Нейрохирургия

Рис.

1.5. Ультраструктура нервной клетки.

1 - ядро; 2 - гранулярная эндоплазматическая сеть; 3 - пластинчатый комплекс (Гольджи); 4 - митохондрии; 5 - лизосомы; 6 - мультивезикулярное тело; 7 - полисомы нейронов обладают потенциалзависимой проводимостью, что обусловлено

присутствием на их мембранах кальциевых каналов, при активации которых генерируются потенциалы действия.

Аксон. Аксон берет начало у аксонного холмика - специализированного участка клетки (чаще сомы, но иногда - дендрита) (см. рис. 1.3). Аксон и аксонный холмик отличаются от сомы и проксимальных участков дендритов отсутствием гранулярного эндоплазматического ретикулума, свободных рибосом и аппарата Гольджи. В аксоне присутствуют гладкий эндоплазматический ретикулум и выраженный цитоскелет.

Аксоны покрываются миелиновой оболочкой, образуя миелиновые волокна. Пучки волокон (в которых могут быть отдельные немиелинизированные волокна) составляют белое вещество мозга, черепные и периферические нервы. При переходе аксона в пресинаптическое окончание, наполненное синаптическими пузырьками, аксон образует колбовидное расширение.

Переплетения аксонов, дендритов и отростков глиальных клеток создают сложные, не повторяющиеся картины нейропиля. Распределение аксонов и дендритов, их взаиморасположение, афферентно-эфферентные взаимоотношения, закономерности синаптоархитектоники определяют механизмы интегративной функции мозга.

Типы нейронов. Полиморфизм строения нейронов определяется их различной ролью в системной деятельности мозга в целом. Так, нейроны ганглиев задних корешков спинного мозга (спинальных ганглиев) получают информацию не путем синаптической передачи, а от сенсорных нервных окончаний в рецепторных органах. В соответствии с этим клеточные тела этих нейронов лишены дендритов и не получают синаптических окончаний (биполярные клетки; рис. 1.6). Выйдя из клеточного тела, аксон такого нейрона разделяется на две ветви, одна из которых (периферический отросток) направляется в составе периферического нерва к рецептору, а другая ветвь (центральный отросток) входит в спинной мозг (в составе заднего корешка) либо в ствол мозга (в составе черепного нерва). Нейроны другого типа, такие, как пирамидные клетки коры больших полушарий и клетки Пуркинье коры мозжечка, заняты переработкой информации. Их дендриты покрыты дендритными шипиками и имеют обширную поверхность; к ним поступает огромное количество синаптических входов (мультиполярные клетки; см. рис. 1.4, 1.6). Можно классифицировать нейроны по длине их аксонов. У нейронов 1-го типа по Гольджи аксоны короткие, оканчивающиеся, так же как дендриты, близко к соме. Нейроны 2- го типа имеют длинные аксоны, иногда длиннее 1 м.

Нейроглия Другая группа клеточных элементов нервной системы - нейроглия (рис. 1.7). В ЦНС

человека число нейроглиальных клеток на порядок больше, чем число нейронов: 1013 и 1012 соответственно. Тесная морфологическая взаимосвязь является основой для физиологических и патологических взаимодействий глии и нейронов. Их взаимоотношения описываются концепцией динамических нейронально-глиальных сигнальных процессов. Возможность передачи сигналов от нейронов к глии и, таким образом, к другим нейронам открывает много вариантов для межклеточных «перекрестных разговоров».

Существует несколько типов нейроглии, в ЦНС нейроглия представлена астроцитами и олигодендроцитами, а в ПНС - шванновскими клетками и клеткамисателлитами. Кроме того, центральными глиальными клетками считаются клетки микроглии и клетки эпендимы.

Астроциты (получившие название благодаря своей звездчатой форме) регулируют состояние микросреды вокруг нейронов ЦНС. Их отростками окружены группы синаптических окончаний, которые в результате изолированы от соседних синапсов. Особые отростки - «ножки» астроцитов образуют контакты с капиллярами и соединительной тканью на поверхности головного и спинного мозга (мягкой мозговой оболочкой) (рис. 1.8). Ножки ограничивают свободную диффузию веществ в ЦНС. Астроциты могут активно поглощать К+ и нейромедиаторы, затем метаболизируя их. Благодаря избирательно повышенной проницаемости для ионов К+ астроглия регулирует активацию ферментов, необходимых для поддержания метаболизма нейронов, а также для удаления медиаторов и других агентов, выделяющихся в процессе нейро-

Рис.

1.6. Классификация нейронов по количеству отростков, отходящих от тела клетки. А - биполярный. Б - псевдоуниполярный. В - мультиполярный. 1 - дендриты; 2 - аксон

Рис.

1.7. Основные типы глиальных клеток.

А - Протоплазматический астроцит. Б - микроглиальная клетка. В - олигодердроцит. Г - фиброзный астроцит нальной активности. Астроглия участвует в синтезе иммунных медиаторов:

цитокинов, других сигнальных молекул (циклический гуанозинмонофосфат - сОМР, оксид азота - NO), передаваемых затем нейронам, - в синтезе глиальных ростовых факторов (GDNF), участвующих в трофике и репарации нейронов. Астроциты способны реагировать на увеличение синаптической концентрации

нейротрансмиттеров и изменение электрической активности нейронов изменениями внутриклеточной концентрации Са2+. Это создает «волну» миграции Са2+ между астроцитами, способную модулировать состояние многих нейронов.

Таким образом, астроглия, не являясь лишь трофическим компонентом нервной системы, участвует в специфическом функционировании нервной ткани. В цитоплазме астроцитов находятся глиальные филаменты, выполняющие в ткани ЦНС механическую опорную функцию. В случае повреждения отростки астроцитов, содержащие глиальные филаменты, подвергаются гипертрофии и формируют глиальный рубец.

Основной функцией олигодендроцитов является обеспечение электрической изоляции аксонов путем формирования миелиновой оболочки (рис. 1.9). Это многослойная обертка, спирально намотанная поверх плазматической мембраны аксонов. В ПНС миелиновая оболочка образована мембранами шванновских клеток (см. рис. 1.18). Миелин представляет собой упаковку листов специфических плазматических мембран, богатых

фосфолипидами, а также содержит протеины нескольких типов, различных в ЦНС и ПНС. Белковые структуры позволяют плазматическим мембранам плотно упаковываться вместе. При росте мембраны глиальной клетки происходит ее вращение вокруг аксона нейрона с образованием слоистой спирали с двойной плазматической мембраной вокруг аксона. Толщина миелиновой оболочки может составлять 50-100 мембран, играющих роль электрического изолятора аксона, предотвращающего ионообмен между цитозолем аксона и внеклеточной средой. Кроме того, в состав нейроглии входят клетки-сателлиты, которые инкапсулируют нейроны ганглиев спинальных и черепных нервов, регулируя микросреду вокруг этих нейронов наподобие того, как это делают астроциты (рис. 1.10).

Еще один вид клеток - микроглия, или латентные фагоциты. Микроглия является единственным в ЦНС представительством иммунокомпетентных клеток. Она широко представлена во всей ткани мозга человека и составляет 9-12% общей глиальной популяции в сером веществе и 7,5-9% - в белом веществе. В отличие от астроцитов, микроглиальные клетки происходят из стволовых клеток и в нормальных условиях имеют вет-

Рис.

1.8. Взаимодействие астроцитов с окружающими клеточными элементами.

1 - таницит; 2 - полость желудочка; 3 - эпендимальные клетки; 4 - капилляр; 5 - нейрон; 6 - миелинизированный аксон; 7 - мягкая мозговая оболочка; 8 - субарахноидальное пространство.

На рисунке изображены два астроцита и их взаимосвязь с эпендимальными клетками, выстилающими желудочек, перикарионом, дендритами нейрона, капилляром, а также плоским эпителием мягкой мозговой оболочки. Следует отметить, что данный рисунок схематичен и связь нейрона одновременно с желудочком и субарахноидальным пространством маловероятна

Рис.

1.9. Олигодендроцит: формирование миелиновой оболочки аксона. 1 - аксон; 2 - миелин; 3 - гладкий эндоплазматический ретикулум; 4 - нейрофиламенты; 5 - митохондрии

Рис.

1.10. Взаимодействие глиальных клеток и нейронов. Схематично изображено стрелками. 1 - сателлитная глиальная клетка; 2 - глиальная клетка, синтезирующая миелин вистую форму со множеством отростков. Активация микроглии, в частности в

условиях гипоксииишемии, сопровождается продукцией провоспалительных медиаторов с токсичными свойствами. Поддерживаемая ими хроническая воспалительная реакция в ткани головного мозга ведет к отсроченным нейрональным потерям, микроциркуляторным нарушениям, изменениям функции гематоэнцефалического барьера.

В патологических условиях микроглиальные клетки втягивают отростки и принимают амебоидную форму, чему соответствует их выраженная функциональная активация вплоть до состояния фагоцитоза. При повреждении мозговой ткани микроглия наряду с проникающими в ЦНС из кровотока фагоцитами способствует удалению продуктов клеточного распада.

Ткань ЦНС отделена от цереброспинальной жидкости (ЦСЖ), заполняющей желудочки мозга, эпителием, который сформирован эпендимальными клетками. Эпендима обеспечивает диффузию многих веществ между внеклеточным пространством мозга и ЦСЖ. ЦСЖ секретируют специализированные эпендимальные клетки сосудистых сплетений в системе желудочков. Поступление к клеткам мозга питательных веществ и удаление продуктов жизнедеятельности клеток происходят через сосудистую систему. Хотя нервная ткань изобилует капиллярами и другими кровеносными

сосудами, гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) ограничивает диффузию многих веществ между кровью и тканью ЦНС.

1.3. Электрическая передача информации между нейронами Нормальная деятельность нервной системы зависит от возбудимости ее

нейронов. Возбудимость - это способность клеточных мембран отвечать на действие адекватных раздражителей специфическими изменениями ионной проводимости и мембранного потенциала. Возбуждение - электрохимический процесс, идущий исключительно на цитоплазматической мембране клетки и характеризующийся изменениями ее электрического состояния, что запускает специфическую для каждой ткани функцию. Так, возбуждение мембраны мышцы вызывает ее сокращение, а возбуждение мембраны нейрона - проведение электрического сигнала по аксонам. Нейроны имеют не только

потенциалуправляемые, т.е. регулируемые действием электрического возбудителя ионные каналы, но и хемоуправляемые и механоуправляемые.

Существуют различия во взаимоотношениях между мембранным потенциалом/проницаемостью мембраны и типом раздражителя. При воздействии электрического раздражителя цепь событий следующая: раздражитель

(электрический ток) => сдвиг мембранного потенциала (до критического потенциала) => активация потенциалуправляемых ионных каналов => изменение ионной проницаемости мембраны => изменение ионных токов через мембрану => дальнейший сдвиг мембранного потенциала (формирование потенциала действия).

При воздействии химического раздражителя происходит принципиально другая цепь событий: раздражитель (химическое вещество) => химическое связывание раздражителя и рецептора хемоуправляемого ионного канала => изменение конформации лигандрецепторного комплекса и открытие рецепторуправляемых (хемоуправляемых) ионных каналов => изменение ионной проницаемости мембраны => изменение ионных токов через мембрану => сдвиг мембранного потенциала (формирование, например, локального потенциала).

Цепь событий под воздействием механического раздражителя похожа на предыдущую, так как в этом случае также активируются рецепто-

руправляемые ионные каналы: раздражитель (механический стресс) => изменение натяжения мембраны => открытие рецепторуправляемых (механоуправляемых) ионных каналов => изменение ионной проницаемости мембраны => изменение ионных токов через мембрану => сдвиг мембранного потенциала (формирование механоиндуцированного потенциала).

Пассивные электрические свойства клетки связаны с электрическими свойствами ее мембраны, цитоплазмы и внешней среды. Электрические свойства клеточной мембраны определяются ее емкостными и резистивными характеристиками, так как липидный бислой впрямую можно уподобить и конденсатору, и резистору. Емкостные характеристики липидного бислоя и реальной мембраны сходны, а резистивные различаются вследствие присутствия прежде всего белков, образующих ионные каналы. У большинства клеток входное сопротивление ведет себя нелинейно: для тока, текущего в одном направлении, оно больше, чем для противоположно направленного. Это свойство асимметрии отражает активную реакцию и называется выпрямлением. Ток, протекающий через мембрану, определяется емкостным и резистивным компонентами. Резистивный компонент описывает собственно ионный ток, поскольку в клетке электричество переносится ионами. Движению ионов в клетку или из клетки препятствует плазматическая мембрана. Поскольку мембрана представляет липидный бислой, непроницаемый для ионов, она обладает сопротивлением. Наоборот, мембрана имеет некоторую проводимость для ионов, которые проходят через ионные каналы. Из-за препятствия свободному перемещению ионов снаружи и внутри клетки находятся одинаковые ионы, но в разных концентрациях.

Существует два принципиальных механизма перемещения веществ через мембрану - посредством простой диффузии (рис. 1.11) и при по-

Рис.

1.11. Транспорт веществ через клеточную мембрану.

А - простая диффузия. Б - облегченная диффузия. В - активный транспорт: 1- мембрана мощи специфических переносчиков, встроенных в мембрану и представляющих

трансмембранные интегральные белки. К последнему механизму относятся облегченная диффузия и активный ионный транспорт, который может быть первично-активным и вторично-активным.

Посредством простой диффузии (без помощи переносчика) может осуществляться транспорт водонерастворимых органических соединений и газов (кислорода и углекислого газа) через липидный бислой путем их растворения в липидах клеточной мембраны; ионов Na+, Ca2+, К+, Cl- через ионные каналы клеточной мембраны, соединяющие цитоплазму клеток с внешней средой (пассивный ионный транспорт, который определяется электрохимическим градиентом и направлен от большего электрохимического потенциала к меньшему: внутрь клетки для ионов Na+, Ca2+, Cl-, наружу - для ионов К+); молекул воды через мембрану (осмос).

При помощи специфических переносчиков осуществляется энергетически независимая облегченная диффузия ряда соединений (см. рис. 1.11). Ярким примером облегченной диффузии является транспорт глюкозы через мембрану нейрона. Без специализированного астроцитарного переносчика поступление глюкозы в нейроны было бы практически невозможным, так как она является относительно большой полярной молекулой. Вследствие ее быстрого превращения в глюкозу-6- фосфат внутриклеточный уровень глюкозы более низкий, чем внеклеточный уровень, и, таким образом, сохраняется градиент, обеспечивающий непрерывный поток глюкозы в нейроны.

Энергетически зависимый первично-активный транспорт ионов Na+, Ca2+, К+, и Н+ - это энергозависимый перенос веществ против их электрохимических градиентов (см. рис. 1.11). Благодаря ему клетки могут накапливать ионы в концентрациях, более высоких по сравнению с окружающей средой. Движение от более низкой к более высокой концентрации и поддержание установившегося градиента возможны лишь при непрерывном энергетическом обеспечении транспортного процесса. При первичном активном транспорте происходит прямое потребление АТФ. АТФэнергетические насосы (АТФазы) транспортируют ионы против их концентрационного градиента. На основании особенностей молекулярной организации различают 3 класса - Р, V и F (рис. 1.12). Все три класса АТФаз имеют одно или несколько мест связывания с АТФ на цитозольной поверхности мембраны. К классу Р относятся Са2+-АТФаза и Na+/К+-АТФаза. Переносчики активного ионного транспорта специфичны для транспортируемого вещества и насыщаемы, т.е. их поток максимален, когда все специфические места связывания с переносимым веществом заняты.

Многие градиенты электрохимического потенциала клетки, являющиеся необходимым условием для пассивного переноса ионов, появляются в результате их активного транспорта. Так, градиенты К+ и Na+ возникают в результате их активного переноса Na+/К+ - насосом (рис. 1.13). Вследствие активности Na+/К+-