Парадигма, что исключительно нейроны осуществляют переработку информации в мозге, существовала в нейробиологии более чем столетие. И лишь совсем недавно было установлено, что эта функция обеспечивается не только ими.
Наряду с нейронами в мозге имеются глиальные клетки. Глия (в переводе с греческого означает клей) – термин, предложенный ещё в середине XIX века легендарным немецким учёным Рудольфом Вирховым, представлена несколькими видами клеток (глиоцитов): в центральной нервной системе это астроциты, олигодендроциты, эпендимные клетки и микроглия, а в периферической – шванновские и сателлитные клетки. Исходя из названия, основным предназначением, приписываемым глии, и было скрепление, разделение и удержание нервных клеток и их отростков. Позже учёные обнаружили, что нейроглия выполняет трофическую, секреторную и иммунную функции, а также способна восстанавливать повреждённые нейроны.
Недооценка роли глии
Ещё лет десять назад считалось, что глиальных клеток едва ли не в 10 раз больше, чем самих нейронов, но при этом они обеспечивают лишь обслуживающую нейроны функцию, к примеру, транспортировку для них питательных веществ из кровеносных сосудов, выведение продуктов метаболизма и обезвреживание микробов, проскользнувших через гематоэнцефалический барьер. Только совсем недавно было установлено, что их количество примерно соответствует числу нейронов, но, что самое главное, клетки глии участвуют в переработке информации, играя важную роль в процессах памяти и обучения.
Причиной, по которой в течение многих десятилетий роль глии так недооценивалась учёными, послужил обычный стереотип человеческого мышления. Нейробиологи были уверены – если глия наделена способностью к обработке информации, то глиоциты должны обмениваться ею так же, как и нейроны – генерировать электрические сигналы. Однако мембраны глиоцитов не способны к их проведению. Всего-то требовалось допустить, что глия передаёт информацию с помощью не электрических, а химических сигналов.
Кстати, именно со стереотипностью, и даже заскорузлостью мышления, до сих пор связана неспособность понять механизмы запоминания и переработки информации в нейронных сетях мозга. Ведь очевидным фактом является наличие хаоса в организации связей между нейронами, но учёные с завидным упорством пытаются использовать классические линейные методы исследования и моделирования, отвергая саму возможность самоорганизации и образования аттракторов в случайной мозаике нейронного возбуждения. И даже демонстрирующая запоминание и воспроизведение объектов компьютерная модель зрительной кортикальной колонки, созданная на основе методов нелинейной динамики, не принимается ими во внимание.
Однако в случае исследования нейроглии произошла ломка шаблона. Этому в середине 1990-х гг. способствовало открытие в глиальных клетках рецепторов, реагирующих на различные химические вещества. Оно навело учёных на мысль, что глиоциты могут коммуницировать друг с другом сигналами, не распознающимися нейронами. Далее последовал целый ряд работ уже в совершенно новом направлении. В серии экспериментов при активации глиальных клеток наблюдалось поглощение ими кальция. В частности шванновские клетки, окружающие синапсы нейронов, отвечали на импульсы последних повышением внутриклеточной концентрации этого вещества.
Передача сигналов
Дуглас Филдз и Бет Стивенс культивировали сенсорные нейроны, добавляя в одни из них шванновские клетки, а в другие олигодендроциты (т.е. глиальные клетки периферической и центральной нервной системы, соответственно). В клетки вводился краситель, который должен был флуоресцировать при связывании ионов кальция. При стимуляции слабым электрическим током сначала стали светиться нейроны, постепенно увеличивая интенсивность, а спустя 12 секунд началась флуоресценция и глиальных клеток. Через 18 секунд свечение распространилось на ещё большее количество глиоцитов. Это говорит о распространении сигнала от нейрона не только по зоне, где находился синапс, но и по всему контуру коммуникационных линий. Глиоциты приняли импульсы от нейронов и отреагировали на них увеличением концентрации кальция в цитоплазме.
Стивен Смит из Йельского университета провёл исследования на другом типе глиальных клеток – астроцитах – и обнаружил, что добавление в их культуру нейротрансмиттера глутамата резко увеличивает концентрацию кальция. В 1996 году исследователи из Университета Юты, используя острый электрод, разрезали слой астроцитов на две части, оставив между ними щель, не содержащую клеток. Они наблюдали, что если концентрация кальция увеличивается по одну сторону разреза, то же самое происходит и на другой стороне. Этим экспериментом была опровергнута гипотеза, предполагающая передачу сигнальных молекул между астроцитами через соединяющие их специальные каналы. Как выяснилось, клетки глии посылают друг другу сигналы через внеклеточную среду, что наряду с невозможностью генерации электрических импульсов принципиально отличает их от нейронов.
АТФ и кальций
Оставалось лишь непонятным за счёт какого механизма происходит передача сигнала от нейронов к глии. Таким веществом оказался АТФ (аденозинтрифосфат). Эта молекула высвобождается из аксонов и стимулирует транспорт кальция внутрь глиальных клеток. В 1999 году было обнаружено, что и астроциты выделяют во внеклеточное пространство АТФ, и стала ясна общая картина межклеточных взаимодействий. Нейронные импульсы способствуют выделению из аксонов в межклеточный матрикс молекул АТФ, на которые реагируют глиальные клетки, активно поглощая кальций и выделяя АТФ. Аденозинтрифосфат в свою очередь стимулирует поглощение кальция соседними глиоцитами. Это запускает выделение новых молекул АТФ, что приводит к распространению сигнала по глии порой на значительное расстояние от инициирующего цепную реакцию нейрона.
Данный процесс носит лавинообразный характер и применяется для координации общей активности мозга, к примеру, во время цикла сон-бодрствование. Помимо этого нейроны и глиоциты способны и к более тонкому взаимодействию. Филипп Хейдон из Пенсильванского университета стимулировал в срезах нервной ткани выброс такого минимального количества нейротрансмиттера глутамата, чтобы его хватило только на активацию одного астроцита. Хейдон обнаружил, что астроцит посылает кальциевые сигналы лишь небольшому числу окружающих его других астроцитов. Таким образом, строго определённые глиальные клетки координируют свою активность с работой нейронных цепей.
Взаимодействие с нейронами
Что же происходит с глиоцитами после их активации? Дугласом Филдзом было установлено, что внутриклеточный кальций вызывает перемещение сигнальных молекул к ядру, которые включают различные гены. Нервная клетка влияет на считывание генов в глиоцитах, изменяя их активность, глиоциты же в свою очередь оказывают воздействие на нервные клетки.
Беном Барессом из Стэнфордского университета были выделены два вещества, вырабатывающиеся после активации специфических генов – ароЕ/холестерин и тромбоспондин, функцией которых является стимуляция роста нейронных синапсов. В экспериментах было подтверждено: чем большее количество тромбоспондина исследователи добавляли в культуру астроцитов, тем больше синапсов образовывалось на нейронах.
Ле Тиан и Уэсли Томпсон из Техасского университета наблюдали за шванновскими клетками после перерезки подходящего к мышце аксона. Глиоциты выпустили отростки в сторону повреждённого нерва и образовали мостик, по которому нейрон смог передавать импульсы к своему синапсу, т. е. утерянная функция была восстановлена. Сегодня специалисты пытаются разработать и внедрить технологию на этой основе для лечения повреждений спинного мозга, трансплантируя шванновские клетки в участки, подвергшиеся повреждению. Ещё одна методика возникла после обнаружения эффектов аденозина (вещества, образующегося в результате отщепления фосфорных остатков от АТФ), стимулирующих созревание клеток и выработку миелина. Ведётся поиск лекарств, сходных по структуре с этой молекулой, которые могли бы стать средствами для лечения болезней демиелинизации, а это рассеянный склероз, синдром Гийена – Барре и др.
Ришар Робитайль из Монреальского университета обнаружил, что активированные кальциевыми сигналами шванновские клетки изменяли частоту импульсов зрительного нерва, а Майкен Недергард из Нью-Йоркского медицинского колледжа установил увеличение электрической активности синапсов гиппокампа (области, ответственной за запоминание информации) при увеличении поглощения кальция астроцитами. Такие изменения в организации синапсов рассматриваются как главный фактор пластичности нервной системы – способности изменять реакции на основе прошлого опыта, что играет важную роль в процессах обучения и памяти. Всё это позволяет учёным расценивать нейроглию как скульптура синаптической пластичности и архитектора функционирования центральной нервной системы.
Будущие исследования позволят расширить наши представления о нейроглии и её роли в функционировании мозга, возможно, в том числе, в процессах мышления и формирования сознания. Однако уже сегодня доказано: чем выше животные находятся на «лестнице эволюции», тем выше соотношение между количеством клеток глии и нейронов. При этом, по мнению Хейдона, увеличение связности астроцитов может повышать способность к обучению.
Кстати, при изучении срезов мозга Альберта Эйнштейна не было выявлено никаких различий по числу или размерам нейронов в сравнении со среднестатистическим человеком. Однако в ассоциативной области коры (ответственной за высшие формы мышления) было обнаружено необычайно большое количество клеток нейроглии.
Платформа Дзен по определённым причинам меняет алгоритмы показов. Если вы уверены, что подписаны на канал рекомендуется проверить это в связи с возможной автоматической отпиской.
Также материалы по теме «Феномены мозга и нейронных сетей»:
