Строение отростков нейронов.

Наличие отростков - характерная морфологическая особенность нервных клеток. Свойство образовывать их запрограммировано генетически, и начинает проявляться у нейробласта достаточно рано. В начале дифференцировки эти клетки образует множество отростков, но затем их число уменьшается и остаются только те из них, которые нашли своих партнёров, т.е. образовали межнейрональные связи. Остальные же отростки редуцируются. В связи с этим, интересно наблюдать поведение нейробластов в культуре ткани: они быстро начинают формировать отростки и образовывать связи с другими клетками. Клетки, не образовавшие связей, стареют и погибают.

Аксоны и дендриты по своему строению и выполняемым функциям имеют ряд принципиальных отличий. Вначале дифференцировки молодые нейроны образуют короткие отростки, которые потенциально могут стать как аксоном, так и дендритом. В настоящее время выделен специфичный для аксона белок нейромодулин, он синтезируется в теле нейрона и транспортируется в отросток, который станет аксоном. Все остальные отростки нейрона станут дендритами.

Сравнительная морфологическая характеристика аксонов и дендритов приведена в таблице 6.1:

А к с о н	Д е н д р и т
1. В нейроне аксон всегда один.	Дендритов может быть несколько, некоторые клетки имеют до 10000 дендритов.
2. Обычно аксоны имеют значительную длину, аксоны клеток Гольджи I типа достигают 1 метра в длину.	Длина дендритов обычно не превышает 1,5-2мм.
3. Аксон отходит от аксонного холмика перикариона под прямым углом к телу нейрона и отдаёт коллатерали в концевых отделах.	Дендриты плавно отходят от перикариона в любом направлении, многократно ветвятся и часто образуют т.н. дендритное дерево.
4. Аксон сохраняет постоянный диаметр на значительном протяжении.	Дендриты по мере удаления от перикариона становятся тоньше.
5. Характер ветвлений окончаний аксонов различный и зависит от расположения эффекторных клеток, к которым несут импульс терминали (конечные разветвления аксона).	Нейроны одного типа имеют постоянный рисунок дендритного дерева.
6. Аксоны не имеют гранул Ниссля, соответственно, в них не идет синтез белка.	Проксимальные (ближние к перикариону) отделы дендритов и узлы их ветвления содержат субстанцию Ниссля.
7. Аксоны имеют миелиновые оболочки.	Дендриты не миелинизируются.
8. Пресинаптическая мембрана - это всегда мебрана концевой части аксона, иногда аксолемма может быть и постсинаптической (аксо-аксональные связи).	Мембрана дендритов имеет постсинаптическую специализацию.
9. Аксоны никогда не имеют шипиков.	Дендриты млекопитающих имеют специализированные структуры в контактных зонах, т.н. шипики, участвующие в образовании синапсов (постсинаптического отдела).
10. Аксон имеет развитый цитоскелет (микротрубочки, нейрофиламенты и актиновые микрофиламенты), хорошо организованную структуру микротрубочек для транспорта мембранных пузырьков и органелл..	Цитоскелет в дендритах развит хорошо, в основном представлен микротрубочками.

Аксон, или нейрит, обычно длинный отросток, как правило, не ветвящийся, проводит генерированный нервный импульс от тела клетки к эффекторному органу, без изменения. Передача этого командного импульса происходит в синапсах, с помощью специальных химических посредников - нейромедиаторов.

Синапс (от греч.synapsis - соединение, связь) - специализированные межклеточные контакты в нервной ткани. В синапсе различают пресинаптическую и постсинаптическую части, разделённые синаптической щелью. Схема строения типичного химического синапса и типы синапсов представлены на рис. 6.5.

Нейромедиаторы синтезируются и упаковываются в мембранные пузырьки в теле нейрона и транспортируются по аксону в его окончания. На электронных микрофотографиях в пресинаптических расширениях аксонов хорошо видны транспортные пузырьки и митохондрии. В результате деполяризации в пресинаптической мембране открываются потенциал-зависимые* кальциевые каналов, что приводит к притоку ионов Ca²⁺ внутрь окончания аксона. В присутствии катионов Ca²⁺ происходит экзоцитоз пузырьков с нейромедиатором и выход нейромедиатора в синаптическую щель. Молекулы нейромедиатора связывается со своими рецепторами на постсинаптической мембране. В результате этого взаимодействия открываются лиганд-зависимые** ионные каналы постсинаптической мембраны, что вызывает изменение её электрического потенциала (деполяризацию или гиперполяризацию). При деполяризации возбуждение распространяется по воспринимающей мембране. Передача сигналов в химических синапсах осуществляется строго в одном направлении: от аксона передающего нейрона к постсинаптической клетке.

Дендриты и тело нейрона принимают множество различных возбуждающих и тормозных сигналов, которые подвергаются пространственной и временной суммации. Затем с помощью системы ионных каналов на мембране аксонного холмика формируется потенциал действия, который без изменений пройдёт по аксолемме (мембране аксона) к синаптическим окончаниям.

Природа всех сигналов, принимаемых и передаваемых нейронами, одинакова - это изменение электрического потенциала, распространяющееся по плазматической мембране нейрона в виде бегущей волны. Скорость распространения нервного импульса по аксону достигает 100 м/сек. Мембранный потенциал (это разность потенциалов между внутренней и наружной сторонами плазмалеммы) может изменяться в результате деполяризации какого либо участка этой мембраны. При этом открываются специфические ионные каналы, по которым катионы Na⁺ проходят внутрь клетки. Затем открываются К⁺- каналы, и выходящий из клетки поток ионов К⁺ возвращает мембранный потенциал в равновесное состояние. Всё это

____________________________________________________

* Потенциал-зависимые ионные каналы открываются в ответ на изменение мембранного потенциала.

** Каналообразующие белки формируют в плазматической мембране лиганд-зависимые каналы, связанные с рецепторами для сигнальных молекул - лигандов, которые регулируют их проницаемость. В данном случае лигандом является молекула нейромедиатора.

происходит за 10 ^-3 сек. Благодаря проводниковым свойствам мембраны нервной клетки локальный ток ионов Na⁺ приводит к возникновению продольных токов, деполяризующих смежные участки мембраны, что, в свою очередь, вызывает открытые в них потенциал-зависимых ионных каналов. Таким образом электрический импульс быстро распространяется по мембране.

Обычно, во всех синапсах одного нейрона выделяется один нейромедиатор. В зависимости от вызываемых эффектов нейромедиаторы (и, соответственно, синапсы, в которых они выделяются) подразделяются на возбуждающие и тормозные. Ацетилхолин, глутамат, норадреналин, аспартат - примеры нейромедиаторов, участвующих в возбуждающих синапсах. Связываясь с рецепторами, они открывают лиганд-зависимые каналы, проницаемые для катионов (Na⁺, K⁺, Ca⁺⁺), в результате происходит деполяризация мембраны, т. е. возникают быстрые возбудительные постсинаптические потенциалы. Гаммааминомасляная кислота (ГАМК) и глицин - основные тормозные нейромедиаторы в ЦНС. Они открывают лиганд-зависимые каналы, проницаемые для анионов Cl^-, в результате возникает гиперполяризация мембраны, её возбудимость уменьшается и потенциалы действия не генерируются, т.е. возникают быстрые тормозные постсинаптические потенциалы.

Синапсы также классифицируют по их положению на воспринимающем нейроне (рис.6.5). При этом выделяют аксодендрические (их наибольшее количество), аксосоматические, аксоаксональные (расположенные на аксонном холмике или на концевых участках аксона). Синапсы, расположенные на мышечных клетках называют нейромышечными соединениями, часто используется их старое морфологическое название - моторная бляшка.

Кроме описанных выше химических синапсов, существуют ещё и электрические синапсы, в которых нервный импульс передаётся непосредственно от клетки к клетке через щелевые контакты, такой вид синапсов менее приспособлен для регулирования и адаптации. В зрелом организме электрические синапсы встречаются крайне редко. В эмбриогенезе между нейронами вначале устанавливаются электрические контакты, но позже они замещаются химическими синапсами. С возрастом количество синапсов увеличивается, и в зрелом организме на дендритах и телах нейронов практически нет свободных от контактов участков. При старении количество таких контактов уменьшается, при этом страдают в основном дистальные (отдалённые от тел) участки дендритов. По насыщенности контактами у стариков они напоминают дендриты ребёнка.

Важную роль в проведении нервного импульса по аксону играют миелиновые оболочки. Аксон, одетый в такую оболочку, называется миелинизированным нервным волокном. Существует ещё одно название для этой структуры - мякотное волокно. Миелиновые оболочки изолируют аксон, это резко снижает ёмкость его мембраны и предотвращает утечку тока через неё.

Миелиновые оболочки аксонов образованы шванновскими клетками на периферии (рис.6.3) и олигодендроцитами (рис.6.1) в мозге. Плазматическая мембрана этих клеток концентрическими слоями наматывается на аксон, образуя компактную структуру - миелин, включающую в себя до 300 слоев. 70 % массы миелина составляют липиды. Олигодедроциты белого вещества мозга располагаются рядами между нервными волокнами и миелинизируют одновременно оболочки нескольких аксонов. Именно миелин и придаёт белому веществу мозга характерный цвет. Шванновская клетка миелинизирует один аксон, формируя часть его оболочки длиной примерно в 1мм. Между такими сегментами образуются узкие участки (около 0,5 мкм шириной), свободные от миелина, так называемые перехваты Ранвье. Они играют большую роль в распространении нервного импульса по аксону. Их считают зонами электрической активности, поскольку большая часть Na⁺- каналов сосредоточена в перехватах Ранвье. Это значительно ускоряет проведение электрического сигнала, который распространяется по аксону, «перескакивая» от одного перехвата к другому, т.е. сальтаторно.

Необходимо отметить, что, помимо перехватов Ранвье, миелиновых оболочек также не имеют аксонные холмики и концевые участки аксонов. Кроме того, в автономной нервной системе имеются безмиелиновые (безмякотные) нервные волокна, в этом случае шванновские клетки окружают один или несколько цилиндров аксонов, без образования концентрических миелиновых слоев.

Миелинизация аксонов в ЦНС и на периферии начинается после формирования устойчивых контактов между нейронами и протекает довольно долго. Так у человека этот процесс полностью заканчивается к 10-12-летнему возрасту. Важным условием нормального функционирования нервной системы человека является стабильность и сохранность миелиновых оболочек. Демиелинизация (её вызывают генные мутации, недостаток витамина В₁₂, продолжительная гипоксия и различные заболевания), расслоение миелиновых оболочек или повреждения их другого характера становятся причиной многих тяжёлых патологий (различного рода невропатии, лейкодистрофии, лейкоэнцефалиты, множественный склероз и др.).

Для завершения характеристики аксона необходимо описать ещё одно его важнейшее свойство - аксонный транспорт*, который обеспечивает передвижение митохондрий, мембранных пузырьков с нейромедиатором и различных белков от места их образования (перикарион) к месту их использования (синаптические окончания). В настоящее время с помощью методов радиоавтографии и электронной микроскопии аксонный транспорт исследован детально. Существует два вида аксонного транспорта (рис. 6.6):

• Антероградный - транспорт продуктов от тела клетки к синапсам, он, в свою очередь, подразделяется на секторы быстрого и медленного транспорта. С помощью быстрого антероградного транспорта перемещаются пузырьки с нейромедиаторами и митохондрии. Они движутся вдоль микротрубочек при помощи специальных моторных белков - кинезинов со

________________________________________________

*Наличие аксонного транспорта было показано ещё в 1941 году в эксперименте П. Вейса, который заключался в следующем: механически пережимали нерв и наблюдали набухание его участка со стороны тела нейрона. Транспортируемые от тела клетки вещества, не имеющие возможности продвигаться дальше, накапливались в этих участках.

скоростью 100 - 1000мм в сутки. Механизм медленного антероградного транспорта пока неясен. Извесно только, что этим путём белки цитоскелета, белки цитозоля и различные ферменты перемещаются по аксону со скоростью 1-5 мм в сутки. Подобный вид транспорта имеется и в дендритах. Объём антероградного транспорта в период развития клетки, интенсивного роста её отростков очень большой и преобладает над обратным - ретроградным транспортом. В зрелом, не растущем нейроне оба противоположных транспортных потока уравновешиваются.

• Ретроградный транспорт осуществляется в обратном направлении (к перикариону). Механизм двух встречных видов транспорта аналогичен, но ретроградный транспорт происходит медленнее (его скорость около 200-300 мм в сутки). Моторные белки передвигающие пузырьки и митохондрии по микротрубочкам здесь другие - динеины. Благодаря ретроградному транспорту поддерживается связь между окончаниями и телом нейрона. Так к телу клетки доставляются стареющие органеллы, метаболиты нейромедиаторов (захваченные путём эндоцитоза из синаптической щели), мембраны. Ретроградный транспорт также служит для утилизации различных веществ, образующихся в результате работы нервных окончаний. Ретроградный транспорт также обеспечивает обратную связь между иннервируемой тканью и нейронами ЦНС, что крайне важно для поддержания нормального функционального состояния соответствующих отделов мозга.

Дендриты составляют примерно третью часть всего объёма нервных клеток и служат для восприятия и первичной переработки поступивших нервных импульсов. Дендриты являются наиболее лабильной и наиболее изменчивой частью нейрона. Клетки мозга формируют огромное количество дендритов, которые ветвятся и простираются (иногда на большие расстояния) навстречу передающим структурам, т.е. образуют сложное дендритное дерево. Увеличение и усложнение геометрии дендритного дерева чётко прослеживается в филогенезе позвоночных.

Основные черты строения дендритов и отличие их от аксонов показаны в таблице 6.1. Нервный импульс распространяется по дендритам медленнее, чем по аксону, его скорость составляет примерно 0,2-0,6 м/сек.

Необходимо подробнее описать дендрические шипики. Филогенетически - это самые молодые структуры мозга, они описаны только у млекопитающих. По своему строению - это грибовидные выпячивания рецептивных поверхностей дендритов головного мозга, специально предназначенные для повышения эффективности синаптических контактов: во-первых, значительно увеличивается площадь контактов с окончаниями аксонов и, во-вторых, считается, что так называемый шипиковый аппарат, по-видимому, служит для первичной обработки принятого сигнала. Наличие и строение шипикового аппарата всегда постоянно. Это - набор цитоплазматических органелл, расположенных внутри головки шипика, который всегда включает в себя три компонента: стопки уплощённых цистерн ЭПР, митохондрии и гранулы гликогена. Эти части дендритов очень чувствительны к действию экстремальных факторов (гипоксии, токсических веществ и т.д.). Дендриты активно функционирующих нейронов головного мозга достаточно плотно покрыты шипиками, что значительно увеличивает их принимающую поверхность. Нобелевский лауреат Ф. Крик выдвинул гипотезу, что форма шипиков может меняться в зависимости от функционального состояния мозга. Есть специальное название для этого подтипа аксодендрических синапсов - аксо-шипиковые (рис. 6.5).

Суммируя вышесказанное, необходимо особо подчеркнуть, что специфическое гистологическое строение нервной ткани, ультраструктура нейрона и его отростков обеспечивают максимальные возможности для осуществления межнейрональных взаимодействий (основной фундаментальной функции нервной системы). В связи с этим, приведём один вывод, сделанный классиком нейробиологии Рамон-и-Кахалем ещё в начале века: «Гениальность человека определяется не размером нервных клеток и не числом их, а способом их взаимодействий».