 |
Общая характеристика и морфофункциональная характеристика нейронов
|
|
|
|
Нервная система
Часть 1. Нервная ткань. Общая характеристика и морфо-функциональная характеристика нейронов
Межнейронные связи. Синапсы
Секреторные нейроны
Глия
Нервные волокна и окончания
Гистогенез нервной ткани (нейро- и глиогенез)
Общая характеристика и морфофункциональная характеристика нейронов
Чрезвычайно разнообразные по строению и функции нервные клетки составляют основу центральной (головной и спинной мозг) и периферической нервной систем. Совместно с нейронами при описании нервной ткани рассматриваются второй ее важный компонент – глиальные клетки. Они подразделяются на клетки макроглии – астроциты, олигодендроциты, эпендимоциты и клетки микроглии.
Основные функции нервной системы, осуществляемые нейронами – возбуждение, его проведение и передача импульсов на эффекторные органы Нейроглиальные клетки способствуют выполнению нейронами этих функций. Деятельность нервной системы основана на принципе функционирования рефлекторной дуги, состоящей из нейронов, связанных друг с другом посредством специализированных контактов – синапсов различного вида.
Нейроны позвоночных и большинства беспозвоночных животных, как правило, клетки с многими длинными, сложно ветвящимися отростками, часть которых воспринимает возбуждение. Они называются дендритами, а один из отростков, отличающийся большой длиной и разветвлениями в терминальных отделах, именуется аксоном (рис. 9.1).
Основные функциональные свойства нейронов связаны с особенностью строения их плазматической мембраны, содержащей огромное число потенциал- и лигандзависимых рецепторных комплексов и ионных каналов, а также со способностью выделять в определенных участках (синапсах) нейромедиаторы и нейромодуляторы. Познание структурной организации нервной ткани во многом было обусловлено применением специальных методов окраски нейронов и глиальных клеток. Среди них особого внимания заслуживают методы импрегнации тканей солями серебра по Гольджи и Бильшовскому-Гроссу.
|
|
|
Основы классических представлений о клеточном устройстве нервной системы были заложены в трудах выдающегося испанского нейрогистолога, лауреата Нобелевской премии, Сантьяго Рамон-и-Кахала. Большой вклад в учение о нервной ткани внесли исследования гистологов Казанской и Петербургской-Ленинградской школ нейрогистологии – К. А. Арнштейна, А. С. Догеля, А. Е. Смирнова, Д. А. Тимофеева, А. Н. Миславского, Б. И. Лаврентьева, Н. Г. Колосова, А.А. Заварзина, П.Д.Дейнеки, Н.В. Немилова, Ю.И. Орлова, В.П. Бабминдры и др.
Структурная и функциональная полярность большинства нервных клеток обусловила традиционное выделение трех отделов нейрона: тела, дендритов и аксона (рис. 9.5). Уникальность строения нейронов проявляется в чрезвычайной разветвленности их отростков, нередко достигающих очень большой длины, и наличием в клетках разнообразных специфических белковых и небелковых молекул (нейромедиаторы, нейромодуляторы, нейропептиды и др.), обладающих высокой биологической активностью.
В основе классификации нервных клеток по их строению лежат: 1) форма тела – выделяют округло-овальные, пирамидные, корзинчатые, веретеновидные, грушевидные, звездчатые и некоторые другие виды клеток (рис. 9.5); 2) число отростков – униполярные, биполярные (как вариант – псевдоуниполярные), и мультиполярные; 3) характер ветвления дендритов и наличие шипиков (густо- и редковетвистые; шипиковые и бесшипиковые клетки); 4) характер ветвления аксона (ветвление только в терминальной части или наличие коллатералей по всей длине, короткоаксонные или длинноаксонные) (рис. 9.6).
|
|
|
Нейроны также подразделяют по содержанию нейромедиаторов на: холинергические, адренергические, серотонинергические, ГАМК (гаммкергические), аминокислотные (глицинергические, глутаматэргические и др.). Наличие в одном нейроне нескольких нейромедиаторов, даже таких антагонистических по своим эффектам, как ацетилхолин и норадреналин, заставляет относиться к однозначному определению нейромедиаторного и нейропептидного фенотипа нейронов весьма осторожно.
Также существует классическое разделение нейронов (в зависимости от их положения в рефлекторной дуге) на: афферентные (чувствительные), вставочные (ассоциативные) и эфферентные (в том числе и двигательные). Чувствительные нейроны имеют наиболее вариабельную структурную организацию окончаний дендритов, принципиально отличающую их от дендритов остальных нервных клеток. Они часто представлены биполярными (чувствительные ганглии ряда органов чувств), псевдоуниполярными (спинномозговые ганглии) или высокоспециализированными нейросенсорными клетками (фоторецепторы сетчатки или обонятельные клетки). Найдены нейроны центральной нервной системы, не генерирующие потенциал действия (бесспайковые нейроны), и спонтанно-возбудимые осцилляторные клетки. Анализ особенностей их структурной организации и взаимосвязи с «традиционными» нейронами является перспективным направлением в познании деятельности нервной системы.
Тело (сома). Тела нервных клеток могут значительно различаться по форме и размерам. Моторные нейроны передних рогов спинного мозга и гигантские пирамиды коры больших полушарий – одни из самых крупных клеток в организме позвоночных – размер тела пирамид достигает 130 мкм, и наоборот, клетки-зерна мозжечка, имеющие диаметр в среднем 5–7 мкм, самые маленькие нервные клетки позвоночных. Разнообразны по форме и размерам и клетки вегетативной нервной системы (рис. 9.7).
Ядро. Нейроны имеют, как правило, одно ядро. Оно обычно крупное, округлое, содержит одно-два ядрышка, хроматин отличается низкой степенью конденсации, что свидетельствует о высокой активности ядра (рис. 9.5). Возможно, что некоторые нейроны являются полиплоидными клетками. Ядерная оболочка представлена двумя мембранами, разделенными перинуклеарным пространством и имеющие многочисленные поры. Количество пор достигает у нейронов позвоночных 4000 на ядро. Важной состовляющей ядра является т.н. «ядерный матрикс» - комплекс ядерных белков, обеспечивающих структурную организацию всех компонентов ядра и участствующих в регуляции процессов репликации, транскрипции и процессинге РНК и их выведении из ядра.
|
|
|
Цитоплазма (перикарион). Многие, особенно крупные пирамидные нейроны, отличаются богатым содержанием гранулярной эндоплазматической сети (ГЭС). Это находит яркое проявление при их окраске анилиновыми красителями в виде базофилии цитоплазмы и включенном в нее базофильным, или тигроидным, веществом (вещество Ниссля). Распределение базофильного вещества Ниссля в цитоплазме перикариона признается одним из критериев дифференцировки нейрона, а также показателем функционального состояния клетки. В нейронах находится также большое число свободных рибосом, обычно собранных в розетки – полисомы. В целом, нервные клетки содержат все основные органеллы, характерные для эукариотической животной клетки (рис. 9.8, а), хотя есть ряд особенностей.
Первая касается митохондрий. Интенсивная работа нейрона связана с большими энергетическими затратами, поэтому в них много митохондрий самого разного вида. В теле и отростках нейронов располагаются немногочисленные (3-4 шт) гигантские митохондрии «ретикулярного» и «нитчатого» типов. Расположение крист в них продольное, что также достаточно редко встречается среди митохондрий. Кроме того, в теле и отростках нейрона есть множество мелких митохондрий «традиционного» типа с поперечными кристами. Особенно много митохондрий скапливается в районах синапсов, узлов ветвления дендритов, в начальном участке аксона (аксоном холмике). Из-за интенсивности функционирования митохондрий в нейроне они имеют, как правило, короткий жизненный цикл (некоторые митохондрии живут около часа). Обновляются митохондрии путем традиционного деления или почкования митохондрий и поставляются в отростки клетки посредством аксонального или дендритного транспорта.
|
|
|
Еще одной из характерных черт строения цитоплазмы нейронов позвоночных и беспозвоночных животных является присутствие внутриклеточного пигмента – липофусцина. Липофусцин относится к группе внутриклеточных пигментов, главным составляющим которых являются каротиноид желтого или коричневого цвета. Он находится в мелких мембранозных гранулах, рассеянных по цитоплазме нейрона. Значение липофусцина активно обсуждается. Считается, что это пигмент «старения» нейрона и связан он с процессами неполного расщепления веществ в лисосомах.
В процессе жизненного цикла нервных клеток количество липофусциновых гранул достоверно увеличивается и по их распределению в цитоплазме можно косвенно судить о возрасте нейрона.
Выделяют четыре морфологические стадии «старения» нейрона. У молодых нейронов (1- я стадия - диффузная) - липофусцина мало и он рассеян по цитоплазме нейрона. У зрелых нервных клеток (2-я стадия, околоядерная) - количество пигмента увеличивается и он начинает скапливаться в зоне ядра. У стареющих нейронов (3-я стадия - полярная), липофусцина все больше и больше и скопления его гранул концентрируются около одного из полюсов нейрона. И наконец, у старых нейронов (4-я стадия, биполярная), липофусцин заполняет большой объем цитоплазмы и его скопления находятся на противоположных полюсах нейрона. В ряде случаев липофусцина в клетке становится так много, что его гранулы деформируют ядро. Накопление липофусцина в процессе старения нейронов и организма связывают также со свойством липофусцина, как каротиноида, связывать кислород. Полагают, что таким образом нервная система адаптируется к происходящему с возрастом ухудшению кислородного питания клеток.
Особой разновидностью эндоплазматической сети, характерной для перикариона нейронов, являются субповерхностные цистерны – одна-две уплощенные мембранные везикулы, расположенные около плазматической мембраны и нередко связанные с ней электронно-плотным неоформленным материалом (рис. 9.8, б). В перикарионе и в отростках (аксоне и дендритах) нередко обнаруживаются мультивезикулярные и мультиламеллярные мембранозные тельца, представленные скоплениями пузырьков или фибриллярного материала со средним диаметром 0,5 мкм. Они являются производными конечных стадий функционирования лизосом в процессах физиологической регенерации компонентов нейрона и участвуют в обратном (ретроградном) транспорте. (рис. 9.9).
|
|
|
Дендриты. Дендриты многих нейронов отличаются высокой степенью разветвленности и сложностью окончаний и характеризуются постепенным уменьшением диаметра претерминальных веточек. Дендритная система определенных типов нервных клеток, как правило, более стабильна, чем их аксонная система. Это послужило основой для создания современных классификаций нейронов (классификации Г.И. Полякова, Т.А.Леонтович и Э. Рамон-Молинера ). Цитоплазма дендритов во многом аналогична таковой тела клетки и содержит многие органеллы (рис. 1), в том числе гранулярную эндоплазматическую сеть, комплекс
Гольджи, особенно в крупных первичных веточках и узлах ветвления. Особенности структурной организации дендритов проявляются и на молекулярном уровне – в опытах с использованием метода «гибридизации in situ» было показано, что большинство цитоплазматических мРНК определялось в начальных отделах крупных дендритов и только несколько видов мРНК были обнаружены в их маленьких веточках. Эти мРНК отвечают за синтез высокомолекулярной формы МАР2 – белка (микротрубочко - ассоциированный белок, считающийся маркером дендритов) и синтез a-субъединицы Ca2+/кальмодулинзависимой протеинкиназы. В дендритах также выявлена мозговая цитоплазматическая РНК (BC1), впервые обнаруженная в мозге крыс и позже показанная у человека под названием BC200. Эта очень короткая РНК (всего 152 нуклеотида) отличается тем, что не кодирует какого-либо белка. Значение этой РНК в дендритах окончательно не установлено. Предполагается, что она может участвовать в регуляции транспорта мРНК в теле и отростках нейронов. Интересно, что нетранслируемые дендритные РНК связаны с белками и образуют рибонуклеопротеидные комплексы, аналогичные частичкам, распознающим сигнальный пептид при синтезе секреторного белка.
Дендриты многих нейронов имеют маленькие цитоплазматические выросты – шипики (по англ. spine – вырост). Количество шипиков на дендритах у разных типов клеток может колебаться от нуля (например у т.н. «безшипиковых короткоаксонных звездчатых нейронов неокортекса высших млекопитающих и человека) до нескольких десятков тысяч (например на дендритах клеток Пуркинье коры мозжечка или крупных радиальных нейронах подкорковых центров полушарий).
Морфологически шипики имеют разнообразную форму и на светооптическом уровне выделяют несколько типов шипиков (палочковидный, грибовидный, конусовидный и другие типы). Объемная,реконструкция шипиков показала, что их размеры и объем значительно варьируют от 0,001 мкм3 у мелких тонких шипиковидных выростов до 0,8 мкм3 у крупных грибовидных шипиков).
Наиболее часто встречаемой формой шипика является грибовидный шипик. Он имеет головку и шейку. Электронно-микроскопические исследования и данные иммуногистохимии выявили сложную внутреннюю структуру шипиков (Рис. хх).
В большинстве случаев шипики являются постсинаптической частью аксон-дендритного контакта (на каждом шипике может быть от одного до нескольких
аксонных окончаний). Характерной структурой шипика является развитая система постсинаптических утолщений (PSD). Она занимает около 10% поверхности шипика и имеет сложную молекулярную структуру. Основными компонентами PSD являются встроенные в мембрану постсинапса рецепторные комплексы, ионные каналы, молекулы межклеточной адгезии, а также система субмембранного цитоскелета, стабилизирующего эти рецепторы в мембране и осуществляющие связь с компонентами цитоскелета самого шипика.
В головке большинства шипиков (особенно, крупных грибовидных) обнаружены элементы гладкого эндоплазматического ретикулума – т.н. «шипиковый аппарат - ША». Он представляет собой систему уплощенных цистерн, разделенных прослойкой электронноплотного вещетва. Наличие в шипиках ША является показателем высокого уровня дифференцировки дендритной системы нейронов. Встречается ША преимущественно в дендритных шипиках нейронов высших позвоночных и беспозвоночных животных. В головке шипика также обнаруживаются отдельные мембранные пузырьки, мультивезикулярные тельца и рибосомы. Последнее очень важно, т.к.показывает на возможность локального синтеза белков непосредственно в шипике. Митохондрии в шипиках редки, но их присутствие обычно в период роста шипиков и формирования синаптических контактов.
Цитоскелет шипика очень сложный. Основу его составляет актиновый скелет, включающий два основых компонента. Меньшая (стабильная) часть актинового цитоскелета связана с такими актинассоциированными белками как: спектрин, актинин и др. Именно она обеспечивает стабильность формы шипика, тогда как другая (большая) часть актиновых фибрилл может в течение короткого времени (нескольких минут) реорганизовываться, обеспечивая лабильность и изменчивость шипиков. Эта динамическая популяция актиновых филаментов регулируется через систему актинсвязывающих белков (гельзолин, профилин, кофилин и др.). Большинство этих белков являются Са+2 зависимыми, а депо ионов Са находится в цистернах ША. В ножке шипика и прилегающем к ней районе дендрита обнаружен миозин(стенин), взаимодействие которого с актином способствует изменению размера шипика, и как следствие, изменению ширины синапстической щели аксо-шпикового контакта. Лабильность цитоскелета шипика также связана с процессами формирования шипиков или их редукции.
На формирование шипиков, их редукцию или образование новых влияет множество факторов, таких как: возраст организма, синаптическая активность, информационная нагрузка на нейронные цепи, гормональный фон, температура и многие другие.
Значительное влияние на структуру шипиков оказывают и патологические процессы (особенно нейродегенеративные заболевания наследственной природы), а также токсикологические факторы (наркотики, алкоголь, яды различной природы).
Наиболее типичными проявлениями патологических изменений в морфологии шипиков являются:
- уменьшение количества шипиков на дендритных ветвях, вплоть до их полной редукции (алкоголизм, деафферентация, нейродегенеративные заболевания типа болезни Альцгеймера, эпилепсия и др.)
- уменьшение размеров шипиков (синдром Дауна, некоторые формы шизофрении, сенсорная депривация)
- патологическое, уродливое изменение формы шипиков (алкоголизм, эпилепсия, прионовые болезни, нарушение кровоснабжения мозга (инсульт), голодание)
- слияние шипиков в конгломераты, варикозности (ушибы и черепно-мозговые травмы, острые отравления, гипоксия/ишемия мозга). (Рис. ХХ К Харрис, 2002, BRR 39.
Во всех этих случаях серьезные изменения происходят и во внутренней структуре шипиков: в головке шипиков гипертрофируются цистерны шипикового аппарата, накапливаются мультивезикулярные тела (являющиеся показателем деструктивных процессов в цитоплазме), резко повышается электронная плотность цитоплазмы шипика или, наоборот, происходит отек головки шипика.
Все эти морфологические изменения, без сомнения, сказываются на функции нейронных центров, поскольку нарушается вся система связи между нейронами и отделами мозга.
|
|
|
