Глиальные клетки центральной нервной системы: структура, функции и регенерация

Согласно современным данным, нейроны составляют приблизительно половину клеточной популяции центральной нервной системы (ЦНС) человека. Другую половину формируют глиальные клетки (от греч. glia — «клей»), которые окружают аксоны и дендриты нейронов, обеспечивая их физическую и метаболическую поддержку. В отличие от большинства нейронов, глиальные клетки сохраняют способность к делению на протяжении всей жизни организма. Именно поэтому многие опухоли ЦНС возникают из глиальных клеток, а не из нейронов.

В ЦНС выделяют несколько типов глиальных клеток (рис. 6.6). Один из них — олигодендроциты, образующие миелиновую оболочку аксонов в ЦНС. Второй тип — астроциты — участвуют в регуляции состава внеклеточной жидкости, удаляя ионы калия и нейромедиаторы из синаптической щели. Кроме того, астроциты индуцируют формирование плотных соединений (см. рис. 3.9) между эндотелиальными клетками капилляров ЦНС, создавая гематоэнцефалический барьер — избирательный фильтр, более строгий, чем в любой другой ткани организма.

Рисунок 6.6. Глиальные клетки центральной нервной системы. Астроциты поддерживают метаболизм нейронов, снабжая их глюкозой и удаляя аммиак — токсичный продукт жизнедеятельности. У эмбрионов астроциты направляют мигрирующие нейроны к их конечным позициям и стимулируют рост нейронов, секретируя факторы роста. Эти клетки обладают многими нейронными характеристиками: ионными каналами, рецепторами к определённым нейротрансмиттерам, соответствующими ферментами и способностью генерировать слабые электрические ответы. Предполагается, что астроциты, помимо своих классических функций, участвуют в обработке информации в мозге.

Микроглия — третий тип глиальных клеток ЦНС — представляет собой специализированные макрофагоподобные элементы, выполняющие иммунные функции, а также участвующие в ремоделировании и пластичности синапсов. Эпендимные клетки выстилают заполненные спинномозговой жидкостью полости головного и спинного мозга, регулируя продукцию и отток ликвора. Шванновские клетки, относящиеся к глии периферической нервной системы (ПНС), обладают большинством свойств глии ЦНС и, как уже отмечалось, формируют миелиновую оболочку аксонов периферических нейронов.

Развитие и пластичность нервной системы. Формирование сложных сетей нейронных отростков требует направленного роста конкретных аксонов к соответствующим мишеням. Эмбриональное развитие нервной системы начинается с деления недифференцированных клеток-предшественников (стволовых клеток), способных превращаться как в нейроны, так и в глию. После завершающего деления каждая дочерняя нейронная клетка дифференцируется, мигрирует в своё конечное положение и отращивает отростки — будущие аксоны и дендриты. На конце каждого растущего аксона формируется специализированное расширение — конус роста, который отвечает за выбор правильного маршрута и достижение цели.

Рост аксона происходит вдоль поверхности других клеток, чаще всего глиальных. Направление движения конуса роста определяется привлекающими, удерживающими, отклоняющими или ингибирующими сигналами со стороны нескольких типов молекул. Некоторые из них, например молекулы клеточной адгезии, локализованы на мембранах глии и эмбриональных нейронов. Другие представляют собой растворимые нейротрофические факторы (факторы роста нервной ткани) во внеклеточной жидкости, окружающей конус роста или его удалённую мишень.

После того как конус роста достигает цели, между нейронами формируются синапсы. На ранних этапах развития нервной системы (во всех триместрах беременности и в младенчестве) алкоголь, наркотики, радиация, недостаток питательных веществ и вирусы могут вызывать необратимые повреждения мозга плода. После завершения роста и прорастания аксонов наблюдается удивительный феномен: значительная часть новообразованных нейронов и синапсов дегенерирует. В развивающейся ЦНС от 50% до 70% нейронов подвергаются апоптозу — программируемой клеточной гибели. Хотя причина этого процесса окончательно не выяснена, нейробиологи полагают, что апоптоз способствует оптимизации нейронных взаимодействий.

На протяжении всей жизни мозг демонстрирует способность изменять свою структуру и функции в ответ на стимуляцию или повреждение — свойство, называемое нейропластичностью. Пластичность может быть связана с образованием новых нейронов, но в первую очередь она обусловлена перестройкой синаптических связей. Физические упражнения и когнитивная активность стимулируют эти процессы, хотя степень нейропластичности снижается с возрастом.

Для многих нервных систем существует критический период развития в раннем детстве. Например, в зрительных путях участки коры, обрабатывающие визуальную информацию, необратимо нарушаются, если зрительная стимуляция отсутствует в течение критического периода, пик которого приходится на возраст 1–2 года. Напротив, способность к изучению языка изменяется более постепенно: люди относительно легко осваивают языки до подросткового возраста, но обучение замедляется и усложняется начиная с пубертата и во взрослой жизни.

Основные структурные контуры нейронных цепей в зрелой ЦНС после формирования остаются стабильными. Однако создание и устранение синаптических контактов, начатое ещё внутриутробно, продолжается всю жизнь как часть нормального роста, обучения и старения. Хотя ранее считалось, что образование новых нейронов прекращается после рождения, накапливаются данные о сохранении нейрогенеза в некоторых областях мозга на протяжении всей жизни. В частности, когнитивная стимуляция и физическая активность увеличивают число нейронов в зонах, связанных с обучением, даже у взрослых. Эффективность некоторых антидепрессантов также зависит от продукции новых нейронов в областях, отвечающих за эмоции и мотивацию.

Регенерация аксонов и перспективы восстановления. Повреждённые аксоны способны к самостоятельному восстановлению и возврату функций при условии, что травма произошла вне ЦНС и не затронула тело нейрона. После такого повреждения сегмент аксона, отделённый от тела клетки, дегенерирует. Оставшаяся часть аксона (всё ещё соединённая с телом) формирует конус роста, который врастает в эффекторный орган, что позволяет восстановить функцию. Скорость роста аксона составляет лишь около 1 мм в день, поэтому функциональное восстановление после травмы периферического нерва занимает длительное время. Например, при повреждении афферентных нейронов большого пальца в области плеча восстановление чувствительности может занять до двух лет.

Травмы спинного мозга обычно приводят к размозжению тканей, а не к полному пересечению, и аксоны могут оставаться анатомически непрерывными. Однако основной проблемой становится апоптоз близлежащих олигодендроцитов. Гибель этих клеток и последующая демиелинизация аксонов нарушают эффективную передачу сигналов. Повреждённые аксоны в ЦНС способны давать небольшие новые отростки, но значимой регенерации в зоне повреждения не происходит, и достоверных сообщений о существенном восстановлении функций нет. Функциональной регенерации препятствуют либо внутренние различия нейронов ЦНС, либо ингибирующие факторы окружающей среды, исходящие от близлежащей глии. Предположительно, эволюционное давление ограничило рост нейронов в зрелой ЦНС, чтобы минимизировать нарушение точной архитектуры сложных нейросетей.

Современные исследователи тестируют различные подходы для стимуляции регенерации аксонов в ЦНС. Среди них — создание трубок-кондуитов для направленного роста повреждённых аксонов, перенаправление аксонов в области спинного мозга, свободные от ингибиторов роста, предотвращение апоптоза олигодендроцитов для сохранения миелина и доставка нейротрофических факторов. Также активно изучается возможность имплантации недифференцированных стволовых клеток, которые развиваются в новые нейроны и могут замещать утраченные нейротрансмиттеры или нейротрофические факторы. Первые исследования были сосредоточены на эмбриональных и фетальных стволовых клетках, которые, несмотря на многообещающие результаты, вызывают этические вопросы. Однако недавно разработаны методы использования стволовых клеток, выделенных у взрослых, а также индуцированных взрослых клеток, репрограммированных в стволоподобное состояние. Дополнительные перспективы связаны с применением биодеградируемых матриксов и генной терапией, направленной на подавление молекул, ингибирующих рост аксонов в ЦНС.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Эрик П. Видмайер, Бостонский университет, Хершел Рафф, Медицинский колледж Висконсина, Медицинский центр Авроры Сент-Люк, Кевин Т. Странг, Университет Висконсин-Мэдисон

Источник: Физиология человека: механизмы функционирования организма

Данные публикации будут полезны студентам биологических и медицинских специальностей, начинающим специалистам в области клеточной биологии, биофизики и физиологии, а также всем, кто интересуется основами мембранного транспорта и регуляции клеточного гомеостаза.