3.3. Аксон

Аксон (от греч. acsis – отросток, по-другому он называется нейрит) – это длинный отросток, несущий импульсы от тела нервной клетки, является двигательной (эфферентной) областью нейрона. В отличие от дендритов, которых у клетки может быть множество, аксон всегда один. С морфологической точки зрения аксоны – длинные, гладкие и разветвляются менее, чем дендриты. Ответвления аксона называют коллатералями.

Как пишет чешский нейроанатом Станислав Немечек: «…Более точным является обозначение «нейрит», так как оно лучше выражает противоположность к обозначению «дендрит». Наименование «осевой цилиндр» (сокращенно «аксон») логически следовало бы употреблять только тогда, когда нейрит не обнажен, а находится внутри специальной оболочки, являясь ее осью. Аксон вместе с глиальной оболочкой можно назвать нервным волокном. Англо-американское обозначение обнаженных нейритов как «аксоны», не точно. Однако оно настолько прижилось, что в настоящее время уже трудно обойтись без него. Так что мы вынуждены его тоже применять…».

Выделяют два вида нервных волокон:

Безмиелиновые (рис. 7) нервные волокна – покрыты одним слоем глиальных клеток, между которыми существуют щелевидные пространства. Клеточная мембрана аксона при таком способе покрытия глиальными компонентами по всей длине имеет контакт с окружающей межклеточной средой. Безмиелиновые нервные волокна способны генерировать нервные импульсы на всем своем протяжении.

Рис. 7. Группа немиелинизированных аксонов кошки с оболочкой из шванновских клеток; х 80000. М – мезаксон, ШК – шванновская клетка (По Волковой О.В. и др., 1987).

Миелиновые (рис.8) нервные волокна покрыты слоями глиальных клеток, которые формируют миелиновую оболочку. Миелиновая оболочка состоит из белково-липидного комплекса – миелина и образуется вследствие многократного обертывания аксона клетками глии. В центральной нервной системе эту роль выполняют олигодендроциты, в периферической – шванновские клетки. По ходу миелиновой оболочки встречаются участки без миелина, они называются перехватами Ранвье и соответствуют границам между миелинизироваными участками (рис. 9). В этих местах внеклеточный матрикс непосредственно контактирует с мембраной аксона. М

Перехват Ранвье

иелиновая оболочка выполняет изолирующую, опорную, барьерную и, возможно, трофическую и транспортные функции. Скорость проведения нервного импульса в миелиновых волокнах выше, чем в безмиелиновых. Распространение нервного импульса в них происходит путем перескакивания от перехвата к перехвату.

Волокна, покрытые миелиновой оболочкой, называются мякотными, а волокна, не покрытые миелином, получили название безмякотных. Мякотные нервные волокна входят в состав чувствительных и двигательных нервов, снабжающих органы чувств и скелетную мускулатуру, они также встречаются и в вегетативной нервной системе. Безмякотные волокна принадлежат в основном к симпатической нервной системе.

По степени миелинизации выделяют следующие группы волокон:

группа А ( α, , , ) – имеют самую толстую миелиновую оболочку и самую высокую скорость проведения нервного импульса;

группа В – миелиновая оболочка менее выражена;

группа С – без миелиновой оболочки, скорость проведения нервного импульса низка, напрямую зависит от диаметра нервного волокна.

Р ис. 8. Участок миелина аксона крысы: видна тонкослоистая мультимембранная структура; х 160000 (По Волковой О.В. и др., 1987).

Рис. 9. Продольный разрез нервного волокна крысы в области перехвата Ранвье; х 60000. А – аксон, ШК – шванновская клетка (По Волковой О.В. и др., 1987).

Ультраструктура аксона отличается от дендритной. Более того, даже разные части аксона существенно отличаются друг от друга как по структурной организации, так и по функциональному значению. Аксонный холмик, прилежащий к телу аксона и генерирующий нервный импульс, содержит продольно ориентированные пучки нейрофиламентов, по периферии располагаются пучки микротрубочек, цистерны ЭПР, отдельные рибосомы и цистерны АГ. Место выхода аксона хорошо визуализируется даже на световом уровне: эта зона свободна от субстанции Ниссля. За аксонным холмиком расположен начальный (инициальный) сегмент. Он лишен глиальной оболочки, свободных рибосом, компонентов АГ и пучков микротрубочек. Эта зона богата синаптическими контактами, оказывающими сильное влияние на активность нейрона. Средние отделы аксона характеризуются равномерным распределением микротрубочек и нейрофиламентов, присутствуют мультивезикулярные тельца и везикулы, развит гладкий ЭПР. По ходу аксона, ближе к терминальным окончаниям наблюдаются веретеновидно утолщенные участки. Там происходит синтез и накопление медиатора. Сами терминали считаются пресинапсом, содержат кроме синаптических везикул нейрофиламенты и микротрубочки, а при активно протекающих нервных процессах и достаточное количество митохондрий.

Несмотря на то, что основными структурными компонентами аксона являются микротрубочки и нейрофиламенты, формирующие цитоскелет и транспортные пути по аксону, здесь очень мало белка МАР-2 который типичен для дендритов. В аксонах имеются белки – маркеры конусов роста GAP-43 (growth associated protein) и мембранно-ассоциированный белок BASP1 (brain acid soluble protein). GAP-43 является исключительно нейроспецифическим белком, который активируется в клетке при увеличении ионов Са²⁺ (маркер дифференцировки нейрона, т.н. «кальциевая волна»), в то время как экспрессия белка BASP1 наблюдается и в некоторых других тканях. В дифференцированных нейронах большое количество этих белков содержится в синаптических бляшках на концах аксонов, а у развивающихся нейронов – в конусах роста на конце нейритов. Экспрессия перечисленных белков непосредственно связана с ростом и регенерацией аксонов, установлением новых синаптических связей при развитии нервной системы, а также с пластичностью синапсов во взрослом организме.

Объем цитоплазмы аксона (аксоплазмы) часто значительно превышает объем цитоплазмы тела нервной клетки. Сам аксон может достигать в длину около 1м, а его боковые ответвления – коллатерали – отходят от основного ствола почти под прямым углом и в целом более вариабельны, чем дендритные ветвления. И в дендритах, и в аксонах наблюдается циркуляция цитоплазмы – дендритный и аксонный транспорт. Циркуляция аксоплазмы, или аксонный ток, был описан Вейсом в 1925 г. в аксонах мотонейронов лягушки. Различают прямой (антероградный) и обратный (ретроградный) аксоток. Различные вещества перемещаются по аксону с разной скоростью. Выделяют быстрый, медленный и промежуточный компоненты транспорта. Быстрый аксональный ток достигает 200-400 мм/сут. С такой скоростью перемещаются синаптические пузырьки, гликолипиды, гликопротеиды, ферменты, медиаторы, ионы Са²⁺. Промежуточный транспорт идет со скоростью 2-50 мм/сут, так перемещаются митохондрии, нейроактин, модуляторы действия медиаторов, например кальмодулин. Медленным транспортом со скоростью 0,2-1 мм/сут перемещаются белки нейрофиламентов, тубулины, тау-протеин. Тау-протеин – анормальный белок мозга, его агрегация с микротрубочками и/или накопление в аксоне приводит к дегенерации нейронов, что наблюдается при развитии болезни Альцгеймера – наиболее распространенной формы старческого слабоумия. Прямой аксоток направлен вдоль микротрубочек, которые в аксоне выполняют не только функции цитоскелета, но и являются магистральными путями перемещения различных веществ и структур. Ретроградный аксоток идет приблизительно с одинаковой скоростью 100-200 мм/сут, таким способом в тело нейрона возвращаются катаболиты синапса, ферменты лизосом и (что самое важное!) другие молекулы, попавшие в пресинапс от постсинаптической части другого нейрона. Эта обратная связь очень важна для установления функционального равновесия между контактирующими нервными клетками.

В ходе нейрогенза в момент формирования первичных связей нейрон может образовывать несколько аксонных отростков, но из них сохраняется только один, который растет в направлении органа-мишени. На прорастающем аксоне формируется конус роста, на поверхности которого имеются короткие филлоподии (рис. 10). Между растущим аксоном и целью имеется химическая и пространственная ориентация, которая является, по сути, информацией положения.

Рис. 10. Морфология дифференцирующихся клеток нервной ткани. Культура среднего мозга эмбриона крысы (20-е сут). а – дифференцирующаяся клетка с тремя конусами роста; b – клетка с многочисленными конусами роста в виде сферических выростов цитоплазмы, от которых в разные стороны формируются филлоподии; с – клетка с единичным конусом роста, предположительно олигодендроцит.

Движение аксона к мишени определяется, с одной стороны, генетически закодированным механизмом. Имеется молекулярная запрограммированная связь одной клетки с другой, повторяющаяся у разных организмов из поколения в поколение. Этот механизм обеспечивает не только топографические взаимоотношения в онтогенезе, но и репаративные процессы при повреждении нервных связей. С другой стороны, на растущий аксон действуют внешние факторы. Например химические: факторы роста и молекулы адгезивных белков коллагена, фибронектина, ламинина. Большинство факторов роста действуют на рецепторы мембраны нейрона или рецепторы самой аксолеммы, стимуляция роста происходит через сигнальные трансмембранные белки с тирозиназной активностью и вторичные мессенджеры цитоплазмы. Немаловажную роль играют и электростатические взаимодействия. Предполагается также, что в этом процессе важную роль играют временная последовательность созревания клеток и их связей.

Аномалии развития, возникающие по причине нарушения путей миграции аксонов, получили название дисмиграционных нарушений головного мозга, или болезней нейронной миграции. В целом симптоматика зависит от отдела мозга, но проявляется уже в период новорожденности в виде нарушений адаптации, судорожного синдрома. По мере роста ребенка наблюдается задержка психомоторного развития, неврологический дефицит различной степени (часто – церебральный паралич), шизоэпилепсия и многое другое.

4. Межнейронные контакты и способы передачи информации в нервной системе

4.1. Межнейронные контакты

4.1.1. Неспециализированные контакты

4.1.2. Специализированные контакты

4.2. Электрический синапс

4.3. Химический синапс

4.3.1. Пресинаптическая область

4.3.2. Постсинаптическая область

4.1. Межнейронные контакты

Нейроны как клетки, специализирующиеся в переносе специфической информации, в силу своих функциональных особенностей включены в систему контактов различного рода. К ним относятся контакты, осуществляющие механическую и функциональную связь между нейронами.

4.1.1. Неспециализированные контакты. Данный тип мембранных соединений представлен в нервной системе в виде плотных и щелевых контактов, а также различного вида десмосом. В зоне плотного контакта мембраны нейронов находятся на расстоянии 3 – 5 нм, что создает барьер для диффузии высокомолекулярных соединений, обеспечивая тем самым химическую изоляцию нейронов. Через такой контакт не происходит передачи нервного импульса, так как высокое сопротивление мембран и низкоомность межклеточной среды являются непреодолимым барьером для распространения электрических процессов с одной клетки на другую. Соединения такого рода обнаружены в миелиновых оболочках аксонов, между отдельными нервными и глиальными клетками. В наибольшем количестве такие контакты встречаются в сетчатке глаза, обонятельной луковице, стволе головного мозга, коре больших полушарий. Щелевые контакты – другая разновидность соединений; обнаруживаются чаще между глиальными клетками эпендимы, выстилающей мозговые желудочки и между отростками астроцитов вокруг кровеносных сосудов. Через эти контакты проходят ионы и низкомолекулярные соединения: глюкоза и ряд медиаторов (NO, аминокислоты). Данные соединения особенно важны для формирования физиологического фильтра, регулирующего обмен нервной ткани – гематоэнцефалического барьера (гистогематический барьер между кровью, с одной стороны, и цереброспинальной жидкостью и нервной тканью – с другой). Десмосомы – контакты механического типа в нервной системе встречаются довольно редко. В большинстве случаев нервные и глиальные клетки отделены друг от друга межклеточными промежутками различной ширины.

4.1.2. Специализированные контакты. Данный тип контактов устанавливает функциональную связь между нейронами, обеспечивает эффекторные взаимодействия, служащие для передачи сигналов из нервной системы на исполнительные органы, а также рецепторные, воспринимающие влияния из окружающей среды, внутренней и внешней. Специализированные межнейронные контакты представлены химическими и электрическими синапсами. С этимологической точки зрения термин синапс означает соединение между двумя клетками. Но в нейробиологии это обозначение применяется только для таких межклеточных соединений, при которых осуществляется перенос специфической нервной информации, сопровождающийся развитием процессов возбуждения или торможения. Именно в этом смысле впервые употребил этот термин Шеррингтон в 1906 году. Существует и более общее определение: синапс – это место контакта между двумя клетками, каждая из которых заключена в собственную электрогенную мембрану. В зависимости от расположения синапсы подразделяются на центральные (аксосоматические, аксоаксональные, аксодендритные и пр.) и периферические (мионевральные, нейроэпителиальные, вегетативных ганглиев). Согласно физиологической классификации, в основе которой лежит процесс, возникающий на иннервируемой клетке, различают возбуждающие и тормозные (деполяризующие и гиперполяризующие) синапсы.

Основными компонентами, которые всегда можно выделить в любом типе синаптических соединений, являются пресинапс, синаптическая щель и постсинапс. Пресинапс представляет собой мембранный компонент клетки, передающей возбуждение, постсинапс – соответственно, другой клетки, принимающей возбуждение. Пространство между пресинапсом и постсинапсом, которое может быть очень мало (например в электрическом синапсе), называется синаптической щелью.