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.