов к эффекторам. По направлению передачи импульса различают афферентные нейроны (сенсорные нейроны), эфферентные нейроны (двигательные нейроны) и вставочные нейроны. Каждый нейрон состоит из сомы (клетки диаметром от 3 до 100 мкм, содержащей ядро и другие клеточные органеллы, погруженные в цитоплазму) и отростков - аксонов и дендритов. На основании числа и расположения отростков нейроны делятся на униполярные нейроны, псевдоуниполярные нейроны, биполярные нейроны и мультиполярные нейроны .
Основными функциями нервной клетки является восприятие внешних раздражений (рецепторная функция), их переработка (интегративная функция) и передача нервных влияний на другие нейроны или различные рабочие органы (эффекторная функция)
Особенности осуществления этих функций позволяют разделить все нейроны ЦНС на две большие группы:
1) Клетки, передающие информацию на большие расстояния (из одного отдела ЦНС в другой, от периферии к центру, от центра к исполнительному органу). Это крупные афферентные и эфферентные нейроны, имеющие на своём теле и отростках большое количество синапсов, как тормозящих, так и возбуждающих, и способные к сложным процессам переработки поступающих через них влияний.
2) Клетки, обеспечивающие межнейроальные связи в пределах органических нервных структур (промежуточные нейроны спинного мозга, коры больших полушарий и др.). Это мелкие клетки, воспринимающие нервные влияния только через возбуждающие синапсы. Эти клетки не способны к сложным процессам интеграции локальных синоптических влияний потенциалов, они служат передатчиками возбуждающих или тормозящих влияний на другие нервные клетки.
Воспринимающая функция нейрона. Все раздражения, поступающие в нервную систему, передаются на нейрон через определённые участки его мембраны, находящиеся в области синаптических контактов. 6.2 Интегративная функция нейрона. Общее изменение мембранного потенциала нейрона является результатом сложного взаимодействия (интеграции) местных ВПСП и ТПСП всех многочисленных активированных синапсов на теле и дендритах клетки.
Эффекторная функция нейрона. С появлением ПД, который в отличие от местных изменений мембранного потенциала (ВПСП и ТПСП) является распространяющимся процессом, нервный импульс начинает проводиться от тела нервной клетки вдоль по аксону к другой нервной клетке или рабочему органу, т.е. осуществляется эффекторная функция нейрона.
Синапсы в ЦНС.
Синапс - это морфофункциональное образование ЦНС, которое обеспечивает передачу сигнала с нейрона на другой нейрон или с нейрона на эффекторную клетку. Все синапсы ЦНС можно классифицировать следующим образом.
1. По локализации: центральные и периферические (нервно-мышечный, нейросекреторный синапс вегетативной нервной системы).
2. По развитию в онтогенезе: стабильные и динамичные, появляющиеся в процессе индивидуального развития.
3. По конечному эффекту : тормозные и возбуждающие.
4. По механизму передачи сигнала : электрические, химические, смешанные.
5. Химические синапсы можно классифицировать:
а) по форме контакта - терминальные (колбообразное соединение) и преходящие (варикозное расширение аксона);
б) по природе медиатора – холинергические, адренергическис, дофаминергические
Электрические синапсы . В настоящее время признают, что в ЦНС имеются электрические синапсы. С точки зрения морфологии электрический синапс представляет собой щелевидное образование (размеры щели до 2 нм) с ионными мостиками-каналами между двумя контактирующими клетками. Петли тока, в частности при наличии потенциала действия (ПД), почти беспрепятственно перескакивают через такой щелевидный контакт и возбуждают, т.е. индуцируют генерацию ПД второй клетки. В целом, такие синапсы (они называются эфапсами) обеспечивают очень быструю передачу возбуждения. Но в то же время с помощью этих синапсов нельзя обеспечить одностороннее проведение, т. к. большая часть таких синапсов обладает двусторонней проводимостью. Кроме того, с их помощью нельзя заставить эффекторную клетку (клетку, которая управляется через данный синапс) тормозить свою активность. Аналогом электрического синапса в гладких мышцах и в сердечной мышце являются щелевые контакты типа нексуса.
Химические синапсы. По строению химические синапсы представляют собой окончания аксона (терминальные синапсы) или его варикозную часть (проходящие синапсы), которая заполнена химическим веществом - медиатором. В синапсе различают пресинаптический элемент, который ограничен пресинаптической мембраной, постсинаптический элемент, который ограничен постсипаптической мембраной, а также внесинаптическую область и синаптическую щель, величина которой составляет в среднем 50 нм.
Рефлекторная дуга. Классификация рефлексов.
Рефлекс - реакция организма на изменения внешней или внутренней среды, осуществляемая при посредстве центральной нервной системы в ответ на раздражение рецепторов.
Все рефлекторные акты целостного организма разделяют на безусловные и условные рефлексы.Безусловные рефлексы передаются по наследству, они присущи каждому биологическому виду; их дуги формируются к моменту рождения и в норме сохраняются в течение всей жизни. Однако они могут изменяться под влиянием болезни. Условные рефлексы возникают при индивидуальном развитии и накоплении новых навыков. Выработка новых временных связей зависит от изменяющихся условий среды. Условные рефлексы формируются на основе безусловных и с участием высших отделов головного мозга. Их можно классифицировать на различные группы по ряду признаков.
1. По биологическому значению
А.)пищевые
Б.)оборонительные
В.)половые
Г.)ориентировочные
Д.)позно-тонические (рефлексы положения тела в пространстве)
Е.)локомоторные (рефлексы передвижения тела в пространстве)
2. По расположению рецепторов , раздражение которых вызывает данный рефлекторный акт
А.)экстерорецептивный рефлекс - раздражение рецепторов внешней поверхноcти тела
Б.)висцеро- или интерорецептивный рефлекс - возникающий при раздражении рецепторов внутренних органов и сосудов
В.)проприорецептивный (миотатический) рефлекс - раздражение рецепторов скелетных мышц, суставов, сухожилий
3. По месту расположения нейронов, участвующих в рефлексе
А.)спинальные рефлексы - нейроны расположены в спинном мозге
Б.)бульбарные рефлексы - осуществляемые при обязательном участии нейронов продолговатого мозга
В.)мезэнцефальные рефлексы - осуществляемые при участии нейронов среднего мозга
Г.)диэнцефальные рефлексы - участвуют нейроны промежуточного мозга
Д.)кортикальные рефлексы - осуществляемые при участии нейронов коры больших полушарий головного мозга
Рефлекторная дуга - это путь, по которому раздражение (сигнал) от рецептора проходит к исполнительному органу. Структурную основу рефлекторной дуги образуют нейронные цепи, состоящие из рецепторных, вставочных и эффекторных нейронов. Именно эти нейроны и их отростки образуют путь, по которому нервные импульсы от рецептора передаются исполнительному органу при осуществлении любого рефлекса.
В периферической нервной системе различают рефлекторные дуги (нейронные цепи)
Соматической нервной системы, иннервирующие скелетную иускулатуру
Вегетативной нервной системы, иннервирующие внутренние органы: сердце, желудок, кишечник, почки, печень и т.д.
Рефлекторная дуга состоит из пяти отделов:
1.Рецепторов, воспринимающих раздражение и отвечающих на него возбуждением. Рецепторы расположены в коже, во всех внутренних органах, скопления рецепторов образуют органы чувств (глаз, ухо и т. д.).
2.Чувствительного (центростремительного, афферентного) нервного волокна, передающего возбуждение к центру; нейрон, имеющий данное волокно, также называется чувствительным. Тела чувствительных нейронов находятся за пределами центральной нервной системы - в нервных узлах вдоль спинного мозга и возле головного мозга.
3.Нервного центра, где происходит переключение возбуждения с чувствительных нейронов на двигательные; Центры большинства двигательных рефлексов находятся в спинном мозге. В головном мозге расположены центры сложных рефлексов, таких, как защитный, пищевой, ориентировочный и т. д. В нервном центре
происходит синаптическое соединение чувствительного и двигательного нейрона.
1.Двигательного (центробежного, эфферентного) нервного волокна, несущего возбуждение от центральной нервной системы к рабочему органу; Центробежное волокно - длинный отросток двигательного нейрона. Двигательным называется нейрон, отросток которого подходит к рабочему органу и передает ему сигнал из центра.
2.Эффектора - рабочего органа, который осуществляет эффект, реакцию в ответ на раздражение рецептора. Эффекторами могут быть мышцы, сокращающиеся при поступлении к ним возбуждения из центра, клетки железы, которые выделяют сок под влиянием нервного возбуждения, или другие органы.
Понятие о нервном центре.
Нервный центр - совокупность нервных клеток, более или менее строго локализованная в нервной системе и непременно участвующая в осуществлении рефлекса, в регуляции той или иной функции организма или одной из сторон этой функции. В простейших случаях нервный центр состоит из нескольких нейронов, образующих обособленный узел (ганглий).
В каждый Н. ц. по входным каналам - соответствующим нервным волокнам - поступает в виде импульсов нервных информация от органов чувств или от др. Н. ц. Эта информация перерабатывается нейронами Н. ц., отростки (Аксоны) которых не выходят за его пределы. Конечным звеном служат нейроны, отростки которых покидают Н. ц. и доставляют его командные импульсы к периферическим органам или др. Н. ц. (выходные каналы). Нейроны, составляющие Н. ц., связаны между собой посредством возбуждающих и тормозных синапсов и образуют сложные комплексы, так называемые нейронные сети. Наряду с нейронами, которые возбуждаются только в ответ на приходящие нервные сигналы или действие разнообразных химических раздражителей, содержащихся в крови, в состав Н. ц. могут входить нейроны-ритмоводители, обладающие собственным автоматизмом; им присуща способность периодически генерировать нервные импульсы.
Локализацию Н. ц. определяют на основании опытов с раздражением, ограниченным разрушением, удалением или перерезкой тех или иных участков головного или спинного мозга. Если при раздражении данного участка центральной нервной системы возникает та или иная физиологическая реакция, а при его удалении или разрушении она исчезает, то принято считать, что здесь расположен Н. ц., влияющий на данную функцию или участвующий в определённом рефлексе.
Свойства нервных центров.
Нервным центром (НЦ) называется совокупность нейронов в различных отделах ЦНС, обеспечивающих регуляцию какой-либо функции организма.
Для проведения возбуждения через нервные центры характерны следующие, особенности:
1. Однострочное проведение, оно идет от афферентного, через вставочный к эфферентному нейрону. Это обусловлено наличием межнейронных синапсов.
2.Центральная задержка проведения возбуждения т.е по НЦ возбуждения идет значительно медленнее, чем по нервному волокну. Это объясняется синаптической задержкой т.к больше всего синапсов в центральном звене рефлекторной дуги, там скорость проведения наименьшая. Исходя из этого, время рефлекса, это время от начала воздействия раздражителя до появления ответной реакции. Чем длительнее центральная задержка, тем больше время рефлекса. Вместе с тем оно зависит от силы раздражителя. Чем она больше, тем время рефлекса короче и наоборот. Эго объясняется явлением суммации возбуждений в синапсах. Кроме того, оно определяется и функциональным состоянием ЦНС. Например, при утомлении НЦ длительность рефлекторной реакции увеличивается.
3. Пространственная и временная суммация. Временная суммация возникает, как и в синапсах вследствие того, что чем больше поступает нервных импульсов, тем больше выделяется нейромедиатора в них, тем выше амплитуда ВПСП. Поэтому рефлекторная реакция может возникать на несколько последовательных подпороговых раздражений. Пространственная суммация наблюдается тогда, когда к нервному центру идут импульсы от нескольких рецепторов нейронов. При действии на них подпороговых стимулов, возникающие постсинаптические потенциалы суммируются 11 и мембране нейрона генерируется распространяющийся ПД.
4. Трансформация ритма возбуждения - изменение частоты нервных импульсов при прохождении через нервный центр. Частота может понижаться или повышаться. Например, повышающая трансформация (увеличение частоты) обусловлено дисперсией и мультипликацией возбуждения в нейронах. Первое явление возникает в результате разделения нервных импульсов на несколько нейронов, аксоны которых образуют затем синапсы на одном нейроне. Второе, генерацией нескольких нервных импульсов при развитии возбуждающего постсинаптического потенциала на мембране одного нейрона. Понижающая трансформация объясняется суммацией нескольких ВПСП и возникновением одного ПД в нейроне.
5. Посттетаническая потенциация, это усиление рефлекторной реакции в результате длительного возбуждения
нейронов центра. Под влиянием многих серий нервных импульсов, проходящих с большой частотой через синапсы, выделяется большое количество нейромедиатора в межнейронных синапсах. Это приводит к прогрессирующему нарастанию амплитуды возбуждающего постсинаптического потенциала и длительному (несколько часов) возбуждению нейронов.
6. Последействие - это запаздывание окончания рефлекторного ответа после прекращения действия раздражителя. Связано с циркуляцией нервных импульсов по замкнутым цепям нейронов.
7. Тонус нервных центров - состояние постоянной повышенной активности. Он обусловлен постоянным поступлением к НЦ нервных импульсов от периферических рецепторов, возбуждающим влиянием на нейроны продуктов метаболизма и других гуморальных факторов. Например, проявлением тонуса соответствующих центров является тонус определенной группы мышц.
8. автоматия или спонтанная активность нервных центров. Периодическая или постоянная генерация нейронами нервных ИМПУЛЬСОВ, которые возникают в них самопроизвольно, т.е. в отсутствии сигналов от других нейронов или рецепторов. Обусловлена колебаниями процессор метаболизма в нейронах и действием на них гуморальных факторов.
9. Пластичность нервных центров. Это их способность изменять функциональные свойства. При этом центр приобретает возможность выполнять новые функции или восстанавливать старые после повреждения. В основе пластичности Н.Ц. лежит пластичность синапсов и мембран нейронов, которые могут изменять свою молекулярную структуру.
10. Низкая физиологическая лабильность и быстрая утомляемость. Н.Ц. могут проводить импульсы лишь ограниченной частоты. Их утомление объясняется утомлением синапсов и ухудшением метаболизма нейронов.
Торможение в ЦНС.
Торможение в ЦНС препятствует развитию возбуждения или ослабляет протекающее возбуждение. Примером торможения может быть прекращение рефлекторной реакции, на фоне - действия другого более сильного раздражителя. Первоначально была предложена унитарно-химическая теория торможения. Она основывалась на принципе Дейла: один нейрон - один медиатор. Согласно ей торможение обеспечивается теми же нейронами и синапсами, что и возбуждение. В последующем была доказана правильность бинарно-химической теории. В соответствии с последней, торможение обеспечивается специальными тормозными нейронами, которые являются вставочными. Это клетки Реншоу спинного мозга и нейроны Пуркинье промежуточного. Торможение в ЦНС необходимо для интеграции нейронов в единый нервный центр. В ЦНС выделяют следующие механизмы торможения:
1| Постсинаптическое. Оно возникает в постсинаптической мембране сомы и дендритов нейронов, т.е. после передающего синапса. На этих участках образуют аксо-дендритные или аксосоматические синапсы специализированные тормозные нейроны (рис). Эти синапсы являются глицинергическими. В результате воздействия, НЛИ на глициновые хеморецепторы постсинаптической мембраны, открываются, ее калиевые и хлорные каналы. Ионы калия и хлора входят в нейрон, развивается ТПСП. Роль ионов хлора в развитии ТПСП: небольшая. В результате возникшей гиперполяризации возбудимость нейрона падает. Проведение нервных, импульсов через него прекращается. Алкалоид стрихнин может связываться с глицериновыми рецепторами постсинаптической мембраны и выключать тормозные синапсы. Это используется для демонстрации роли торможения. После введения стрихнина у животного развиваются судороги всех мышц.
2. Пресинаптическое торможение. В этом случае тормозной нейрон образует синапс на аксоне нейрона, подходящем к передающему синапсу. Т.е. такой синапс является аксо-аксональным (рис). Медиатором этих синапсов служит ГАМК. Под действием ГАМК активируются хлорные каналы постсинаптической мембраны. Но в этом случае ионы хлора начинают выходить из аксона. Это приводит к небольшой локальной, но длительной деполяризации его мембраны.
Значительная часть натриевых каналов мембраны инактивируется, что блокирует проведение нервных импульсов по аксону, а следовательно выделение нейромедиатора в передающем синапсе. Чем ближе тормозной синапс расположен к аксонному холмику, тем сильнее его тормозной эффект. Пресинаптическое торможение наиболее эффективно при обработке информации, так как проведение возбуждения блокируется не во всем нейроне, а только на его одном входе. Другие синапсы, находящиеся на нейроне продолжают функционировать.
3. Пессимальное торможение. Обнаружено Н.Е. Введенским. Возникает при очень высокой частоте нервных импульсов. Развивается стойкая длительная деполяризация всей мембраны нейрона и инактивация ее натриевых каналов. Нейрон становится невозбудимым.
В нейроне одновременно могут возникать и тормозные и возбуждающие постсинаптические потенциалы. За счет этого и происходит выделение нужных сигналов.
Принципы координации рефлекторных процессов.
Рефлекторная реакция в большинстве случаев осуществляется не одной, а целой группой рефлекторных ДУГ и нервных центров. Координация рефлекторной деятельности это такое взаимодействие нервных центров и проходящих по ним нервных импульсов, которое обеспечивает согласованную деятельность органов и систем организма. Она осуществляется с помощью следующих процессов:
1. Временное и пространственное облегчение. Это усиление рефлекторной реакции при действии ряда последовательных раздражителей или одновременном их воздействии на несколько рецептивных полей. Объясняется явлением суммации в нервных центрах.
2. Окклюзия явление противоположное облегчению. Когда рефлекторная реакция на два или более сверхпороговых раздражителя меньше, чем ответы на их раздельное воздействие. Оно связано с конвергенцией нескольких возбуждающих импульсов на одном нейроне.
3. Принцип общего конечного пути. Разработан Ч. Шеррингтоном. В основе его лежит явление конвергенции. Согласно этому принципу на одном эфферентном мотонейроне могут образовывать синапсы нескольких афферентных, входящих в несколько рефлекторных дуг. Этот нейрон называется общим конечным путем и участвует в нескольких рефлекторных реакциях. Если взаимодействие этих рефлексов приводит к усилению обшей рефлекторной реакции, такие рефлексы называются союзными. Если же между афферентными сигналами происходит борьба за мотонейрон - конечный путь, то антагонистическими. В результате этой борьбы второстепенные рефлексы ослабляются, а жизненно важным освобождается общий конечный путь.
4. Реципрокное торможение. Обнаружено Ч. Шеррингтоном. Это явление торможения одного Центра в результате возбуждения другого. Т.е. в этом случае тормозится антагонистический центр. Например при возбуждении центров сгибания левой ноги по реципрокному механизму тормозятся центры мышц разгибателей этой же ноги и центры сгибателей правой. В реципрокных взаимоотношениях находятся, центры вдоха и выдоха продолговатого мозга. центры сна и бодрствования и т.д.
5. Принцип доминанты. Открыт А.А. Ухтомским. Доминанта - это преобладающий очаг возбуждения в ЦНС, подчиняющий себе другие НЦ. Доминантный центр обеспечивает комплекс рефлексов, которые необходимы в данный момент для достижения определенной цели. При некоторых условиях возникают питьевая, пищевая, оборонительная, половая и др. доминанты. Свойствами доминантного очага являются повышенная возбудимость, стойкость возбуждения, высокая способность к суммации, инертность. Эти свойства обусловлены явлениями облегчения, иррадиации, с одновременным повышением активности вставочных тормозных нейронов, которые тормозят нейроны других центров.
6. Принцип обратной афферентации. Результаты рефлекторного акта воспринимаются нейронами обратной афферентации и информация от них поступает обратно в нервный центр. Там они сравниваются с параметрами возбуждения и рефлекторная реакция корректируется.
Методы исследований функций ЦНС.
1. Метод перерезок ствола мозга на различных уровнях. Например, между продолговатым и спинным мозгом.
2. Метод экстирпации (удаления) или разрушения участков мозга.
3.Метод раздражения различных отделов и центров мозга.
4. Анатомо-клинический метод. Клинические наблюдения за изменениями функций ЦНС при поражении ее каких-либо отделов с последующим патологоанатомическим исследованием.
5. Электрофизиологические методы:
а. Электроэнцефалография - регистрация биопотенциалов мозга с поверхности кожи черепа. Методика разработана и внедрена в клинику Г.Бергером.
б. Регистрация биопотенциалов нервных различных центров, используется вместе со стереотаксической техникой, при которой электроды с помощью микроманипуляторов вводят в строго определенное ядро в метод вызванных потенциалов, регистрация электрической активности участков мозга при электрическом раздражении периферических рецепторов или других участков;
6. Метод внутримозгового введения веществ с помощью микроинофореза.
7. Хронорефлексометрия - определение времени рефлексов.
Рефлексы спинного мозга.
Рефлекторная функция. Нервные центры спинного мозга являются сегментарными, или рабочими, центрами. Их нейроны непосредственно связаны с рецепторами и рабочими органами. Кроме спинного, мозга, такие центры имеются в продолговатом и среднем мозге. Надсегментарные центры, например промежуточного мозга, коры больших полушарий, непосредственной связи с периферией не имеют. Они управляют ею посредством сегментарных центров. Двигательные нейроны спинного мозга иннервируют все мышцы туловища, конечностей, шеи, а также дыхательные мышцы - диафрагму и межреберные мышцы.
У человека более ста миллиардов нейронов. Каждый нейрон состоит из тела и отростков - обычно одного длинного аксона и нескольких коротких разветвлённых дендритов. Благодаря этим отросткам нейроны контактируют друг с другом и образуют сети и круги, по которым циркулируют нервные импульсы. На протяжении всей жизни мозг человека теряет нейроны. Такая гибель клеток генетически запрограммирована, но в отличие от клеток других тканей нейроны не способны делиться. В этом случае действует иной механизм: функции погибших нервных клеток берут на себя их «коллеги», которые увеличиваются в размерах и формируют новые связи, компенсируя бездействие погибшей клетки.
Согласно расхожему мнению, нервные клетки не восстанавливаются. Однако это не соответствует действительности: нейроны - клетки нервной системы - действительно, не могут делиться, как клетки других тканей, но они возникают и развиваются даже в мозге взрослого человека. К тому же нейроны способны восстанавливать утраченные отростки и контакты с другими клетками.
Нервная система человека состоит из центральной части и периферической. Центральная включает в себя головной и спинной мозг. В головном мозге находится самое обширное скопление нейронов. От тела каждого отходят многочисленные отростки, которые формируют контакты с соседними нейронами. Периферическую часть образуют спинномозговые, вегетативные и черепные узлы, нервы и нервные окончания, обеспечивающие проведение нервных импульсов к конечностям, внутренним органам и тканям. В здоровом состоянии нервная система - слаженный механизм, если одно из звеньев сложной цепи не выполняет свои функции, страдает всё тело. К ускоренной гибели нейронов приводят, к примеру, тяжёлые поражения головного мозга после инсультов, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера. На протяжении нескольких десятилетий учёные пытаются понять, возможно ли стимулировать восстановление утраченных нервных клеток.
И всё-таки они регенерируют
Первые научные публикации, подтверждающие рождение новых нейронов в мозге взрослых млекопитающих, принадлежат американскому исследователю Джозефу Олтману (Joseph Altman). В 1962 году в журнале Science вышла его статья «Формируются ли новые нейроны в мозге взрослых млекопитающих?», в которой Олтман рассказывал о результатах своего эксперимента. С помощью электрического тока он разрушил одну из структур мозга крысы (латеральное коленчатое тело) и ввёл туда радиоактивное вещество, которое проникает в новые клетки. Через несколько месяцев Олтман обнаружил новые радиоактивные нейроны в таламусе и коре головного мозга. В последующие годы Олтман опубликовал ещё несколько работ, доказывающих существование нейрогенеза в мозге. К примеру, в 1965-м была опубликована его статья в журнале Nature. Несмотря на это в научном сообществе у Олтмана было много оппонентов, только спустя несколько десятилетий, в 1990-х, его работы получили признание, а феномен рождения новых нейронов - нейрогенез - стал одной из самых увлекательных областей нейрофизиологии.
Сегодня уже известно, что нейроны могут зарождаться в мозге взрослого млекопитающего из так называемых нейрональных стволовых клеток. Пока установлено, что происходит это в трёх областях головного мозга: зубчатой извилине гиппокампа, субвентрикулярной области (в боковых стенках латеральных желудочков мозга) и коре мозжечка. В мозжечке нейрогенез протекает наиболее активно. Эта область мозга отвечает за приобретение и сохранение информации о бессознательных автоматизированных навыках - к примеру, разучивая танец, мы постепенно перестаём задумываться о движениях, выполняем их автоматически; информация об этих па хранится именно в мозжечке. Пожалуй, самым интригующим для исследователей остаётся нейрогенез в зубчатой извилине. Именно здесь рождаются наши эмоции, хранится и обрабатывается пространственная информация. Пока не удаётся разобраться, каким образом вновь образованные нейроны воздействуют на уже сформированные воспоминания и взаимодействуют со зрелыми клетками этого отдела мозга.
Опыты с крысами в лабиринтах различных конструкций помогают учёным понять, что происходит с новыми нейронами в мозге и как они встраиваются в отлаженную работу уже существующих клеток нервной системы.
Лабиринт на память
Для того чтобы понять, как новые нейроны взаимодействуют со старыми, активно изучают процесс обучения животных в водном лабиринте Морриса. В ходе опыта животное помещают в бассейн 1,2–1,5 м в диаметре, глубиной 60 см. Стены бассейна различны, при этом в определённом месте бассейна в нескольких миллиметрах под водой скрыта платформа. Погружённая в воду лабораторная крыса стремится быстрее ощутить твёрдую почву под ногами. Плавая в бассейне, животное узнаёт, где находится платформа, и в следующий раз находит её уже быстрее.
С помощью обучения крыс в водном лабиринте Морриса удалось доказать, что формирование пространственной памяти приводит к гибели самых молодых нейронов, но активно поддерживает выживание клеток, которые образовались примерно за неделю до опыта, то есть в процессе формирования памяти происходит регулирование объёма новых нейронов. В то же время появление новых нейронов обеспечивает возможность формирования новых воспоминаний. В противном случае животные и человек не могли бы адаптироваться к меняющимся условиям внешней среды.
Было отмечено, что столкновение со знакомыми предметами активирует различные группы нейронов гиппокампа. По-видимому, каждая группа таких нейронов несёт воспоминание о конкретном событии или месте. Причём жизнь в разнообразной среде стимулирует нейрогенез в гиппокампе: мыши, которые проживают в клетках с игрушками и лабиринтами, имеют больше вновь образованных нейронов в гиппокампе, чем их сородичи из стандартных пустых клеток.
Примечательно, что нейрогенез активно проходит только в тех зонах мозга, которые непосредственно отвечают за физическое выживание: ориентацию по запаху, ориентацию в пространстве, за формирование двигательной памяти. Обучение абстрактному мышлению активно проходит в молодом возрасте, когда мозг ещё растёт и нейрогенез затрагивает все зоны. А вот после достижения зрелости мыслительные функции развиваются за счёт перестройки контактов между нейронами, но не за счёт появления новых клеток.
Несмотря на несколько неудачных попыток, поиски неизвестных ранее очагов нейрогенеза во взрослом мозге продолжаются. Это направление считается актуальным не только для фундаментальной науки, но и для прикладных исследований. Многие заболевания центральной нервной системы связаны с потерей определённой группы нейронов мозга. Если бы можно было вырастить им замену, то болезнь Паркинсона, многие проявления болезни Альцгеймера, негативные последствия эпилепсии или инсульта были бы побеждены.
Заплатки для мозга
Ещё один любопытный метод, взятый на вооружение нейробиологами в их исследованиях, - вживление эмбриональных стволовых клеток в мозг взрослого животного для восстановления утраченных функций. Пока подобные эксперименты приводят к отторжению привнесённой ткани или клеток из-за сильного иммунного ответа, но если стволовые клетки и приживаются в некоторых случаях, они перерастают в клетки глии (сопровождающей ткани), а вовсе не в нейроны. Даже если в будущем нейрогенез можно будет активировать в любой зоне мозга, неясно, каким образом вновь образованные нейроны будут формировать связи внутри уже сложившейся сети нервных клеток и будут ли они вообще на это способны. Если гиппокамп к такому процессу готов, то появление новых нейронов в других областях мозга может нарушить те сети, которые устанавливались годами; вместо ожидаемой пользы, возможно, будет нанесён лишь вред. Тем не менее учёные продолжают активно изучать возможности нейрогенеза в других участках мозга. 
На рисунке показан процесс образования новых нейронов в гиппокампе взрослого млекопитающего при облучении малыми дозами радиации. Новые нейроны красные, глия - зелёная.
Совсем недавно, в феврале 2010-го, группа канадских исследователей из университета Торонто (University of Toronto) и университета Ватерлоо (University of Waterloo) опубликовала результаты экспериментов с использованием циклоспорина А в качестве стимулятора нейрогенеза. В культуре клеток была показана способность циклоспорина А увеличивать рост и количество клеток в колонии, а введение этого вещества взрослым мышам привело к увеличению нейрональных стволовых клеток в мозге.
Наряду с искусственными веществами, исследуют и свойства эндогенных молекул, которые способны усилить нейрогенез. Наибольшее внимание здесь заслуживают нейротрофические факторы, которые вырабатываются организмом животных. Это фактор роста нервов (NGF), нейротрофический фактор головного мозга (BDNF), нейротрофины-1, -3 и -4.
Нейротрофические факторы принадлежат к группе белков, которые поддерживают рост, развитие и выживаемость нервных клеток. Если доставить нейротрофический фактор в повреждённую область мозга, то можно значительно замедлить гибель нейронов, поддержать их жизнедеятельность. Хотя нейротрофические факторы не в состоянии активировать появление новых нервных клеток в головном мозге, они обладают уникальным свойством - активируют восстановление отростков нервных клеток (аксонов) после повреждения или утраты. Длина некоторых аксонов достигает метра, и именно аксоны проводят нервные импульсы из головного мозга к нашим конечностям, внутренним органам и тканям. Целостность этих путей нарушается при переломах позвоночника и смещении позвонков. Регенерация аксонов - это надежда на восстановление способности двигать руками и ногами в таких случаях.
Ростки и отростки
Первые работы, доказывающие возможность регенерации аксонов, были опубликованы в 1981 году. Тогда появилась статья в журнале Science, которая доказывала, что такая регенерация возможна. Обычно регенерации аксонов мешают несколько причин, но если препятствие устранить, то аксоны активно прорастают и создают новые контакты вместо утраченных. С началом изучения регенерации аксонов была открыта новая эра в медицине, теперь у людей с повреждением спинного мозга появилась надежда, что двигательные способности можно вернуть. Эти исследования получили широкую поддержку, причём не только различных исследовательских центров. Так, известный актёр Кристофер Рив, сыгравший главную роль в фильме «Супермен» и ставший инвалидом после перелома позвоночника, основал вместе со своей женой фонд для поддержки подобных исследований - Christopher and Dana Reeve Paralysis Foundation.
Последние исследования нейробиологов дают некоторые надежды инвалидам, прикованным к коляске из-за повреждений нервной системы.
Главная преграда на пути регенерации аксонов - это формирование рубцовой ткани, которая отгораживает повреждения спинного мозга или периферических нервов от окружающих клеток. Считается, что такой рубец спасает близлежащие области от возможного проникновения токсинов из поврежденной зоны. В результате аксоны не могут пробиться сквозь рубец. Показано, что основу рубцовой ткани составляют протеингликаны (хондроитинсульфат).
Исследования, проведённые в 1998 году в лаборатории профессора Дэвида Муира (David Muir) в Институте мозга при университете Флориды, показали, что возможно разрушить протеингликаны с помощью бактериального фермента хондроитиназы АВС. Но даже при удалении механического препятствия рост аксонов всё ещё замедлен. Дело в том, что в месте повреждения присутствуют мешающие регенерации вещества, такие как MAG, OMgp, Nogo. Если их заблокировать, то можно добиться значительного усиления регенерации.
Наконец, для успешного роста аксонов важно поддерживать высокий уровень нейротрофических факторов. Несмотря на то, что нейротрофины оказывают позитивный эффект на регенерацию нервной системы, клинические испытания выявили значительные побочные эффекты, такие как потеря веса, аппетита, тошнота, появление психологических проблем. Чтобы усилить регенерацию, в место повреждения можно было бы ввести стволовые клетки, но существуют данные о том, что вживление стволовых клеток в спинной мозг может спровоцировать появление опухолей.
Даже если аксон вырос и стал способен проводить нервные импульсы, это ещё не означает, что конечности начнут нормально функционировать. Чтобы это произошло, необходимо наличие множества контактов (синапсов) между аксонами нервных клеток и мышечными волокнами, которые и приводят в движение тело человека. Восстановление таких контактов занимает длительное время. Конечно, выздоровление можно ускорить, если выполнять специальные физические упражнения, но за несколько месяцев или даже лет невозможно полностью воссоздать картину нервных контактов, которая формировалась десятилетия, с самого первого дня зарождения человеческой жизни. Число таких контактов не поддаётся подсчету, вероятно, оно сравнимо с числом звёзд во Вселенной.
Но есть и положительный момент - всё-таки за последние годы удалось сдвинуться с мёртвой точки, теперь хотя бы понятно, какими способами можно пытаться ускорить нейрорегенерацию.
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.
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.
Загрузка...
