Molekuljarnaja Biologija Kletki v3
.pdf
341
Рис. 19-49. А. Микрофотография слуховой волосковой клетки млекопитающего, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа. Видны тонкие филаменты, идущие от верхушек коротких стереоцилий к более длинным стереоцилиям следующего ряда. Б. Те же структуры, как они видны в трансмиссионном электронном микроскопе. Стрелками показаны филаменты. (Б- фотография М. P. Osborne; А и Б воспроизведены с разрешения J. D. Pickles, Prog. Neurobiol., 24, 1-42, 1985. Copyright 1985, Pergamon Press plc.)
тате наклона стереоцилий и приводящий к появлению рецепторного потенциала, поступает в волосковую клетку вблизи верхушки стереоцилий. Таким образом, вся структура в целом предназначена для того, чтобы ионный канал на кончике стереоцилий открывался в результате механического натяжения, вызываемого наклоном пучка стереоцилий (рис. 19-50).
Механизм волосковых клеток удивительно чувствителен: самые слабые звуки из тех, какие мы только можем слышать, растягивают вертикальные нити, прикрепленные к верхушкам стереоцилий, в среднем на 0,04 нм, что вдвое меньше диаметра атома водорода. Анализ рецепторного тока показывает, что в стереоцилий, вероятно, находится от одного до пяти механически регулируемых каналов. Каждая слуховая волосковая клетка человека несет около сотни стереоцилий, а в одном ухе имеется около 3500 таких клеток, так что способность слышать нам обеспечивают менее 4 млн. молекул-преобразователей.
19.6.4. Фоторецепторы обладают высокой чувствительностью и способны к адаптации, но реагируют относительно медленно [42]
Чувствительность фоторецепторов в глазах позвоночных приближается к крайнему пределу, допускаемому квантовой природой света. Кроме того, диапазон восприятия чрезвычайно широк - от света максимальной переносимой яркости до едва заметного освещения. Но по сравнению со слуховыми преобразователями скорость реагирования фоторецепторов очень мала. При оптимальных условиях самому «быстрому» фоторецептору человеческого глаза требуется примерно 25 мс для достижения пика электрической реакции на вспышку света, что более чем в 100 раз больше времени реагирования типичной волосковой клетки. Вероятно, относительная медленность ответа фоторецептора связана с важными ограничениями, заложенными в природе механизма зрительного преобразования.
Рис. 19-50. Схема предполагаемого механизма, благодаря которому в результате наклона стереоцилий волосковой клетки открывается ионный канал. С помощью тонких механических измерений, подтверждаемых результатами регистрации электрического состояния одиночной волосковой клетки при отклонении пучка стереоцилий с помощью гибкого стеклянного зонда, можно действительно обнаружить ответ механически зависимых каналов на приложенную силу. С помощью этого метода можно показать, что сила, необходимая для открытия одного гипотетического канала, равна примерно 2·10-13 ньютонов и что его «ворота» при этом перемещаются на расстояние около 4 нм.
342
19.6.5. Рецепторный потенциал, возникающий в палочке, - результат закрытия натриевых каналов [43J
Как уже говорилось в гл. 17 (разд. 17.2.2), в глазу позвоночных имеются два типа фоторецепторных клеток. Колбочки служат для цветового зрения и восприятия мелких деталей и требуют сравнительно сильной освещенности. Палочки обеспечивают монохроматическое зрение при слабом свете и могут дать измеримый электрический ответ на один-единственный фотон (рис. 19-51). Механизм действия палочек и колбочек, по-видимому, сходен, но палочки лучше изучены.
Палочка (рис. 19-52) состоит из наружного сегмента, содержащего световоспринимающий аппарат, внутреннего сегмента, где находится множество митохондрий, ядерной области и (в основании клетки) синаптического тельца,
образующего контакт с нервными клетками сетчатки (см. рис. 17-6). Как это ни удивительно, но в темноте клетка очень сильно деполяризована; эта деполяризация удерживает потенциал-зависимые кальциевые каналы синаптического тельца в открытом состоянии, и переход ионов Са2+ внутрь клетки приводит к непрерывному высвобождению медиатора. Деполяризация обусловлена тем, что в плазматической мембране наружного сегмента открыты натриевые каналы. При воздействии света эти каналы закрываются, так что рецепторный потенциал проявляется в форме гиперполяризации, приводящей к снижению притока Са2+ и уменьшению скорости выделения медиатора (рис. 19-52). Так как медиатор оказывает тормозящее действие на многие из постсинаптических нейронов, эти нейроны при освещении растормаживаются и в результате возбуждаются. Скорость высвобождения медиатора фоторецепторами изменяется в соответствии с интенсивностью света: чем ярче свет, тем сильнее гиперполяризация и тем больше замедляется
Рис. 19-51. Электрическая реакция палочки на одиночные фотоны. А. На микрофотографии показана методика проведения эксперимента. Отпрепаровывают кусочек сетчатки жабы, и наружный сегмент одной палочки всасывают в отверстие стеклянной микро-пипетки, которая затем служит электродом для регистрации тока, проходящего через мембрану палочки. Б. Запись изменений силы тока во время серии слабых вспышек света; число фотонов, поглощаемых клеткой при каждой вспышке, варьирует случайным образом, но оно всегда целое. Высокие пики на графике чаще всего соответствуют поглощению одного или двух фотонов, но многие вспышки не вызывают никакой реакции, так как поглощения фотонов не происходит. (D. A. Baylor et al, J. Physiol., 288, 589-611, 1979.)
Рис. 19-52. Реакция палочки на освещение. Фотоны поглощаются случайным образом молекулами родопсина, находящимися в наружном сегменте. Это приводит к закрытию натриевых каналов в плазматической мембране и снижению скорости выделения медиатора из синаптического тельца.
343
выделение медиатора. При очень слабом фоновом освещении, когда клетка находится в наиболее чувствительном, «темноадаптированном» состоянии, поглощение одного фотона снижает приток натрия на миллион или более ионов Na + , и гиперполяризация достигает ~1 мВ.
19.6.6. Фотоны изменяют конформацию молекул родопсина [43, 44]
Каким образом свет первоначально воспринимается клеткой и какова цепь событий, приводящих к закрытию натриевых каналов? Наружный сегмент, где происходят ключевые этапы преобразования светового сигнала, представляет собой цилиндр, содержащий около тысячи дисков, плотно упакованных в виде стопки (см. рис. 17-7). Каждый диск образован замктутой в пузырек мембраной, в которой находятся светочувствительные молекулы родопсина; плотность упаковки этих молекул составляет примерно 105 на 1 мкм2. Молекула родопсина состоит из трансмембранного гликопротеина опсина (длиной 348 аминокислотных остатков) и ковалентно связанной с ним простетической группы 11 -цис- ретиналя, который и поглощает свет. При поглощении фотона 11-цис-ретиналь почти мгновенно изомеризуется в полностью-транс-ретиналь, изменяя при этом свою форму, что приводит к более медленному изменению конформации опсина. Все эти события занимают около 1 мс. Затем примерно через 1 мин полностью-транс-ретиналь отделяется от опсина в результате гидролиза связи между ними и выходит в цитозоль, где в конце концов снова переходит в 1 1-цис-форму; последняя соединяется с опсином, и таким образом происходит регенерация светочувствительной молекулы родопсина. Именно раннее конформационное изменение родопсина, вызванное светом, приводит к закрытию натриевых каналов. Но поскольку родопсин находится в дисках, т. е. на некотором расстоянии от каналов, для сопряжения этих событий необходим «посредник».
19.6.7.К закрытию натриевых каналов плазматической мембраны приводит снижение уровня циклического GMP
вцитоплазме фоторецепторных клеток, вызванное светом [43, 44, 45]
При улавливании света палочкой происходит изменение внутриклеточной концентрации как Са2 + , так и cGMP, поэтому любая из этих молекул могла бы в принципе служить внутриклеточным посредником. С помощью метода исследования небольших участков мембраны (разд. 4.2.3) установлено, что ключевым сигналом служит падение концентрации циклического GMP в цитозоле. В решающем эксперименте небольшой участок мембраны наружного сегмента отсасывали с помощью микроэлектрода, и тогда внутренняя сторона этого участка становилась доступной для воздействий (рис. 19-53). Когда в среду, омывающую
Рис. 19-53. Схема эксперимента, который показывает, что cGMP при его воздействии на плазматическую мембрану палочки со стороны цитоплазмы непосредственно контролирует открытие и закрытие ионных каналов. Относительно медленное увеличение и уменьшение тока при добавлении и удалении cGMP связано с тем, что для изменения состава омывающей среды требуется некоторое время. Скорость реакции каналов на cGMP слишком высока, чтобы ее можно было определить с помощью этой методики. (По Е. Е. Fesenko, S. S. Kolesnikov, A. L. Lyubarsky, Nature,
313, 310-313, 1985.)
344
Рис. 19-54. Каскад ферментативных реакций, приводящий к возникновению рецепторного потенциала после поглощения одного фотона палочкой, адаптированной к темноте. Расходящимися стрелками указаны этапы, на которых происходит усиление.
кусочек мембраны, вводили циклический GMP, а к мембране прикладывали разность электрохимических потенциалов, появлялся ток ионов Na+ после удаления циклического GMP ток прекращался, несмотря на высокую концентрацию Са2 +. Таким образом, сGМР открывает натриевые каналы, а свет, вызывающий снижение концентрации cGMP, закрывает эти каналы. Обычно эффекты циклических нуклеотидов реализуются через фосфорилирование определенных белков активированной протеинкиназой (разд. 12.3.14), однако в палочках cGMP воздействует прямо на натриевые каналы, не позволяя им закрываться. Но каким образом вызванное светом изменение конформации родопсина снижает концентрацию cGMP в цитозоле палочки?
Поглощение одного фотона одной молекулой родопсина приводит к гидролизу многих молекул cGMP. Такое усиление эффекта достигается благодаря каскаду ферментативных реакций. Одна молекула активированного родопсина катализирует активацию G-белка, называемого трансдуцином, с очень высокой скоростью - примерно 1000 молекул в секунду. Трансдуцин гомологичен GS-белку (разд. 12.3.4), который функционально сопрягает рецепторы с аденилатциклазой (а сам родопсин гомологичен таким рецепторам - см. разд. 12.3.12). Однако активированный трансдуцин не взаимодействует с аденилатциклазой, а активирует cGMP-фосфодиэстеразу, которая специфически гидролизует cGMP со скоростью около 4000 молекул в секунду, что приводит к быстрому снижению уровня cGMP. В результате всего этого каскада, занимающего примерно секунду, гидролизуется более 105 молекул cGMP на один поглощенный квант света, что приводит к кратковременному закрытию 250 натриевых каналов (рис. 19-54).
19.6.8. Фоторецептор адаптируется к яркости света [46]
Для возвращения фоторецептора в состояние покоя после возбуждения его светом каждая реакция ферментативного каскада, инициированного светом, должна быть «уравновешена» соответствующей реакцией инактивации. По-видимому, свет ускоряет как активирующие, так и инактивирующие реакции, но второй эффект проявляется чуть позднее, поэтому свет вызывает мгновенный положительный ответ, который затем очень быстро затухает. Такая запаздывающая инактивация не только помогает обеспечить короткий ответ на короткую вспышку света, но и дает возможность фоторецептору адаптироваться: свет постоянной яркости, вместо того чтобы просто приводить клетку в состояние насыщения с близкой к нулю концентрацией cGMP, вызывает два противоположных эффекта, которые почти гасят друг друга, что позволяет клетке реагировать на последующие изменения освещенности.
По-видимому, вызванное светом уменьшение концентрации Са2+ играет решающую роль как в прекращении реакции на вспышку света, так и в адаптации. Если изменение концентрации Са2+ искусственно задержать путем введения в фоторецептор Са2 +-буфера, то электрический ответ на световую вспышку будет очень продолжительным и клетка будет слишком медленно адаптироваться к постоянному освещению. Если фоторецептор поместить в раствор, полностью блокирующий передвижение Са2+ через плазматическую мембрану, то те же самые эффекты проявятся в еще большей степени, а адаптации не произойдет совсем. В норме каналы, через которые ионы натрия поступают в наружный сегмент фоторецептора, до некоторой степени проницаемы и для других катионов, включая Са2+ . Свет, закрывая каналы, блокирует приток кальция, в то время как отток Са2+ (опосредуемый в плазматической мембране палочки системой Са2+/Nа+ -антипорта) продолжается, в результате чего внутриклеточная концентрация ионов кальция падает,
345
Полагают, что это ускоряет те ферментативные реакции (в особенности синтез cGMP гуанилатциклазой), которые противодействуют вызываемому светом падению концентрации cGMP, помогая клетке адаптироваться.
19.6.9. Нейроны обрабатывают исходную информацию, доставляемую сенсорными рецепторными клетками [47]
Через сенсорные рецепторные клетки в нервную систему поступает огромный поток информации. Мозг должен переработать эту информацию и выделить значимые элементы: выхватить слова из хаоса звуков, различить лицо среди светлых и темных пятен и так далее. В этом заключается вторая стадия переработки сенсорной информации - переработка на уровне нейронов, гораздо более тонкая и сложная, чем та, что происходит в рецепторных клетках. Эта вторая стадия включает «вычисления», выполняемые сложно переплетенной сетью нейронов, где каждый нейрон обычно получает множество сигналов, среди которых есть и возбуждающие, и тормозные. Каждый нейрон генерирует выходной сигнал, несущий информацию о наличии или отсутствии каких-то специфических элементов в исходных данных, доставляемых рецепторными клетками. Например, определенные группы клеток в зрительных центрах мозга генерируют потенциалы действия, когда глаз видит прямую линию, определенным образом ориентированную в пространстве. Выходные сигналы от одной группы будут приняты другими нейронами, выполняющими следующий этап процесса, и так далее ко все более высоким уровням восприятия - вплоть до распознавания таких тонких и сложных вещей, как осмысленные слова и выражения лиц.
Для такой переработки информации необходима поразительно сложная организация анатомических связей между нервными клетками. Детали взаимоотношений между анатомией нервной системы и высшей нервной деятельностью выходят за рамки книги о биологии клетки. Но в чем все же заключаются основные механизмы, благодаря которым создаются сложные, но упорядоченные анатомические структуры? Рассмотрению этого вопроса будет посвящен следующий раздел главы.
Заключение
Специальные преобразователи превращают сенсорные стимулы в электрические сигналы. Например, у позвоночных волосковые клетки внутреннего уха представляют собой механорецепторы: на свободной поверхности каждой волосковой клетки имеется пучок стереоцилий (гигантских микроворсинок), и при наклоне таких пучков открываются ионные каналы, что ведет к изменению мембранного потенциала. Мембранный потенциал фоторецепторных клеток в глазу позвоночного изменяется при поглощении света молекулами родопсина, содержащимися в этих клетках. И в том, и в другом случае электрический сигнал, возникающий в сенсорной клетке вначале в форме рецепторного потенциала, передается соседним нейронам через химические синапсы. Однако два упомянутых класса клеток-рецепторов используют для выработки рецепторных потенциалов различные «стратегии»: в основе одной лежат рецепторные молекулы, связанные с каналами, а другая зависит от молекул-рецепторов, не связанных с каналами. В волосковых клетках физическая связь между стереоцилиями порождает механические силы, которые прямо воздействуют на ионные каналы в плазматической мембране, заставляя их быстро открываться или закрываться. В палочках сетчатки активированные светом молекулы родопсина инициируют каскад ферментативных реакций, в результате которых в цитозоле гидролизуется цикличе-
346
ский GMP, что в свою очередь ведет к закрытию натриевых каналов плазматической мембраны. Хотя механизм, основанный на каталитических реакциях, не может быть очень быстрым, он позволяет peaгировать на один-единственный фотон.
19.7. Рождение, рост и гибель нейронов [48]
Проблема развития нервной системы уникальна. Каким образом аксоны и дендриты, отходящие от миллиардов нейронов, отыскивают надлежащих партнеров для связей так, чтобы создалась эффективно функционирующая сеть? Различного рода нейроны и сенсорные клетки, а также интернируемые мышцы чаще всего находятся у зародыша на значительных расстояниях друг от друга и первоначально не связаны между собой. Поэтому в первой фазе развития нервной системы различные ее части развиваются по собственным «локальным» программам в cooтветствии с принципами дифференцировки клеток, общими для всех тканей тела, о чем уже говорилось в гл. 16. В следующей фазе осуществляется тип морфогенеза, свойственный только нервной системе. На этом этапе создается хотя и предварительная, но уже упорядоченная схема связей между частями нервной системы с помощью аксонов и дендритов, растущих в нужных направлениях. Первоначально обособленные части могут теперь взаимодействовать друг с другом. В третьей, последней фазе, продолжающейся и в период взрослой жизни, возникшие ранее связи уточняются и совершенствуются в результате взаимодействия отдаленных компонентов с учетом электрических сигналов, передаваемых и получаемых этими компонентами.
19.7.1. Нейроны образуются в соответствии с определенными программами клеточного деления [48, 49]
Почти у всех животных от нематод до позвоночных образование нейронов, за редкими исключениями, подчиняется трем основным правилам: 1) зрелые нейроны не делятся; 2) после образования полного комплекта нейронов, свойственного взрослой особи, не остается никаких стволовых клеток, способных производить новые нейроны; 3) нейроны в каждой небольшой области развивающейся нервной системы формируются в соответствии с собственной программой деления, без влияния со стороны тех групп клеток, с которыми позднее образуются нервные связи.
У позвоночных нервная система развивается из двух клеточных комплексов эктодермального происхождения - нервной трубки (разд. 16.1.9) и нервного гребня (разд. 16.6,5). Из нервной трубки развивается центральная нервная система (головной и спинной мозг), тогда как нервный гребень служит источником большинства нейронов и поддерживающих клеток периферической нервной системы. Помимо этого из утолщений, или плакод, эктодермы головы развиваются некоторые сенсорные нейроны, в том числе иннервирующие ухо и нос (рис. 19-55).
Нервная трубка, о которой здесь в основном пойдет речь, вначале состоит из однослойного эпителия - в дальнейшем источника образования как нейронов, так и глиальных клеток центральной нервной системы (рис. 19-56). Позже этот эпителий утолщается и становится более сложным образованием со многими слоями клеток различного типа. Процесс пролиферации здесь был изучен с помощью 3Н-тимидина, который включается в клетки, находящиеся в S-фазе клеточного цикла. Ткань фиксировали либо сразу после введения метки, чтобы установить, какие клетки делятся, либо на более поздней стадии, чтобы узнать, какие зрелые клетки образуются из тех клеток-предшественников, которые
347
Рис. 19-55. Схематическое изображение раннего (2,5 дня) куриного зародыша: показано, из каких структур образуется нервная система. Нервная трубка (выделена розовым цветом) уже закрылась, за исключением хвостового участка, и располагается под эктодермой, частью которой она была вначале (см. рис. 16-13). Нервный гребень (показан серым цветом) расположен вверху между крышей нервной трубки и эктодермой. Из утолщений на поверхности эктодермы - плакод - развиваются определенные группы сенсорных клеток и нейронов. На этой стадии уже практически завершилась инвагинация статоакустической плакоды и образовался слуховой пузырек - зачаток внутреннего уха и источник нейронов связанного с ним ганглия; в результате инвагинации обонятельной плакоды образуется выстилка носа, включая обонятельные нейроны, ответственные за восприятие запахов. Другие черепные плакоды дадут начало клеткам черепных сенсорных ганглиев, которые обеспечивают большую часть сенсорной иннервации головы и шеи. В отличие от других сенсорных клеток сенсорные клетки глаза развиваются из нервной трубки.
Рис. 19-56. Микрофотография поперечного среза двухдневного куриного зародыша, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа. Нервная трубка уже почти замкнулась и отделилась от эктодермы. На этом этапе эпителий нервной трубки состоит из одного клеточного слоя. (С любезного разрешения Jean-Paul Revel.)
348
делились в момент введения 3Н-тимидина. Такие исследования особенно успешно используются для определения «дат рождения» различных нейронов: так как нейроны, прошедшие дифференцировку, не делятся, каждый предшественник нейрона должен пройти свое последнее деление в определенный день перед началом своего созревания как нервной клетки. Оказалось, что как у позвоночных, так и у беспозвоночных «даты рождения» нейронов данного типа обычно приходятся на тот строго ограниченный период развития, после которого уже не образуется нейронов этого типа. Каждая область развивающейся нервной трубки имеет собственную программу деления клеток, и обычно нейроны, имеющие разные «даты рождения», предназначены для разных функций. Так как после завершения образования нервных клеток и начала формирования связей между НИМИ стволовые клетки прекращают свое существование, число нейронов в дальнейшем может меняться только в сторону уменьшения в результате отмирания клеток (см. ниже разд. 19.7.11).
19.7.2. Радиальные глиальные клетки образуют временный «каркас», направляющий миграцию незрелых нейронов [50]
Незрелый нейрон еще не образовавший аксона и дендритов, обычно мигрирует из места своего «рождения» в какой-нибудь другой участок. Такие миграции нейронов можно прослеживать с помощью 3Н-тимидина: метка включается в клетки-предшественники, проходящие последнее деление, после чего их меченые потомки могут быть обнаружены в других местах. Например, мотонейроны, которые будут иннервировать конечности, проходят последний митоз около просвета нервной трубки, а затем перемещаются к ее периферии и попадают в вентральные рога будущего спинного мозга (рис. 19-57).
Миграцию нейронов направляют специализированные элементы нервной трубки - радиальные глиальные клетки (рис. 19-58, А). Это сохранившиеся клетки первоначального столбчатого эпителия нервной трубки, которые все больше вытягивались, по мере того как стенка трубки утолщалась: каждая из этих клеток простирается от внутренней поверхности трубки до наружной. В некоторых участках развивающегося головного мозга приматов это расстояние может достигать 2 см. Трехмерная реконструкция по электронным микрофотографиям серийных срезов показывает, что незрелые мигрирующие нейроны тесно примыкают к радиальным глиальным клеткам и, видимо, как бы ползут по ним (рис. 19-58, Б и В).
Рис. 19-57. Участки, из которых развиваются мотонейроны спинного мозга, но данным ридиоавтографии после введения небольшой дозы тимидина, меченного тритием, на раннем этапе развития. На схемах показаны поперечные разрезы нервной трубки раннего эмбриона (слева) и относительно зрелого спинного мозга, развивающегося из нее (справа). На поздней стадии наибольшее количество метки содержат те клетки, которые в момент введения 3Н-тимидина проходили свою последнюю фазу синтеза ДНК. Для простоты на схеме зрелого спинного мозга показаны только мотонейроны, хотя в сером веществе имеется также много других нервных клеток. Белое вещество (не закрашено) содержит главным образом пучки аксонов, идущих вдоль спинного мозга и связывающих разные области серого вещества. (У взрослых особей эти области выглядят белыми, так как содержат большое количество миелина.) О том, как образуются глиальные клетки в процессе развития организма, см. в гл. 16.
349
Рис. 19-58. А. Поперечный срез части развивающейся коры головного мозга обезьяны (упрощенная схема). На препарате, окрашенном по методу Гольджи, видны радиальные глиальные клетки, отходящие от просвета нервной трубки к ее наружной поверхности. Б. Более подробная схема области, выделенной розовым цветом на схеме А. Показаны незрелые нервные клетки, мигрирующие вдоль отростков радиальных глиальных клеток. В. Изображение одного из таких мигрирующих нейронов, основанное на реконструкциях по серийным электронно-микроскопическим срезам. (По P. Rakic, J. Сотр. Neurol., 145, 61-84, 1972.)
Радиальные глиальные клетки сохраняются в течение многих дней (у некоторых видов до нескольких месяцев) как популяция неделящихся клеток, ясно отличающихся от нейронов и их предшественников. Только к концу периода развития они в большинстве областей головного и спинного мозга исчезают; высказано предположение, что многие из них превращаются в астроциты, но это еще требует прямых доказательств. Таким образом, радиальные глиальные клетки можно рассматривать как вспомогательный аппарат развития - они необходимы в качестве «лесов» при построении сложных нервных структур, но в зрелой нервной системе почти нигде не сохраняются.
19.7.3. Тип нейрона и его будущие связи определяются временем его «рождения» [50, 51]
Существует определенная связь между «датой рождения» нейрона в центральной нервной системе млекопитающих и местом его окончательной локализации (возможно, это эволюционный «отголосок» жесткой связи между генеалогией клеток в развивающемся организме и конечной локализацией их у таких беспозвоночных, как нематоды - см. разд. 16.3). Например, в коре головного мозга нейроны располагаются слоями в соответствии с последовательностью их «рождения» благодаря такой миграции, при которой клетки, образовавшиеся позднее, мигрируют дальше клеток, образовавшихся раньше. По мере созревания клетки, расположенные в следующих друг за другом слоях коры, начинают различаться по форме, размерам и характеру связей с другими клетками. Так, малые пирамидные клетки, появляющиеся поздно, расположены
350
Рис. 19-59. Сравнение нейронных слоев в коре головного мозга нормальных мышей и мутантных мышей reeler. У мутантов нарушение миграции клеток приводит к инверсии нормальной взаимосвязи между «датой рождения» нейрона и его конечным положением. Тем не менее нейроны с измененным положением дифференцируются и устанавливают связи в соответствии с «датой рождения».
в одном из наружных слоев и посылают свои аксоны в другие области коры, тогда как большие пирамидные нейроны и клетки неправильной формы, появившиеся ранее, находятся во внутренних слоях и посылают аксоны за пределы коры большого мозга.
От чего зависят такие различия - от «даты рождения» или от места окончательной локализации? Ответить на этот вопрос помогают мыши мутантной линии reeler. У этих мутантов, названных так за нетвердую походку, нарушен механизм миграции нервных клеток: нейроны, образовавшиеся позднее, остаются во внутреннем слое, а ранние клетки переходят в наружный. Но, несмотря на инверсию в их расположении, дифференцировка кортикальных клеток соответствует времени их «рождения», т. е. клетки, образовавшиеся позже, становятся малыми пирамидными нейронами, а ранние клетки - большими пирамидными или же нейронами неправильной формы. Следовательно, в данном случае тип клетки определяется именно временем ее образования, а не окончательным местом (рис. 19-59). По-видимому, особенности нейронов и в самом деле обычно зависят главным образом от их происхождения и от места и времени образования.
В свою очередь присущие клетке особенности определяют характер ее будущих связей - это важное общее правило, которое будет подробнее рассмотрение позже (разд. 19.7.9). Поэтому у мышей reeler нейроны, изменившие местоположение, устанавливают связи (с незначительным числом ошибок) в соответствии с «датой рождения», а не с положением в коре мозга: аксоны малых пирамидных клеток направляются в другие участки коры, а аксоны больших пирамидных клеток и клеток неправильной формы - в области, лежащие за пределами коры. Для того чтобы понять, как устанавливаются такие избирательные связи, нужно будет сначала рассмотреть механизм образования аксонов и дендритов.
19.7.4. Аксоны и дендриты удлиняются благодаря конусу роста на их кончиках [52]
Как правило, аксон, а затем и дендриты начинают расти от тела нервной клетки вскоре после того, как нейроны попадают на свои окончательные места. Всю последовательность событий впервые наблюдали в интактной эмбриональной ткани, применяя окрашивание по Гольджи (рис. 19-60). Эта методика и другие методы, разработанные позднее, позволили выявить на конце растущего отростка нервной клетки своеобразное утолщение неправильной формы. Эта структура, называемая конусом роста, видимо, и прокладывает путь через окружающую ткань. Конус