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.