Функции ГЛИИ
Воронежский институт экономики и социального управления
Контрольная работа.
Тема: Функции ГЛИИ
Дисциплина: Физиология ЦНС.
Выполнила: Захарова Дарья
Заочного отделения
II курс
Специальность: Психология.
Проверил: Даниленко В. И.
ВОРОНЕЖ 2004 г.
Содержание работы.
Введение.
1.Физиология глии.
2.О передаче метаболических сигналов в системе нейрон – нейроглия.
3.Возможная роль глиальных клеток в обеспечении нейронов АТФ.
Заключение.
Литература.
Введение.
Клетки глии впервые были описаны в 1846 г. Р. Вирховым, который и дал
им это название, подразумевая под ним вещество, склеивающее нервную ткань.
Он отметил многие свойства глиальной ткани, которые позднее легли в основу
ряда гипотез. Вирхов писал: "Очень важно знать, что во всех частях нервной
системы наряду с истинно нервными элементами существует один вид ткани,
которая родственна обширным, распространенным по всему организму тканевым
образованиям, известным под названием соединительной ткани. При
рассмотрении патологии и физиологии головного и спинного мозга следует в
первую очередь разобраться, какая ткань подвергалась воздействию или
раздражению: является ли она нервной тканью или это просто интерстициальная
ткань. Опыт показывает, что именно в этой ткани головного и спинного мозга
чаще всего локализуются патологические изменения, например, жировая
дегенерация. Через нейроглию проходят сосуды, которые, таким образом, почти
всюду отделены от нервного вещества тонким промежуточным слоем и не
находятся в непосредственном контакте с ним" (Вирхов,1859). В течение
последующих лет интенсивное изучение нейроглии велось преимущественно
нейроанатомами и патоморфологами, которым эта ткань была известна как
наиболее распространенный источник опухолей мозга. По-видимому, последнее
связано с тем, что клетки нейроглии, в отличие от нейронов, сохраняют
способность к делению во взрослом состоянии. Наиболее характерный признак
глиальной клетки по сравнению с нейроном — отсутствие аксона.
Нейроглию изучают и исследуют и сейчас, экспериментально находя ее
новые свойства. В этой работе дано описание исследования о передаче
метаболических сигналов в системе нейрон-нейроглия и освещение вопроса о
возможной роли глии в обеспечении нейронов АТФ.
1. Физиология глии.
По морфологическим признакам клетки нейроглии обычно подразделяют на
две главные группы: астроциты и олигодендроциты. В группе астроцитов
выделяют две подгруппы. Фиброзные астроциты характеризуются тем, что в
цитоплазме содержатся филаменты; этот тип астроцитов преобладает среди
пучков миелинизированных нервных волокон. Другую группу составляют
протоплазматические астроциты, содержащие в цитоплазме меньше фиброзного
материала; они распространены в сером веществе вблизи тел нейронов,
дендритов и синапсов. Оба типа астроцитов образуют контакты с капиллярами и
нейронами. Олигодендроциты находятся преимущественно в белом веществе, где
они образуют миелин вокруг крупных аксонов. Шванновские клетки
периферических нервов аналогичны олиголендроцитам; они образуют миелин
вокруг крупных, быстро проводящих аксонов. Однако глиальные клетки мозга и
периферических нервов имеют разное происхождение в эмбриогенезе. Первые
образуются из клеток-предшественниц, выстилающих мозговые желудочки, тогда
как шванновские клетки формируются из нервного гребня. Клетки эпендимы,
которые выстилают внутреннюю поверхность мозга в желудочках, также
относятся к глиальным клеткам. Трудности изучения функции глии обусловлены
прежде всего отсутствием метода, который позволяет отделить нейроны от
глии, поскольку эти две ткани чрезвычайно сильно переплетены. В течение
последних двух десятилетий глиальным клеткам пытались приписать целый ряд
функций, например функции обучения и памяти. Основная трудность проверки
всех гипотез состоит в отсутствии адекватных физиологических методик. Все
гипотезы преимущественно возникли на базе гистологических наблюдений, а
гистологические методы, как правило, не могут выявить физиологическое
взаимодействие между клетками.
Перечислим основные установленные функции нейроглии. 1.Опорная роль
(это главная мысль Р. Вирхова). 2. Изоляция, обособление нейронов.
Глиальные клетки могут выполнять роль электрических изоляторов, а также
служить пространственным барьером для распространения медиаторов или ионов.
Например, установлено, что клетки нейроглии способны поглощать некоторые
виды медиаторов. 3. Участие в восстановлении и регенерации нервной ткани.
Как уже указывалось, клетки нейроглии способны к делению в течение всей
жизни организма. Благодаря этой способности они участвуют в образовании
рубцовой ткани. При регенерации нервов последние прорастают по ложу из
оставшихся шванновских клеток. При этом регенерация идет не беспорядочно, а
только в направлении иннервируемого органа. Это дает основание предполагать
существование химического сродства, которое направляет регенерирующий аксон
к месту его назначения. 4. Роль глиальных клеток в онтогенетическом
развитии нервной системы.
Например, было установлено, что в процессе развития мозга нейроны
перемещаются вдоль отростков глиальных клеток.
Тесная связь между нейроглией и нейронами позволяет предполагать, что
клетки нейроглии обеспечивают первоначальный каркас для последующего
формирования нейрональных структур. 5.Обеспечение нейронов питательными и
другими веществами. Эта идея восходит к К. Гольджи (1883). Он писал:
"...должен сказать, что термин «нейроглия» лучше подходит для ткани,
которая, хотя и является соединительной, поскольку соединяет различные
элементы и со своей стороны обеспечивает распределение питательных веществ,
в то же время отличается от обычной соединительной ткани по морфологическим
и химическим признакам и имеет иное эмбриональное происхождение".
Предположение о необходимости присутствия нейроглиальных клеток для синтеза
медиаторов, было подтверждено, например, на культуре диссоциированных
клеток симпатических ганглиев. В отсутствие клеток - сателлитов
нейроны обратимо утрачивали способность к синтезу ацетилхолина.
Физиологические критерии для идентификации глиальиых клеток в мозге
млекопитающих. При внутриклеточной регистрации активности нейронов в
центральной системе позвоночных и беспозвоночных животных были обнаружены
клетки, которые не имели импульсных ответов. Потенциал покоя этих клеток
был очень высоким, иногда до —90 мВ, без флуктуации, которые характерны для
нейронов как результат фонового возбуждения отдельных синапсов. Попытки
возбудить эти клетки внутриклеточными толчками тока также были
безрезультатными. Инъекция в них красителей (например, роrcion yellow) и
последующий гистологический контроль подтвердили, что это клетки глин.
Исследования показали, что смежные глиальные клетки соединены между собой
щелевидными контактами. Они напоминают в этом отношении другие ткани,
например эпителиальную, железистую и т.д. Можно предположить, что такие
плотные связи между отдельными глиальными клетками связаны с
взаимодействием этих клеток, например метаболическим взаимодействием. О
системах сигнализации от нейронов к глиальным клеткам известно очень мало.
Например, при регистрации от глиальных клеток в зрительном нерве Necturus
была показана их деполяризация при возбуждении зрительного нерва, однако
амплитуда ответа обычно не превышала 4 мВ. Гипотеза, которая объясняет
такие ответы, сводится к предположению, что во время возбуждения нейрона
(или аксона) в экстраклеточную среду выделяется калий, который и
деполяризует глиальную клетку. Роль локального повышения концентрации
экстраклеточного калия может быть очень велика. Например, есть данные, что
локальное повышение концентрации калия может запустить аномальную
активность нейронов. В этих условиях глия может выполнять роль
буфера, защищающего нейроны от влияния калия.
2. О передаче метаболических сигналов в системе нейрон – нейроглия.
(Н. Г. Алексидзе Тбилисский гос. Университет, Тбилиси, СССР)
Гипотеза А. И. Ройтбака об участии глиальных клеток в замыкании
временных межнейрональных контактов стимулировала исследования по биохимии
нейронно – нейроглиальных взаимоотношений В настоящее время всеми
признается что нейрон-нейроглия является функциональной единой системой,
однако материальная сущность передатчиков сигнала от нейрона на клетки глии
и многие вопросы, связанные с его реализацией в метаболические процессы,
остаются открытыми.
Было высказано предположение, что биохимический цикл глиального
обеспечения функции нейронов осуществляется путем обратной метаболической
связи при непосредственном участии в качестве передатчиков сигнала
нейромедиаторов, К+, аммиака и др. соединений. Предпосылки для такого
заключения имелись как в нейрохимической, так и в физиологической
литературе, но требовалось коррелятивное сопоставление физико-химического
состоя мембран глии с биохимическими процессами в них в условиях
моделирования возбуждающего и тормозного состояния нейрон – нейроглиального
комплекса.
Исходя из вышесказанного мы предприняли исследование участия К+,
нейромедиаторов и аммиака в передаче метаболических сигналов от нейрона на
клетки нейроглии в условиях их целостного состояния, на уровне
изолированных единичных нейронов и глиального скопления или же обогащенных
нейронами и глиальными клетками фракций.
МЕТОДИКА.
Объектом исследования служили беспородные белые крысы и кролики.
Нейроны и глиальные клетки выделяли из срезов головного мозга кроликов
методом Хидена, обогащенные нейронами и глиальными клетками фракции — из
коры больших полушарий крыс и кроликов по прописи Роуза в модификации.
Скорость поглощения кислорода изолированными нейронами в глиальными
клетками измеряли методом поплавка в модификации Хидена и Пигона, в опытах
с обогащенными фракциями был использован полярографический метод
определения дыхания.
Результаты.
Влияние К+ на скорость потребления клетками глии и нейронов.
Впервые, об особой чувствительности глиальных клеток к К+ указал
Куффлер с сотрудниками. Позже этот вывод был обоснован биохимически
датским ученым Хертцом. Однако анализ его результатов был затруднен, так
как изолированные нейроны были получены в основном из коры головного мозга
кошек, а скопления глии - из коры мозга крыс.
Кроме того, имелись определенные недостатки и в методике исследования.
После разработки метода дубль поплавка удалось показать стимулирующее
влияние К+ на дыхание клеток глии вестибулярного ядра Дейтерса, а нейроны,
даже в специальных опытах с предварительно измененным содержанием К+ в
инкубационной среде от 5мМ до 60мМ, не обнаруживали существенных различий в
скорости поглощения кислорода.
Рисунок 1. Влияние К+ на дыхание нейрона(2) и нейроглии(3) латерального
вестибулярного ядра Дейтерса кролика. Стрелками указан момент добавления
К+ в инкубационную среду. 1-контроль, без нервных клеток.
В опытах с обогащенными нейронами и глиальными клетками фракциями при
избытке К+ Бредфорд и Роуз наблюдали примерно равное усиление их дыхания,
а согласно данным Хультборна и Хидена скорость поглощения кислорода
изолированными нейрональными клетками возрастала примерно в 2 раза.
Вотличии от результатов Бретфорда и Роуза, работая с фракциями обогащенными
нейронами и глиальными клетками, Халиаме и Хамбергер подтвердили результаты
Хертца и наши об особой чувствительности клеток глии к К+. В связи с такими
разногласиями о действии К+ на нервные клетки, мы провели анализ
экспериментальных условий описанных выше опытов. Как выяснилось, при
получении обогащенных нейронами и глиальными клетками фракций в градиенте
фикола и сахарозы в среде Роуза концентрация, К+ была 100 мМ, а в среде
Хамбергера, Хертца и нашей, концентрация К+ не превышала 5 мМ. Из данных
литературы известно, что повышение концентрации К+ до 100 мМ и выше
вызывает моментальное и обычно необратимое изменение цитоплазмы глиальных
клеток и ее сморщивание. Высокие концентрации К+ в среде культивирования
нервных клеток вызывали увеличение объема глиальных клеток и уменьшение
содержания в них сухого остатка. В нейронах такие изменения не были
найдены. Следовательно, можно было предположить, что низкая
чувствительность глиальных клеток к К+ в опытах Брэдфорда и Роуза в
условиях повышенного содержания К+ в среде их выделения обусловлена
предварительной деполяризацией и сенсибилизацией мембран глии. Это было
доказано экспериментально.
При замене К+ ионами натрия в среде выделения нервных клеток резко
возрастает чувствительность обогащенных глиальными клетками фракций к К+
усиление дыхания, по отношению к контролю (1,5 мМ К+), составило примерно
90%. Таким образом, была выяснена причина разногласия относительно
чувствительности нервных клеток к К+ и высказано предположение об участии
К+ в передаче метаболического сигнала от нейрона на клетки нейроглии.
Ацетилхолин как передатчик метаболического сигнала в системе нейрон-
нейроглия.
При изучении возможной роли ацетилхолина (АХ) в качестве передатчика
метаболического сигнала в нейрон-нейроглиальной системе мы исходили из
следующих фактов 1) ацетилхолин освобождается при возбуждении и вызывает
сдвиги в мембранной активности глии;
Таблица 1
Влияние ацитилхолина(АХ) на скорость поглощения кислорода (ОАХ)
обогащенными клетками глии фракций при разных соотношениях К+/АХ. О0-
скорость поглощения кислорода без АХ. Концетрация АХ-10-
5г/мл
|К+ мМ |Скорость поглощения кислорода мкА О2/мин |
| |Оо |% |Оах |% |В % к Оо |
|5 мМ |6,82±0,45 |100 |8,06±0,81 |100 |118,2 |
|40 мМ |10,21±0,62 |161,1 |12,87±0,42 |159,7 |126,1 |
|60 мМ |13,45±0,73 |197,2 |12,5±0,54 |155,1 |92,2 |
2) под влиянием АХ изменяется активность ряда ферментов обмена углеводов,
липидов, белков, нуклеиновых кислот и т.п.
В связи с вышеизложенным, мы предприняли исследование наличия связи
между изменением мембранной активности клеток глин и углеводным обменом в
них при воздействии АХ. При этом особое внимание обращалось на соотношение
К+ к АХ (К+—5 мМ/АХ — 10-5 г/мл; К+- 40 мМ/АХ—10-5 г/мл; К+—60 мМ/АХ—10-5
г/мл).
Было установлено (табл. I), что при концентрации К+ 5 мМ скорость
поглощения кислорода клетками глии в присутствии АХ возрастает на 18%. При
более высокой концентрации К+ (40 мМ) эффект АХ усиливается и достигает
26%, а при концентрации К+ 60 мМ стимулирующий эффект АХ на дыхание
элиминируется, а по сравнению с контролем даже проявляется тенденция к
торможению. Стимулирующий эффект АХ на скорость поглощения кислорода
полностью исчезает в присутствии аптихолинэргического агента — атропина.
Этот факт указывал на существование холинэргического рецептора на мембранах
глии, что в настоящее время является хорошо доказанным экспериментально.
Подтверждается существование холинэргического механизма регуляции дыхания
глиальных клеток, где роль информатора сигнала может выполнить возбуждающий
нейропередатчик АХ.
ГАМК как передатчик метаболического сигнала в нейрон-нейроглиальной
системе.
Из данных литературы известно, что под влиянием ГАМК изменяется
мембранная активность глии и стимулируются окислительные процессы в
нервной ткани. Следовательно, можно было допустить, чти и ГАМК может
претендовать на роль метаболического сигнала. С целью решения данного
вопроса в качестве объекта были взяты нервные клетки ядра Дейтерса кролика,
где функцию нейропередатчика выполняет ГАМК. Изменения в содержании ГАМК
вызывали введением ГАМК и фармакологических веществ (гидроксиламин,
тиосемикарбазид), действие которых связано с обменом ГАМК. Об изменении
метаболической активности изолированных нейронов и клеток глии судили по
сукцинатоксидазной (СО) активности (СОА), которая является удобным тестом
для оценки функционального состояния нервных клеток.
Было установлено, что в зависимости от уровня содержания ГАМК в
головном мозгу активность СО меняется реципрокно: ГАМК подавляет активность
фермента в нейронах, а в глии напротив—стимулирует. Под влиянием
гидроксиламина по сравнению с нормой более чем в 2 раза возрастает САО
нейронов, в нейроглии—подавляется. Тиосемикарбазид также стимулировал СОД в
нейронах, но не оказывал влияния на активность фермента в клетках глии.
Учитывая разнонаправленность действия ГАМК, гидроксиламина и
тиосемикарбазида па количественное распределение ГАМК в головном мозгу и
результаты влияния ГАМК на окислительное фосфолирование было сделано
заключение, что в регуляторных механизмах окислительных процессов нервных
клеток значение имеет не общее содержание ГАМК в мозгу, а ее распределение
во внутри- и в внеклеточном пространстве. Следовательно, и ГАМК может
выполнить функцию передатчика сигнала в нейрон-нейроглиальной системе.
Аммиак как передатчик метаболического сигнала в нейрон-нейроглиальной
системе.
Уровень аммиака в головном мозгу является одним из показателей
функционального состояния ЦНС. Как было установлено, обмен аммиака находит
свое отражение в мембранной активности клеток глии, что послужило
основанием изучения его возможной роли в передаче информации о
функциональном состоянии нейронов на перинейрональные клетки. С целью
биохимического обоснования такого механизма мы исследовали дыхание
обогащенных клетками глии фракций в опытах in vitro в зависимости от
концентрации аммиака в среде инкубации. В качестве субстрата дыхания
использовали глутамат и глутамин. Дыхание клеток глии в присутствии
глутамата служило контролем. В опытных вариантах образование глутамата,
субстрата дыхания, происходило в результате распада глутамина.
Следовательно, при такой постановке опытов, критическими были: величина
активности глутаминазы глии и скорость освобождения аммиака глутамата.
Рис. 2 Скорость поглащения кислорода глиальными клетками в присутствии
глутаминовой кислоты (1) и глутамина (2).
Предварительные опыты по изучению глутаминазной активности глии
показали, что она является аллостерическим ферментом высокой степенью
кооперативности, следовательно требовалось графическое сопоставление
скорости образования аммиака в инкубационной среде и скорости поглощения
кислорода глиальными клетками. Как видно из рисунка 2, спустя одну минуту
после добавления глутамина в инкубационную среду, в период максимального
усиления дыхания, количество аммиака составляет 0,64 мкМ, через 4 мин,
когда проявляется тенденция угнетения дыхания— 1.40 мкМ а на 9-й мин,
при торможении дыхания на 60%—3,20 мкМ. В опытах с глутаматом (контроль)
нам не удалось обнаружить достоверных изменений в продукции аммиака и,
следовательно, дыхание глиальных клеток во времени возрастало линейно.
Суммируя вышеизложенное, мы считаем, что аналогично К+ АХ и ГАМК,
аммиак также может участвовать в передаче метаболического сигнала от
нейрона на нейроглиальные клетки.
Механизм инактивации нейропередатчиков глиальными клетками.
Исходя из того факта, что нейропередатчики могут выступать в роли
переносчиков метаболических сигналов в нейрон-нейроглиальной системе,
возникает вопрос о необходимости их инактивации глиальными клетками. В
настоящее время установлено, что глиальные клетки обладают способностью
инактивировать нейропередатчики на уровне плазматической мембраны и
внутриклеточно. Примером первого пути является гидролиз АХ глией без
предварительного его захвата. Клетки глии характеризуются высокой ацетил- и
бутирилхолинэстеразной активностью и легко могут устранить излишки АХ.
Продукт гидролиза АХ холин, который обладает слабым холинэргическим
эффектом, устраняется клетками глии механизмом захвата высокого сродства.
На примере ГАМК было показано, что в клетках глии имеется две системы его
захвата: с высоким (Км = -31 ± 7 мкМ) и низким (Км--123±10 мкМ)
сродством. Выявлены также механизмы активного захвата дофамина (Км -0,07±
0,001 мкМ) и серотонина (Км —0,083±0,002 мкМ). Дальнейшая судьба
инактивации серотонина в клетках глии заслуживает особого внимания в связи
с его отрицательным влиянием на синтез белков. Нам удалось установить, один
из возможных механизмов инактивации серотонина в клетках глии путем синтеза
глюкуронида серотонина, последний в отличие от серотонина отличается более
чем в 1000 раз меньшей биологической активностью.
Таким образом, выясняется, что относительно всех кандидатов,
Претендующих на информативную роль в передаче метаболических сигналов, в
клетках глин имеются мощные механизмы устранения их хеморецептивного
воздействия на мембрану.
3. Возможная роль глиальных клеток в обеспечении нейронов АТФ. (Л. М.
Чайлахян Институт проблем передачи информации АН СССР, Москва, СССР)
В общей проблеме о функциональной роли нейроглии существует важный и
интересный вопрос—являются ли глиальные клетки источником энергии для
нейронов? Он возникает в связи с тем, что глиальные клетки, с одной
стороны, не уступают нейронам по интенсивности энергетического обмена, в
частности, но окислительному фосфорилированию, т. е. в производстве АТФ,
но, с другой стороны, должны потреблять гораздо меньше энергии, чем
нейроны, так как электрически пассивны. Для обоснования подобной точки
зрения важно достаточно аккуратно сравнить энергетические потребности для
поддержания ионных градиентов у нейронов и глиальных клеток. В настоящем
сообщении сделаны такие количественные оценки, результаты которых позволяют
сформулировать гипотезу о возможной роли глиальных клеток в обеспечении
нейронов АТФ.
В первую очередь нужно оценить необходимые энергетические затраты
нейрона для поддержания ионных градиентов в покое и сравнить их с таковыми
у глиальных клеток. Для последующих расчетов на основании литературных
данных была приняты следующие геометрические и электрофизиологические
параметры для обобщенного нейрона и глиальной клетки.
Геометрические параметры нейрона: объем нейрона принимался равным
объему шара диаметром 30н м - что соответствовало величине Он=1.4.10-8 см3,
а площадь поверхности (Sн)-соответствовала увеличенной в 5 раз поверхности
такого шара, что составляло Sн=1.4.10-4 см3.
Геометрические параметры глиальной клетки: объем главной клетки (Оr)
принимался равным объему шара с диаметром 14нм, что соответствовало
величине Оr=0,14.10-8см2, а площадь поверхности (Sr) соответствовала
увеличенной в 5 раз поверхности такого шара, что составляло Sr=0.3.10-4
см2.
Электрофизиологические параметры нейрона и глиальной клетки:
мембранный потенциал у нейрона в покое-Vмн= -70мв, у глиальной клетки Vмг=
-89мв, потенциалы равновесия по ионам калия (Vк) и ионам натрия (VNA), а
также удельные проводимости поверхностной мембраны у нейрона и глиальной
клетки не отличались и принимались-Vk=-90мв, VNA=-60мв, gm=10-3
с/см2/так как проводимость поверхностной мембраны в основном определяется
ионами калия, то принималось-gm=gk. Кроме того принималось, что у глиальной
клетки отсутствует электрогенная Na, К-помпа. Решающие доводы в пользу
последнего допущения были представлены на симпозиуме «Функции нейроглии» в
Тбилиси в докладе Р. Г. Гроссмана. Было показано, что инъекция ионов натрия
в глиальные клетки не приводит к появлению какой-либо заметной
гиперполяризации, что свидетельствовало бы об электрогенной помпе, как это
было показано в сходных опытах на нейронах моллюска.
Исходные предпосылки для расчетов. На основании принятых
электрофизиологических параметров, соответствующих большому количеству
исследований, при использовании известного уравнения
Гольдмана—Ходжкина—Катца легко показать, что отношение проницаемостей для
ионов натрия (РNA) и калия (Рк) у нейронов примерно на 1,5 порядка выше,
чем у глиальной клетки-у нейрона PNA/Pk=0,031, а у глиальной клетки
РNA/Pk=0,001.
Для последующих расчетов использовали уравнения:
gk(Vk-Vми)=gNAн(VNA-Vмн) (2)
gk(Vk-Vмг)=gNAг(VNA-Vмг) (3)
которые отражают условия равновесия в состоянии покоя у рассматриваемых
клеток, когда пассивный ток ионов калия наружу должен быть равен пассивному
току ионов натрия внутрь. Уравнение для нейрона, строго говоря,
выполняется, если Na, К-насос, как для глиальных клеток, электронейтрален,
т. е. стехиометрический коэффициент для активных потоков ионов натрия
наружу и ионов калия внутрь равен. Однако, поправка на электронность будет
лишь увеличивать энергетические затраты нейрона на ионные потоки.
На основании уравнений [2] и [3] и принятых нами параметров для
нейрона и глиальной клетки можно вычислить величины ионных токов для этих
клеток на единицу поверхности клетки (см2) или веса (гр) и времени
(секунды, часы, сутки). Знание электрохимических градиентов для ионов калия
и ионов натрия позволяет от значений токов перейти к оценкам
соответствующих энергий. Очевидно, что энергия, затрачиваемая на Nа,
К-насосы, поддерживающая пассивные ионные потоки, должна быть не меньше
оцениваемой нами описанным способом.
Результаты расчетов. Существенно оценить затраты энергии у разных
тканей на единицу поверхности клеток, так как эти оценки непосредственно
отражают интенсивности ионных потоков и не зависят от размеров и формы
клеток.
Для нейрона в покое получено: 0,3*10-5вт/см2. Если принять, что
частота работы нейрона в среднем составляет 15-30 импульсов в секунду, то
сравнительные оценки по пассивным потокам у нервных клеток в покое я при
возбуждении дают основания предполагать, что затраты на сохранения ионного
гомеостаза при такой работе нейрона могут увеличиваться в два-три раза, т.
е. достигать 1 • 10-5вт/см2.
Интересно заметить, что вычисленные нами затраты энергии для
идеализированного нейрона на единицу поверхности удивительно хорошо совпали
с экспериментальными данными Конноли и Крейнфельда, полученными для
гигантского аксона кальмара на основании измерений потребления кислорода –
0,5*10-5 вт/см2.
Для глиальных клеток вычисленные энергетические затраты на ионный гомеостаз
были такие: 0,15*10-6 вт/см2. Видно, что энергетические затраты на единицу
площади на работу Na, К-насоса у глиальной клетки должны быть в 20—60 раз
меньше, чем у нейрона.
Знание отношения S/O у нейрона (104) и у глиальной клетки (2,14*104)
позволяет перейти от затрат на работу насосов на единицу поверхности к
затратам на единицу массы соответствующей ткани. Вот эти цифры: для нейрона
в покое -0,3*10-1вт/гр, для работающего нейрона -l*10-1вт/гр,
для глии -0,32*10-2вт/гр. Видно, что и в пересчете на единицу массы
энергетические затраты у глиальных клеток на насосы в десятки раз меньше,
чем у нейрона.
Сравнение энергетических затрат у нейрона на ионный гомеостаз и
синтетические процессы. Представленные оценки могут не производить сильного
впечатления, если думать, что затраты на ионный транспорт в нервной клетке
составляют небольшой процент от всех суммарных энергетических затрат.
Однако, видимо, это не так.
Для нервных клеток энергетические затраты на ионный гомеостаз
составляют подавляющий процент во всем энергетическом балансе.
Для подтверждения этой точки зрения можно привести сравнительные
оценки энергетических затрат у нейрона и глиальной клетки на ионный
транспорт и синтетические процессы, в частности, на синтез белка. Примем,
что интенсивность синтеза белка в нервной клетке такова, что за сутки
происходит полное воспроизведение всех белков. Зная процентное содержание
белка в нервных клетках (8% от веса клетки) можно оценить количество
пептидных связей на единицу веса ткани. А знание необходимой энергии для
синтеза одной пептидной связи (примерно гидролиз трех молекул АТФ до АДФ)
позволяет оценить соответствующие энергетические расходы на воспроизведение
белка за сутки.
Для нейрона в покое и при активации, а также для глиальной клетки
выше уже приводились данные об энергетических затратах. Для удобства
сравнения с затратами на синтетические процессы они также будут пересчитаны
на сутки.
Вот эти цифры. На ионный транспорт энергетические затраты в сутки у
нейрона в покое -2592вт/гр, при активности -5000 -7500вт/гр, у глиальной
клетки -258 вг/гр, а на синтетические процессы у нейрона и глиальной клетки
указанной выше интенсивности расходуется в сутки—61. гр.
Расчеты показывают, что на столь интенсивный синтез белка, как полное
его воспроизведение за сутки, нервная клетка в покое должна затрачивать в
42 раза меньше энергии, чем на ионные насосы, а при активной работе в 123
раза меньше. Даже у глиальной клетки на ионные насосы затрачивается в 4,2
раза больше энергии, чем на столь интенсивные синтетические процессы.
Поистине, дорого стоит нервной ткани поддержание в боевой готовности
натриево-калиевого механизма генерации и проведения нервного импульса —
практически на это идут все энергетические затраты.
Все это означает, что если глиальные клетки в целом способны с такой
же интенсивностью синтезировать АТФ как и нейроны, то АТФ у них должна быть
в избытке. И из соображений целесообразности естественно предположить
возможность прямого использования этого избытка нейронами.
Формулировка гипотезы. Можно предложить возможный путь потока АТФ из
глиальных клеток в нейроны на основе уже известных механизмов. Этот путь
должен состоять из двух этапов.
Первый этап — это выброс АТФ из глиальных клеток при их деполяризации
ионами калия во время активации соседних нейронов (имеются убедительные
данные, что при калиевой деполяризации глиальные клетки активно секретируют
в межклетники ряд еще неидентифицированных соединений).
Второй этап — это поступление АТФ из межклетников в пресинаптические
окончания по механизму пиноцитозного поглощения (в пресннатических
окончаниях показано существование процесса обратной секреции—типа
пиноцитоза).
С точки зрения этой гипотезы нейроглия является общим распределенным
энергетическим резервуаром, снабжающим нейроны универсальным биологическим
топливом — АТФ. Активность того или иного нейронного пула сразу же приводит
к калиевой деполяризации глиальных клеток, окружающих эти нейроны. Они
начинают секретировать АТФ в межклетники, а оттуда через активированные
пресинаптические окончания эта АТФ может поступать по механизму
пиноцитозного поглощения в нейроны. Таким образом, при реализации подобной
возможности видна большая целесообразность во взаимодействии нейронов и
глиальных клеток—поток АТФ из глиальных клеток в нейроны четко регулируется
самой нейронной активностью: чем активнее работает нейрон, тем больше АТФ в
него будет поступать.
Важно также заметить, что наличие щелевых контактов между глиальными
клетками создает условия для эффективного диффузионного обмена АТФ
глиальными клетками. Другими словами система глиальных клеток, окружающая
нейроны, может в этой связи рассматриваться как единая непрерывная
диффузионная среда, в которой могут осуществляться градиентные потоки АТФ в
участки мозга с наибольшим потреблением АТФ, т. е. в места наибольшей
нейронной активности. Таким образом, может происходить своеобразная
кооперация глиальных клеток при обеспечении АТФ наиболее нуждающихся
нейронов.
Высказанные соображения мало чего стоят, пока не будут получены
прямые экспериментальные данные в пользу сформулированной гипотезы.
Заключение.
В заключение хочу обобщить все сказанное.
Во всех органах человеческого тела, кроме мозга, функционирующие
клетки удерживаются вместе межклеточным веществом соединительной ткани. В
нервной системе эту роль выполняет глия ( от греч. глия-клей), клетки
которой образуются из общих с нейронами предшественниц на раннем этапе
развития мозга. Глия создает опору для нейронов, объединяет отдельные
элементы нервной системы, но, в то же время, изолируют друг от друга разные
группы нейронов, а также большую часть их аксонов. Тем она формирует
структуру мозга. Численность клеток глии превышает нейронов в мозгу
приблизительно в 10 раз. Эти клетки отличаются друг от друга по внешнему
виду и по выполняемой функции.
Самым распространенными среди клеток глии являются астроциты,
например, в мозолистом теле они составляют 1/4 всех клеток глии. У
астроцита неправельной, звездчатой формы тело с многочисленными и
относительно длинными отростками, один из которых направлены к нейронам, а
другие- к кровеносным капиллярам. Эти отростки расширяются на концах,
образуя т. н. астроцитарную ножку. На поверхности капилляра отростки
соседних астроцитов плотно смыкаются друг с другом и практически полностью
обвертывают кровеносный сосуд. Подобная изоляция сосуда является одним из
способов формирования гематонцефалического барьера- границы между кровью и
нервной тканью, закрытой для многих находящихся в крови веществ.
Другие отростки астроцита почти целиком обертывают тела нейронов.
Если нейрон возбуждается длительно, вокруг него повышается концентрация
ионов калия, а это может уменьшить возбудимость соседних нейронов.
Астроциты предупреждают такую возможность, поглощая излишки калия, тем
самым они выполняют функцию буфера. Некоторые клетки глии при этом
деполяризуются, а поскольку они связаны между собой щелевыми контактами,
между деполяризованными и находящимися в покое клетками возникает ток. Это,
однако, не приводит к возбуждению, так как в мембране клеток глии очень
мало потенциалзависимых каналов для натрия и калия. Не смотря на, что
повышение концентрации ионов калия у астроцитов изменяет некоторые их
свойства, в настоящее время нет достаточных оснований считать их прямыми
участниками переноса нервных импульсов.
Особую роль клетки глии выполняют, по-видимому, во время развития
мозга. Некоторые их разновидности регулируют напровление перемищения
нейронов в определенные регионы растущего мозга, а также напровление роста
аксонов. Другие клетки глии возможно участвуют в питании нервных клеток
путем регуляции кровотока, а тем самым транспорта глюкозы и кислорода.
Литература.
1.Костюк П. Г. «Структура и функция биологических мембран» М., «Наука» 1975
г.
2.Шульговский В. В. «Физиология ЦНС» Изд. Моск. универ. 1997 г.
3.Недоспасов В .О. «Физиология ЦНС» М.: ООО УМК «Психология» 2002 г. |
