Нейроны - это специализированные клетки, которые передают химические и электрические сигналы, чтобы облегчить связь между мозгом и телом. Ранее считалось, что мы рождаемся с определенным количеством нейронов, и на протяжении жизни они не обновляются, не восстанавливаются и если что утрачено, того – не вернуть.
Но сегодня понятия изменились, мы стали больше знать о нервной системе в целом и о мозге в частности. Чтобы понимать причины болезней мозга, нужно знать его устройство. И нейроны – это структурные единицы, жизненно важные клетки.
Как устроен мозг?
Нейрон - это основной строительный блок мозга и центральной нервной системы. Нейроны - это специализированные клетки, передающие химические и электрические сигналы. Мозг полностью состоит из нейронов и глиальных клеток, которые не являются нейрональными клетками, но они обеспечивают структуру и поддержку нейронов.
Почти 86 миллиардов нейронов работают вместе в нервной системе, чтобы мозг мог общаться с остальным телом. Они несут ответственность за все, от сознания и мыслей до боли и голода. Существует три основных типа нейронов: сенсорные нейроны, двигательные нейроны и интернейроны.
Строение нервной клетки
Помимо наличия всех нормальных компонентов клетки (ядра, органелл и т.д.) нейроны головного мозга также содержат уникальные структуры для приема и отправки электрических сигналов, которые делают возможной нейронную коммуникацию.
На изображении выше показаны основные структурные компоненты среднего нейрона, включая дендрит, тело клетки, ядро, перехват Ранвье, миелиновую оболочку, шванновскую клетку и концевую ветвь (терминаль) аксона.
Дендриты - это ветвистые структуры, отходящие от тела клетки, и их работа состоит в том, чтобы получать сообщения от других нейронов и позволять этим сообщениям перемещаться в тело клетки. Хотя некоторые клетки не имеют дендритов вовсе, другие виды нейронов имеют несколько дендритов. Дендриты могут иметь небольшие выступы, называемые дендритными шипами, которые дополнительно увеличивают площадь поверхности для возможных связей с другими нейронами.
Тело нейрона. Как и другие клетки, каждый нейрон имеет клеточное тело (или сому), которое содержит ядро, гладкую и шероховатую эндоплазматическую сеть, аппарат Гольджи, митохондрии и другие клеточные компоненты.
Аксон нейрона, по сути, представляет собой трубчатую структуру, которая переносит электрический импульс от тела клетки (или от дендритов другой клетки) к структурам на противоположном конце нейрона - терминалам аксона, которые затем могут передавать импульс другому нейрону. Тело клетки содержит специализированную структуру – аксональный холмик, который служит связующим звеном между телом клетки и аксоном.
Синапс - это химическое соединение между окончаниями аксона одного нейрона и дендритами следующего. Это промежуток, в котором могут происходить специализированные химические взаимодействия, а не реальная структура.
Функции нейрона
Специализированная структура и организация нейронов позволяет им передавать сигналы в виде электрических импульсов от мозга к телу и обратно. По отдельности нейроны могут передавать сигнал на всем пути от своих дендритов до терминалов своих собственных аксонов; но на более высоком уровне нейроны организованы в длинные цепочки, что позволяет им очень быстро передавать сигналы от одного к другому.
Аксон одного нейрона химически соединяется с дендритом другого нейрона в синапсе между ними. Электрически заряженные химические вещества текут от аксона первого нейрона к дендриту второго нейрона, а затем этот сигнал будет течь от дендрита второго нейрона вниз по его аксону, через синапс, в дендриты третьего нейрона и так далее.
Это основная цепочка передачи нейронных сигналов, то есть то, как мозг посылает сигналы мышцам, чтобы заставить их двигаться, и как органы чувств посылают сигналы в мозг. Важно, что эти сигналы могут поступать быстро. Подумайте о том, как быстро вы отдерните руку от горячего чайника, прежде чем вы даже поймете, что он горячий. Это потому, что орган чувств (в данном случае кожа) посылает сигнал «Горячо!» к нейронам с очень длинными аксонами, которые перемещаются по позвоночнику в мозг. Если бы этого не происходило так быстро, люди бы постоянно травмировались.
Дендриты, тела клеток, аксоны и синапсы являются основными частями нейрона, но другие важные структуры и материалы также окружают нейроны, чтобы сделать их более эффективными.
Миелиновые оболочки
Некоторые аксоны покрыты миелином, жировым материалом, который оборачивается вокруг аксона, образуя миелиновую оболочку. Это внешнее покрытие действует как изоляция, чтобы минимизировать рассеяние электрического сигнала при его движении вниз по аксону.
Присутствие миелина на аксоне значительно увеличивает скорость передачи электрического сигнала, потому что жир предотвращает утечку электричества. Эта изоляция важна, ведь аксон мотонейрона человека может быть длиной до метра - от основания позвоночника до пальцев ног. Периодические разрывы миелиновой оболочки называются узлами Ранвье. В этих узлах сигнал «перезаряжается» по мере продвижения по аксону.
Глиальные клетки
Миелиновая оболочка не является частью нейрона. Миелин вырабатывается глиальными клетками (или просто глией, «клей» по-гречески), которые не являются нейрональными клетками, но обеспечивают поддержку нервной системы.
Функция глии - удерживать нейроны на месте (отсюда и их греческое название), снабжать их питательными веществами, обеспечивать изоляцию и удалять патогены и мертвые нейроны. В центральной нервной системе глиальные клетки, образующие миелиновую оболочку, называются олигодендроцитами; в периферической нервной системе они называются шванновскими клетками.
Классификация нейронов
Есть три основных типа нейронов: сенсорные (чувствительные) нейроны, мотонейроны и интернейроны. У всех трех разные функции, но мозгу все они нужны, чтобы эффективно общаться с остальным телом (и наоборот).
Сенсорные (афферентные) нейроны - это клетки, ответственные за преобразование внешних стимулов из окружающей среды в соответствующие внутренние стимулы. Они активируются раздражителями от органов чувств и посылают проекции другим элементам нервной системы, в конечном итоге передавая сенсорную информацию в головной или спинной мозг.
В отличие от мотонейронов центральной нервной системы (ЦНС), сигналы которых поступают от других нейронов, сенсорные нейроны активируются физическими воздействиями (такими как видимый свет, звук, тепло, физический контакт и т. д.) или химическими сигналами (такими как запах и вкус).
Большинство сенсорных нейронов являются псевдоуниполярными, что означает – у них есть аксон, который разветвляется на два расширения: одно связано с дендритами, которые получают сенсорную информацию, а другое - передает эту информацию в спинной мозг.
Есть также униполярные нейроны с одним аксоном и одним дендритом и мультиполярные нейроны – у них один аксон и множество дендритов.
Моторные нейроны - это нейроны, расположенные в центральной нервной системе, и они проецируют свои аксоны за пределы ЦНС, чтобы прямо или косвенно контролировать мышцы.
Взаимодейсвтие между двигательным нейроном и мышечным волокном представляет собой специализированный синапс, называемый нервно-мышечным соединением. Структура мотонейронов многополярна, то есть каждая клетка содержит один аксон и несколько дендритов. Это самый распространенный тип нейрона.
Интернейроны не являются ни сенсорными, ни моторными; скорее, они действуют как «посредники», которые устанавливают связи между двумя другими типами. Расположенные в ЦНС, они действуют локально, то есть их аксоны соединяются только с соседними сенсорными или моторными нейронами. Интернейроны могут сэкономить время и, следовательно, предотвратить травмы, посылая сообщения в спинной мозг и обратно, а не полностью в головной мозг. Как и мотонейроны, они многополярны по строению.
Передача нервного импульса
Нейроны (или возбудимые нервные клетки) нервной системы проводят электрические импульсы или сигналы, которые служат связью между сенсорными рецепторами, мышцами и железами, а также головным и спинным мозгом.
Потенциал действия возникает, когда электрический сигнал нарушает исходный баланс Na + и K + в клеточной мембране, вызывая резкое изменение концентраций каждого из них.
Электрический импульс проходит вдоль аксона через деполяризованные потенциал-зависимые ионные каналы в мембране и может либо «прыгать» по миелинизированной области, либо непрерывно проходить по немиелинизированной области.
Пока клетка генерирует потенциал действия, никакой другой потенциал действия не может быть сгенерирован до тех пор, пока каналы клетки не вернутся в состояние покоя.
Потенциалы действия, генерируемые нейронными импульсами, представляют собой «все или ничего», что означает, что сигнал достигает порога для коммуникации или нет. Нет сигнала сильнее или слабее другого.
Центральная нервная система (ЦНС) во время своей работы проходит трехэтапный процесс: сенсорный ввод, нейронная обработка и моторный выход. Этап сенсорного ввода - это когда нейроны (или возбудимые нервные клетки) органов чувств возбуждаются электрически.
Нервные импульсы от сенсорных рецепторов отправляются в головной и спинной мозг для обработки. После того, как мозг обработал информацию, нервные импульсы передаются от головного и спинного мозга к мышцам и железам, что и является результатом двигательной активности.
Взаимодействие с нейромедиаторами
Нейрон влияет на другие нейроны, высвобождая нейромедиатор, который связывается с химическими рецепторами. Воздействие на постсинаптический (принимающий) нейрон определяется не пресинаптическим (посылающим) нейроном или самим нейромедиатором, а типом активируемого рецептора.
Нейромедиатор можно рассматривать как ключ, а рецептор - как замок: ключ открывает определенный ответ в постсинаптическом нейроне, передачу определенного сигнала. Однако для того, чтобы пресинаптический нейрон высвободил нейромедиатор к следующему нейрону в цепи, он должен пройти через серию изменений электрического потенциала.
Обратный захват относится к реабсорбции нейротрансмиттера пресинаптическим (посылающим) нейроном после того, как он выполнил свою функцию передачи нервного импульса.
Обратный захват необходим для нормальной синаптической физиологии, поскольку он позволяет повторно использовать нейротрансмиттеры и регулирует уровень нейротрансмиттеров в синапсе, тем самым контролируя, как долго длится сигнал, возникающий в результате высвобождения нейромедиатора.
Развитие и рост нейронов
Развивающиеся аксоны, которые еще не связаны синапсами, имеют очень динамичные подвижные структуры на своем переднем крае. Эти структуры называются конусами роста. Они направляют аксоны к своей синаптической мишени, преобразовывая положительные и отрицательные сигналы в команды, которые регулируют цитоскелет и тем самым определяют ход и скорость отрастания аксонов.
Следовательно, ростовые конусы очень важны во время эмбрионального и взрослого роста нейронов. Они также необходимы для регенерации нейронных связей, а также для увеличения нейронных связей.
Конусы роста имеют округлую или коническую форму с двумя видами выступов: тонкие пальчиковые филоподии и плоские ламеллиподии между ними. Конус роста прощупывает этими выступами в непосредственной близости от себя и реагирует на привлекательные или отталкивающие сигналы посредством направления отростка, поворота или втягивания конуса роста.
Нейроны создаются посредством процесса, называемого нейрогенезом, который в основном происходит во время пренатального (внутриутробного) развития нервной системы, когда происходит заселение растущего мозга.
Зона желудочков в нервной трубке эмбриона содержит клетки-предшественники, которые делятся и дают начало нейробластам и глиобластам. В конечном итоге нейробласты и глиобласты будут дифференцироваться в нейроны и глиальные клетки соответственно.
Сначала образуются радиально ориентированные глиальные клетки, затем нейроны, а затем и все другие глиальные клетки. Радиальная глия охватывает толщину коры от желудочковой зоны до внешней поверхности и обеспечивает направляющие пути для миграции нейронов наружу к их конечным местоположениям в сером и белом веществе мозга. Как только нейроны покидают зону желудочков, они больше не делятся. С другой стороны, глиальные клетки не теряют способности к размножению.
Однако нейрогенез и миграция нейронов не ограничиваются эмбриональным развитием. Было показано, что даже во взрослом мозге генерируются новые нейроны, хотя количество новых нейронов уменьшается с возрастом организма. Это открытие опровергло давнюю теорию о том, что нервная система неподвижна и неспособна к регенерации, но не опровергает основную идею о том, что зрелый дифференцированный нейрон не делится.
Новые нейроны происходят из нервных клеток-предшественников, обнаруженных в ограниченных областях мозга - это субвентрикулярная зона (SVZ), выстилающая боковые желудочки, и субгранулярная зона (SGZ), которая является частью зубчатой извилины гиппокампа.
Нейроны-предшественники из SVZ мигрируют в обонятельную луковицу, где они дифференцируются в интернейроны. Клетки, образующие SGZ, мигрируют на короткие расстояния в слой гранулярных клеток зубчатой извилины и впоследствии дифференцируются в гранулярные клетки.
Сообщалось, что ограниченное локализованное повреждение нейронов и гипоксия вызывают нейрогенез и замену нейронов в коре головного мозга взрослого.
