Нейроглия и нервная деятельность

Размещено на http://www.allbest.ru/

Термин «глия» был предложен в 1846 году Р.Вирховым, описавшим особые клетки мозга, которые, по его представлению, заполняя практически всё свободное от нейронов пространство спинного и головного мозга «нервным клеем», скрепляют нейроны и создают целостную форму мозга. Таким образом, Р.Вирхов определил роль глии как опорную для нервной системы. Спустя почти 40 лет известный невролог Гольджи высказал предположение, что нейроглия обеспечивает доставку к нейронам питательных веществ и участвует в процессах регенерации в нервной системе. Было обращено внимание на то обстоятельство, что глиальные клетки зачастую служат основой для образования опухолей в головном мозге, отсюда возникший интерес к ней патоморфологов, патофизиологов и клиницистов.

Интенсивное изучение глии привело к выявлению разных видов глиальных клеток, расширению и уточнению функций глиальной системы (Дейтерс, Гольджи, Рамон-и-Кахаль, Hortega). Особые успехи в изучении глии связаны с развитием элетронномикроскопической и микроэлектродной техники, в том числе внутриклеточных и пэтч-клемп методик, микрохимических методов с использование флуоресцентных маркеров. Сформировалось устойчивое представление о нервной ткани как нейроглиальной системе, в рамках которой постулируется возможность осуществления нервных функций только с участием глиальной составляющей. Сегодня общепризнанными являются следующие функции нейроглии: 1 - опорная, 2- изолирующая, 3 - участие в регенерационных процессах в нервной системе, 4 - питательная и обменная, 5 - участие в процессах онтогенетического развития нервной системы, модификации синапсов, организации следов памяти.

1. Морфология глиальных клеток

1.1 Астроциты

Эти глиальные клетки имеют нейроэктодермальное происхождение и созревают из клеток-предшественников - глиобластов внутренних слоев нервной трубки. Астроциты представляют собой многоотросчатые ядерные клетки звездчатой или веретенообразной формы размером 8-25 мкм. Ядра клеток крупные, овальной формы, содержат небольшие хроматиновые зёрна. Ядрышки обычно слабо выражены. От тела клетки отходят отростки, распространяющиеся во всех направлениях. Отростки, контактирующие с базальной мембраной рядом лежащих капилляров называются сосудистыми ножками (рис.3). Контактирующие между собой отростки астроцитов формируют на поверхности коры больших полушарий тонкий слой - наружную глиальную пограничную мембрану. Тела астроцитов имеют неровный контур, повторяя очертания расположенных рядом нейронов и их отростков. В цитоплазме и отростках некоторых астроцитов при электронной микроскопии обнаруживаются особые внутриклеточные элементы - фибриллы толщиной 8-9 нм, количество которых в отростках уменьшается по мере удаления их от тела клетки. В цитоплазме и отростках (особенно в сосудистых ножках) находят зерна гликогена, количество которых может широко варьировать. Отростки астроцитов обильно ветвятся в нейропиле, устанавливая многочисленные контакты с телами нейронов, аксонами и их разветвлениями, дендритами и их окончаниями и, как уже указывалось, с базальной мембраной капилляров.

Среди астроцитов различают две группы - фиброзные (волокнистые) и протоплазматические. Отличие их заключается в наличии у первых мощных пучков глиофибрилл, занимающих значительную часть цитоплазмы, в размерах и распространенности в пределах центральной нервной системы. Так, протоплазматические астроциты имеют, как правило, больший размер, чем фиброзные (15-25 мкм). Однако, как указывают многие авторы, зачастую бывает трудно их дифференцировать, поскольку между ними имеются переходные формы. В сером веществе спинного и головного мозга находят преимущественно протоплазматические астроциты. Они окружают нейроны, контактируя с сомой и дендритами, особенно в области синаптических контактов. Фиброзные астроциты концентрируются в белом веществе. Представляет определённый интерес характер распределения астроцитов в коре больших полушарий. В первом слое расположены преимущественно фиброзные (волокнистые), клетки, во втором и третьем слоях - преимущественно протоплазматические, а в четвёртом и более глубоких слоях их сменяют переходные формы и волокнистые астроциты, при этом в шестом слое коры находят только волокнистые, продолжающиеся в белое вещество (И.С.Беритов, 1969). Астроциты составляют около 40 % объема серого вещества мозга, представляя в разных структурах центральной нервной системы около 50 % всех клеток нейроглии.

1.2 Олигодендроциты

Эти глиальные клетки имеют, как и астроциты, нейроэктодермальное происхождение. Они представляют собой небольшие по размеру (7-10 мкм) округлые клетки с небольшим количеством (до 3-5) тонких коротких отростков. Последнее обстоятельство и послужило основанием для наименования этих клеток (олиго - малый). Олигодендроциты в сером веществе мозга располагаются вокруг крупных нейронов (перинейрональные, клетки-сателлиты), вокруг миелиновых волокон, кровеносных сосудов (периваскулярные). В белом веществе их чаще находят тянущимися цепочкой среди пучков нервных волокон (интерфасцикулярные). Одним из отличительных признаков олигодендроцитов по сравнению с астроцитами является наличие в их цитоплазме и отростках микротрубочек диаметром 20-25 нм, расположенных пучками в отростках и бессистемно в цитоплазме. Кроме того, в олигодендроцитах не находят гранул гликогена, что характерно для астроцитов. Ядра клеток крупные, часто расположены эксцентрически, изредка встречаются небольшие, мало отграниченные ядрышки. Цитоплазма часто образует лишь узкую полоску вокруг ядра, содержит многочисленные рибосомы и митохондрии, включения холестерина. Группа олигодендроцитов неоднородна. В частности, по степени электронной плотности цитоплазмы выделяется три разновидности клеток - светлые, менее осмиефильные и насыщено осмиефильные. По форме тел и отростков Hortega - один из основоположников учения о глии предлагал различать 4 типа олигодендроцитов, один из которых - шванновидный, похожий на шванновскую клетку в периферической нервной системе, являющейся, по-видимому переходной формой. В коре больших полушарий олигодендроциты распределны таким образом, что их количество нарастает от поверхности к глубоким слоям, образуя группы по 4-6 клеток. В центральной нервной системе именно олигодендроциты образуют миелиновый футляр для нервных волокон.

1.3 Шванновские клетки

При изучении структуры нервных волокон Т.Шванном были описаны клетки, отнесенные к глиальнм элементам периферической нервной системы. Они имеют нейроэктодермальное происхождение и формируются так же, как и структуры периферической нервной системы, в области гребешка - образования, расположенного в месте схождения нервных валиков на стадии нейруляции. В опытах с культурой чувствительных ганглиев показано, что шванновские клетки на начальном этапе созревания представляют собой небольшие веретенообразные клетки, обладающие способностью к активному движению за счет псевдоподий. Они перемещаются вдоль растущего аксона, прикрепляясь к нему - начинается процесс миелинизации. В результате этого изменяется геометрия шванновской клетки, она вытягивается, протоплазма и ядро смещаются к периферии. Описание процесса миелинизации периферических волокон дано в разделе 2.

1.4 Микроглия

Микроглиоциты - клетки мезенхимального происхождения впервые были подробно изучены Hortega в 30-х годах ХХ века и часто называются его именем. Микроглия эмбрионально связана с мягкими мозговыми оболочками и сосудами и, «по-видимому, без капилляров и нейронов не существует» (А.Л.Микеладзе, Э.И.Дзамоева, 1965). На ранней стадии развития микроглиоциты относят к блуждающим клеткам. Они мигрируют вдоль нервных волокон и кровеносных сосудов. Вначале микроглиоциты имеют округлую форму, в период миграции выпускают псевдоподии, а по окончании рассеивания в нервной системе приобретают вид многоотросчатых (мохнатых) клеток (рис.1).

Рис.1 Микроглия различных участков ЦНС обезьяны. (по Микеладзе и Дзамоевой, 1965).

- затылочная кора

- верхние бугры четверохолмия

3, 4, 5, 8 - спинной мозг

6. -ядро Эдингер-Вестфаля

- гипоталамус (вентролатеральное ядро)

9. - центральное серое вещество

10 - зрительный бугор

Форма тела зрелых клеток разнообразна - треугольная, веретенообразная, шаровидная. От тела клетки отходят 2-5 отростков, которые обильно ветвятся и имеют многочисленные мелкие выросты - шипики, количество последних увеличивается по мере удаления от клеточного тела. Несмотря на название, тела микроглиоцитов могут достигать у человека размера 50-70 мкм (в коре головного мозга). Размеры клеток в разных структурах головного мозга существенно разнятся. Так, в коре мозга наряду с крупными клетками нижних слоёв, находят мелкие (размером 5-10 мкм) микроглиоциты в поверхностных слоях. Самые мелкие из них располагаются в молекулярном слое. В толще коры микроглиоциты распределены неравномерно - наибольшее их количество описано в средних (4 и 5) слоях. Обнаружено различие в распространённости клеток микроглии в пределах зрительной и моторной коры. В подкорковых ядрах структура микроглицитов упрощена. Здесь клетки меньше в объёме и не имеют выраженного разветвления отростков. То же самое можно наблюдать в вегетативных ганглиях, варолиевом мосту, спинном мозге и других структурах. Микроглиоциты, как правило. расположены рассеянно в пределах нервной ткани, однако часто они плотно окружают мелкие сосуды и капилляры, могут выступать как клетки-сателлиты вокруг крупных пирамидных нейронов. Особенностью топографического расположения микроглиоцитов является их изолированное положение - отростки клеток не пересекаются и не анастомозируют: каждая клетка занимает свою «ячейку», контактируя с соседними нервными, глиальными клетками и кровеносными сосудами.

В функциональном отношении микроглия является представителем ретикуло-эндотелиальной системы с вытекающими из этого функциями фагоцитоза, участия в организации иммунных ответов в ЦНС. Микроглиоциты весьма чувствительны к повреждающим воздействиям, проявляя активную пролиферацию в месте повреждения, часто образуя конгломераты, так называемые «зернистые шары».

2. Миелинизация

Аксоны и некоторые дендриты нейронов зрелой нервной системы, начиная от аксонного холмика до конечных ветвлений покрыты футляром из нейроглиальных элементов. В большинстве случаев они формируют миелиновую оболочку (центральная нервная система и периферические соматические нервы). Постганглионарные вегетативные волокна также покрыты футляром из глиальных клеток, без образования миелина. Отсюда разделение волокон на миелинизированные (мякотные) и немиелинизированные (безмякотные). Миелиновая оболочка формируется в разных отделах нервной системы из разных клеток нейроглии. Так, в центральной нервной системе это олигодендроциты, а в периферической - шванновские клетки. Глиальный футляр теряется только лишь в конечных участках разветвлений аксонов - в области пресинаптических окончаний. Длина таких обнаженных (голых) участков аксона не превышает 20-30 мкм, чаше всего это лишь несколько мкм. Как известно, наличие миелиновой оболочки нервного волокна обеспечивает особый характер распространения по нему нервного импульса - сальтаторность, большую скорость распространения, отсутствие затухания процесса распространения возбуждении по длине волокна.

2.1 Миелинизация периферических нервных волокон

В процессе роста периферических нервов, их навигации и достижения клеток-мишений вслед за удлиняющимся аксоном мигрируют шванновские клетки. Последние, следуя за растущим аксоном, удлиняются и активно делятся. С началом миелинизации шванновские клетки активируются, их цитоплазма резко гипертрофируется, в ней появляются зернистые включения, содержащие фосфолипиды. На начальном этапе пролифирирующие шванновские клетки располагаются тяжами вокруг пучков нервных волокон. В последующем глиальные клетки проникают внутрь пучков, разделяя их, и по завершению процесса миелинизации каждое нервное волокно оказывается окруженным глиальным футляром. Очень редко шванновская клетка может окружать два и более отдельных волокна.

Процесс образования миелиновой оболочки хорошо изучен в культуре нервной ткани путем прижизненной световой и электронной микроскопии и состоит в следующем. В процессе развития аксон погружается в желобок на поверхности шванновской клетки. Далее края желобка смыкаются, при этом образуется двойная складка плазмолеммы - мезаксон. Мезаксон удлиняется, спирально вращается вокруг нервного волокна, образуя всё новые и новые витки - ламеллы. Формируется рыхлая миелиновая оболочка. Одновременно с образованием мезаксона по спирали вращается и шванновская клетка с ядром. По мере созревания миелина цитоплазма, находящаяся между слоями мезаксона вытесняется, так что по окончании процесса миелинизации она остаётся лишь на внутренней и наружной поверхности миелиновой оболочки. Ядро при этом оказывается в наружном пространстве цитоплазмы миелиновой оболочки. В цитоплазме сохраняется полный набор клеточных органелл. Миелиновая оболочка составляет около 20-40 % общего диаметра миелинизированного волокна.

Рис.2. Миелин и перехваты Ранвье. Справа - поперечный срез через аксон, покрытый миелином. Отросток астроцита контактирует с аксоном в области перехвата ( из Куффлер, Николс «От нейрона к мозгу», 1979)

Миелинизации подвергаются аксоны диаметром не менее 2 мкм, при этом обнаружено, что чем толще аксон, тем больше оборотов вокруг него делает лемноцит и, следовательно, миелиновая оболочка его состоит из большего числа ламелл. В частности, Фрайдом показано, что в блуждающем и седалищном нервах мыши вокруг наиболее тонких волокон бывает 5 ламелл, а вокруг самых толстых - до 100. Одна шванновская клетка образует миелиновый футляр вокруг нервного волокна протяженностью от нескольких сотен мкм до 1- 1,5 мм. По всей длине миелинизированного волокна на равном расстоянии друг от друга встречаются участки, лишенные миелина - перехваты Ранвье (рис.2). Участки миелина между соседними перехватами получили название межузловых сегментов. Количество межузловых сегментов, формирующихся в процессе миелинизации волокна, остаётся постоянным и не изменяется в течение жизни. Нервное волокно продолжает расти в длину и после завершения миелинизации, поэтому длина межузловых сегментом увеличивается, при этом их количество остается неизменным. Миелиновая оболочка межузловых сегментов прерывается некоторым количеством косых щелей, получивших название «насечки миелина». Эти щели пронизывают всю толщу миелиновой оболочки и имеют диаметр 5-20 нм. Они образуют, таким образом, канал между внутренним и наружным пространством цитоплазмы лемноцита. Вокруг наиболее тонких нервных волокон (диаметром менее 2 мкм) миелиновая оболочка не формируется, здесь шванновские клетки тесно окружают волокно, образуя однослойный изолирующий глиальный футляр.

2.2 Миелинизация в центральной нервной системе

Миелиновая оболочка нервных волокон в центральной нервной системе образуется отростками олигодендроцитов. Как правило, миелиновыми оболочками покрыты аксоны, иногда обнаруживаются миелинизированные дендриты и, как редкое исключение - клеточные тела. Отростки олигодендроцитов, окружая нервные волокна, образуют мезаксон, который вращается вокруг них, образуя ламеллы. Мезаксон имеет пятислойную структуру: белок-липид-белок-липид-белок. Эта структура, многократно закручиваясь вокруг аксона, конденсируется в компактную миелиновую оболочку. На электронных микрофотографиях миелин представляет собой серию чередующихся липидных и белковых слоёв, число которых может достигать у крупных аксонов 100 и более. Сплав цитоплазматических поверхностей мембраны олигодендроцита образует темную линию (главный период), а сплав экстраклеточных поверхностей - половинный или промежуточный период (более светлая линия). Повторяющийся период миелина определяется толщиной составляющего его липидного бислоя, расположенного между двумя белковыми слоями. Из всех биологических мембран миелин имеет самое низкое содержание воды и самое высокое отношение липидов к белку. Здесь белки составляют 15-30 %, а липиды - 70-85 % сухой массы. Липиды и белки миелина обладают высокой гидрофобностью, что определяет свойство миелина как электроизолятора.

В отличие от периферических нервных волокон, где один сегмент миелиновой оболочки представлен одной шванновской клеткой (см. выше), миелиновая оболочка одного сегмента нервных волокон в центральной нервной системе образуется, как правило, отростками нескольких близлежащих олигодендроцитов. С другой стороны, показано, что отростки одного олигодендроцита могут участвовать в образовании миелинового футляра для нескольких волокон. Толщина миелиновой оболочки в волокнах центральной нервной системы обычно невелика и количество ламелл редко достигает нескольких десятков и сотен. Миелинизируются даже очень тонкие волокна - от 0,3 мкм в диаметре. В целом, при одинаковом диаметре аксона, миелиновые оболочки в центральной нервной системе тоньше, чем в периферической, при этом сохраняется правило - чем тоньше волокно, там короче миелиновые сегменты.

Миелинизация нервных волокон у человека начинается на 5-6 месяце пренатального развития в спинном мозге. В дальнейшем число миелинизированных волокон нарастает, при этом процесс развивается неравномерно в разных структурах центральной нервной системы, по мере формирования их функций. К моменту рождения миелинизировано значительное количество волокон спинного мозга, стволовых ядер. Большинство проводящих путей миелинизируется в начальные годы постнатального периода. Процесс миелинизации проводящих путей завершается, в основном к 7-9 летнему возрасту. Позже других миелинизируются волокна ассоциативных путей переднего мозга. В коре больших полушарий миелинизированные волокна появляются после рождения, у новорожденных в коре встречаются лишь одиночные миелизированные волокна. Процесс миелинизации в ограниченных масштабах продолжается в течение всей жизни.

2.3 Миелин как изолятор

Миелиновая оболочка, окружающая нервное волокно обладает изолирующими свойствами, что создаёт условия независимости протекания возбуждения по отдельным волокнам. Было обнаружено, что порог раздражения одиночного нервного волокна лягушки существенно различается при приложении раздражающего микроэлектрода к участку волокна в области перехвата Ранвье и к межперехватному участку, покрытому миэлином. В области перехвата он наименьший, в межперехватном участке - максимальный. При этом пороги раздражения снижались для области перехвата в 5-7 раз. В состоянии покоя, как показали расчёты, плотность тока, проходящего через мембрану в перехвате Ранвье в тысячи раз больше, чем в миелинизированном участке. Объяснение этому кроется в организации миелиновой оболочки - многослойной ламеллярной структуре, богатой липидами (до 70-85 % сухого веса), в частности сфингомиелинами и галактоцереброзидами и гидрофобными белками. Миелиновая оболочка обладает также особыми емкостными характеристиками. Так, у миелинизированных нервных волокон скорость пассивных изменений мембранного потенциала на порядок и более выше, чем у безмякотных аксонов, при том. что ёмкость мембраны у тех и других волокон примерно одинакова и составляет 1-2 мкФ/см², что соответствует показателю лишь одной ламеллы, количество которых, как уже указывалось, может достигать нескольких десятков. Согласно Ходжкину миелиновая оболочка нервного волокна лягушки толщиной 2 мкм характеризуется ёмкостью на единицу площади порядка 0,025 - 0,005 мкФ/см² и ведет себя подобно конденсатору с утечкой (Тасаки).

3. Электрофизиологические показатели нейроглии

Микроэлектродные исследования клеток глии на разных объектах выявили наличие у них мембранного потенциала покоя, который может достигать уровня 90 мв. Высказано предположение, что олигодендроциты в целом имеют более выраженный потенциал покоя по сравнению с астроцитами. Следует отметить, что разные авторы отмечают широкий разброс уровня поляризации мембраны глиальных клеток - от 20 до 90 мв, что связано, по-видимому, с тем, что уровень заряда мембраны глиальной клетки есть единственный показатель уровня её активности. Надо думать, что, фиксируя тот или иной уровень заряда, исследователи имели дело с клетками, находящимися в разном состоянии. Кардинальное различие нейронов и клеток глии заключается в том, что глиальные клетки реагируют на внешние воздействия изменением уровня мембранного потенциала без генерации потенциала действия, как это имеет место у нейронов. Показано, что поляризация глиальной клетки через внутриклеточный микроэлектрод, деполяризующая мембрану в широких пределах - от 20 до 200 мв и даже до нулевого уровня, никогда не приводит к появлению разрядов. Таким образом, мембрана глиальной клетки электрически пассивна. В последнее время на мембранах глиальных клеток выявлено наличие многочисленных ионных каналов. Среди них доминируют калиевые, имеются потенциалзависимые натриевые и кальциевые каналы, описаны хлорные каналы. На мембранах клеток глии имеются многочисленные рецепторы к нейромедиаторам, в мембрану встроены транспортёры глутамата, ГАМК и глицина (Мартини с соавт., 1997). При этом механизм генерации потенциала действия в глиальных клетках отсутствует. Как показали исследования многих авторов, уровень заряда мембраны глиальной клетки зависит в первую очередь от концентрации ионов калия в окружающей клетку среде. Определённый вклад в формирование потенциала мембраны вносят ионы натрия и, возможно, другие ионы и сложные химические агенты межклеточного пространства. Для шванновских клеток решающей является, по-видимому, только концентрация ионов калия.

Клетки глии, особенно те из них, которые выступают в роли клеток-сателлитов, т.е. тесно окружающих тела нейронов, контактируют между собой посредством так называемых «щелевых контактов». В области контакта расстояние между отростками клеток составляет около 2 нм и площадь контакта пронизана сквозными структурами - коннексонами, имеющими внутренний канал, посредством которого клетки могут обмениваться различными химическими агентами, размер молекул которых не превышает 2 нм. Область щелевых контактов имеет низкое сопротивление, и это обеспечивает перенос потенциала от клетки к клетке. Следовательно, изменение уровня мембранного потенциала одной глиальной клетки может приводить к изменению заряда мембраны других клеток, связанных с первой щелевыми контактами (рис.3).

Рис. 3. Нейроны, глия, внеклеточное пространство и кровь.

А - Нейроно-глиальные взаимоотношения.

Б - Связи межде капиллярами, глией и нейронами

(из Николс и др. «От нейрона к мозгу», 2003)

Вследствие этого волна изменения мембранного потенциала, будь то деполяризация или гиперполяризация, электротонически может распространяться по глиальному синцитию на некоторое расстояние, вовлекая в процесс большое число глиальных клеток. В опытах Уолкера (1969) на культуре ткани мозжечка крысы обнаружено, что изменения потенциала стимулируемой через микроэлектрод глиальной клетки сопровождалось ответом других клеток на расстоянии до 200 мкм. Имеются сведения, что в коре больших полушарий потенциалы глиальной клетки могут электротонически распространяться по глиальному синцитию и изменять заряд мембраны других клеток на расстоянии до 3 мм.

Как указывалось, колебания мембранного потенциала глиальных клеток зависит преимущественно от концентрации ионов калия в межклеточной среде. Мембранный потенциал находится в логарифмической зависимости от концентрации калия, т.е. изменяется на значительные величины при сравнительно малых изменениях калия. Расчеты показали, что увеличение концентрации калия на 1 мМ в межклеточной щели шириной 20 нм вызывает деполяризацию мембраны глиальной клетки на 7,5 мВ. Спонтанные колебания мембранного потенциала глиальной клетки отличаются большой длительностью - от нескольких секунд до нескольких минут, что связывается с медленными процессами восстановления концентрации калия в межклеточной среде. Николс, Мартин и др. (2003) приводят сведения различных авторов о влиянии некоторых нейромедиаторов, таких как ГАМК, глутамат, глицин и ацетилхолин на глиальные клетки. Аппликация этих веществ на глиальную мембрану может сопровождаться её деполяризацией или гиперполяризацией, хотя физиологическая роль этих влияний пока не определена.

4. Нейроглиальные взаимоотношения

4.1 Активность нейронов и глия

В центральной нервной системе соотношение нейронов и глиальных клеток составляет 1 к 10, т.е. нейроны весьма плотно окружены глиальными клетками. Мембраны нейронов и глиальных клеток не входят в тесный контакт, между ними имеется пространство не менее 20 нм. Не найдено структур, указывающих на наличие ни химических, ни электрических синапсов между ними, в связи с этим прямое электрическое взаимодействие между глиальными и нервными клетками отрицается. При этом достаточно четко показано, что активность нейронов влияет на уровень потенциала глиальных клеток. Микроэлектродные исследования последних лет прояснили механизм таких влияний.

Возникновение и распространение потенциала действия по мембране тела нейрона и его отросткам приводит, как известно, к выходу калия в окружающую среду. Повышение калиевой проводимости мембраны нейрона достигает максимума приблизительно через 1 мс от начала развития потенциала действия (т.е. на фазе его завершения) и медленно снижается в течение 2-3 мс. Если же потенциалы действия следуют с высокой частотой, то создаются условия для пропорционального нарастания концентрации калия в межклеточном пространстве в непосредственной близости от возбуждённой мембраны. Следует ожидать, что и ответ глиальной клетки-сателлита будет зависеть от степени возбуждения нейрона. Подтверждение этому были найдены в разнообразных и многочисленных экспериментах. В частности, в работах Николса и Куффлера (1979) на глиальных клетках зрительного нерва протея обнаружено, что при одиночном раздражении нерва деполяризация развивалась в течение 150 мс, после чего мембрана глиальной клетки медленно восстанавливала заряд. При частоте стимуляции 1/с имела место суммация сдвигов потенциала мембраны, а при частоте 5/с и выше достигалось плато развития потенциала уровня 50 мВ. Несколько иные, но сходные результаты получены для глиальных клеток коры больших полушарий, ядер таламуса, спинного мозга. Кроме того, вызываемая ионами калия деполяризация глиальной мембраны ведёт к активации ферментов в ней, в результате чего они начинают вырабатывать биохимические компоненты или их предшественники, необходимые для поддержания метаболизма нейрона на оптимальном уровне во время его активации и восстановительного периода. Возникший в результате возбуждения нейронов избыток калия устраняется из межклеточного пространства несколькими путями. Во-первых, - путём диффузии и под действием электрического тока в глиальном синцитии и, во-вторых - путём активного поглощения глиальной клеткой с помощью ионных насосов, встроенных в её мембрану. Проникшие внутрь глиальной клетки ионы калия могут диффундировать от одной клетки к другой, создавая при этом распространяющуюся волну деполяризации в глиальном синцитии. Это создаёт дополнительные условия для движения ионов по электрохимическому градиенту. Волна деполяризации и, следовательно, движение ионов калия прекращается, когда концентрация калия по обе стороны глиальной мембраны выравнивается. Глиальные клетки могут накапливать калий также против концентрационного градиента с помощью натрий-калиевой АТФазы (механизм активного переноса). Снижение концентрации калия в межклеточных щелях до нормального уровня (3 мМ и ниже) приводит к выбросу калия и развитию гиперполяризации глиальной мембраны. Этому способствует и активация натрий-калиевых насосов нейронов, сопровождающая процесс их активации. Показано также, что ионы калия могут активировать работу хлорного насоса, обеспечивающего поглощение ионов хлора внутрь глиальной клетки, что усиливает её гиперполяризацию. Таким образом, глиальные клетки-сателлиты, пассивно и активно поглощая и выделяя калий в межклеточное пространство, выполняют роль буфера, обеспечивая постоянство состава межклеточной среды.

В сетях астроцитов описан феномен «кальциевых волн», заключающийся в распространяющемся увеличении концентрации внутриклеточного кальция от клетки к клетке, соединенных между собой щелевыми контактами. Считается, что кальциевая волна может оказывать модулирующее действие на состояние многих нейронов. Тонкими экспериментами с использованием флуоресцентных красителей, активирующихся ионами кальция, установлено, что при активации нейронов астроциты и шванновские клетки начинают активно поглощать кальций из внеклеточной среды. Вслед за активацией нейронов активируются и окружающие их астроциты - формируется кальциевая волна. Особенно убедительны результаты таких наблюдений в миелинизированном аксоне. Здесь кальциевая волна с небольшой задержкой (10-15 с) следует за распространяющимися по волокну нервными импульсами. Кальциевые волны могут запускаться деполяризацией нервных волокон, нейромедиаторами, при электрической и механической стимуляции нейронов. Механизм распространения кальциевой волны связывают с выделением АТФ из глиальной клетки при её активации. По мере выделения АТФ она связывается с рецепторами на мембране соседних глионов, способствуя перемещению кальция внутрь клеток. В свою очередь, повышение уровня кальция в клетках заставляет их выделять в окружающую среду новые порции АТФ. Таким образом в популяции астроцитов инициируется цепная реакция, связанная с изменением внутриклеточного уровня кальция и опосредованная АТФ (Филдз, 2004).

Глиальные клетки играют определённую роль и в освобождении околонейронального пространства от нейромедиаторов, выделяющихся при активации синапсов, различных неорганических ионов, органических соединений, продуктов клеточного метаболизма. Некоторая часть их них, как известно, путём обратного захвата возвращается в нейроны, однако для многих веществ такой механизм не определён и задача сохранения постоянства внутренней среды решается глиальными клетками. Установлено, что глутамат, глицин, норадреналин могут захватываться глиальными клетками с последующим возвратом их в нейроны или нейтрализацией. В отношении глутамата показана определяющая роль астроцитов и олигодендроцитов в предотвращении избыточного его накопления в межклеточном пространстве. Нарушение механизма захвата нейромедиатора сопровождается массированным входом кальция внутрь нервных клеток, повышением чувствительности к конвульсантам, развитием эпилептического статуса.

4.2 Питательная и обменная функция глии

Питательная функция глии была предположена Гольджи, исходя из структурных соотношений нервных и глиальных клеток и соотношения последних с капиллярами мозга. Отростки протоплазматических астроцитов (сосудистые ножки) тесно контактируют с базальной мембраной капилляров, покрывая до 80% их поверхности. Трофическая функция глиальных клеток осуществляется либо одним астроцитом (сосудистая ножка на капилляре, а другие отростки - на нейроне), либо через систему астроцит - олигодендроцит - нейрон. Показано также что глиальные клетки принимают участие в образовании гемато-энцефалического барьера, обеспечивающего, как известно, селективный перенос веществ из крови в нервную ткань. Однако, следует отметить, что существенная роль глиальных клеток в функционировании гемато-энцефалического барьера признается не всеми исследователями (А.И.Ройтбак, 1979).

В работах Глобуса (1973) и других авторов обнаружено, что некоторые меченые аминокислоты, инъецированные путём электрофореза через микроэлектрод в глиальные клетки пиявки довольно быстро обнаруживались в цитоплазме рядом расположенных нейронов. Предполагается, что клетки глии способны выделять в межклеточное пространство низкомолекулярные соединения и белки, которые могут инкорпорироваться в цитоплазму соседних нейронов. Длительная активация нейронов приводит к увеличению числа перинейрональных сателлитов, перемещающихся в область высокой нейрональной активности. Это показано при активации мотонейронов спинного мозга, при электрической стимуляции поверхности коры больших полушарий, при анализе гистологической картины зрительной коры крысы в условиях адекватной активации зрительной функции (нахождение в условиях сенсорно обогащенной внешней среды по сравнению с условиями частичной депривации). В симпатических ганглиях нарастание числа клеток-сателлитов наблюдается через десятки минут после стимуляции афферентных волокон, в то время как в коре полушарий этот период исчисляется десятками секунд. Это позволяет предположить, что олигодендроциты в коре обладают большей реактивностью.

В литературе имеются отдельные свидетельства проникновения плазматических отростков глиальных клеток внутрь нейрона. При этом глиальные выросты могут глубоко проникать в цитоплазму нейрона, разветвляясь в ней (А.И.Милохина, С.С Решетников, 1973). Этими авторами описано своеобразное явление - «глиальные ножки, погруженные в цитоплазму нейрона, как бы перетягиваются у своего основания, а затем полностью отделяются от тела клетки и со всем содержимым оказываются расположенными в цитоплазме нервной клетки». Сходная картина была обнаружена ими и в отношении нейрональных отростков, внедряющихся в цитоплазму глиальной клетки-сателлита. Авторы высказывают предположение, что таким путем (через взаимопроникновение отростков в цитоплазму соседней клетки) возможен обмен в системе нейрон-глия различными веществами, высокомолекулярными соединениями, в том числе и рибонуклеидами.

И всё же большинство исследователей считают наиболее вероятным участие глии в метаболизме нейронов по пути глиальная клетка - межклеточное пространство - нейрон.

Достаточно подробно изучена роль глии в механизме химической трансмисси в центральной нервной системе, особенно в активном поглощении и в метаболизме нейротрансмиттеров. Это касается, в первую очередь взаимопревращений глутамата и глутамина в глиальных и нервных клетках (рис.4), а также синтеза, распада и перемещения тормозных медиаторов ГАМК и глицина (рис.5).

Рис. 4. Синтез глутамата и его движение между нейроном и глиальной клеткой (Neuroscience, ed. Dale Purves et al., MA USA, 2004).

Особенностью мембраны нейрона является низкая проницаемость для глутамата и высокая для глутамина, что объясняется двойственной ролью глутамата в центральной нервной системе: обычной - как компонента синтезируемых белков, и специальной - как нейромедиатора и как предшественника другого медиатора - ГАМК. При выделении глутамата в синаптическую щель и диффузии в околонейрональное пространство он поглощается сателлитными астроцитами, в которых превращается в глутамин (легко проникающий через нейронную мембрану). Последний, выделяется глильной клеткой в межклеточное пространство и легко поглощается глутатаматергическими нейронами, где путём дезаминирования вновь превращается в глутамат и включается в синаптические везикулы.

Рис. 5. Синтез и обратный захват ГАМК (А) и глицина (Б) с участием глиальнной клетки (Neuroscience, ed. Dale Purves et al., MA USA, 2004).

При возбуждении пресинаптической терминали везикулярные кванты медиатора - глутамата выделяются в синаптическую щель, воздействуют на рецепторы постсинаптической мембраны и вновь поглощаются глиальной клеткой - цикл замыкается. В ГАМК-ергических нейронах поступивший в них глутамин, пройдя стадию глутамата, декарбоксилируется, превращаясь в ГАМК. По окончании синаптического процесса часть молекул ГАМК поступает в глиальные клетки, где участвует в процессах ресинтеза глутамина.

Клетки нейроглии во многом превосходят нейроны в способности аккумулировать аминокислоты. Так, содержание ГАМК в клетках глии и нейронах, содержащихся в инкубационной среде, приводит к превышению концентрации ГАМК в глие в 100 раз а в нейронах - в 10 раз по сравнению с содержанием аминокислоты в инкубационной среде. В отношении других нейромедиаторов (норадреналина, серотонина и дофамина) нейроны и глиальные клетки существенно не отличаются в способности их аккумулирования. Что касается уровня белкового метаболизма, отмечено, что синтез нейрональных белков протекает в 2-3 раза интенсивнее, чем белков нейроглиальных, при этом белки астроцитов метаболируют интенсивнее белков олигодендроглии. Биохимическими исследованиями показано, что в условиях различных воздействий и в разных функциональных состояниях имеются сопряженные, иногда разнонаправленные сдвиги в метаболизме системы нейрон-глия, таким образом, процессы синтеза и распада белков и аминокислот в нейроглиальном комплексе тесно связаны и взаимообусловлены. Большинство исследователей склоняется к представлению о ведущей роли нейронов в системе нейрон-глия, хотя метаболизм и нормальные функции нервных клеток не могут быть реализованы без участия глии в связи с её активной ролью в формировании околонейрональной среды и определённым участием в формировании синапсов и в модификации синаптических процессов. Установлено, что в лабораторной культуре нейронов сетчатки при добавлении в неё астроцитов, или просто среды, в которой находились астроциты, образование синапсов идёт гораздо интенсивнее. Это связывается с веществами, освобождаемыми астроцитами (жировой комплекс ароЕ/холестерин и белок тромбоспондин) и влияющими на образование синапсов (Б.Баррес, 2000).

5. Участие глии в процессах развития и регенерации в нервной системе

Сведения о роли глиальных клеток в развитии нервной системы касаются отдельно участия макро- и микроглии в процессах, протекающих в ЦНС и в шванновских клетках при росте аксона и формировании нервных волокон в периферической нервной системе.

Рис.6.Миграция нейронов вдоль радиальной глии в процессе развития.

А - срез затылочной доли развивающейся коры плода обезьяны.

Б. - 1, 2, 3 - нервные клетки на разных фазах миграции (Николс и др., 2003).

В коре больших полушарий и мозжечка на ранних стадиях эмбриогенеза миграция нейронов связывается с наличием радиальной структуризации глиальных клеток. По мере развития и утолщения нервной трубки глиальные клетки удлиняются, образуя своеобразную «этажерку» (по Ракичу). Нейроны мигрируют вдоль радиальных элементов «этажерки», достигая своего места в пределах корковой пластинки (рис.6). Методами иммунологического анализа показано, что нервные и глиальные клетки при этом выделяют различные белки, управляющие миграцией нейронов и воздействующие на навигацию конуса роста аксона, направляя его к клеткам-мишеням. Среди них астротактин, ламинин, агрин, Ф-спондин и фибронектин (последние контролируют миграцию клеток нервного гребешка), участвующие также в формировании нервно-мышечных синапсов. В последнее время установлена особая роль белка агрина в процессе формирования нервно-мышечных синапсов. Агрин экспрессируется мотонейронами, нервными и шванновскими клетками и участвует в запуске сигнальных каскадов, приводящих к формированию необходимых компонентов постсинаптической мембраны. При экспериментальном выключении экспрессии гена агрина у мышей нервно-мышечные соединения не образуются (Баргесс, 1999). Установлено, что в процессе роста и разветвления аксонов последние следуют по пути, сформированному шванновской клеткой (см. раздел «миелинизация»). Немаловажную роль играют шванновские клетки и в процессах регенерации повреждённых аксонов, секретируя много трофических факторов, обеспечивающих выбор правильного направления для роста аксонов к своим периферическим мишеням. Одновременно, при повреждении периферического нерва в зоне повреждения активируются факторы, стимулирующие пролиферацию шванновских клеток, которые первыми начинают расти в направлении мишени. Только после этого аксоны дают отросток, который следует по пути, сформированному отростком шванновской клетки, т.е. имеет место ситуация, сходная с той, которая наблюдается в процессе роста и развития аксона. После завершения регенерации шванновские клетки прекращают продукцию трофических факторов и возобновляют свою изолирующую функцию.

Регенерация аксонов в центральной нервной системе, как известно, весьма ограничена. Роль ограничителей здесь играют клетки нейроглии - астроциты и предшественники олигодендроцитов и микроглиоциты. Они аккумулируются в зоне повреждения, формируя глиальный рубец. Эти клетки продуцируют различные агенты, ингибирующие рост повреждённого аксона. Особый интерес вызывают результаты экспериментов с использованием мостиков из шванновских клеток в восстановлении проводящих путей в центральной нервной системе. Дэвид с соавторами (1981) в эксперименте на крысах проводили имплантацию отрезка седалищного нерва таким образом, что один конец имплантанта вживлялся в спинной мозг, а другой - в вышележащий отдел - продолговатый мозг или таламус. После нескольких недель или месяцев имплантант приобретал сходство с нормальным нервным проводником. Оказалось, что аксоны, заполнившие мостик, происходили из нейронов, тела которых лежат внутри центральной нервной системы, правда на расстоянии не более нескольких миллиметров от мостика. В других экспериментах показана возможность частичного восстановления проведения возбуждения по зрительному нерву через мостик между периферическим концом перерезанного зрительного нерва и верхними бугорками четверохолмия. Следует полагать, что решающее значение здесь имеют какие-то, еще не изученные свойства шванновских клеток.

6. Нейроглия и нервная деятельность

глиальный нервный электрофизиологический периферический

Длительные колебания электрических потенциалов в коре мозга (секундного диапазона и выше) многие авторы связывают с активностью апикальных дендритов и нейроглии. По мнению А.И. Ройтбака медленные отрицательные потенциалы, регистрируемые с поверхности коры в состоянии покоя и, особенно, в условиях различных воздействий, обусловлены активацией нейроглии верхних корковых слоёв, накоплением в глио-нейрональном пространстве ионов калия, вызывающих деполяризацию верхушечных дендритов. Обнаружен определённый параллелизм в развитии отрицательной медленной волны, развивающейся при электрическом раздражении поверхности коры мозга, и колебаниями мембранного потенциала нейроглиальных клеток, регистрируемого микроэлектродом в зоне стимуляции. При этом временное течение процессов изменений поляризации мембраны нейроглиоцита не всегда совпадает с динамикой медленной волны ЭЭГ. В пользу того, что отрицательный сдвиг потенциала на поверхности коры отражает деполяризацию глиальных клеток, свидетельствует совпадение порогов раздражения для формирования ответов. При усилении силы раздражения обе реакции параллельно возрастают. Было обнаружено, что во время эпилептического разряда каждому судорожному потенциалу соответствовала медленная деполяризация мембраны глиальных клеток. Подобный феномен наблюдается также при распространяющейся депрессии, вызываемой аппликацией на кору раствора хлористого калия. Предполагается также участие глии в формировании так называемой «волны ожидания», описанной Г.Уолтером. В сетчатке глаза протея обнаружено, что течение медленной положительной волны b электроретинограммы практически совпадает с динамикой деполяризации мюллеровских клеток - глиальной системы сетчатки. Похожие параллели описаны и для других структур центральной нервной системы - зрительных нервов лягушки и протея, гигантского аксона кальмара, серого вещества спинного мозга.

Развитие медленного позитивного сдвига потенциала коры зачастую сопровождается гиперполяризацией глиальных клеток, находящихся в месте регистрации суммарной поверхностной активности.

Изучение процессов метаболизма мозга на протяжении цикла бодрствование-сон показало активную роль глии в белковом обмене внутри нейроглиального комплекса. В состоянии медленноволнового сна значительно увеличивается (по сравнению с состоянием бодрствования) число рибосом в цитоплазме глиальных клеток в зоне их контакта с нейронами. По времени это совпадает с уменьшением среднего количества рибосом в нейронах. Усиление белкового синтеза глиальными клетками во время медленноволнового сна обеспечивает, как полагают исследователи, последующий (в парадоксальную фазу сна) транспорт синтезированных веществ из сателлитной глии в нейроны, количество рибосом и уровень синтеза белка в которых во время медленноволнового сна снижается. При переходе из стадии медленноволнового к стадии быстрого сна наблюдается возрастание числа рибосом в нейронах и снижение в сателлитных глиоцитах. Таким образом, при медленноволновом сне имеет место перемещение доминирующего источника энергии от нейронов к глии (А.Б.Коган с соавт., 1981).

Роль глии в механизмах памяти рассматривается в контексте её роли в модификации синапсов, актуализации и возникновения новых связей между нейронами. Все этапы формирования, удержания и воспроизведения следа памяти включают биохимические изменения в нейронах и глиальных клетках, в первую очередь - сателлитных. Исключительная роль при этом отводится нейроспецифическим белкам, в частности белку S-100, который мигрирует в нейрон из глии и влияет на синтез РНК и пластические модификации в синаптических мембранах. Как уже указывалось, нейроглиальные клетки принимают активное участие в транспорте многих нейромедиаторов в системе глия-нейрон, в частности, глутамата, роль которого в регуляции длительности сохранения следа памяти не подвергается сомнениям. Согласно гипотезе А.И.Ройтбака, образование и укрепление временных связей сопровождается усилением миелинизации центральных аксонов и изменениями топографических взаимоотношений нейронов и ближайших нейроглиальных клеток. С продуцированием глионами специфических нейропептидов связано также превращение «потенциальных» синапсов в «актуальные», что многими авторами рассматривается как важнейший этап формирования следов памяти.

Литература

Смирнов В.М., Будылина С.М. Физиология сенсорных систем и высшей нервной деятельности. - М.: «Академия». - 2009. - 336 с.

Смирнов В.М.и соавт. Физиология центральной нервной системы. - М. .: «Академия». - 2008. - 368 с.

Шульговский В.В. Основы нейрофизиологии. - Учеб. пособие для студентов вузов. - М.: «Аспект Пресс». - 2005. - 277 с.

Размещено на Allbest.ru