СМЕНА ПАРАДИГМ
О.С. Виноградова
Введение
I. Рождение и гибель нейронов
1. "Во взрослом мозге нейроны погибают, но не рождаются"
2. "Гибель нейронов происходит очень быстро"
3. "Нервные клетки не восстанавливаются"
4. "Морфо-функциональные перестройки ограниченны и медленны"
II. Жизнь и общение нейронов
1. Закон Дейла: один нейрон - один трансмиттер
2. Единовластие синапса
3. Электрическая невозбудимость дендритов
4. Аксоны как простые проводники
5. " Тормозные интернейроны"
III. Враги и союзники нейронов
1. "Опорная глия"
2. Нейротрофины и нейротрансмиттеры
3. "Иммунопривилегированность мозга"
4. Резюме и заключение
Века идут, года уходят,
Но все живущее - не сон.
Оно живет и превосходит
Вчерашней истины закон.
Н.Заболоцкий
Конец второго тысячелетия - время подведения итогов и оценки достижений человека в различных областях науки и технологии. Наука о мозге относится к числу тех областей знания, которые претерпели радикальные изменения в последние 50 лет. За это время возникли принципиально новые отрасли нейронауки, такие как молекулярная нейробиология, нейроиммунология, нейрохимия. Наиболее важно то, что в течение этого периода произошел полный пересмотр общепринятых фундаментальных принципов нейробиологии, была продемонстрирована их ошибочность или ограниченность, и на основании ассимиляции новых экспериментальных данных возникли новые парадигмы, определяющие современные представления о функционировании мозга и экспериментальные подходы к его исследованию.
Данный обзор, естественно, ни в коей мере не претендует на описание всех достижений нейронауки к настоящему времени. Цель его - краткое перечисление тех новых данных, которые позволили заменить прежние фаталистические представления о мозге значительно более оптимистическими взглядами на возможности его морфологической и функциональной репарации даже у взрослого организма. Помимо более глубокого понимания пластических процессов восстановления, происходящих в мозге, эти данные дают надежду на создание совершенно новых терапевтических подходов к восстановлению нарушенных функций мозга.
Вместе с тем, исследования последних десятилетий показали, насколько упрощенными были наши недавние представления о работе мозга. Сейчас каждый день приносит новые данные о деталях сложных взаимодействий между нейронами, между нейронами и глией, между нервными, трофическими и иммунными факторами. Эти данные, несомненно, расширяют наши знания, но, вместе с тем, затрудняют создание концептуальных представлений о принципах интегральной работы мозга и его отдельных систем.
I. РОЖДЕНИЕ И ГИБЕЛЬ НЕЙРОНОВ
1. " Во взрослом мозге нейроны погибают, но не рождаются". Завершая свою книгу "Дегенерация и регенерация нервной системы", Рамон-и-Кахал писал: "Во взрослом мозге нервные пути - это нечто фиксированное, законченное, неизменяемое. Все может погибнуть, ничто не может регенерировать" [222]. В течение многих лет это положение было одной из общепринятых основ нейробиологии; время от времени гистологи публиковали данные о том, сколько сотен или тысяч нейронов гибнет ежедневно во взрослом мозге. Однако в 90-х гг многочисленными исследователями было показано на грызунах наличие во взрослом мозге клеток-предшественников (в основном дифференцирующихся в гранулярные клетки), мигрирующих в различные отделы мозга в течение всей жизни [69,133]. Такие клетки, выявляемые по включению 5'-бромо-2'-дезоксиуридина в S-фазе, были обнаружены в эпендимальной и субэпендимальной зоне желудочков головного мозга, а также центрального канала спинного мозга. Далее было показано, что нейрогенез происходит и во взрослом мозге приматов, в том числе человека [64,155,280]. Субэпендимальная зона головного и спинного мозга содержит типичные плюрипотенциальные, самовосстанавливающиеся стволовые клетки [121,133,267]. Эти клетки способны дифференцироваться в клетки любых тканей, в том числе в различные типы клеток крови [45]. В мозге они спонтанно дифференцируются в три основных типа клеточных элементов ЦНС - нейроны, астроциты и олигодендроглию [181,303,306]. Клоны стволовых клеток можно поддерживать in vitro до двух лет, увеличение их числа in vitro и in vivo у взрослых животных стимулируется кооперативным действием эпидермального фактора роста (EGF) и щелочного фактора роста из фибробластов (bFGF или FGF-2) [64,208,290]. Эти же нейротрофические факторы, а также цитокины (IL-1, IL-11) могут способствовать дифференцировке клеток в нейроны, содержащие ГАМК, вещество Р, ацетилхолинтрансферазу, тирозингидроксилазу, глутамат и дофамин [91,124,218]. Пока не описано формирование из предшественников таких высокодифференцированных клеток, как пирамидные нейроны или клетки Пуркинье, но данные о формировании мотонейронов спинного мозга уже получены [246]. В последнее время, однако, появились данные о способности более 50% полностью дифференцированных нервных клеток мозга дедифференцироваться и пролиферировать после 3-4 дней культивирования в присутствии FGF-2 [51].
Новые нейроны, мигрирующие в структуры взрослого мозга, посылают аксоны к надлежащим мишеням, окружены функциональными синапсами и не отличаются от окружающих клеток, включаясь, таким образом, в существующие системы нейронов [183].
Нейрогенез во взрослом мозге (анализируемый обычно на гранулярных клетках зубчатой фасции) может возрастать под влиянием различных факторов - как при патологических условиях, так и при повышении нормальной активности мозга. Показано увеличение генерации новых гранулярных клеток через 1-2 недели после 10 мин глобальной ишемии мозга, что рассматривается как компенсаторная реакция [172]. При судорожной активности, вызванной посредством киндлинга, введения каиновой кислоты или пилокарпина, наблюдается повышение нейрогенеза в зубчатой фасции на 75-140% (по другим данным - в 6 раз) [122,208,242]. У старых животных, в мозге которых наблюдается повышенное содержание кортикостерона, снижение кортикостерона приводит к усилению нейрогенеза [190].
Вместе с тем, убедительные данные о повышении нейрогенеза у взрослых и старых животных получены на мышах, содержащихся в обогащенной среде (включающей социальные взаимодействия, объекты, вызывающие усиление ориентировочно-исследовательской реакции, и условия для физической активности). Перемещение животных в такую среду вызывает усиление пролиферации нейронов вдвое у молодых взрослых крыс (с 1330 нейронов в контроле до 2490 в обогащенной среде); происходит также возрастание пролиферации астроцитов. Такое усиление продукции нейронов наблюдается даже у старых крыс, переводимых в обогащенную среду из стандартных условий в возрасте 20 мес, причем число пролиферирующих нейронов у них возрастает в 3 раза (по отношению к сниженному в этом возрасте фоновому уровню) [51]. Это сопровождается умеренным, но достоверным улучшением обучения в водном лабиринте Морриса [140,141].
2. " Гибель нейронов происходит очень быстро". Убеждение в исключительной чувствительности нейронов к различным повреждающим факторам (травма, аноксия, ишемия) лежит в основе столь серьезных вопросов, как оценка возможности реанимации, поскольку считается, что период, после которого может происходить восстановление мозга, измеряется несколькими минутами. Однако, существуют основания считать, что представления об уязвимости нервных клеток в значительной мере преувеличены.
Введенный в 70-х гг и широко распространенный в настоящее время метод работы на переживающих срезах показал, что достаточно грубо иссеченный участок взрослого мозга при обеспечении минимума условий может выживать в течение многих часов, причем нейроны сохраняют нормальную спонтанную и вызванную активность, а также необходимые биохимические процессы. Исследования показали, что нормальная спонтанная и вызванная активность нейронов взрослого мозга млекопитающих в этих условиях может сохраняться до 48 час, а в случае гибернирующих животных (суслики) до недели [206]. С 80 гг удивительная резистентность мозга к повреждающим факторам нашла подтверждение и в экспериментах с трансплантацией нервной ткани в переднюю камеру глаза и мозг взрослых животных, где участок мозга до восстановления кровоснабжения выживает без специальной оксигенации, при возможности только абсорбировать необходимые вещества из тканевого окружения, в течение минимум 3-7 дней [11,274]. Правда, в этом случае речь идет об эмбриональной или ранней постнатальной ткани, имеющей более высокое содержание АТФ и более устойчивой к аноксии [138,139]. Тем не менее, возможность восстановления нормальных биохимических и физиологических функций мозга после длительной аноксии/ишемии в настоящее время показана и для взрослого мозга. Существуют данные, показывающие наличие нормальной синаптически вызванной активности в срезах гиппокампа, приготовленных из мозга, выдерживаемого до трех часов post mortem [163]. Длительность сохранения жизнеспособности значительно повышается при всех воздействиях, снижающих биохимическую и физиологическую активность нейронов в период аноксии/ишемии. Охлаждение животных (крыс) до 30? С или инкубация срезов в охлажденной до 30-21? С среде повышает резистентность нейронов и делает возможным восстановление их функциональной активности после 20-45 мин ишемии [56,265]. При раздельной депривации срезов мозга снабжения глюкозой или кислородом на фоне сниженной температуры толерантность оказывается очень высокой. При лишении только глюкозы восстановление возможно через 1,5 часа при t°37? и через 5 часов при t° 21? С. При тех же значениях температуры восстановление при устранении только кислорода было возможным соответственно в течение 2,5 и 15 часов [202,302], что позволяет авторам говорить о "невероятном продлении жизни нейронов" при полной аноксии на фоне сниженной температуры.
Другой методический прием, значительно повышающий резистентность нейронов к аноксии/ишемии -- блокада активации нейронов в период нанесения воздействия. Выживание нейронов и восстановление синаптических ответов после 10-30 мин ишемии или 25-40 мин аноксии наблюдали у животных и в срезах гиппокампа при блокаде NMDA-рецепторов кетамином, 2APH (2-амино-7-фосфогептановая кислота) и APV (2-амино-5-фосфовалериановая кислота), а в срезах также при снижении кальция, повышении магния или блокаде натриевых спайков тетродотоксином [70,187,220]. При восстановлении нейроны имели нормальный мембранный потенциал, входное сопротивление и потенциалы действия. Таким образом, возможно, что гибель нейронов при аноксии происходит с участием экситотоксического влияния возбуждающих аминокислот, действующих через NMDA-рецепторы. Необратимое нарушение синаптической передачи происходит только при комбинации аноксии со снижением глюкозы. Предполагается, что снижение запаса гликолитически образуемого АТФ ограничивает способность Na/K насоса поддерживать или восстанавливать мембранный потенциал, снимая этим чрезмерное возбуждение NMDA-рецепторов [309].
3." Нервные клетки не восстанавливаются". Этот афоризм, получивший широкую известность в отечественной литературе и кино, имеет прочное научное обоснование в ранних гистологических исследованиях связей мозга, основанных на методах "ретроградной дегенерации". Рассечение различных путей и применение методов серебрения (методы Наута, Финк-Хаймера, Гросс-Бильшовского) позволяет прослеживать источник этих путей - нейроны, погибающие из-за повреждения их аксонов. Оптимальным для анализа считалось временное окно 9-14 дней после повреждения (к этому времени дегенерация достигает максимума, а затем происходит уборка и исчезновение погибших клеток). Этот подход парадоксальным образом дал массу надежной и точной информации при неправильной интерпретации сути используемого метода. Лишь в последнее время становится понятно, что в действительности эти методы выявляют определенную стадию в реакции цитоскелета нейрона на повреждение с появлением аргентофильной реакции нейрофибрилл. В последующие дни, однако, в значительном числе случаев происходит не гибель, а восстановление нейронов с формированием конусов роста, ветвлением аксонов и установлением ими контактов с новыми мишенями. Препятствием к их успешной регенерации могут быть побочные следствия повреждения - отеки, формирование глиально-мезодермальных рубцов, цист, отсутствие участков ткани. Достаточно простые приемы - введение периферического нерва, Шванновских клеток, глиального и даже коллагенового или целлюлозного мостика может быть достаточным для прорастания аксонов между разъединенными структурами [42,257].
Аналогичные сложности интерпретации возникли и при применении современных иммуноцитохимических методов, которыми в последние годы были перепроверены и уточнены данные о связях между структурами мозга. Повреждение аксонов перерезкой или введением нейротоксина может приводить к почти полному исчезновению нейронов - источников этих аксонов, выявляемых по содержанию определенных нейротрансмиттеров или их ферментов. Однако, сопоставление с другими гистологическими методами (Ниссль) показывает, что речь идет не о гибели клеток, а о прекращении экспрессии ими соответствующего трансмиттерного фенотипа. Так, при перерезке форникса-фимбрии, связывающих медиальный отдел септум с гиппокампом, число септальных холинергических клеток (экспрессирующих ацетилхолинтрансферазу) снижается на 85-95%, однако число клеток, определяемое по Нисслю, снижается лишь на 20-30%. Затем число клеток с холинергическими маркерами вновь начинает нарастать и к 2-6 мес составляет 50-55% исходного числа [57,116,152]. Экспрессии холинергических маркеров после аксотомии или при старении способствует введение нейроростового фактора (NGF) или мозгового нейротрофического фактора (BDNF) [24,261]. Аналогичное снижение холинергических маркеров (на 95%) после повреждения аксонов при полной сохранности числа клеток выявлено в холинергических ядрах ствола мозга [157,226]. При введении нейротоксина 6ОHDA в медиальный переднемозговой пучок число дофаминергических клеток черной субстрации, определяемое по содержанию тирозингидроксилазы, снижается на 85%, а число клеток, выявляемых с применением fluoro-gold, - только на 50%. При введении глиального нейротрофического фактора (GDNF) даже через неделю после аксотомии, выживание нейронов черной субстанции значительно возрастает, но экспрессия фермента синтеза дофамина происходит в них только спустя еще 1-2 недели [47,176].
Отсутствие гибели нейронов гиппокампа и обширное ветвление их аксонов при повреждении было предметом исследования многочисленных авторов. В последние годы появляются данные о возможности регенерации с, по крайней мере, частичным восстановлением функции в таких путях, где регенерация считалась совершенно невозможной. Так, показана возможность выживания и установления связей ганглионарными клетками сетчатки с восстановлением различения света/темноты [288]; успешная регенерация вентрального кохлеарного тракта с восстановлением вызванных потенциалов на слуховые стимулы [129], восстановление аксонов дорзальных столбов спинного мозга и вестибулоспинального тракта [128,144,173] с нормализацией двигательных функций, а также отсутствие гибели клеток Пуркинье при перерезке их аксонов у взрослых животных [94].
4." Морфо-функциональные перестройки ограниченны и медленны". Полное отрицание возможности восстановительных процессов в мозге в дальнейшем сменилось допущением ограниченной и требующей длительного времени регенерации и функциональной компенсации. В настоящее время поток экспериментальных данных показывает возможность очень быстрых перестроек в мозге.
При остром устранении афферентных путей от периферических сенсорных зон по данным многочисленных исследований происходит "немедленная" или "быстрая" перестройка соответствующих нейронных представительств в мозге. Подобные исследования, в основном производившиеся на основании ответов нейронов соматосенсорной коры, показали, что в течение периода от нескольких минут до 1-3-х часов (по данным разных авторов) происходит полная реорганизация реактивности, рецептивных полей и топографического представительства в коре. Нейроны, утратившие афферентацию, начинают отвечать на стимуляцию соседних рецептивных поверхностей с интактной афферентацией. Так, при ампутации у крыс и обезьян одного из пальцев, нейроны в зоне его представительства быстро начинали отвечать на ранее неэффективную для них стимуляцию соседних пальцев; соответственно, зона их представительства расширялась [59,61,93]. Аналогичные быстрые перестройки рецептивных полей описаны в зрительной коре при локальных разрушениях сетчатки [134,238]. Подобное расширение рецептивных полей с сохранных корковых зон на деафферентированные области происходит и при функциональной депривации, когда афференты временно выключаются анестезией или, как в случае зоны представительства вибрисс (поле баррелов в SI), просто обстриганием вибрисс [89,117].
Напротив, любые формы повышенной активности приводят к расширению соответствующей зоны представительства в мозге. Так, несколько часов микростимуляции в зоне представительства задней лапы приводят к ее расширению с перемещением границы на расстояние до 800 мкм, в ранее не-соматические поля коры [253]. Аналогичные сдвиги (210-670 мкм) зоны, с которой можно вызвать определенное движение, происходят в соматосенсорной коре при стимуляции 1 Гц в течение 1-3 час [199]. Расширение локальных корковых представительств описано также в различных отделах сенсорной коры и при содержании животных в обогащенной среде или выработке условных реакций на соответствующие сигналы [77,289 и мн. др.].
Быстроту наблюдающихся перестроек многие исследователи объясняют демаскировкой при повреждении (в соседних полях) или при активации (в стимулируемом поле) существующих, но в норме слабых или подавляемых горизонтальных связей между соседними корковыми областями [61,93,253]. Вариантом объяснения является особая организация таламо-кортикальных связей: центральная зона ветвлений таламических афферентов имеет диаметр не более 600 мкм, но соседние таламические клетки могут проецироваться на точки коры, отстоящие друг от друга на расстоянии до 1,5 мм. Высвобождение или активация этих дальних связей рассматривается как возможная база быстрых перестроек кортикальных карт [223].
Однако, существует множество экспериментальных свидетельств того, что в основе функциональных перестроек, идущих в течение минут-часов, могут лежать морфологические преобразования связей и формирование новых синапсов, а не просто функциональное растормаживание предсуществующих контактов. Особенно многочисленны данные о морфологических изменениях при наиболее интенсивно исследуемой форме синаптической пластичности - долговременной потенциации в гиппокампе. Через 30-40 мин после индукции потенциации электронная микроскопия выявляет расширение ножек дендритных шипиков (на 60%) и уменьшение их длины, утолщение вдвое постсинаптических плотностей, появление новых шипиков, появление у 60% активированных синапсов перфораций с разделением активных зон внедрением спинул в пресинаптические окончания [15,53,97]. Даже у очень старых крыс (26 мес) при потенциации число синапсов на дендритных стволах возрастает на 44%, а на пеньковидных шипиках - на 72%, без изменения числа синапсов на обычных грибовидных шипиках. У молодых животных эти цифры еще выше [66]. Аналогичные изменения описаны при потенциации и в других структурах - от коры [1,277] до верхнего шейного ганглия [135]. При обучении животных через 3-7 часов также происходит значительное нарастание числовой плотности шипиков (на некоторых клетках - в 4 раза: подсчет в зубчатой фасции гиппокампа) [200,203]. Об удивительных возможностях срочной морфологической компенсации при радикальной деафферентации говорит недавняя работа, где проводили количественное сравнение числа синапсов в гиппокампе, фиксированном перфузией in vivo и в срезах, инкубируемых in vitro. В срезах гиппокампа взрослых крыс через 2 часа инкубации число синапсов оказывалось увеличенным на 40-50% - как быстро развивающаяся реакция на деафферентацию [146].
Многие исследователи до последнего времени считали, что подобные быстрые пластические перестройки происходят лишь в высших отделах мозга (кора, гиппокамп) [287]. Однако обширный экспериментальный материал показывает, что при периферической деафферентации аналогичные вышеописанным быстрые функциональные и морфологические изменения одновременно развиваются в соматосенсорных и зрительных отделах таламуса [195,245], а также в стволе мозга (тригеминальный комплекс, клиновидное ядро) [98,297]. На переживающих срезах таламуса показано значительное возрастание числа точек ветвления дендритов и числовой плотности дендритных шипиков (в 6 раз) нейронов латерального коленчатого тела, особенно при блокаде NMDA рецепторов, усиливающей эффект острой деафферентации [225].
Чрезвычайно важную, хотя и не нашедшую пока объяснения роль в морфо-функциональной пластичности играют холинергические проекции переднебазального мозга, поскольку при их разрушении или блокаде холинергических рецепторов по данным разных групп авторов перечисленные пластические явления не развиваются [36,234].
Таким образом, при повреждениях мозга возможны морфо-функциональные компенсаторные изменения - от очень быстрых между соседними участками нервной ткани, до более медленных, но радикальных изменений, захватывающих отношения между обширными и функционально-различными отделами. Возможность расширения зоны представительств сохранных видов чувствительности на деафферентированную зону (например, представительств тактильной и слуховой чувствительности в зрительные области при отсутствии зрения) показана как у животных [194,224,270], так и у человека [72,154].
II. ЖИЗНЬ И ОБЩЕНИЕ НЕЙРОНОВ
1. Закон Дейла: один нейрон - один трансмиттер. Прекрасные времена, когда трансмиттеры исчислялись единицами, а нейроны подчинялись закону Дейла, окончились. С конца 70-х гг появились многочисленные работы, показывающие сосуществование в нейронах и синапсах всех видов "классических" трансмиттеров с различными пептидами, обнаруженными первоначально как в самой нервной ткани, так и в других тканях организма. Тогда же было обнаружено активное участие пептидов в модуляции синаптической передачи. В 1986 г Хёкфельт с 19тью соавторами [110] представил сводный обзор по всей опубликованной к этому времени литературе с таблицами, показывающими ко-локализацию с трансмиттерами энкефалина, холецистокинина, нейропептида Y, вещества Р, соматостатина, мотилина, галанина, нейротензина и др. Хотя различные нейропептиды, иногда не один, а более, могут ко-локализоваться со всеми трансмиттерами, максимальное их разнообразие наблюдается в ГАМКергических клетках, причем их группы, различающиеся по морфологии и топографии (например, в гиппокампе), могут содержать разные нейропептиды.
Затем была выявлена ко-локализация классических нейротрансмиттеров. К настоящему времени особенно большое число экспериментальных исследований показывает совмещение ацетилхолина и ГАМК в различных проекционных системах нейронов. Это показано для нейронов переднебазального мозга (базальное ядро и медиальные септальные ядра) [30,102,123], в нижних оливах [60], в мотонейронах и нейронах задних рогов спинного мозга [213,269], в амакриновых клетках сетчатки [50]. ГАМК ко-локализуется также с серотонином и, возможно, с другими биогенными аминами [38,256]. До сих пор вызывают изумление экспериментальные данные показывающие, что ГАМК присутствует как второй трансмиттер в глутаматергических синапсах гиппокампа и зубчатой фасции, а также субталамического и эндопедункулярного ядер [63,71,162,236]. Ко-локализация ГАМК с остальными трансмиттерами является настолько распространенным явлением, что можно допустить важное функциональное значение такой комбинации. Предположительно, при афферентном сигнале быстро выбрасываемая ГАМК вызывает начальное подавление текущей спонтанной активности постсинаптических нейронов, а на этом фоне второй трансмиттер вызывает ответ реактивной популяции клеток. Этим может достигаться значительное повышение отношения сигнал / шум и синхронизация ответов, улучшающая воздействие слабых сигналов. Значение тормозного эффекта "сброса" (reset) или "обнуления" в соответствующих системах показано как при обработке сигналов, так и при подготовке к движению [19,74]. При стимуляции внутренних систем волокон гиппокампа при едва надпороговых токах всегда наблюдается тормозная реакция и лишь при дальнейшем повышении тока возникает разряд [48]. Это явление объясняли слабостью активационных влияний, приходящих на удаленные от тела клетки дентритные зоны, или более низкими порогами тормозных интернейронов. Однако сейчас, при демонстрации универсального присутствия ГАМК в гранулярных и пирамидных нейронах, это явление можно объяснить не выходя за пределы одиночного синапса: при слабых сигналах он работает как чисто ГАМКергический, а при их усилении - и как глутаматергический. Внимательный анализ внеклеточных ответов многих нейронных систем показывает, что начальная фаза, рассматриваемая как латентный период, в действительности, при соотнесении с предшествующей спонтанной активностью, часто включает краткий тормозный "сброс".
Существуют, однако, и другие комбинации трансмиттеров: глутамат и ацетилхолин - [161]; глутамат и дофамин [260].
Возможность выделения одним синапсом разных активных веществ при различных характеристиках входного сигнала была впервые прямо показана на мотонейроне В15 аплизии: при низком уровне возбуждения он работает как чисто-холинергический нейрон, а при повышении частоты разрядов как холинергический--пептидергический [291]. В дальнейшем аналогичные частото-зависимые эффекты были показаны для синапсов гиппокампа и супрахиазмального ядра [54,279]. Это привело к общему заключению, что одиночный нейрон представляет собою гибкую систему с вариабельными трансмиттерами, высвобождаемыми в разных сочетаниях при разных комбинациях воздействующих сигналов, причем допускается и выход разных сигнальных веществ на разных синапсах одного нейрона [35,67,111,247,252].
2. Единовластие синапса. В течение многих десятилетий синапс рассматривался как, если и не единственная, то абсолютно доминирующая в нормальных условиях форма коммуникации между нейронами. Эта догма подверглась пересмотру в последние годы. Заметим попутно, что окончательно завершен и начатый еще Гольджи и Рамон-и-Кахалом спор о дискретности синапса. Электронная микроскопия и выделение синаптосом окончательно показали, что синаптическая щель - не пустое пространство, а сложная конструкция, соединяющая пре- и постсинаптический элемент [13,17]. Однако, помимо локальных синаптических взаимодействий выявлены и другие, множественные системы коммуникаций между нейронами.
а) Объемное распространение трансмиттера (volume conduction, spill-over, cross-talk, paracrine transmission). В последние годы произошла ревизия представлений о локальном действии трансмиттера в синапсе, являющемся его источником. При выбросе трансмиттера количество его молекул избыточно и не может быть связано внутрисинаптическими рецепторами. Лишь ограниченное число контактов в мозге представлено синапсами "закрытого типа" (гломерулярные синапсы, контакты, изолированные глиальными отростками). В них избыточный трансмиттер убирается посредством обратного захвата, при действии транспортеров и метаболических ферментов. Большинство синапсов представляет собою открытые контакты, из которых трансмиттер может распространяться как трехмерный диффузионный сигнал по изотропной пористой среде [16,20,233,309]. Эффективность этой передачи определяется существованием внесинаптических рецепторов на сома-дендритной мембране нейронов [178]. Эта передача может быть близкой (но более величины синаптической щели), захватывая дополнительные внесинаптические рецепторы своего и прилежащих нейронов, и дальней - при диффузии через внеклеточную среду и ликвор [21]. Функциональное значение этого типа передачи подчеркивается и тем фактом, что трансмиттеры разных типов могут выделяться аксонными варикозами, вообще не имеющими синаптических специализаций. Такая диффузная объемная передача показана для холинергических, серотонинергических, дофаминергических волокон (в последних 70% варикоз - асинаптические, но способны выделять трансмиттер) [87,88].
Объемное распространение, по-видимому, участвует не только в постсинаптической, но и в пресинаптической регуляции. Современная литература полна сведений о сложных взаимодействиях между разными трансмиттерными системами, осуществляемыми через рецепторы на пресинаптических терминалях. Одиночные окончания могут иметь широкий набор различных пресинаптических рецепторов. Поскольку электронно-микроскопические исследования показывают, что даже единичные аксо-аксональные синапсы встречаются в мозге достаточно редко, влияния на пресинаптические рецепторы, по всей вероятности, обеспечиваются объемным распространением. Предполагается, что этот механизм может участвовать также в реализации возвратного и латерального торможения, эффектов "отдачи" и других физиологических явлений [283]. Функциональное значение этих процессов в осуществлении нормального функционирования нейронов показано для разных структур мозга: гиппокампа [31,284], мозжечка [55,228], стриатума [16,87].
Объемная передача может регулироваться разными факторами (скорость диффузии, температура и т.д.). Она медленнее классической синаптической передачи, но захватывает большее число элементов и может участвовать в обеспечении пластических явлений.
б) Щелевые контакты, формируемые прямой аппозицией олигомерных трансмембранных белков, позволяют непосредственный обмен ионами и малыми молекулами (< 1kDa), представляя, таким образом, дополнительную систему метаболических и электрических коммуникаций между нейронами. Эти контакты особенно важны и многочисленны в развивающейся нервной ткани, но во многих структурах они широко представлены и у взрослых животных [2,136,175]. Щелевые контакты имеют высоко-специализированную молекулярную структуру, основным элементом которой являются особые белки-коннексины [73,248]. Меняя электрический потенциал клеток, щелевые контакты могут влиять на синаптические эффекты. Вместе с тем, сейчас накапливаются данные, что нейротрансмиттеры (ацетилхолин, дофамин, норадреналин, серотонин, глутамат), выделяемые из химических синапсов, могут регулировать состояние щелевых контактов (в основном снижая их проводимость) через различные системы вторичных посредников [227,278]. Эта форма связи участвует в объединении нейронов, а также нейронов и астроцитов в функциональные ансамбли [85,175], ее генетические и иные нарушения могут приводить к тяжелым формам патологии нервной системы [255].
в) Регуляция локального кровотока. Говоря о влияниях трансмиттеров, выделяемых нейронами, необходимо упомянуть еще один эффект. Многочисленные исследования показывают, что различные трансмиттерные системы могут влиять через рецепторы, находящиеся на капиллярах мозга или периваскулярной глии, посредством объемного проведения. Регуляторные влияния показаны в настоящее время для ацетилхолина (через никотиновые рецепторы и, по-видимому, с участием совместно синтезируемой окиси азота) [145,275], серотонина (через 1А рецепторы) [46], норадреналина [209], дофамина [153] и глутамата [273]. Существование и значение точной регуляции локального кровотока для осуществления функций мозга, включая высшие когнитивные процессы, стало очевидным в последние годы в связи с широким применением неинвазивных методов (позитронная эмиссионная томография и функциональный магнитный резонанс) для изучения динамической локализации процессов при различных когнитивных тестах. Оба метода основаны на оценке изменения кровотока и уровня оксигенации крови [182]. Тот факт, что многие нейрофармакологические средства могут влиять не только посредством прямого действия на нейрональные рецепторы, но путем изменения кровоснабжения должен учитываться в экспериментальных исследованиях in vivo [285].
Этот раздел в целом можно заключить словами известного английского нейрохимика Лесли Айверсена: "Ушла в прошлое концепция жестко-связанных нервных цепей с быстрым включением и выключением химических сигналов. Вместо этого наступает эра "химического супа" [130].
3. Электрическая невозбудимость дендритов. Доктрина отсутствия генерации и активного распространения потенциалов действия в дендритах, возникшая в 60-х гг в течение длительного времени была основанием для взгляда на дендриты, как на пассивные придатки нейрона. Утверждалось, что дистальные дендритные входы вообще не могут передать сигнал, возможна лишь медленная диффузная деполяризация, электротонически распространяющаяся на сому; в связи с этим и торможение на дендритах функционального значения не имеет. В теоретическом отношении это делало непонятным смысл существования апикальных дендритов пирамидных клеток с их высоко-упорядоченным послойным окончанием различных афферентных систем и аксонов подгрупп тормозных нейронов. Трудно было совместить представления о пассивности дендритов с конструкцией и функционированием гиппокампа, где перфорирующий путь, несущий информацию от высших отделов неокортекса через переключение в энторинальной коре, заканчивается на дистальных окончаниях апикальных дендритов в молекулярном слое. На этом основании возникло представление о передаче кортикальных возбуждающих сигналов в гиппокампе только через "трехсинаптическую цепочку" (зубчатая фасция - поле СА3 - поле СА1), которое длительное время было препятствием к пониманию modus operandi нейронов гиппокампа и нейронной организации его функций. В работах нашей лаборатории было показано, что значительно более сложные и дифференцированные сенсорные реакции нейронов поля СА1 по сравнению с полем СА3 сохраняются и усиливаются при устранении септального входа [5] или коллатералей Шаффера, связывающих СА3 с СА1 [12], но исчезают при устранении кортикального входа [6]. Затем на срезах гиппокампа было прямо показано, что при полном рассечении среза между полями СА1 и СА3 и дополнительной перерезке между СА1 и субикулюмом до молекулярного слоя, пирамидные нейроны поля СА1 отвечают спайками на стимуляцию перфорирующего пути, проходящего в оставшемся дистальном тканевом мостике [3]. Эти ответы имеют все характеристики высокоэффективных моносинаптических эффектов со следованием спайков за стимулом при частотах стимуляции до 30-40 Гц [4]; они блокировались в среде с повышенным Mg²+ и сниженным Ca ²+. Эта схема опыта была воспроизведена при внутриклеточном отведении в 1998 г [26]; исследования подтвердили, что стимуляция дистальных апикальных дендритов может вызывать разряды пирамидных нейронов СА1. Прямое отведение от дендритов показывает, что в них могут возникать кальциевые и натриевые спайки до появления потенциалов действия в сомах [118]. Микроионофоретическое выведение глутамата и ацетилхолина на локальные зоны апикальных дендритов пирамидных нейронов V слоя коры или стимуляция пресинаптических элементов также вызывает генерацию дендритных кальциевых и/или натриевых спайков, регистрируемых от сомы. Таким образом, современные данные подтверждают, концепцию активного распространения потенциалов действия от дендритов [185,241].
В дендритах происходит также активное возвратное распространение (backpropagation) спайков, генерируемых в начальном сегменте аксона/соме. Это явление показано для пирамидных нейронов коры и гиппокампа, а также для мотонейронов спинного мозга [58,159,272]. Возвратные потенциалы действия, распространяющиеся в апикальных дендритах, можно регистрировать на расстоянии 400 мкм от клеточных тел [58]. При обратном распространении спайка возникает повышение Са2+; эти сдвиги могут быть высоко локальными, ограничивающимися малыми сегментами дендрита и даже одиночными шипиками [96]. Прямое введение тока в дендрит может также вызывать в нем большие сдвиги уровня Са2+. Эти процессы могут усиливаться при стимуляции стволовых активирующих систем или воздействии холинергических веществ [262, 272]. Предполагается, что возвратные спайки могут информировать дендрит о моменте разряда в соме и участвовать в процессах интеграции и пластичности, обеспечивая осуществление "правила Хебба". Во всяком случае показано, что в поле СА1 гиппокампа деполяризация дендрита при введении тока в сочетании с активацией дендритных NMDA-рецепторов достаточна для вызова долговременной потенциации [243].
Наличие активных процессов в дендритах делает понятным существование высокодифференцированных групп ГАМКергических нейронов, имеющих локальные зоны синаптических контактов на разных уровнях апикальных дендритов. Такие системы тормозных нейронов детально описаны для гиппокампа. Их терминали занимают стратегические позиции на границах между зонами окончания различных афферентных и комиссуральных систем. Генерируемые ими ТПСП, зависящие от ГАМК-рецепторов, могут шунтировать дендритные токи и превращать активное распространение как ортодромных, так и возвратных спайков в пассивно распространяющиеся потенциалы в определенных точках дендритного древа [137,271,301].
4. Аксоны как простые проводники. Точка зрения на аксоны, как простые электрические проводники выходных сигналов нейронов, оставлена уже давно. Помимо этого аксоны представляют собою сложную транспортно-метаболическую систему, по которой происходит орто- и антероградное перемещение различных веществ, синтезируемых клеткой, в том числе нейротрофических факторов, необходимых для выживания нейронов. Например, нейроны медиальной септальной области получают из гиппокампа необходимый для синтеза ацетилхолина и нормального функционирования нейроростовой фактор, поступающий в результате возвратного транспорта по их проекционным аксонам [192,261]. Таким способом нейрон может также информироваться о событиях, происходящих на его синапсах.
В последние годы накапливаются доказательства, что оба типа нейронных отростков обладают также и механизмами локального синтеза белка. В дендритах выявляются микросистемы синтеза белка (рибосомы), а также посттрансляционной модификации (эндоплазматический ретикулум и цистерны аппарата Гольджи), причем мембранные органеллы могут находиться возле постсинаптического уплотнения [114]. Активный трансляционный аппарат выявлен теперь и в аксоне. Он локализуется в так называемой "кортикальной зоне" аксона, где расположен по длине в виде прерывистых, дискретных зон - периаксоплазматических бляшек. Потенциальным источником аксоплазматических РНК помимо тела клетки могут являться клетки аксонных оболочек [149].
Электрические события, происходящие в аксонах, также значительно сложнее, чем считалось ранее. Разные терминали, принадлежащие одному аксону, могут обладать различными свойствами в зависимости от мишени, с которой они контактируют. При одновременном отведении от трех клеток гиппокампа (два пирамидных и один тормозный нейрон) экспериментально показано, что активация пресинаптических метаботропных глутаматных рецепторов (группы III) снижает выход трансмиттера из аксонов пирамидных клеток СА3, контактирующих с тормозными нейронами поля СА1, но не с его пирамидными клетками. Более того, терминали, контактирующие с разными мишенями, могут иметь разное частотное облегчение [237].
Наконец, потенциалы действия могут генерироваться не только в аксонном холмике, но и в эктопических зонах аксона (перехваты и даже терминали), причем разряды в них могут возникать и при гиперполяризации сомы. Эктопические потенциалы действия могут распространяться в обе стороны, участвуя, с одной стороны, в модуляции выхода трансмиттера, а с другой стороны - в мощном контроле последующих событий. Они могут устранять часть ортодромных спайков путем коллизии и, вместе с тем, вызывать пороговую сома-дендритную деполяризацию, усиливая возбуждение в ответ на периферический запрос. Эти возвратные сигналы аксонов могут иметь важное функциональное значение, усиливая определенные синаптические воздействия, и участвовать в пластических перестройках [215].
5."Тормозные интернейроны". Заканчивая раздел о коммуникациях между нейронами, необходимо кратко остановиться на радикально изменившихся взглядах относительно связей, свойств и положения в мозге тормозных нейронов. Тормозные интернейроны обычно представляли как мелкие клетки, c локально ветвящимися аксонами, заканчивающимися на “основных”, проекционных нейронах, от которых они получают афферентные сигналы, обеспечивая возвратное или латеральное торможение. Считалось, что эти клетки поздно формируются в онтогенезе и первыми погибают при различных патологических состояниях мозга. Сейчас все эти представления уходят в прошлое. Мы не будем говорить здесь о таких крупных ГАМКергических нейронах, как клетки Пуркинье мозжечка или большие мультиполяры медиальной септальной области. Упомянем только, что от многих отделов ствола мозга (покрышка моста и среднего мозга, претектальные ядра, ретикулярная формация, ядра шва) помимо афферентных путей с их основными трансмиттерами (дофамин, серотонин, ацетилхолин, глутамат) идут ГАМКергические пути - как нисходящие в спинной мозг [258], так и восходящие к гипоталамусу и таламусу [78,103,120]. В свою очередь, ГАМКергические нейроны zona incerta и базального ядра проецируются на все неокортикальные области [105,170,282].
Говоря о вполне типичных "тормозных интернейронах", можно упомянуть, что в гиппокампе эти клетки оказались источниками проекционных путей к субикулюму, энторинальной коре, септальным ядрам и амигдале [65,127], а в неокортексе - источниками длинных комиссуральных волокон, следующих в мозолистом теле к гомотопическим участкам контралатеральной коры [119].
Сами тормозные нейроны получают афферентные сигналы из внешних источников. Например, проекционные нейроны таламуса заканчиваются на тормозных нейронах коры (в VI, SI) и неостриатума [108,232]. Тормозные нейроны гиппокампа получают внешние афференты от кортикальных и подкорковых образований [147,197]. На тормозных нейронах имеются и ГАМКергические афференты, в гиппокампе существуют подгруппы ГАМКергических клеток, которые специализированы на торможении других групп клеток той же медиаторной природы [106].
К этому следует добавить, что даже в гиппокампе с его замедленным постнатальным нейрогенезом тормозные нейроны генерируются, дифференцируются и устанавливают нервные связи пренатально; к Е 17-18 их генерация у мышей и крыс уже полностью прекращается. Таким образом, они возникают раньше, чем проекционные нейроны (пирамидные и гранулярные) [177,251]. Аналогичные факты получены при исследовании развития неокортекса человека [299].
Рождаясь первыми, тормозные нейроны гибнут последними при эпилепсии, аноксии и глобальной ишемии мозга. После 20 мин ишемии в них может временно прекратиться экспрессия ГАМК, но гибели клеток не происходит, хотя проекционные клетки при такой длительности ишемии тяжело страдают [132,244]. Такая же устойчивость ГАМК-позитивных элементов описана в энторинальной коре и гиппокампе человека при височной эпилепсии, на фоне гибели 50-90% пирамидных нейронов. Предлагаются разные объяснения этого парадокса: 1) гибель пирамидных нейронов при эпилепсии приводит к тотальной деафферентации тормозных нейронов и, соответственно, к развитию гипервозбудимости оставшихся нейронов энторинальной коры и гиппокампа [95]; 2) Выявленная при эпилепсии ГАМКергическая гипериннервация пирамид и их дендритов (в 2-3,5 раза) может повышать синхронизацию и распространение судорожной активности [32]. Возможно, что в устойчивости ГАМКергических клеток к повреждениям особая роль принадлежит содержащимся в них кальций-связывающим белкам.
