Выделить нейрон из общего количества клеток мозга оказалась задачей не из легких. Одним из существенных препятствий было то, что мозговые ткани чрезвычайно сложны, насыщены большим количеством клеток, многие из которых имеют настолько сложную ассиметричную трехмерную структуру, что зачастую сложно сказать, где кончается одна клетка и начинается другая.
Аксоны и дендриты
Но начнем с трех структурных элементов, уникальных для нейронов. Это аксон, специализирующийся на внутриклеточной передачи информации, дендрит, который получает информацию от других нейронов, и, наиболее высокоспециализированная структура из всех — синапс, точка передачи информации между нейронами (рис. 1-3). Аксоны — тонкие, похожие на трубки, возникающие из тела клетки, и путешествующие на дистанции от нескольких микрометров до нескольких метров перед тем, как образовать синапс. Диаметр аксона варьируется от 1 мкм до почти 1 мм, причем диаметр одного аксона может быть различным на разных дистанциях от тела клетки.
Рис. 1.3. Ульстраструктура нейрона. Общая схема нейрона. Структуры и органеллы, имеющиеся только в нейронах, отмечены синим.
Диаметр аксона — важный фактор, определяющий скорость передачи информации, с которой она течет по аксону. Более того, на скорость передачи влияет миелинизация. Аксон начинается с конического образования, которое принято называть аксонный холмик. Дендриты тоньше и разветвленней, чем асконы. Некоторые дендриты делят с аксонами способность передавать электрические сигналы, и во многих нервных клетках ввод и вывод информации осуществляется одними и теми же дендритными процессами.
Синапс
Сущность функции нервной системы — внутриклеточная коммуникация, в результате которой информация передается из одной части нервной системы в другую. Нейроны мозга развили уникальную и специализированную структуру, которая выполняет эту задачу. Термин « синапс» восходит к греческому слову «sindesis» (соединение). Считается, что само слово было представлено в конце девятнадцатого столетия британским физиологом Чарльзом Шеррингтоном.
Шеррингтон в основном изучал спинные рефлексы, не требующие работы мозга, а на концепцию синапса его натолкнуло отдергивание конечности от горячей поверхности. Он сделал верное предположение, что между сенсорными и моторными нейронами существует структура, позволяющая передавать информацию в обоих направлениях. Примечательно, что определение синапса, данное Шеррингтоном оставалось чисто функциональным, и только через много лет получило свой анатомическое обоснование.
Всю первую половину двадцатого века ученые разделялись на два лагеря, один из которых, возглавляемый нейрофизиологом сэром Генри Дэйлом, опираясь на ряд убедительных экспериментов, постулировал химическую синаптическую трансмиссию (классический опыт Отто Леви 1921 г. в двумя лягушачьими сердцами, где удалось изолировать и идентифицировать первый нейротрансмиттер ацетилхолин). Другие же ученые считали, что синаптическая передача происходит напрямую между нейронами путем передачи ионов. Ярким представителем этой школы был сер Джон Экклс. Сейчас мы знаем, что обе точки зрения оказались правильными. Химический и электрический режимы передачи информации существуют практически во всех нервных системах.
Свойства химических и электрических синапсов
Обе разновидности синапсов осуществляют передачу информации, но делают это за счет очень разных механизмов. Принято рассматривать эти различия в синаптических типах в контексте различных ролей, которые они выполняют. О химических синапсах мы знаем гораздо больше, чем об электрических, но это скорее последствие более раннего их открытия, чем меньшая важность электрических синапсов в передаче сигналов. Эксперименты с химическими свойствами синапсов проводились долгие годы и были приняты научным сообществом. Но только относительно совсем недавно наука доросла до точного измерения электрических свойств нервных сопряжений.
Рис. 9.1. Нейромышечное соединение у позвоночных
До совсем недавнего времени, почти всё, что мы знали о химических синапсах, было подчерпнуто из изучения нейромускульных соединений позвоночных животных (рис. 9-1). Чаще изучались соединения нейрон-мускул, нежели нейрон-нейрон. Отчасти так получалось, оттого что нейромышечные соединения были максимально удобны для препарации и изучения, например, классический синапс между седалищным нервом и икроножной мышцей лягушки. Такого рода соединения оказались несравнимо комфортабельней в манипуляциях нежели чисто межнейронные синапсы в комплексных клеточных сетях центральной нервной системы (рис. 1-8).
Рис. 1.8. Химический синапс. Электронная микрография (a) и рисунок (b) дендритов клеток Пуркинье. Landis, 1987.
Вдобавок, некоторые маститые исследователи, наиболее известный из которых — сэр Бернард Катц и его коллеги в Лондоне, провели блистательные анатомирования, проясняющие синаптическую передачу между нервами и клетками мускулов. В итоге у нейробиологов сложилась «типичная« картина нейромышечного соединения как химического синапса. Однако последние технологические новинки позволили более детально изучить синапсы ЦНС, и выяснилось, что эта картина во многом не соответствует действительности. Например, много химических синапсов ЦНС оперируют на величинах меньших, чем нейромускулярные связи. Молекулярные механизмы, превращают химический сигнал в электрический ответ постсинаптической клетки, который может быть весьма различным. Гердтруда Стайн вполне могла бы сказать по этому поводу: «Синапс это синапс это синапс это синапс».
Химические синапсы
Наиболее очевидная разница между химическим и электрическим синапсом — в их структуре, которая хорошо видна на электронном микроскопе. Химические синапсы имеют ассиметричную морфологию, с отчетливыми особенностями, найденными в пресинаптических и постсинаптических частях или «элементах» синапса (рис. 1-3 и 1-8). Пресинаптическое окончание аксонной терминали имеет набухание, содержащее митохондрию и, что более важно, разнообразные везикулярные структуры. Везикулы содержат нейротрансмиттеры, например, ацетилхолин, высвобождающийся из пресинаптической терминали и производящий некоторые изменения в постсинаптической клетке. (рис 1-8). Электронный микроскоп также дал нам четкую картину синаптической щели, synaptic cleft. Это промежуток между пре- и постсинаптическими элементами химического синапса, они разнесены на расстояние от 20 до 30 нм . Этот промежуток больше, чем нормальное межклеточное пространство, и его присутствие означает, что здесь нет прямой мембранной связи между пресинаптическими и постсинаптическими клетками.
Синаптическая щель содержит карбонгидраты, предположительно, ассоциированные с гликопротеинами в обоюдосторонних мембранах. Функция этих кабронгидратов еще до конца не ясна, но ряд ученых склоняется к идее, что эти внешнеклеточные карбонгидраты предоставляют клеточный матрикс для некоторых молекул, необходимых для формирования синапсов. Большинство пресинаптических окончаний — аксонные терминали, большинство постсинаптических элементов являются дендритами, благодаря чему возник термин «аксодендритный синапс, axodendritic synapse». Однако, как в большинстве правил, и этом имеются исключения. Существуют аксосоматичсекие синапсы (когда постсинаптическая цель — это нейрональноя клетка или сома). Более редко встречаются аксоноаксональные синапсы. Более того, сейчас стало очевидным, что дендриты также могут функционировать как пресинаптические элементы (дендродендритные синапсы). Действительно, в некоторых клетках хорошо отлаженные дендритные процессы осуществляют вход и выход информации.
Фактически вся соматическая и дендритная поверхность большинства центральной нервной системы покрыта пресинаптическими терминалями. (рис. 1-9, фотомикрография ). Другим словами, может быть колоссальная конвергенция, на единичном нейроне, получающем входящую информацию от сотен или даже тысяч пресинаптических клеток. (рис. 1-10). Нейроны постоянно интегрируются в эти множественные синаптические входы и расположение конкретных постсинаптических сайтов может быть детерминирующим для активности нейрона в целом. Когда мы принимаем во внимание, что один пресинаптический аксон может ветвиться много раз и предоставлять вход для десятков и сотен постсинаптических целей (дивергенция, см. рис. 1-10), мы не можем не восхититься сложностью вычислений, которые проводятся даже самой простой частью нервной системы.
Рис. 1.9. Конвергентные синаптические входы (выделено синим) нейрона гиппокампа (микрография Pietro de Camilli).
Конвергенция и дивергенция в нервной системе. Слева: любая нервная клетка может создать множество конвергентных входящих дендритных синапсов с большим количеством (например, несколькими тысячами) нейронов. Справа: Аксон нейрона может ветвиться много раз к постсинаптическим целям этого нейрона.
По контрасту с пресинаптическими терминалями, постсинаптические элементы обычно характеризуются отсутствием везикул, прилегающих к плазматической мембране. Как правило, постсинаптический элемент — это насыщенная электронами структура. Постсинаптическая плотность, ассоциированная с постсинаптической мембраной немедленно предпринимает ответные шаги в ответ на аккумуляцию везикул на другой стороне синапса (рис. 1-3 и 1-8). Функциональное значение такой морфологической специализации остается предметом дальнейших исследований и до конца еще не прояснено. Среди этих функций — помогать соответствующим нейротрансмиттерным рецепторам на постсинаптической мембране. Постсинаптические элементы также содержат молекулы, вовлеченные в трансдукцию , конверсию химических сингалов в электрический ответ постсинаптической клетки. Морфологическая ассиметрия химических синапсов — одна из фундаментальных функциональных ассимметрий: химические синапсы однонаправлены. Это значит, что быстрая передача осуществляется только между пре – и пост синаптическими клетками (рис. 1-6).
Рис. 1.6. Классическая дуга рефлекса со входом сенсорного нейрона и выходом на моторных нейрон. Стрелками обозначено направление передачи возбуждения в данном рефлекторном пути.
Если бы не было исключений, это не было бы правилом: различные типы информации текут от пост- к пресинаптическим клеткам посредством ретроградных мессенджеров. Однако, это существенно отличается от более-менее симметричной двунаправленнойпередачи в большинстве электрических синапсов. В химических синапсах задержка между пре- и постсинаптической передачей может составлять от нескольких миллисекунд до сотен. Такая задержка обусловливается несколькими шагами, необходимыми для выброса и воздействия химического нейротрансмиттера. Более того, ответ постсинаптического нейрона может быть существенно дольше, чем сигнал, спровоцировавший этот ответ. Трансдукция может быть задействована в достаточно долго длящихся нейронных событиях.
Электрические синапсы
В электрических синапсах сигнал может свободно идти в обоих направлениях, каждая клетка может быть пресинаптической или постсинаптической в разные моменты времени. Вместо синаптической щели, разделяющей химический синапс на два элемента, электрический синапс может характеризоваться как плотно прилежащий к мембранам пре- и постсинаптических клеток. В этих областях мембраны найдены поры (gap junction, ионные каналы), позволяющие ионам и небольшим молекулам свободно проходить через цитоплазму от одной клетки в другую. Эти поры состоят из множества типов клеток. Обычный тест на установление факта соединения клеток через ионный канал — введение в одну из клеток люминисцентного красителя (обычно, Lucifer Yellow (рис 1-11). Краситель, имеющий низкомолекулярный вес, свободно проходит в другую клетку. Движение маленьких ионов через межклеточные каналы организует внутриклеточную сигнализацию в электрическом синапсе. Такие каналы — путь с низким сопротивлением для потока ионов между клетками без утечки тока во внеклеточное пространство. Таким образом, сигнал может быть передан с несущественным ослаблением.
Рис. 1.11. Электрический синапс. a — два примыкающих друг к другу нейрона (с подкрашиванием). Нижний (neuron 1) подкрашивается флуоресцентным красителем. b — Флуоресцентное изображение показывает, что краситель перешел в нейрон.
Из такого режима передачи вытекают две важных функциональных особенности — двунаправленная сингализация, функциональная симметрия сочетается со структурной симетрией. Есть примеры, где эффективность электрической передачи выше для одного направления, чем для другого (rectified synapse). Первый электрический синапс, исследованный в деталях, был между двумя большими аксонами рака, и он был как раз rectified. Второй важнейший критерий определения электрического синапса — скорость. В электрических синапсах нет аналоговых задержек, как в химических.
Степень распространения электрической сингализации в центральной нервной системе до сих пор остается невыясненной. Одна из задач электрических синапсов — синхронизация электрической активности больших популяций нейронов. К примеру, беспозвоночные и позвоночные демонстрируют, что электрическими синапсами связаны популяции секреторных нейронов, которые синтезируют и выделяют биологически активные пептидные нейротрансмиттеры и гормоны. Одновременная запись активности с нескольких нейронов из таких популяций показывает их одновременную электрическую активность, результатом которой, возможно, является совместный выброс их нейротрансмиттера. Также синхронизация важна для различных аспектов развития нейронов, включая формирование химических синапсов. Большое количество электрических синапсов мы можем наблюдать в сетчатке, где синапсы могут координировать обработку зрительной информации. Очевидно, что вероятность изменения свойств электрических синапсов гораздо меньшая в сравнении с химическими, и электрические синапсы вполне могут предоставлять инвариантный режим внутриклеточной коммуникации. Однако также очевидно, что эффективность электрических синапсов может регулироваться в таких же широких пределах, как и у химических синапсов. Более того, в нейронных сетях есть связи между обоими типами синапсов и они в состоянии модулировать друг друга.
Цитоскелет
В контексте строения и функции нейронов нельзя не упомянуть цитоскелет — гетерогенную сеть , состоящую из нейрофиламентов, микрофиламентов и миктотубул. Функция микрофиламентов наиболее понятна в скелетной мускулатуре, где эти белки формируются из актина и миозина. Это высокоорганизованные структуры, взаимодействующие между собой для того, чтобы обеспечить правильное сокращение мышц.
Нейрофиламенты, возможно, наименее изученные элементы цитоскелета, размером около 10 нм в диаметре. Некоторые паталогические условия, например, болезнь Альцгеймера, вызывают полную дезорганизацию нейрофиламентов, но неясно, вызывается симптоматика болезни именно этим.
Микротубулы задействованы во множестве клеточных функций и являются заметными составляющими аксонов и дендритов. По микротубулам путешествуют органеллы и везикулы в процессе аксонального транспорта. Скорость передвижения протеинов по миктротубулам варьируется от нескольких сотен миллиметров в день до 1-10 мм. Ключевым драйвером аксонального транспорта является кинозин.
При подготовке материала были использованы следующие источники: The Neuron. Cell and Molecular Biology; Irwin B. Levitan and Leonard K. Kaczmarek; Oxford University Press, 2015.
Немного науки
Коротко о физиологии речи Зоны речи и афазии Транскортикальные афазии Подкорковые афазии Нарушения чтения и письма Жаргон как патология Язык, рисование и правое полушарие Об эмоциях Bottom-up и top-down процессы Нейроны