Защита ЦНС: мозговые оболочки, ликвор и гематоэнцефалический барьер

Центральная нервная система (ЦНС) включает головной мозг, расположенный в черепе, и спинной мозг, находящийся внутри позвоночного столба. Данные структуры нуждаются в специализированной защите от костных поверхностей и потенциально вредных веществ, переносимых кровью. Эту защиту обеспечивают три мембранных слоя, называемые мозговыми оболочками: наружная твёрдая мозговая оболочка (dura mater), прилегающая к кости; средняя паутинная оболочка (arachnoidea mater); и внутренняя мягкая мозговая оболочка (pia mater), непосредственно покрывающая нервную ткань (рис. 6.47). Субарахноидальное пространство, локализованное между паутинной и мягкой оболочками, заполнено спинномозговой жидкостью (ликвором). Мозговые оболочки и связанные с ними структуры не только поддерживают и защищают ЦНС, но также участвуют в циркуляции и всасывании ликвора. Менингит — инфекция мозговых оболочек в субарахноидальном пространстве — способен приводить к повышению внутричерепного давления, судорогам и потере сознания.

Рисунок 6.47. Четыре взаимосвязанных желудочка головного мозга. Боковые желудочки образуют первые два. Сосудистое сплетение продуцирует спинномозговую жидкость (ликвор), которая оттекает из желудочковой системы в ствол головного мозга (указано стрелками).

Продукция ликвора осуществляется через специализированную эпителиальную структуру — сосудистое сплетение, сформированное эпендимальными клетками. Данное сплетение вырабатывает ликвор со скоростью, обеспечивающей полное обновление всего объёма жидкости приблизительно трижды в сутки. Чёрные стрелки на рисунке 6.47 демонстрируют направленный ток ликвора, который циркулирует по взаимосвязанной желудочковой системе к стволу головного мозга. Оттуда ликвор проходит через небольшие отверстия в субарахноидальное пространство, окружающее головной и спинной мозг. Благодаря изменениям давления, связанным с кровообращением, дыханием и положением тела, ликвор в конечном итоге поступает в верхние отделы внешней поверхности мозга, где большая его часть возвращается в кровоток через односторонние клапаны в крупных венах.

Анализ ликвора предоставляет важную диагностическую информацию при неврологических заболеваниях, включая менингит. Образец ликвора обычно получают путём введения толстой иглы в спинномозговой канал ниже второго поясничного позвонка — на уровне окончания спинного мозга (см. рис. 6.42). Таким образом, ЦНС фактически «плавает» внутри подушки из ликвора, которая поглощает внезапные механические удары и защищает мягкие нервные ткани от резких движений. При затруднении оттока ликвора жидкость накапливается, что приводит к гидроцефалии («водянке головного мозга»). При тяжёлой нелеченой гидроцефалии возникающее внутрижелудочковое давление сдавливает кровеносные сосуды мозга, что потенциально вызывает неадекватный нейрональный кровоток, повреждение нейронов и когнитивную дисфункцию.

Хотя некоторые данные указывают на то, что ликвор может выполнять ограниченные питательные функции, мозг, подобно всем тканям, получает питательные вещества из крови. В нормальных условиях глюкоза является единственным метаболическим субстратом мозга для производства энергии, причём большая часть энергии, получаемой в результате окислительного метаболизма глюкозы, преобразуется в АТФ. Мозг обладает незначительными запасами гликогена, что делает его полностью зависимым от постоянного поступления глюкозы и кислорода с кровотоком. Наиболее распространённая форма повреждения головного мозга возникает вследствие снижения регионарного кровотока: когда нейроны лишаются кровоснабжения даже на несколько минут, они перестают функционировать и подвергаются клеточной гибели. Такая гибель нейронов, вызванная сосудистым заболеванием, называется инсультом. Несмотря на то, что мозг взрослого человека составляет лишь 2% от общей массы тела, он получает 12–15% сердечного выброса, что обусловливает исключительно высокое потребление кислорода. Когда регионарный мозговой кровоток падает до 10–25% от нормального уровня, энергозависимые мембранные ионные насосы выходят из строя, ионные градиенты уменьшаются, концентрация внеклеточного калия повышается, а мембраны деполяризуются.

Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) принципиально отличает обмен веществ в ЦНС от относительно неограниченной диффузии небелковых веществ, наблюдаемой в других органах. Сложный комплекс механизмов ГЭБ жёстко регулирует, какие вещества попадают во внеклеточную жидкость мозга и с какой скоростью это происходит. Данные механизмы минимизируют доступ многих вредных агентов к нейронам, но также ограничивают поступление потенциально полезных терапевтических препаратов. Анатомически ГЭБ образован клетками, выстилающими мельчайшие кровеносные сосуды головного мозга, с плотными соединениями (tight junctions) и специализированными физиологическими транспортными системами, которые избирательно обрабатывают различные классы молекул. Вещества, легко растворяющиеся в липидных компонентах плазматических мембран, быстро попадают в мозг; следовательно, внеклеточная жидкость головного и спинного мозга является производным крови, но химически отличается от неё.

ГЭБ также объясняет действие некоторых наркотических средств, что наглядно демонстрирует сравнение морфина и героина. Морфин и героин различаются по химическому составу незначительно: морфин содержит две гидроксильные группы, тогда как героин — две ацетильные группы (—COCH₃). Это различие делает героин более растворимым в липидах, что позволяет ему легче проникать через ГЭБ, чем морфину. Однако, попадая в мозг, ферменты удаляют ацетильные группы героина, превращая его в морфин. Образующийся морфин, будучи менее жирорастворимым, эффективно задерживается в головном мозге, где может оказывать длительное действие. Другие препараты, обладающие быстрым действием на ЦНС благодаря высокой растворимости в липидах, включают барбитураты, никотин, кофеин и алкоголь.

Многие вещества, которые трудно растворяются в липидах (например, глюкоза и другие важные метаболиты мозга), тем не менее быстро поступают в мозг через мембранные транспортные белки, расположенные в клетках, выстилающих мельчайшие сосуды головного мозга. Подобные транспортные системы активно перемещают вещества из мозга в кровь, предотвращая накопление молекул, способных нарушить работу нейронов. Между кровью в капиллярах сосудистого сплетения и ликвором также существует защитный барьер, благодаря которому ликвор выделяется избирательно. Например, концентрации калия (K⁺) и кальция (Ca²⁺) в ликворе несколько ниже, чем в плазме, тогда как концентрации натрия (Na⁺) и хлорида (Cl⁻) немного выше. Стенки сосудов сосудистого сплетения обладают ограниченной проницаемостью для токсичных тяжёлых металлов, таких как свинец, что обеспечивает дополнительную защиту головного мозга.

Со временем ликвор и внеклеточная жидкость ЦНС достигают диффузионного равновесия. Таким образом, ограничительные селективные барьерные механизмы в капиллярах головного мозга и сосудистых сплетениях в совокупности регулируют внеклеточную среду, окружающую нейроны головного и спинного мозга. Эта интегрированная система мозговых оболочек, динамики ликвора и гематоэнцефалического барьера обеспечивает как механическую амортизацию, так и биохимическую стабильность, которые необходимы для нормальной работы 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.