Основы функционирования нейронов и глии

4.1.1. Общая характеристика нейронов

Нервная ткань превосходит все другие ткани по количеству генов, вовле­ченных в развитие клеток, и по количеству видов информационной РНК. В мозге существует примерно 200 000 отличающихся друг от друга молекул

 

Дендриты — ветвящиеся отростки нейрона, представляющие область формирования входных сигналов. Аксон — отросток тела нейрона, служащий для проведения возбуждения от него, имеет постоянный диаметр (большинство аксонов в ЦНС окружены миелиновой оболочкой) и заканчивается пресинаптическими окончаниями. Аксонный холмик ~ конически расширенный участок начала аксона, представляющий наиболее возбудимую часть плазматической мембра­ны нейрона. Показаны окончания тормозного нейрона на теле клетки и возбуждающего ней­рона на одном из дендритов.

иРНК, что в 10—20 раз больше, чем в печени или почках. Поэтому нерв­ные клетки представлены многими популяциями нейронов, резко разли­чающихся морфологическими признаками (строение тела, дендритов и ак­сонов) и синтезируемыми в них нейромедиаторами. В то же время актив­ность любого нейрона, независимо от выполняемой функции, проявляется только в его возбуждении, т. е. генерации потенциалов действия, приводя­щей к выделению в синапсе нейромедиатора.

Выполняемая нейроном функция всецело определяется специфично­стью его синаптических соединений с другими нейронами. Некоторые по­пуляции нейронов образуют компактные ядра, предназначенные для пере­работки информации, которая передается из одного отдела мозга в другой. Другие популяции нейронов представлены небольшими скоплениями кле­ток, обладающих длинными разветвленными отростками, направленными сразу к нескольким регионам мозга для регуляции их активности.

Четыре морфологически различаемые области нейрона (тело, дендриты, аксон и пресинаптические окончания — рис. 4.1) отличаются друг от друга и в функциональном отношении. Тело нейрона является центром происхо­дящих в ней обменных процессов. В теле нейрона находится ядро, где происходит переписывание генетической информации с ДНК на иРНК. Дендриты представляют собой разветвленные отростки нервной клетки, служащие для проведения нервных импульсов к телу нейрона. Степень разветвленности и общее количество дендритов коррелируют с количест­вом синапсов между нейроном и другими нервными клетками, способны­ми повлиять на его активность и определяемыми как пресинаптические нейроны. Так, например, на дендритах мотонейронов спинного мозга в среднем существует около 8000 синапсов, а на дендритах клеток Пуркинье, находящихся в коре мозжечка, — 150 000. Если одни пресинаптические нейроны оказывают возбуждающее действие, а другие — тормозное, актив-

6 - 6095 ность постсинаптического нейрона будет определяться тем, какое из этих влияний преобладает.

Нейроны имеют один аксон, в большинстве случаев самый длинный от­росток клетки, предназначенный для проведения нервных импульсов от ее тела. Обычно аксоны разделяются на несколько ветвей, или коллатералей, позволяющих нейрону активировать или тормозить с помощью своего ме­диатора сразу несколько клеток, с которыми он образует синапсы. В плаз­матической мембране аксона содержится большое количество потенциал­зависимых каналов для ионов натрия, необходимых для генерации и прове­дения потенциалов действия. Наибольшая плотность таких каналов харак­терна для аксонного холмика — суживающегося начального участка аксона, отходящего от клеточного тела. Это наиболее возбудимый участок мембра­ны центральных нейронов, где легче всего достигается критический уровень деполяризации. Именно поэтому потенциалы действия обычно возникают в аксонном холмике, представляющим собой наиболее чувствительную к возбуждению область клетки.

Пресинаптические окончания аксонов свободны от миелинового покрытия и предназначены для хранения и выделения медиаторов в химических си­напсах. К выделению медиаторов приводит входящий ток ионов кальция через быстро инактивирующиеся каналы, плотность которых в пресинап- тических окончаниях высока. Аксоны возбуждающих нейронов в боль­шинстве случаев образуют синапсы с дендритами и реже с телом постси­наптических нейронов. Аксоны тормозных нейронов чаще всего образуют синапсы на теле постсинаптического нейрона, их действие создает препят­ствие проведению возбуждения от дендритов к аксонному холмику. Аксо- аксоналъные синапсы, которые могут быть как возбуждающими, так и тор­мозными, не влияют непосредственно на зону возникновения электриче­ского сигнала. Их функция заключается в модуляции выходной активности постсинаптического нейрона, т. е. в увеличении или уменьшении количе­ства выделяемого в окончаниях его аксона медиатора.

4.1.2. Функциональная модель нейрона

Функция нейрона заключается в его способности возбуждаться и, действуя через синапсы на другие клетки, генерировать возбуждение в них, что при­водит к распространению этого процесса от одного нейрона к другому. Возбуждение тормозного нейрона сопровождается подавлением процесса возбуждения в клетках, на которые он действует. Процесс возбуждения включает в себя возникновение нескольких типов электрических сигналов, образование и распространение которых происходит по единым правилам во всех нервных клетках: сенсорных, моторных, вставочных и нейросекре­торных. Это позволяет рассмотреть закономерности возникновения и рас­пространения электрических сигналов на основе единой функциональной модели нейрона, пригодной для характеристики любого типа нервных клеток.

Функциональная модель нейрона предусматривает выделение в нем че­тырех функциональных областей, каждая из которых предназначена для формирования одной из четырех разновидностей сигналов, характеризую­щих процесс возбуждения: 1) входного (постсинаптический и рецепторный потенциалы), 2) объединенного (потенциал действия), 3) проводящегося и 4) выходного (выделение медиатора) (рис. 4.2).

4.1.2.1. Входные сигналы

Входные сигналы представляют собой изменения величины мембранного потенциала в результате действия химических медиаторов на мембраны постсинаптических нейронов (постсинаптические потенциалы), а в чувст­вительных окончаниях сенсорных нейронов они возникают в ответ на дей­ствие адекватных раздражителей (рецепторный потенциал). В возбуждаю­щих синапсах ЦНС входной сигнал представляет собой деполяризацию постсинаптической мембраны на 0,2—0,3 мВ, в тормозных синапсах — столь же незначительную гиперполяризацию, соответственно этому различа­ют возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП) и тормозные постсинаптические потенциалы (ТПСП).

Постсинаптические потенциалы могут распространяться на очень малое расстояние от места возникновения и в связи с этим определяются как ме­стные, или локальные, потенциалы. Их амплитуда пропорциональна коли­честву молекул нейромедиатора, связавшегося с постсинаптическими ре­цепторами, такая зависимость является градуальной, а поэтому и входные сигналы градуальны. Назначение возбуждающих входных сигналов состоит в том, чтобы деполяризовать мембрану нейрона до критической величины, достаточной для генерации потенциалов действия, а тормозные входные сигналы предназначены для того, чтобы этому препятствовать.

Одиночные ВПСП электротонически, т. е. пассивно, распространяются от места возникновения (дендриты или тело нейрона) к аксонному холми­ку, служащему интегративной зоной или местом генерации потенциалов действия. Изначально малая амплитуда одиночных ВПСП при пассивном проведении становится еще меньше (рис. 4.3), поэтому для достижения

 

Различные по выполняемой функции нейроны (сенсорные, моторные, интернейроны, нейро­секретирующие клетки) имеют четыре функционально сопоставимые области: входную, инте­гративную, проводящую и выходную. Эти области предназначены для возникновения или проведения электрических сигналов, среди которых различают: входной (рецепторный или постсииаптический потенциалы), интегративный (объединенный сигнал или потенциал дей­ствия), проводящийся сигнал и выходной сигнал.

 

Рис. 4.3. Уменьшение амплитуды постсинаптического потенциала (ПСП) при рас­пространении его по мембране клетки

 

А. В результате возбуждения окончаний пресинаптических нейронов и выделения из них ней­ромедиатора на дендрите постсинаптического нейрона образуется возбуждающий постсинап­тический потенциал (ВПСП). Амплитуда ВПСП уменьшается по мере его распространения от дендрита к телу нейрона.

Б. Величина потенциала покоя постсинаптического нейрона составляет —65 мВ, порог возбу­ждения (уровень критической деполяризации) на теле нейрона соответствует —35 мВ, а в области аксонного холмика — около —50 мВ. Несмотря на уменьшение амплитуды распространяюще­гося по мембране ВПСП, в области аксонного холмика деполяризующий сдвиг достигает кри­тического значения.

критической деполяризации мембраны необходима пространственная или последовательная (временная) суммация ВПСП.

Если постсинаптические потенциалы возникнут одновременно в разных синапсах на дендритах и теле нейрона, то их общая сумма может оказаться достаточной для деполяризации мембраны интегративной зоны до крити­ческого уровня. Эта разновидность суммации называется пространствен­ной, она возникает при одновременной возбуждающей активности группы нейронов, аксоны которых конвергируют к одной общей постсинаптиче­ской клетке (рис. 4.4). Средняя величина мембранного потенциала покоя у

 

А. Пространственная суммация возникает при одновременном возбуждении нейронов, конвер­гирующих к общей постсинаптической клетке.

Б. Последовательная суммация происходит вследствие ритмического возбуждения пресинапти- ческого нейрона с достаточно высокой частотой генерации потенциалов действия (через каж­дые 10 мс).

центральных нейронов составляет—65 мВ, а среднее значение критической деполяризации —55 мВ, исходя из этого, для возбуждения постсинаптиче­ского нейрона необходима сумма ВПСП, превышающая 10 мВ. Деполяри­зующий сдвиг, превышающий это значение, приводит к возбуждению постсинаптического нейрона.

Последовательная или временная суммация ВПСП происходит вследст­вие продолжительного возбуждения пресинаптического нейрона, генери­рующего потенциалы действия, которые следуют друг за другом через ко­роткие промежутки времени. Если 50—100 нервных импульсов достигнут пресинаптического окончания непосредственно друг за другом, то общего количества выделившегося медиатора окажется достаточно для получения амплитуды ВПСП, превышающей уровень критической деполяризации, что вызовет возбуждение постсинаптического нейрона. В центральных си­напсах ЦНС оба вида суммации, пространственная и последовательная, обычно происходят одновременно, что способствует возбуждению постси­наптических нейронов.

На дендритах, но чаще на теле клетки существуют тормозные синапсы, расположенные между возбуждающими синапсами и интегративной зоной. Их функция состоит в том, чтобы помешать деполяризующим ВПСП дос­тичь интегративной зоны. В тормозных синапсах активируются хемозави- симые каналы для ионов калия или хлора, что ведет к гиперполяризации мембраны, представляющей тормозной постсинаптический потенциал. Ес­ли на пути распространения деполяризующих ВПСП окажутся гиперполя- ризованные действием тормозных медиаторов участки мембраны, то сум­марная амплитуда ВПСП не сможет достичь значения критической депо­ляризации, необходимой для возникновения потенциала действия

 

Рис. 4.5. Торможение возбуждения в центральных синапсах

А. Постсинаптическое торможение обусловлено гиперполяризацией мембраны постсинапти­ческой клетки, в результате которой возникающие в ее входной зоне ВПСП (возбуждающие постсинаптические потенциалы) не могут достичь критического уровня деполяризации.

Б. Пресинаптическое торможение вызывается действием тормозного нейрона на аксон возбу­ждающего пресинаптического нейрона. Мембрана аксона деполяризуется, а вследствие этого уменьшается входящий ток ионов кальция в его окончание и выделение медиатора из этого окончания.

1, 2, 3 — возбуждающие нейроны; Т — тормозной нейрон, Екр. — уровень критической депо­ляризации.

(рис. 4.5). В этом случае способность нейрона к генерации потенциалов действия в целом окажется заторможенной, несмотря на сохраняющуюся активность возбуждающих пресинаптических клеток.

4.1.2.2. Объединенный сигнал — потенциал действия

Объединенным сигналом в нервной клетке является потенциал действия, который возникает по принципу «все или ничего» при уменьшении мем­бранного потенциала до порогового значения. Если же величина деполя­ризующего сдвига мембранного потенциала продолжает увеличиваться над критическим уровнем, то амплитуда потенциала действия остается неиз­менной, составляя в среднем около 100 мВ. Объединенный сигнал возни­кает в тех участках мембраны, где наиболее высока плотность потенциал­зависимых каналов (аксонный холмик), и поэтому критический уровень деполяризации здесь оказывается самым низким. Это интегративная, или триггерная, зона, в которой суммируются все деполяризующие сдвиги ВПСП. У нейронов с длинными дендритами на них имеются добавочные триггерные зоны, наличие которых повышает эффективность возбуждаю­щих синапсов, расположенных далеко от клеточного тела.

 

Рис. 4.6. Изменение спайковой активности нейрона в результате его постсинапти­ческого торможения

 

А. Исходная активность постсинаптического нейрона, регулярная генерация потенциалов дей­ствия.

Б. Действие тормозного нейрона вызывает возникновение тормозных постсинаптических по­тенциалов (ТПСП) и в это время генерация потенциалов действия прекращается.

Отдельные нейроны различаются характерной, специфической для них частотой и ритмом генерации потенциалов действия. Эти особенности воз­буждения определяются биофизическими свойствами нейронов: индивиду­альным набором потенциалзависимых каналов и их распределением в раз­ных областях клеточной мембраны. Характер спайковой активности ней­рона в каждом конкретном случае зависит от соотношения деполяризую­щих и гиперполяризующих входных сигналов (рис. 4.6) и биофизических свойств самого нейрона. В результате изменений спайковой активности нейрона изменяется и выходной сигнал, т. е. количество нейромедиатора, выделяющегося в пресинаптическом окончании его аксона.

4.1.2.3. Проводящийся сигнал

Проведение возбуждения от интегративной зоны к окончаниям аксона осуществляют проводящиеся сигналы. Это потенциалы действия, которые последовательно возникают на мембране аксона в результате действия на нее локальных электрических токов, образующихся между возбужденным и невозбужденным участками. В отличие от дендритов, тела нейрона и ак­сонного холмика, где представлено большое разнообразие ионселекгивных каналов, в мембране аксона такие каналы однотипны во всех перехватах Ранвье или на всем протяжении немиелинизированного аксона. Поэтому при действии локального электрического тока на мембрану невозбужден­ных участков в них открываются однотипные потенциалзависимые каналы для ионов натрия, что вызывает стандартную саморегенерирующую депо­ляризацию с возникновением типичного для данного нейрона потенциала действия.

При таком способе проведения возбуждения амплитуда и длительность потенциалов действия одинаковы на всем протяжении аксона вне зависи­мости от его длины. Постоянство параметров потенциалов действия обес­печивает передачу электрических сигналов другим нервным клеткам или исполнительным органам без искажения передаваемой информации. Если потенциалы действия возникают в триггерной зоне с определенной часто­той, образуя «пачку», или серию, импульсов, то и к окончанию аксона они распространяются без изменения рисунка спайковой активности, а это значит, что цифровая информация о характере возбуждения нейрона при проведении полностью сохраняется. По существу аксон является простым и надежным проводником сигналов от своего начального сегмента до окончания, а сами проводящиеся сигналы высоко стереотипны и принци­пиально не различаются у разных нейронов. Только два признака проводя­щихся сигналов определяют характер передаваемой информации: число потенциалов действия и временные интервалы между ними.

4.1.2.4. Выходной сигнал

Выходным сигналом нейронов является выделение медиатора в окончани­ях аксона, т. е. преобразование электрических процессов в другую форму активности нервной клетки. Выходной сигнал градуален: его величина оп­ределяется количеством выделяющегося медиатора, которое, в свою оче­редь, зависит от общего числа и частоты потенциалов действия, пришед­ших к окончанию аксона. Выходной сигнал адресуется одной или одно­временно нескольким постсинаптическим клеткам, имеющим специфиче­ские рецепторы для связывания медиатора.

Выделение медиатора происходит в результате повышения свободной концентрации ионов кальция в окончании с 10“⁸—10^-7 моль/л^-1 до прибли­зительно 10^-5 моль/л^-1. Даже при незначительной деполяризации мембра-

А. Пресинаптический Гиперполяризация Деполяризация

 

 

Рис. 4.7. Изменения величины возбуждающего постсинаптического потенциала в зависимости от значения мембранного потенциала пресинаптического аксона

А. Незначительная гиперполяризация пресинаптического окончания уменьшает входящий ток ионов кальция. Соответственно этим изменениям уменьшается или увеличивается количество нейромедиатора, выделяющегося из пресинаптического окончания.

Б. Амплитуда возбуждающего постсинаптического потенциала снижается при гиперполяриза­ции пресинаптического окончания и возрастает при его деполяризации.

 

А. Пресинаптическое торможение в результате действия тормозного нейрона на окончание пресинаптического нейрона в аксо-аксональном синапсе приводит к уменьшению входного тока ионов кальция в пресинаптическое окончание. В результате уменьшается количество вы­деляющегося из окончания медиатора и, соответственно, уменьшается амплитуда возбуждаю­щего постсинаптического потенциала.

Б. Пресинаптическое усиление происходит под влиянием медиатора возбуждающего аксо-аксо- нального синапса, что приводит к повышению входного тока кальция в пресинаптическое окончание, увеличенному выделению из него нейромедиатора и увеличению амплитуды воз­буждающего постсинаптического потенциала.

ны пресинаптического окончания в ней открываются потенциалзависимые каналы для ионов кальция, и тогда его концентрация в окончании быстро повышается, что вызывает выход медиаторов. И наоборот, даже небольшая гиперполяризация пресинаптической мембраны приводит к уменьшению тока ионов кальция в окончание аксона и снижает вероятность выхода ме­диатора (рис. 4.7).

Величину выходных сигналов могут регулировать тормозные или возбу­ждающие нейроны, действующие своими медиаторами на пресинаптиче­ское окончание в аксо-аксональных синапсах (рис. 4.8). Медиаторы тор­мозных нейронов гиперполяризуют мембрану пресинаптического оконча­ния аксона, что уменьшает ток ионов кальция в это окончание, поэтому выделение медиатора из него тоже уменьшается. Пресинаптическое тормо­жение предназначено для временного уменьшения выходной активности нейрона и не распространяется на интегративную зону, где происходит ге­нерация потенциалов действия.

Если в образовании аксо-аксонального синапса участвует пресинапти- ческий возбуждающий нейрон, то действие его медиатора приведет к депо­ляризации мембраны аксона постсинаптического нейрона. Следствием этого становится повышение тока ионов кальция в это окончание и, соот­ветственно, увеличение количества выделяемого из него медиатора. В ре­зультате управляемое окончание возбужденного нейрона станет эффектив­нее действовать на постсинаптическую мишень. Этот эффект получил на­звание пресинаптического усиления.

4.1.3. Функциональная характеристика нейроглии

Клетки нейроглии расположены между нервными клетками: они способст­вуют объединению элементов нервной системы и, одновременно, изолиру­ют друг от друга отдельные группы нейронов, а также большую часть их аксонов.

4.1.3.1. Астроциты

Астроциты с помощью многочисленных ветвящихся отростков образуют пространственную сеть, занимающую около половины межклеточного пространства серого вещества. Отростки соседних астроцитов расширяют­ся на концах и смыкаются друг с другом на поверхности кровеносных ка­пилляров, изолируя снаружи более 90 % их поверхности. Это способствует формированию гематоэнцефалического барьера, препятствующего проник­новению из крови крупных молекул, большинства продуктов патологиче­ских процессов и лекарств.

Остальные отростки астроцитов почти целиком обертывают нервные клетки; вместе с синапсами, находящимися на теле и дендритах, они вы­полняют функцию опоры и создают окружающую нейроны микросреду. Ас­троциты поглощают избыток ионов калия, выходящих из нейронов при возбуждении; тем самым они выполняют буферную функцию, обеспечи­вающую постоянство ионного состава с наружной стороны нейронов. Ста­бильная концентрация ионов калия на наружной мембране нейронов по­зволяет сохранять возбудимость нейронов неизменной при разных услови­ях их функционирования.

При поглощении калия астроциты деполяризуются и возникает ток этих ионов через щелевые контакты между соседними астроцитами. Однако это не приводит к возбуждению астроцитов, поскольку в их мембране для воз­буждения недостаточно потенциалзависимых каналов. В состоянии покоя мембрана астроцитов проницаема только для ионов калия, которые диф­фундируют из клетки по градиенту концентрации, пока не установится значение равновесного потенциала для калия (—75 мВ). Несмотря на то что повышение концентрации ионов калия при поглощении их излишков ведет к изменению некоторых свойств астроцитов, в переносе нервных импуль­сов они не участвуют, эта функция возложена исключительно на нейроны.

Помимо опорной и буферной функции астроциты участвуют в регуля­ции энергетического обмена нейронов, перекисного окисления липидов, регуляции обмена нейромедиаторов; они секретируют нейротрофические факторы, цитокины и иммуномодуляторы, а некоторые разновидности ас­троцитов участвуют в фагоцитозе. Специфическую функцию выполняют астроциты, сосредоточенные вокруг глутаматергических синапсов. Глута­мат, самый распространенный возбуждающий нейромедиатор, в высокой концентрации оказывается токсичным для многих нейронов, имеющих к нему рецепторы. Повышенная концентрация глутамата стимулирует ток кальция в клетки, а при высокой концентрации кальция повышается ак­тивность ферментов, способствующих усилению перекисного окисления липидов (подобная ситуация возникает, например, вследствие кровоизлия­ний и некоторых заболеваний мозга). Астроциты обладают высокой спо­собностью к захвату молекул глутамата и содержат ключевой фермент (глу- таминсинтетазу), с помощью которого захваченный глутамат преобразуется в лишенный нейротоксической активности глутамин.

4.1.3.2. Олигодендроциты

Основной функцией олигодендроцитов является синтез миелина и образо­вание миелиновых оболочек вокруг аксонов. Расположенные возле тел нейронов и вдоль аксонов олигодендроциты своими отростками много­кратно обертывают аксоны, обеспечивая им изолирующий миелиновый футляр. Обычно отростки одного олигодендроцита участвуют в миелиниза­ции нескольких соседних аксонов, однако они могут миелинизировать не только аксоны, но некоторые нейроны, например клетки обонятельной лу­ковицы, гранулярные клетки мозжечка. В периферической нервной систе­ме миелинизацию аксонов осуществляют шванновские клетки, являющиеся аналогами олигодендроцитов.

4.1.3.3. Эпендимная глия

Различают типичные эпендимные клетки, выстилающие поверхности желу­дочков мозга и центральный канал спинного мозга, а также танициты. расположенные преимущественно в области гипоталамуса и на дне IV же­лудочка, в стенках водопровода и в спинном мозге. Эпендимные клетки участвуют в трансцеллюлярном транспорте, с помощью своих ресничек приводят в движение цереброспинальную жидкость и обладают секретор­ной функцией. Танициты участвуют в транспорте веществ из спинномоз­говой жидкости к аденогипофизу и в обратном направлении.

4.1.3.4. Микроглия

Клетки микроглии происходят от моноцитов, проникших из кровяного рус­ла, они могут фагоцитировать значительные объемы разрушенных клеток и нервных волокон, бактерии и вирусы. Это самые мелкие и самые немно­гочисленные среди клеток глии (около 5 % глиальных клеток); диффузно распределенные в сером и белом веществе мозга, они обладают подвижно­стью и выраженной способностью захватывать и перерабатывать продукты обмена. При повреждениях мозга наблюдается пролиферация микроглии, а кроме того, их популяцию увеличивают вновь проникшие из крови моно­циты. Клетки микроглии вырабатывают цитокины для активации астроци­тов и Т-лимфоцитов.