Э.Д. Моренков Гистология и ультраструктура нервной ткани*
* Моренков Э.Д. Морфология мозга человека. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1978. С. 9-19.
Типы нейронов
Нейроны являются высокоспециализированными неделящимися клетками, имеющими в связи с этим своеобразное строение. От тела, или сомы, отходят ветвящиеся отростки – дендриты (dendrites), а также более длинный и зачастую менее ветвящийся аксон, или осевой цилиндр(ахоп). Электрические сигналы поступают от дендритов к телу клетки и от него проводятся в виде импульсов по аксону.
В связи с многообразием типов нервных клеток применяется несколько принципов их классификации с учетом размеров, формы, ориентации сомы, а также количества, толщины, характера ветвления и распределения отростков. Соответственно числу отростков различают униполярные, псевдоуниполярные, биполярные и мультиполярные нейроны. В ЦНС доминируют нейроны последнего типа, а клетки первого типа присутствуют только в сенсорном ядре тройничного нерва в среднем мозге. Псевдоуниполярные клетки группируются вблизи спинного мозга в межпозвоночных ганглиях, а биполяры расположены в специализированных сенсорных органах – сетчатке глаза, обонятельном эпителии и луковице, слуховом и вестибулярном ганглиях (рис. 2.31, А).
Рис. 2.31. Основные типы нервных (А) и глиальных (Б) клеток:
А: 1 – униполярный нейрон в среднемозговом ядре тройничного нерва; 2 – псевдоуниполярный нейрон спинального ганглия: 3 – грушевидная клетка коры мозжечка; 4 – биполярный нейрон вестибулярного ганглия; 5 – мультиполярный вегетативный нейрон с перпендикулярным расположением аксона и дендритов; 6 – звездчатая клетка; 7 – пирамидная клетка; Б; 1 – перинейрональный и интерфасцикулярный олигодендроциты; 2 – протоплазматический астроцит; 3 – волокнистый астроцит; 4 – эпендимные клетки; 5 – микроглиальная клетка
В слоистых структурах отростки могут располагаться в горизонтальной плоскости (тангенциально) или в перпендикулярном направлении (радиально). При этом зачастую обнаруживается поляризация аксонов, а также верхушечных (апикальных) и базальных дендритов. Различная протяженность осевых отростков обусловила подразделение клеток на длинно- и короткоаксонные.
Величина сомы может варьироваться от 5 мкм и даже менее у карликовых и малых зернистых клеток до 120–150 мкм у гигантских пирамидных нейронов. По форме, обусловленной в основном количеством и положением отростков, они могут быть сферическими, звездчатыми, пирамидальными, грушевидными, веретеновидными, полигональными, неправильными и т.д. По функциональным признакам нейроны классифицируются как первичные сенсорные, если они трансформируют энергию стимулов в нервные импульсы, двигательные, если их аксоны иннервируют мышечные волокна, и вставочные, если они участвуют в переключении сигналов с афферентов на эфференты.
Органоиды, включения и ядро нервной клетки
В цитоплазме сомы наибольший объем среди органоидов занимают цистерны, пузырьки, трубочки и сетевидные мембранные структуры зернистого эндоплазматического ретикулума, или эргастоплазмы. Рибосомы, имеющие диаметр 100–200 нм, частично прикреплены к мембранам, а частично не связаны с ними и нередко объединяются в небольшие группы – полисомы.
Цитоплазма нейронов с большим количеством свободных рибосом и цистерн эндоплазматической сети обладает повышенной электронной плотностью. В световом микроскопе массивные скопления тех же элементов при окрашивании крезиловым фиолетовым, тионином, толуидином, метиленовым синим или специфическими гистохимическими реагентами для выявления РНК видны как тигроидная зернистость, или исчерченность (рис. 2.32, А).
Рис. 2.32. Ультраструктурные компоненты нейронов и прилегающей глии:
А – общий вид: 1 – тело нейрона; 2 – ядро с хроматином; 3 – ядрышко с сателлитом; 4 – гладкий эндоплазматический ретикулум; 5 – тигроид; 6 – дендрит с шипиками; 7 – аксонный холмик; 8 – немиелинизированный участок аксона; 9 – тело олигодендроцита с ядром; 10 – неврилемма; 11 – аксонная коллатераль; 12 – перехват; 13 – насечка; 14 – концевое ветвление аксона; Б – ультраструктура перехвата: 1 – эндоневрий с коллагеновыми волокнами; 2 – цитоплазма глиальной клетки; 3 - слои миелиновой оболочки; 4 – мембрана аксона; 5 – нейрофибриллы; 6 – митохондрии; В – немиелинизированные волокна: 1 – цитоплазма и ядро шванновской клетки; 2 – аксоны; 3 - мезаксон; Г – разрез периферического нерва: 1 – пучки нервных волокон; 2 – эпиневрий; 3 - периневрий; 4 – кровеносный сосуд; Д– синапсы: 1 – аксо-соматический, второй тип; 2 - аксо-дендритный, первый тип; 3 – нейромышечный; 4 – сложный синапс фоторецептора и нескольких нейронов; 5 – синапс с несколькими активными зонами; 6 - терминал нейросекреторных клеток
Эти гранулярные образования варьируют по размерам и форме в различных нейронах. Например, они велики в двигательных и мелки в сенсорных нервных клетках. При ряде повреждающих воздействий, например, перерезке отростков, введении наркотических агентов, после длительной повышенной активности, а также при некоторых патологических состояниях, таких как полиомиелит, в соответствующих нейронах наблюдается уменьшение размеров и количества выявляемых гранул тифоида, изменяется их конфигурация и распределение. Следствием хроматолиза является и значительное общее просветление протоплазмы. Наоборот при умеренной функциональной нагрузке тигроид становится более выраженным, что соответствует повышению концентрации РНК и белков в соме. В нейросекреторных клетках количество накопленного материала, образующегося в эргастоплазме, и степень развития тигроида находятся в обратном отношении.
Комплекс ядерных и эргастоплазматических структур может рассматриваться, главным образом, как синтетический аппарат нервных и глиальных клеток.
В перинуклеарных участках нейронов значительное место занимает система цистерн, вакуолей и пузырьков, ограниченных лишенными рибосом мембранами гладкого эндоплазматического ретикулума. Его изменения могут быть обусловлены повреждением аксона, витаминной недостаточностью, нейросекреторной активностью, старением клеток и др. Он находится в тесной структурной и функциональной взаимосвязи с набором лизосомных гранул, которые содержат гидролитические ферменты и составляют защитнолитический аппарат клетки. Кроме того, в перикарионах встречаются мультивезикулярные, сфероидные тельца, гликоген, а в ряде клеток также специфически окрашивающиеся железосодержащие гранулы, вторичные производные лизосом, содержащие пигменты типа меланина или липофусцина, кристаллоиды.
Изредка возле ядра или у места отхождения основного дендрита видна центросома.
Импрегнация нервной ткани солями тяжелых металлов позволяет выявить при светооптическом наблюдении наряду с гладкой эндоплазматической сетью также нейрофибриллярный аппарат. Он представлен почти параллельными тяжами, проходящими по всему аксону и присутствующими в телах и дендритах клеток. Под электронным микроскопом видны составляющие их отдельные элементарные фибриллы толщиной по 7,5–20 нм, которые объединяются в пучки. На поперечных срезах они могут иметь как трубчатую (нейротубулы), так и нитевидную (нейрофиламенты) форму. При охлаждении, голодании они становятся менее многочисленными, при усилении функциональной активности истончаются, а после отделения отростков могут исчезнуть.
Основной энергетический аппарат нейронов, связанный с ферментативными системами синтеза АТФ, представлен митохондриями. Митохондрии расположены в различных участках цитоплазмы, но в основном скапливаются в области аксонного холмика, вблизи цистерн эргастоплазмы, в терминалях волокон. Их количество, форма и размеры связаны с функциональным состоянием, возрастом, типом клетки и др. В отростках они приобретают палочковидную форму и чаще всего приурочены к участкам перехватов глиальной миелиновой оболочки.
Ядро занимает чаще всего центральное положение в теле нейрона и бывает округлым, овальным или, изредка, лопастным. Оно окружено ядерной оболочкой, состоящей из внутренней мембраны толщиной около 15 нм и отделенной перинуклеарным пространством шириной 10–30 нм от наружной мембраны, имеющей толщину около 7,5 нм. Обе эти мембраны снабжены многочисленными порами.
Ядро заполнено ацидофильной нуклеоплазмой, в которой находятся мелкие гранулы и нити хроматина, представляющие обычно диплоидный хромосомный набор. Кроме того, в ядре содержится одно, реже два ядрышка, величина которых коррелирует с размерами ядра, длиной аксона и уровнем функциональной активности.
Как правило, у женских особей к богатому рибонуклеопротеидами ядрышку во многих нейронах прилежит маленький ДНК-содержащий сателлит, представляющий собой одну из Х-хромосом (рис. 2.32, А).
Нервные волокна и концевые структуры
Дендриты имеют неровную, сильно извитую поверхность, снабженную нередко шипиками. В них имеются почти вес цитоплазматические компоненты.
Поверхность аксона, обычно более гладкая, образована мембраной – аксолсммой, имеющей в толщину около 30 нм. Внутри его содержится аксоплазма с нейрофибриллами и митохондриями.
Волокна как центральной, так и периферической нервной системы в большинстве обернуты несколькими слоями плазмолеммы периодически расположенных по их длине глиальных клеток. Волокна с такой оболочкой обозначаются как миелинизированные и характерны для белого вещества мозга. Сами глиоциты либо оттесняются к периферии, образуя наружные оболочки (неврилеммы) аксонов в периферической нервной системе, либо, в ЦНС, располагаются вдоль поверхности аксонов.
В местах перехватов, лишенных миелиновых слоев и расположенных на расстоянии 250– 100 мкм или немного более в мозге и до 3000 мкм в периферических нервах, неврилеммы соседних глиоцитов образуют пальцеобразные выступы, проникающие друг в друга. В этих же участках от аксонов могут отходить коллатеральные ответвления (рис. 2.32, А,Б).
По ходу миелиновой оболочки в межперехватных сегментах ее пронизывают тонкие канальцы или насечки. Миелиновая оболочка отсутствует в области сомы, аксонного холмика и возле нервных окончаний. Кроме того, в центральной и периферической нервной системе имеются немиелинизированные волокна, которые находятся в глубине складок поверхностной мембраны глиальных клеток, образующих так называемый мезаксон. Чаще всего такие волокна располагаются группами по 7– 15 и более в одной оболочке(рис. 2.32, В,Г).
Терминальные ветвления нервных волокон ЦНС обычно снабжены утолщениями, бляшками, бутонами, при помощи которых они вступают в синаптические контакты аксодендритного, аксосоматического, дендродендритного или аксоаксонального типов. Активные зоны синапсов включают несколько пре- и постсинаптических структур. Пресинаптическая аксональная мембрана имеет повышенную электронную плотность. Она снабжена уплотнением в виде выступов, обращенных внутрь и соединенных тяжами электронноплотного вещества. В пресинаптическом участке обычно присутствуют также митохондрии и светлые сферические пузырьки диаметром 30–50 нм, содержащие, по-видимому, химические возбуждающие медиаторы, такие как ацетилхолин, глутаминовая кислота и др. (рис. 2.32, Д).
Реже обнаруживаются несколько уплощенные или вытянутые пузырьки, которые предположительно содержат тормозные медиаторы типа гамма-аминомасляной кислоты или глицина. Кроме того, на некотором удалении от активной зоны в пресинаптической бляшке могут находиться более крупные гранулы (40– 50 нм или 80–120 нм в диаметре) с темной сердцевиной, заполненной катехоламинами или серотонином. В терминалях нейронов отдельных ядер промежуточного мозга накапливаются нейрогормоны полипептидной природы.
В местах контакта с аксонной терминалью в телах нейронов и дендритных шипиках часто обнаруживаются субповерхностные уплощенные цистерны, лежащие параллельно клеточной мембране. Непосредственно к постсинаптической мембране примыкает слой электронноплотного вещества толщиной до 100 нм (рис. 2.32, Д).
Выделяют два основных типа синапсов. Первый тип характеризуется четкой выраженностью и значительной протяженностью пре- и постсинаптической активных зон и расширением щели между смежными клеточными мембранами до 20–35 нм, тогда как в других участках она не превышает 10–14 нм. Пространство аксодендритной синаптической щели пересекается тонкой мелкозернистой полоской и обе мембраны могут быть соединены мостиками осмиофильного материала, между которыми остаются свободные канальцы. Аксосоматические синапсы представляют другой тип контактов, отличающийся меньшей шириной как синаптической щели, так и протяженностью и шириной утолщений в активной зоне. Кроме того, существуют синапсы с закрытой щелью (наподобие зон десмосомных контактов между эпителиальными клетками), а также с плотным смыканием мембран. Они не связаны с наличием синаптических пузырьков, и, вероятно, в этих участках проведение осуществляется без наличия химических медиаторов, благодаря низкому электрическому сопротивлению.
Существуют и другие принципы классификации синапсов, учитывающие, например, степень симметрии пре- и постсинаптических специализаций, форму пузырьков и т.д. В некоторых случаях синапсы образуют сериальные и реципрокные объединения, через которые сигналы могут, соответственно, проходить в одном или в обоих направлениях.
Нейроглия
Пространства между нервными клетками, сосудистой и ликворной системами мозга заполнены вспомогательными нейроглиальными элементами. Они представлены макро- и микроглиальными клетками с их отростками и окончаниями (рис. 2.31; 2.32). Дополнительно к ним относят эпендимные клетки.
Нейроглия выполняет не только разграничительную, изолирующую, защитную и опорную функции, но также участвует в процессах трофики и распада нейронов, регенерации нервных волокон, влияет на динамику обмена веществ и т.д.
Макроглия подразделяется на астроциты или лучистые глиоциты, и олигодендроциты. В сером веществе мозга доминирующими являются протоплазматические астроциты, которые обладают многочисленными, относительно толстыми ветвистыми отростками. В белом веществе располагаются волокнистые, или фиброзные, астроциты, имеющие довольно ровные и мало разветвленные длинные отростки, внутри которых содержатся параллельные пучки протофибрилл. Сома протоплазматических астроцитов имеет большие размеры (15–25 мкм), чем у фиброзных астроцитов (7–11 мкм).
Цитоплазма астроцитов занимает ограниченный объем и содержит сравнительно мало органоидов. Крупные овальные ядра с рассеянным в них хроматином лишены ядрышек. Расширенные окончания отростков астроцитов распластываются у сосудистых стенок (рис. 2.31, Б).
Функция астроцитов тесно связана с метаболизмом нейронов, в особенности с водно-солевым. При явлениях отека, травмы ЦНС астроциты несколько увеличиваются и, в основном за счет отростков, изменяют свою форму в связи с быстрым поглощением избыточной жидкости. При массивных повреждениях ЦНС наблюдается сначала набухание астроцитов, а затем их пролиферация, благодаря амитотическому делению.
Олигодендроциты отличаются от астроцитов слабой разветвленностью, небольшой протяженностью и немногочисленностью отростков. Кроме того они обладают более постоянной формой и меньшими размерами ядра и сомы в целом (5–6 мкм). В цитоплазме обнаруживается развитая эргастоплазма и многочисленные митохондрии. Ядра олигодендроцитов относительно плотные и часто содержат ядрышки.
Эти клетки находятся в тесной морфологической и функциональной связи с нейронами, прилегая к их телам и отросткам в сером веществе мозга. Они могут располагаться группами между пучками миелинизированных волокон. По-видимому, олигодендроциты могут оказывать влияние на скорость окислительных процессов в нейронах. Кроме того, они участвуют в процессах миелинизации, оборачиваясь вокруг растущих нервных волокон (рис. 2.31, Б; 2.32,Б, В).
При различных воспалительных явлениях происходит увеличение олигоцитов. Эти клетки участвуют в нейронофагии путем активного цитолиза, резорбции продуктов распада и пространственном замещении нейронов после их исчезновения.
Микроглиальные клетки имеют мезенхимное происхождение, тогда как остальная глия развивается, как и нейроны, из нейроэктодермы. Эти клетки имеют тела неправильной формы с полиморфными ядрами, содержащими ядрышки, и характеризуются наличием тонких многочисленных отростков, усеянных шипиками. Они способны к активной миграции и выполняют фагоцитарные функции.
Поверхность желудочков головного мозга и центрального канала спинного мозга выстлана слоем эпендимных клеток, которые по своим признакам ближе всего к астроцитам. На ранних стадиях развития и в некоторых участках мозга взрослых их апикальные участки снабжены ресничками, способствующими перемещению ликвора (рис. 2.31, Б).
Подэпендимный слой составляют растущие глиальные клетки с большим количеством волокон, образующих сплетение.