Александров Ю.И., Анохин К.В. - Нейрон. Обработка сигналов. Пластичность. Моделирование_ Фундаментальное руководство (2008)

Мембраны клеток глиальных и нейронов отделены друг от друга небольшим (20 нм) экстраклеточным пространством, заполненным жидкостью (рис. 14.6).

Ðèñ. 14.6. Схема нейронально-глиальных и глиально-глиальных взаимодействий (по: Николлс с соавт., 2003). (А) Клетки глии и нейроны разделены щелью (extracellular space), между ними нет синаптических контактов. Глиальные клетки соединены между собой электрическими синапсами (gap junction).

(B) Связи между нейронами, глией и кровеносной системой по данным световой (вверху) и электронной (внизу) микроскопии. Обозначения: end foot — концевая ножка (астроцита); capillary — кровеносный сосуд (капилляр); clefts — (межклеточные) щели, заполненные экстраклеточной жидкостью.

440

14.2.Физиология глии

14.2.1.Мембраны клеток макроглии

Макроглия играет важную роль в поддержании гомеостаза экстраклеточной среды, в частности, ионного баланса и распределения концентраций нейромедиаторов. В этой связи мембраны глиальных клеток так же, как и мембраны нейронов, содержат ионные каналы, рецепторы нейромедиаторов, ионные насосы и транспортеры аминокислот.

14.2.1.1.Ионные каналы и помпы

Âмембранах астроцитов и Шванновских клеток имеются калиевые

èхлорные ионные каналы, а также потенциал-зависимые натриевые и

кальциевые каналы. При этом доминирует калиевая проводимость, отношение которой к натриевой проводимости в Мюллеровских клетках составляет 100:1. В мембранах клеток глии обнаружены ионные помпы для трансмембранного транспорта ионов натрия и калия, бикарбоната и протонов (Astion et al., 1991).

14.2.1.2. Рецепторы к нейромедиаторам: прямой и обратный транспорт

В мембранах астроцитов, олигодендроцитов и Шванновских клеток широко представлены рецепторы и транспортеры для таких нейромедиаторов, как глутамат, ГАМК, глицин, ацетилхолин и норадреналин (Henn, Hamberger, 1971; Porter et al., 1998; Szatkowski et al., 1990).

Показано, что захват нейромедиаторов клетками глии играет клю- чевую роль в обеспечении нормального функционирования нейронных сетей. Так, натрий-зависимое поглощение астроцитами избыточного экстраклеточного глутамата в области синапсов приводит к деполяризации клеток глии и предотвращает чрезмерную активацию NMDA-ре- цепторов, которая, в противном случае, приводит к резкому повышению внутриклеточной концентрации кальция и, как следствие, смерти нейрона (Matsui et al., 1999). При очень высоких концентрациях внеклеточного глутамата или калия, возникающих, например, при гибели нейронов, деполяризующиеся клетки глии начинают выделять глутамат в экстраклеточное пространство. Такой переход от «спасительного» для нейронов поглощения избыточного глутамата к его «губительному» выделению происходит в результате реверсии электрогенно функционирующего механизма закачки медиатора (Takahashi et al., 1997). Активация «обратного транспорта» глутамата может приводить — по петле «положительной обратной связи» — к дальнейшему поврежде-

441

нию мозга. У трансгенных мышей при отсутствии в глиальных клетках глутаматного транспортера GLT-1 развивается эпилепсия и повышается чувствительность к конвульсантам (Porter, Mccarthy, 1998).

14.2.1.3. «Кальциевые волны». Молекулярные механизмы глиально-глиального и глиально-нейронального взаимодействий

С поглощением и одновременно с регуляцией высвобождения глутамата клетками глии связывают феномен так называемых «кальциевых волн», регистрируемых с помощью специальных кальций-чувствитель- ных флуоресцентных зондов в глиальных сетях. По данным Николлс с соавт. (2003), кальциевые осцилляции (волны) порождаются выходом кальция из внутриклеточных депо и распространяются затем по глиальному синцитию. Показано, что эти волны могут приводить к выделению глутамата из клеток глии и, как следствие, влиять на паттерны нейрональной активности (Newman, Zahs, 1998). С другой стороны, в работах Stevens et al. (2002) обнаружено, что увеличение внутриклеточного кальция в астроцитах происходит и при добавлении в раствор культуры ткани нейромедиатора глутамата. По данным Д. Филдза (2004), увеличе- ние внутриклеточной концентрации кальция в клетках глии, сопровождающее с некоторой задержкой во времени реакции рядом расположенных нейронов, является результатом увеличения входящего кальциевого тока,

àне выброса кальция из внутриклеточных депо (рис. 14.7 А, Б).

Âработах Ben Kater (1996; цит. по: Филдз, 2004) показано, что возникающие при поглощении глутамата «кальциевые волны» могут распространяться по глиальной сети in vitro (в культуре ткани) при отсутствии щелевых синапсов между глиальными клетками. Это свидетельствовало о том, что коммуникация глиальных клеток, опосредуемая кальцием и проявляющаяся в виде кальциевых волн, осуществляется не путем прямого перехода ионов кальция из клетки в клетку через электрические синапсы,

àс помощью внеклеточного механизма. Этот механизм, описанный в работах P.Guthrie (1999; цит. по: Филдз, 2004) и Филдза (2004), включает следующий каскад молекулярных реакций (рис. 14.8).

Аксоны возбужденных нейронов выделяют в окружающую среду молекулы АТФ. АТФ вызывает открытие кальциевых каналов в мембране прилегающей к нейрону глиальной клетки (астроцита, олигодендроцита или Шванновской клетки) и вход ионов кальция внутрь клетки. При поглощении кальция глиальная клетка выделяет в экстраклеточную среду молекулы АТФ. АТФ вызывает открытие кальциевых каналов в мембране соседней глиальной клетки, и цикл «вход ионов кальция — выделение АТФ» — повторяется. В результате такого каскада циклических реакций

442

«кальциевая волна» распространяется по глиальному синцитию (рис. 14.7, Б). Добавление в культуру ткани, содержащую Шванновские клетки и сенсорные клетки из дорзально-корешкового ганглия мыши, фермента апиразы, разрушающего АТФ, приводило ожидаемым образом к блокаде «кальциевых волн» в глии (Филдз, 2004). Имеются данные о том, что кальциевые волны в глии сетчатки (Мюллеровских клетках) влияют на частоту разрядов ганглиозных клеток (Филдз, 2004).

À

Á

Ðèñ. 14.7. «Кальциевые волны», генерируемые внутриклеточно в отдельных клетках глии (А) и затем распространяющиеся по глиальному синцитию (Б).

(А) Кальциевые волны в изолированных Мюллеровских клетках сетчатки саламандры, регистрируемые внутриклеточно с помощью кальций-чувствительного красителя fura-2 c интервалом 7 c. в ответ на добавление рианодина. Видно, что «кальциевая волна» зарождается в апикальных частях клетки (apical end) и постепенно распространяется в сторону концевой ножки (end foot) (по: Николлс с соавт., 2003). (Б) Кадры фильма, полученные с помощью лазерной конфокальной микроскопии и демонстрирующие распространение «кальциевых волн» по «электрическому синцитию» глиальных клеток (по: Филдз, 2004). Две крупные сенсорные клетки и мелкие Шванновские клетки заполнялись кальций-чувстви- тельным флуоресцирующим красителем и помещались в питательный раствор с высоким содержанием кальция (а). Электрическая стимуляция нейронов вызывала вначале закономерным образом флуоресценцию активированных сенсорных клеток (выделено красным цветом) (b). Но затем (через 12 с.) начинали «светиться» и Шванновские клетки (c), что указывало на повышение концентрации кальция в глиальных клетках, вызванное активацией нейронов. При этом это свечение распространялось в виде «кальциевой волны» все дальше от места стимуляции нейронов, охватывая всю окружающую нейроны сеть мелких Шванновских клеток (d; кадр снят через 18 с. после начала стимуляции).

443

Ðèñ. 14.8. Способы участия астроцитов в регуляции (модификации) передачи сигнала в глутамат-эргических синапсах (по: Филдз, 2004). Активированная пресинаптическая терминаль выделяет в синаптическую щель нейротрансмиттер глутамат (обозначен зеленым цветом) è ÀÒÔ (желтый цвет). Глутамат и АТФ вызывают поглощение кальция (фиолетовый) астроцитами, что, в свою очередь, вызывает интенсификацию глиально-глиального взаимодействия за счет высвобождения собственного АТФ. Астроциты могут повлиять на эффективность синаптической передачи несколькими способами: (1) они могут усилить передачу путем выделения собственного глутамата; (2) они могут ослабить передачу путем поглощения нейротрансмиттера или выброса связующих его белков (синий); (3) они могут с помощью собственных сигнальных молекул (красный) увеличить или же уменьшить выброс нейромедиатора при последующих активациях синапса. Не исключено, что аналогичные процессы нейронально-глиальных взаимодействий наблюдаются и в периферической нервной системе, где синапсы окружены не астроцитами, а Шванновскими клетками.

Взаимодействие между нейронами и глией не ограничивается циклом АТФ-кальций-АТФ. В исследованиях Филдза (2004) обнаружен факт активации входящим в глиальную клетку кальцием специфических сигнальных молекул, достигающих ядра и запускающих там счи- тывание информации с определенных генов.

444

14.2.2. Потенциал покоя. Глиальная клетка как «калий-чувствительный электрод»

Если значения потенциала покоя в нейронах не превышают -75 мВ, то потенциал покоя у клеток глии может достигать -90 мВ. Этот потенциал практически полностью определяется потенциалом электрохими- ческого равновесия для ионов калия и довольно точно рассчитывается по уравнению Нернста для полупроницаемых мембран, разделяющих растворы с разной концентрацией ионов калия (рис. 14.9).

Ðèñ. 14.9. Глиальная клетка как «калий-чув- ствительный электрод» (по: Kuffler et. al., 1966). (А) Схема регистрации активности глиальной клетки (glial cell) оптического нерва в протоке питательного раствора с меняющейся концентрацией ионов калия. (B) Уменьшение концентрации калия в 10 раз (с 3 мМ до 0.3 мМ) вызывает гиперполяризацию, а увеличение концентрации в 10 раз (до 30 мМ) — деполяризацию клетки.

(С) Экспериментально полученная зависимость мембранного потенциала глиальной клетки от внеклеточной концентрации калия отклоняется от теоретической (сплошная линия), рассчитываемой по уравнению Нернста, только в области очень низких концентраций калия (пунктир). Обозначения: RP — потенциал покоя (resting potential), mV — значения мембранного потенциала глиальной клетки.

445

Калиевые каналы распределены по мембране астроцитов и Мюллеровских клеток неравномерно с максимумом плотности в области концевого отростка (ножки) и минимумом — в области сомы (рис. 14.10).

Ðèñ. 14.10. Внутриклеточно регистрируемые реакции (деполяризация) разных участков изолированной Мюллеровской клетки сетчатки саламандры в ответ на локальное повышение концентрации внеклеточного калия (по: Newman, 1985). Видно, что максимальной чувствительностью к изменениям калия обладает концевая ножка, что объясняется более высокой концентрацией здесь калиевых каналов. Обозначения: A — концевая ножка, G — дистальная часть клетки; B, C, D, E, F — промежуточные между A и G части клетки для внутриклеточной регистрации реакций (указаны справа) на увеличение внеклеточного калия.

Указанные особенности послужили основанием для уподобления клетки макроглии калий-чувствительному электроду (Newman, 1985, 1988).

14.3. Функции глии

До недавнего времени считалось, что функции нейроглии — структурная поддержка нервной ткани, питание нейронов, электрическая изоляция их отростков и др. — принципиально ясны и в своей основе хорошо исследованы. Однако данные современной нейронауки свидетельствует о том, что клетки-сателлиты не являются просто вспомогательными элементами нервной ткани. Начиная с середины 90-х гг.

446

XX века и по настоящее время растет число работ, свидетельствующих об активном участии глии в информационных процессах мозга. В частности, уже не вызывает сомнения факт включенности глиальных клеток во все процессы мозга, требующие пластических перестроек нейронных сетей (эмбриогенез и прижизненный нейрогенез, формирование следов памяти, регенерация поврежденной нервной ткани). По мнению Д.Филдза (D. Fields), главного редактора журнала «Биология нейронально-глиальных взаимодействий» («J. Neuron Glia Biology»), «клетки глии, на которые ученые полвека не обращали никакого внимания, играют в процессах памяти, обучения и мышления не менее важную роль, чем нейроны» (Филдз, 2004: с. 23; Fields, 2006).

14.3.1. «Санитарные» функции глии: участие в процессах фагоцитоза и регенерации нервной ткани

Совместно с макрофагами крови клетки микроглии активно уча- ствуют в удалении продуктов распада поврежденных клеток, а совместно с клетками макроглии — в рубцевании и регенерации нервной ткани. Процесс фагоцитоза протекает в два этапа (Smith et al., 1987; McGlade-McCulloh et al., 1989). На первом этапе в очаге поражения активируются резидентные клетки микроглии, которые делятся и совместно с макрофагами крови утилизируют продукты распада. На втором этапе в очаг поражения мигрируют микроглиальные клетки из соседних областей, где до момента повреждения они распределены равномерно среди ганглиев и пучков аксонов. Участие микроглии в рубцевании и регенерации нервной ткани реализуется путем выделения микроглиальными клетками молекул экстраклеточного матрикса — ламинина, который способствует росту отростков нейронов (Ekblom, Timpl, 1996).

Активное участие в регенерации поврежденных аксонов перифери- ческих нервов принимают Шванновские клетки (ШК). Наиболее тщательно участие ШК в управлении ростом периферических нервов исследовано на модели концевой пластинки — синапса между окончанием двигательного нерва и скелетной мышцей (Son, Thompson, 1995 a, b) (рис. 14.11).

После утилизации продуктов распада клетками микроглии ШК пролиферируют параллельно ходу регенерирующего волокна, образуя так называемые «ленты Бюгнера». Регенерирующий аксон растет в дистальном от тела нейрона направлении вдоль этих лент, которые трансформируются затем в глиальную оболочку вновь образованного отростка.

447

Ðèñ. 14.11. Роль Шванновских клеток (ШК) в восстановлении нарушенных синаптических связей аксона двигательного нерва с концевой пластинкой мышечного волокна (по: Son, Thompson, 1995). (А) Последовательность событий при искусственной денервации мышечного волокна: (а) исходная ситуация (контроль); (b) дегенерация перерезанного нервного окон- чания (axon cut), иннервирующего правое мышечное волокно; (c) отросток ШК прорастает из области поражения в область мышеч- ной пластинки на соседнем (левом) мышечном волокне;

(d) веточка сохранного нервного волокна (слева) прорастает вдоль отростка ШК к денервированной концевой пластинке (справа) и устанавливает с ней синаптические связи. (В) Визуализация процесса восстановления иннервации денервированного мышечного волокна с помощью методов иммунной гистохимии. Процесс регенерации завершается через 3 часа после нанесения поражения и реализуется в два этапа: 1 этап — прорастание отрос-

тка ШК из области денервированной концевой пластинки (denervated end plate) в область сохранной концевой пластинки (innervated end plate) (направление роста ШК указано стрелкой под верхней частью рис. В) и 2 этап — прорастание веточки сохранного нервного волокна в обратном направлении вдоль отростка ШК (направление роста аксона указано стрелкой под нижней частью рис. В).

448

В процессе регенерации Шванновские клетки не только играют роль своеобразных «направляющих опор» для растущих аксонов, но и формируют стимулирующее рост биохимическое окружение в зоне спраутинга путем секреции нейротрофических факторов (BDNF, NGF) и факторов пролиферации (цитокинов ФИЛ и Reg-2), экспрессии на поверхности клеток молекул адгезии и интегринов, продукции компонентов внеклеточного матрикса (например, ламинина). Если в периферической нервной системе глия (ШК, микроглия) индуцирует рост нервной ткани, то при повреждении проводящих путей в ЦНС астроциты и олигодендроциты активно блокируют рост аксонов, образуя «глиальные рубцы» (рис. 14.12).

Ðèñ. 14.12. Регенерация аксонов чувствительных и двигательных нейронов в периферической нервной системе млекопитающих (по: Николлс с соавт., 2003). (А) Схема локализации тел и отростков моторных (spinal cord motoneuron) и чувствительных (dorsal root ganglion cells) нейронов на уровне спинного мозга в норме. (B) Места повреждений (перерезки) аксонов указаны двойными линиями (lesion site).

(С) Места успешной регенерации волокон указаны темными кружками. Видно, что рост восстанавливающихся волокон блокируется в двух местах: в области контакта растущих периферических аксонов (peripheral axon) дорзального корешка с астроцитами на поверхности спинного мозга и в области глиальных рубцов (Glial scar), образуемых в местах по-

вреждения ЦНС. Таким образом, регенерация возможна только в периферической нервной системе. В ЦНС восстановление нервной ткани наблюдается только при инъекции в область повреждения экстракта Шванновских клеток.

449