Molekuljarnaja Biologija Kletki v3
.pdf
361
стратегия обладает рядом важных преимуществ. Во-первых, этот механизм позволяет автоматически корректировать отклонения в относительных размерах различных частей тела. Во-вторых, эти процессы облегчают эволюцию: если в результате мутаций изменится величина какой-то части тела, то число иннервирующих ее нейронов будет автоматически приспосабливаться к этому и не понадобится дополнительных мутаций, изменяющих программу образования нейронов. И наконец, небольшое число нейротропных факторов, таких как ФРН, могут регулировать количественное соответствие большого числа мишеней и источников их иннервации, даже если система связей очень сложна. Благодаря аксонному транспорту фактор, выделяемый данной мишенью, селективно переносится в тела нейронов, иннервирующих эту мишень, а не каких-либо других нейронов, которые могут быть расположены там же и имеют сходные рецепторы, но посылают аксоны в другие места. Таким образом, гибель клеток, регулируемая нейротропными факторами роста, может помогать установлению точного соответствия между числом клеток в различных частях нервной системы.
19.7.12. Нервные связи создаются и разрушаются на протяжении всей жизни [60]
Есть данные, что даже в нормальной, неповрежденной нервной ткани дендриты и окончания аксонов непрерывно втягиваются и отрастают вновь. Например, можно наблюдать, как определенные нейроны зрелого вегетативного ганглия мыши втягивают одни дендритные ветви и выпускают другие в течение месяца (рис. 19-73). В нормальных условиях такие изменения происходят медленно и в ограниченной степени, но если часть клеток-мишеней лишается иннервации, этот механизм включается на полную мощность. Это можно показать на примере скелетной мышцы, перерезав часть иннервирующих ее аксонов; тогда денервированные мышечные волокна, очевидно, выделяют способный к диффузии фактор, стимулирующий образование новых конусов роста из нервных окончаний, сохранившихся на соседних мышечных клетках (рис. 19-74). Этот фактор скелетных мышц пока не идентифицирован, но для гладких мышц показано, что аналогичную роль там играет ФРН. Денервация приводит к увеличению количества ФРН в гладкой мышце (по крайней мере отчасти из-за того, что теперь его поглощает и отводит меньшее число нервных окончаний); избыток ФРН стимулирует рост аксонов по направлению к мышце, и иннервация восстанавливается.
Очевидно, в интактном организме ФРН действует так же, как и в культуре in vitro, т. е. как фактор выживания, определяющий, будут ли клетки жить или погибнут, и как локальный стимулятор активности конусов роста, регулирующий ветвление концевых участков аксона. Первая функция имеет особое значение в период развития, а вторая важна на протяжении всей жизни; однако обе они приводят к одному результату: с их помощью иннервация приспосабливается к потребностям мишени. Сейчас появляется все больше данных о существовании других нейротропных факторов роста, выполняющих такие же функции по отношению к другим видам нервных клеток (см. рис. 19-70). В следующем разделе мы увидим, что такие факторы, вероятно, играют важную роль в регулирующем влиянии электрической активности на развитие систем нервных связей.
Рис. 19-73. Перестройка дендритов у нейронов верхнего шейного (вегетативного) ганглия мыши. У наркотизированного животного осторожно обнажали ганглий и для выявления дендритов вводили путем микроинъекции флуоресцентный краситель в тело одной из нервных клеток. Рану зашивали, а через несколько дней или недель операцию повторяли и снова вводили краситель в тот же самый нейрон. На верхних и нижних рисунках показаны два нейрона, повторно окрашенные через разные промежутки времени. Чем длиннее интервал между первой и второй инъекциями, тем больше изменений в картине ветвления дендритов. (Перепечатано с разрешения D. Purves, R. D. Hadley, Nature, 315, 404-406, 1985. Copyright 1985 Macmillan Fournals Limited.)
362
Рис. 19-74. Если перерезать часть аксонов, иннервирующих скелетную мышцу, то какая-то доля волокон этой мышцы лишится иннервации, тогда как у соседних волокон иннервация сохранится. Перерезанные аксоны дегенерируют, а оставшиеся аксоны, хотя они не были повреждены, начинают активно ветвиться в тех местах, где они лежат вблизи денервированного волокна. Через один или два месяца те из новых веточек, которые нашли путь к освободившимся участкам на денервированном мышечном волокне, образуют на нем стабильные синапсы и восстанавливают иннервацию, а все остальные веточки отмирают. Этот феномен позволяет предполагать, что денервированные мышечные волокна выделяют какой-то «фактор, способствующий прорастанию». (Воспроизведено с разрешения М.С. Brown, R. L. Holland, W. G. Hopkins, Ann. Res. Neurosci., 4, 17-42, 1981. Copyright 1981 by Annual Reviews Inc.)
Заключение
Развитие нервной системы удобно разделить на три этапа, которые частично перекрываются. На первом этапе нейроны образуются в соответствии с собственной программой клеточной пролиферации и вновь образующиеся клетки мигрируют из мест своего «рождения», чтобы упорядоченным образом расположиться в других участках. На втором этапе от клеток отрастают аксоны и дендриты, кончики которых продвигаются с помощью конусов роста. Конусы роста перемещаются по строго определенным путям, направляемые главным образом контактными взаимодействиями с поверхностью других клеток или с компонентами внеклеточного матрикса. Нейроны, предназначенные для связи с разными мишенями, ведут себя так, как если бы они обладали разными, только им присущими особенностями (нейронная специфичность), что может выражаться в различных свойствах клеточной поверхности, позволяющих конусам роста выбирать разные пути. В конце своего пути конус роста встречается с клеткой, с которой он должен образовать синапс, и оказывается под влиянием нейротропных факторов, выделяемых этой клеткой. Эти факторы регулируют ветвление аксона и передвижение конусов роста вблизи ткани-мишени и, кроме того, контролируют выживание нейронов, которым принадлежат конусы роста. С помощью этих двух эффектов нейротропные факторы, такие как фактор роста нервов (ФРН), регулируют плотность иннервации тканей-мишеней. На третьем этапе развития нервной системы, который будет рассмотрен в следующем разделе, образуются синапсы, а затем схема связей уточняется с помощью механизмов, зависящих от электрической активности.
19.8. Образование и уничтожение синапсов [61]
Встреча конуса роста с клеткой-мишенью - один из ключевых моментов в развитии нейронов: и конус роста, и клетка-мишень подвергаются трансформации, в результате которой устанавливается синаптическая связь. Но на этом процесс развития не заканчивается - многие из синапсов, образовавшихся вначале, позднее уничтожаются, а где-то на этой же клетке-мишени образуются новые. Такие локальные изменения схемы синаптических связей дают возможность исправлять ошибки в образовании связей и осуществлять «тонкую настройку»: первоначальная схема связей и осуществлять «тонкую настройку»: первоначальная схема связей приблизительно намечается с помощью факторов, направляющих миграцию конусов роста по специфическим путям к клеткам-мишеням; затем образуются предварительные синаптические соединения, позволяющие пре- и постсинаптическим клеткам взаимодейство-
363
вать; и наконец, первоначальные соединения пересматриваются и уточняются с помощью механизмов, использующих как нейротропные факторы, так и электрические сигналы в виде потенциалов действия и синаптических потенциалов. Поэтому внешние стимулы, способные возбуждать электрическую активность в нервной системе, могут влиять на развитие схемы нервных связей.
В этом разделе мы рассмотрим образование синапсов на молекулярном уровне, а также правила, определяющие, будет ли синапс образован или уничтожен, и роль электрической активности в регуляции этих процессов. Мы начнем с синапсов между мотонейронами и клетками скелетной мышцы, поскольку они лучше изучены.
19.8.1. Синаптический контакт приводит к специализации данных участков растущего аксона и клетки-мишени для функции передачи сигналов [62]
Ранние этапы образования нервно-мышечного синапса проще всего наблюдать в культуре. Здесь можно видеть, что значительная часть молекулярного механизма синаптической передачи существует еще до того, как конус роста достигнет мышечной клетки. По мере того как конус роста продвигается вперед, он при электрическом возбуждении тела нейрона выделяет небольшие количества ацетилхолина (рис. 19-75). Мембрана конуса роста уже содержит потенциал-зависимые кальциевые каналы для сопряжения электрического возбуждения с секрецией; эти каналы служат также для распространения нервных импульсов по эмбриональному нейриту (в котором поначалу нет натриевых каналов). Еще до того, как мышечная клетка иннервируется, она уже имеет ацетилхолиновые рецепторы (эмбрионального типа) и может реагировать на ацетилхолин деполяризацией и сокращением.
Относительно мало эффективную синаптическую передачу можно наблюдать уже через несколько минут после первого контакта конуса роста с мышечной клеткой. Однако для образования зрелого синапса и у конуса роста, и у клетки-мишени должна развиться структурная и биохимическая специализация - процесс, который обычно продолжается несколько дней. Конус роста прекращает движение, в нем накапливаются синаптические пузырьки, а в определенном участке образуются «активные зоны» для быстрого и узколокального высвобождения ацетилхолина (разд. 19.3.3). Ацетилхолиновые рецепторы на поверхности мышечной клетки концентрируются на синаптическом участке, а в других областях плазматической мембраны их становится мало. Как достигается такое перераспределение рецепторов для нейромедиатора? Этот
Рис. 19-75. Схема эксперимента, показывающего, что из конуса роста мотонейрона в ответ настимуляцию тела клетки высвобождаются порции ацетилхолина. Ничтожные количества выделяемого медиатора обнаруживают, измеряя его влияние на силу тока, протекающего через кусочек мембраны мышечного волокна, которая закрывает отверстие микропипетки и содержит множество рецепторов ацетилхолина. Из конуса роста ацетилхолин выделяется в гораздо меньших количествах и с меньшей регулярностью, чем из зрелого синаптического окончания.
364
вопрос касается не только мышечных клеток, но и нейронов: для успешной передачи сигналов и обработки информации нейроны тоже должны концентрировать определенные виды рецепторов и ионных каналов в определенных областях плазматической мембраны.
19.8.2. Рецепторы ацетилхолина диффундируют в мембране мышечной клетки и собираются в месте формирования синапса [63]
В зрелой мышечной клетке концентрация ацетилхолиновых рецепторов в области синапса в тысячу с лишним раз выше, чем на других участках мембраны. Эксперименты с гашением флуоресценции (разд. 6.2.9) показывают, что рецепторы в области синапса «привязаны» и не могут свободно передвигаться в плоскости мембраны. В отличие от этого в неиннервированной мышечной клетке зародыша рецепторы распределены по всей ее поверхности и способны диффундировать более свободно. Когда с мышечной клеткой образует контакт аксон мотонейрона, рецепторы ацетилхолина начинают скапливаться на участке мембраны, лежащем под окончанием аксона; а вновь синтезируемые рецепторы тоже включаются теперь в мембрану главным образом в области развивающегося синапса (рис. 19-76). Рецепторы становятся закрепленными на месте - возможно, в результате взаимной адгезии, а может быть, благодаря связыванию с цитоскелетом или с внеклеточным матриксом. Некоторые важные сведения относительно того, каким образом аксон «выбирает» место будущего синапса, получены при изучении регенерации нервно-мышечного соединения.
19.8.3. Место нервно-мышечного контакта отличается устойчивой специализацией базальной мембраны [64]
Каждую мышечную клетку окружает базальная мембрана (см. рис. 19-16 и 19-18, А). В случае сильного повреждения мышечное волокно дегенерирует и отмирает, а его остатки уничтожаются макрофагами. Однако базальная мембрана при этом сохраняется и служит как бы «формой», в которой из оставшихся стволовых клеток может образоваться новое мышечное волокно (разд. 17.6.3). Даже тогда, когда разрушено не только мышечное волокно, но и нервное окончание, место прежнего нервно-мышечного контакта все еще можно определить по неровной поверхности базальной мембраны в этом участке. Эта синоптическая базальная мембрана обладает особыми химическими свойствами, и можно получить антитела, которые будут избирательно связываться с ее поверхностью. Интересно то, что именно синаптическая базальная мембрана определяет локализацию остальных компонентов синапса. Значение базальной мембраны для образования нервно-мышечного соединения было продемонстрировано в серии экспериментов на амфибиях. После одновременного разрушения нерва и мышечной клетки когда остается лишь пустая оболочка из базальной мембраны, можно
Рис. 19-76. Скопление ацетилхолиновых рецепторов в том участке мембраны развивающегося мышечного волокна, где образуется синапс между окончанием двигательного аксона и клеткой. Это скопление отчасти обусловлено диффузией рецепторов из соседних участков мембраны мышечного волокна, а отчасти тем, что здесь в мембрану включаются вновь синтезируемые рецепторы. По-видимому, эти процессы не зависят от выделения из нервного окончания нейромедиатора, так как происходят и в присутствии веществ, блокирующих потенциалы действия в нервной клетке, и даже при наличии во внеклеточной среде высоких концентраций α-бунгаротоксина (компонент змеиного яда, который, связываясь с ацетилхолиновыми рецепторами, блокирует их взаимодействие с ацетилхолином). Рецепторы, скопившиеся в месте образования синапса, находятся как бы в ловушке-скорость обновления этих рецепторов здесь гораздо ниже, чем в других участках мембраны, и время жизни достигает пяти дней и более.
365
легко убедиться, что синаптический участок базальной мембраны специфически удерживает молекулы ацетилхолинэстеразы, которая в нормальном синапсе гидролизует выделяемый нервными окончаниями ацетилхолин. К тому же базальная мембрана удерживает в месте синапса и окончание аксона; если разрушить только мышечную клетку, оно остается связанным с базальной мембраной на протяжении многих дней. С другой стороны, удаление базальной мембраны с помощью коллагеназы приводит к тому, что окончание аксона отделяется даже при сохранности мышечной клетки.
В самом деле, по-видимому, базальная мембрана сама по себе способна направлять процесс регенерации окончания аксона. Это было продемонстрировано в следующем опыте: нерв и мышечную клетку разрушают, а затем дают возможность нерву регенерировать, и хотя чехол из базальной мембраны остается пустым, регенерирующий аксон отыскивает место первоначального синапса и образует здесь синаптическое окончание. Кроме того, базальная мембрана контролирует локализацию ацетилхолиновых рецепторов в месте синаптического соединения. Если разрушить нерв и мышечное волокно и дать возможность регенерировать мышце, а регенерацию нерва блокировать, то рецепторы ацетилхолина, синтезируемые регенерировавшей мышцей, локализуются преимущественно в области прежнего соединения, несмотря на отсутствие нерва (рис. 19-77). Как и следовало ожидать, экстракты, приготовленные из базальной мембраны нервно-мышечного соединения, содержат белок, называемый агрином, который способствует агрегации рецепторов в культуре мышечных клеток.
Очевидно, когда аксон контактирует с мышечной клеткой, он откладывает (или заставляет откладывать мышечную клетку) такие макромолекулы, как агрин, стабилизирующие синаптическое соединение. Однако базальной мембраны недостаточно для образования нервномышечного синапса: далеко не все встречи аксона с мышечной клеткой приводят к образованию синапса, и не все вновь образуемые синапсы абсолютно стабильны.
Рис. 19-77. Эксперимент, показывающий, что специфические свойства базальной мембраны нервно-мышечного соединения регулируют локализацию других компонентов синапса.
366
19.8.4. Восприимчивость мышечной клетки к образованию синапсов регулируется ее электрической активностью
[63, 65]
Если у крысы перерезать нерв и передвинуть его конец так, чтобы он оказался над соседней нормальной мышцей, то перерезанные аксоны будут регенерировать и расти по поверхности этой мышцы; но до тех пор, пока нормальная иннервация этой мышцы не нарушена, чужеродные аксоны не будут вступать в контакт с отдельными клетками этой мышцы и образовывать на них синапсы. Если же перерезать нерв, в норме иннервирующий эту мышцу, то будут наблюдаться поразительные изменения. За несколько дней изменятся метаболизм и свойства мембраны мышечных клеток - в частности, будет синтезироваться и включаться в мембрану большое количество новых ацетилхолиновых рецепторов, что сделает клетку сверхчувствительной к ацетилхолину. В то же время мышечные клетки станут восприимчивыми к образованию новых синапсов с «чужими» аксонами, растущими на поверхности мышцы. Хотя эти аксоны предпочитают участки, где раньше находились синапсы, они смогут образовывать синапсы и на новых участках мышечных клеток. Как только синапсы будут сформированы, равномерное распределение ацетилхолиновых рецепторов исчезнет (как и в процессе эмбрионального развития)-они сохранятся в высоких концентрациях лишь в местах образования синапсов (рис. 19-78).
При денервации мышцы прекращается нормальная стимуляция этой мышцы со стороны нерва: к описанным выше изменениям приводит главным образом отсутствие электрической активности в мышечных клетках; оно же приводит и к выделению фактора, стимулирующего ветвление аксонов, о котором упоминалось раньше (разд. 19.8.4). Все эти эффекты денервации, в результате которых мышца становится более восприимчивой к образованию синапсов, можно воспроизвести с помощью местной анестезии интактного нерва, блокирующей проведение импульсов к мышце. И наоборот, если лишенную иннервации мышцу искусственно стимулировать через вживленные электроды, то чувствительность внесинаптических участков мембраны к ацетилхолину будет подавлена, так же как и образование новых синапсов. В норме электрическая активность, вызываемая нейроном, уже образовавшим синапс, «оберегает» клетку от нежелательной дополнительной иннервации.
Примерно таким же образом электрическая активность регулирует элиминацию синапсов во время развития. У зародыша позвоночных к неиннервированной мышце практически одновременно приходит много нервных окончаний, и вначале образуется немало лишних синапсов. Свойственная зрелой мышце иннервация, при которой на каждой мышечной клетке имеется только по одному синапсу, создается в результате двух разных процессов, разделенных во времени. Первый из них - это гибель избыточных мотонейронов, а второй - удаление лишних ветвей аксона (элиминация синапсов).
Рис. 19-78. Эксперимент на камбаловидной мышце крысы, который показывает, что денервированная мышечная клетка способна к образованию синапса после пересадки чужеродного нервного волокна. Обратите внимание, что в результате денервации распределение ацетилхолиновых рецепторов в мембране мышечной клетки изменяется: вновь синтезируемые рецепторы распределяются по всей клеточной поверхности, хотя в месте прежнего нервно-мышечного соединения концентрация рецепторов остается особенно высокой. После денервации изменяется и электрическая возбудимость мембраны, так как в мембране появляется новый класс потенциал-зависимых каналов, которые относительно устойчивы к действию тетродотоксина.
367
19.8.5. Электрическая активность мышцы влияет на выживание эмбриональных мотонейронов [59, 66]
Как уже отмечалось, примерно 50% мотонейронов зародыша погибает вскоре после образования синаптических контактов с мышечными клетками. Такую гибель лишних нейронов можно предотвратить, блокировав нервно-мышечную передачу (например, α-бунгаротоксином), или, наоборот, усилить, подвергнув мышцу прямой электрической стимуляции. Это позволяет предполагать, что электрическая активность мышцы регулирует образование в мышце нейротропного фактора, необходимого для выживания эмбриональных мотонейронов. Этот фактор, возможно, идентичен тому фактору, который, как полагают, вызывает рост аксонных окончаний по направлению к денервированной мышце. Когда мышца бездействует в результате блокирования синаптической передачи или из-за отсутствия иннервирующих аксонов, этот фактор образуется в больших количествах как сигнал о том, что клетка нуждается в иннервации. Электрическая активация мышцы под действием искусственных стимулов или в результате спонтанного возбуждения иннервирующих ее мотонейронов подавляет образование фактора, и часть незрелых мотонейронов зародыша гибнет в конкуренции за его оставшиеся малые количества.
19.8.6. Электрическая активность регулирует конкурентную элиминацию синапсов в соответствии с «правилом возбуждения» [61, 67]
Даже после гибели половицы эмбриональных мотонейронов на развивающейся мышце остается большой избыток синапсов. Каждый мотонейрон сильно ветвится, образуя синапсы на нескольких мышечных клетках, и каждая клетка чаще всего иннервируется отростками нескольких нейронов. Для того чтобы создалась система связей, присущая взрослому организму, необходима элиминация всех синапсов, кроме одного, на каждой мышечной клетке. Процесс элиминации синапсов во время развития был хорошо изучен на камбаловидной мышце (m. soleus) крысы, где к моменту рождения отдельная мышечная клетка иннервируется в среднем тремя мотонейронами. В последующие две-три недели каждый нейрон втягивает значительную часть своих терминальных ветвей, пока каждая клетка не будет иннервироваться одной-единственной ветвью одного мотонейрона (рис. 19-79). Если бы излишние ветви аксонов уничтожались случайным образом,
Рис. 19-79. Устранение лишних синапсов в скелетной мышце млекопитающего после рождения. Для ясности показаны далеко не все концевые ветви двигательных аксонов; на самом деле один аксон в зрелой мышце иннервирует своими разветвлениями несколько сотен мышечных волокон.
Все аксонные ветви, иннервирующие одно незрелое мышечное волокно, обычно образуют синапсы на одном и том же небольшом участке мышечной клетки и конкурируют до тех пор, пока не останется лишь один синапс.
368
Рис. 19-80. Один из нескольких молекулярных механизмов, которые могли бы лежать в основе «правила возбуждения». Согласно представленной здесь гипотезе, сохранение синапса зависит от фактора роста нервов, выделяемого постсинаптической клеткой. Секрецию этого фактора вызывает локальная электрическая стимуляция, когда к синапсу приходит потенциал действия; в остальное время медиатор выделяется спонтанно, но с меньшей скоростью. Фактор роста поглощается окончанием аксона, которое только что было активировано, путем эндоцитоза вместе с мембранным материалом сразу после выделения медиатора (разд. 19.3.4). Окончания, поглощающие фактор роста, увеличиваются в размерах и накапливают вещества, укрепляющие синаптическую связь. Чем чаще осуществляется стимуляция мышцы, тем скорее истощаются внутриклеточные запасы фактора и тем реже происходит его спонтанное высвобождение без стимуляции. Поэтому неактивные нервные окончания, конкурирующие с активными, не могут получить необходимого количества фактора роста, постепенно сжимаются и в конце концов отмирают. Два окончания, активные в разное время, конкурируют за ограниченное количество фактора роста, содержащегося в постсинаптической клетке. Так как крупные окончания поглощают больше фактора роста и в результате становятся еще крупнее, конечный исход такой конкуренции может зависеть от незначительной разницы в первоначальных размерах окончаний. Согласно другой гипотезе, в результате стимуляции постсинаптической клетки происходит локальное выделение или активация протеазы, которая разрушает неактивные синапсы, в то время как активные синапсы каким-то образом защищены от действия этой протеазы.
то некоторые мышечные волокна могли бы совсем лишиться иннервации, тогда как на других сохранилось бы несколько синапсов. Тот факт, что на каждой клетке остается только один синапс, означает, что процесс элиминации синапсов носит конкурентный характер. Действительно, конкурентное устранение лишних синапсов во всех отделах нервной системы представляет собой один из важнейших механизмов, регулирующих развитие нервных связей и, как мы увидим позже, последующую модификацию этих связей под действием внешних стимулов. Хотя молекулярные механизмы конкурентной элиминации синапсов остаются непонятными, видимо, конкуренция в большинстве случаев подчиняется нескольким простым общим правилам, применимым как для нервно-мышечных, так и для межнейронных синапсов.
Во-первых, хотя сначала конкуренция и включает элемент случайности, но окончательный результат совершенно однозначен - нейрон либо выживает, либо полностью уничтожается. Во-вторых, обычно конкуренция происходит только между синапсами, находящимися относительно близко друг к другу на одной клетке-мишени. Таким образом, при нормальном развитии типичного волокна скелетной мышцы млекопитающего приходящие нервные окончания образуют синапсы на одном и том же небольшом участке и конкурируют между собой, пока не останется только один синапс. Если же искусственно вызвать образование нескольких синапсов на одном и том же волокне, но на расстоянии 1 мм и более друг от друга, то множественная иннервация сохранится.
В-третьих, и это самое важное, конкурентная элиминация синапсов зависит от электрической активности как в аксонах, так и в иннервируемых ими клетках. Например, она замедлится, если блокировать возбуждение развивающейся мышцы, воздействуя местноанестезирующим препаратом на нерв или α-бунгаротоксином - на нервно-мышечные соединения. В большинстве изученных до сих пор систем инактивация части иннервирующих аксонов приводит к тому, что оставшиеся активными аксоны начинают контролировать большее число клеток-мишеней. Это выглядит так, как будто в районе активного синапса стимулируемая клетка-мишень выделяет какой-то фактор, способствующий разрушению близлежащих синапсов, или, наоборот, перестает синтезировать вещество, необходимое для поддержания синапсов.
Но здесь есть один загадочный момент. Если в результате синаптической стимуляции клетки-мишени синапсы разрушаются, то почему тогда остаются и укрепляются те синапсы, через которые клетка получает стимуляцию? По-видимому, ответ можно найти в следующем правиле: всякое возбуждение клетки-мишени укрепляет те синапсы, где пресинаптическое окончание аксона было перед этим активно, и способствует гибели тех синапсов, где оно находилось в состоянии покоя.
Поэтому решающую роль играют временные отношения между
369
Рис. 19-81. Изменения в расположении синапсов на нейронах подчелюстного ганглия крысы, происходящие вскоре после рождения. Вначале каждая клетка иннервируется несколькими аксонами. Эти аксоны конкурируют до тех пор, пока в результате элиминации синапсов не останется лишь один аксон. Этот единственный аксон образует на клетке множество синапсов, которые уже не конкурируют между собой. (По D. Purves, J.W.
Lichtman, Physiol. Rev., 58, 821-862, 1978.)
активацией аксона и клетки-мишени; когда несколько независимо активируемых нейронов образуют контакты с одной и той же клеткой, каждый из этих нейронов стремится укрепить свой синапс и содействовать элиминации синапсов, образованных другими нейронами.
Молекулярный механизм, лежащий в основе сформулированного выше «правила возбуждения», не ясен. На рис. 19-80 представлена одна из возможных гипотез, а в подписи к рисунку упоминается еще одно объяснение. Как бы то ни было, есть данные о том, что это правило справедливо для многих различных систем, и теперь мы рассмотрим его применительно к межнейронным синапсам.
19.8.7. Синхронно активные окончания аксонов образуют поддерживающие друг друга синапсы [68]
Одно из последствий «правила возбуждения» можно наблюдать в подчелюстном ганглии крысы, где каждый нейрон к моменту рождения иннервируется аксонами примерно от пяти пресинаптических нейронов, находящихся в стволе головного мозга. К концу первого месяца постнатальной жизни благодаря конкурентной элиминации синапсов каждый нейрон ганглия будет иннервирован уже только одним таким аксоном. Но к этому времени оставшийся аксон образует много новых концевых веточек, формирующих синапсы на других участках той же клетки, поэтому общее число синапсов будет больше, чем вначале (рис. 19-81). Очевидно, что ветви одного аксона должны обладать одним общим свойством, отличающим их от ветвей другого аксона такого же типа: все они будут возбуждаться одновременно. Но в соответствии с «правилом возбуждения» близкие друг к другу окончания, которые активируются одновременно, взаимно поддерживают образованные ими синапсы, в то время как окончания, возбуждающиеся независимо, конкурируют между собой.
19.8.8. Число сохраняющихся синапсов зависит от числа дендритов у постсинаптического нейрона [69]
Так как конкуренция синапсов за выживание отчасти определяется расстоянием между ними, окончательный результат зависит от строения постсинаптической клетки. Нейроны подчелюстного ганглия в структурном отношении атипичны - у них нет дендритов, поэтому синаптическая конкуренция происходит на близких друг к другу участках тела клетки и в результате остаются синапсы, образуемые только одним аксоном. У большинства других нейронов имеется много дендритов, так что они и у взрослых особей продолжают получать сигналы из разнообразных
370
Рис. 19-82. Взаимосвязь между числом первичных дендритов и числом аксонов, образовавших синапсы на отдельных клетках, в ресничном ганглии кролика в процессе развития. При рождении среднее число входных синапсов не зависит от числа дендритов. У взрослых особей среднее число синапсов, «переживших» период конкурентной элиминации, пропорционально числу дендритов. Справа - отдельные клетки ганглия, на примере которых иллюстрируется эта взаимосвязь. (По D. Purves, R. I. Hume, J. Neurosci. 1: 441 -452, 1981, и R.I. Hume, D. Purves, Nature, 293, 469-471, 1981.)
источников, что существенно для выполнения ими интегрирующей функции. Роль дендритов в регулировании элиминации синапсов хорошо видна на примере ресничного ганглия кролика, где у некоторых нейронов много дендритов, а у других очень мало или нет совсем (рис. 19-82). При рождении все нейроны иннервированы одинаковым числом пресинаптических аксонов - примерно четырьмя или пятью. Но во взрослом организме клетки без дендритов получают сигналы только от одного аксона, тогда как число аксонов, иннервирующих другие клетки, возрастает прямо пропорционально числу дендритов. Однако синапсы на одном дендрите обычно образованы окончаниями одного и того же аксона. Поэтому, вероятно, каждый дендрит представляет собой отдельную и независимую территорию, так что синапсы на одном дендрите не конкурируют с синапсами на других дендритах. Так же как и в скелетной мышце, конкуренция носит локальный характер и зависит от асинхронности возбуждения.
Возможно, что наиболее глубокий смысл зависимости конкуренции синапсов от возбуждения раскрывается в тех случаях, когда стимулы от внешнего мира контролируют «настройку» анатомических связей между нейронами. Это особенно четко выявляется при изучении развития зрительной системы у позвоночных. Ниже будут рассмотрены соответствующие данные о млекопитающих.
19.8.9. У детенышей млекопитающих связи в зрительной системе подвержены влиянию сенсорного опыта [70]
В момент рождения зрительная система млекопитающего остается еще незрелой. Первые годы (у человека) или первые месяцы (у кошек или обезьян) представляют собой особый чувствительный (критический) период, когда система нервных связей подвергается настройке, и отсутствие нормального зрительного опыта в этот период может привести к серьезным и необратимым последствиям. Типичный пример этого - так называемый «ленивый» глаз как результат детского косоглазия. Дети, страдающие косоглазием, часто привыкают пользоваться только одним