Реферат: Функции ГЛИИ
Воронежский институт экономики и социальногоуправления
Контрольная работа.
Тема: Функции ГЛИИ
Дисциплина: Физиология ЦНС.
Выполнила: Захарова Дарья
Заочногоотделения
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 вобеспечении нейронов АТФ.
Заключение.
Литература.
Введение.
Клетки глии впервые были описаныв 1846 г. Р. Вирховым, который и дал им это название, подразумевая под нимвещество, склеивающее нервную ткань. Он отметил многие свойства глиальнойткани, которые позднее легли в основу ряда гипотез. Вирхов писал: «Оченьважно знать, что во всех частях нервной системы наряду с истинно нервнымиэлементами существует один вид ткани, которая родственна обширным,распространенным по всему организму тканевым образованиям, известным подназванием соединительной ткани. При рассмотрении патологии и физиологииголовного и спинного мозга следует в первую очередь разобраться, какая тканьподвергалась воздействию или раздражению: является ли она нервной тканью илиэто просто интерстициальная ткань. Опыт показывает, что именно в этой тканиголовного и спинного мозга чаще всего локализуются патологические изменения,например, жировая дегенерация. Через нейроглию проходят сосуды, которые, такимобразом, почти всюду отделены от нервного вещества тонким промежуточным слоем ине находятся в непосредственном контакте с ним» (Вирхов,1859). В течениепоследующих лет интенсивное изучение нейроглии велось преимущественнонейроанатомами и патоморфологами, которым эта ткань была известна как наиболеераспространенный источник опухолей мозга. По-видимому, последнее связано с тем,что клетки нейроглии, в отличие от нейронов, сохраняют способность к делениюво взрослом состоянии. Наиболее характерный признак глиальной клетки посравнению с нейроном — отсутствие аксона.
Нейроглию изучают и исследуют исейчас, экспериментально находя ее новые свойства. В этой работе дано описаниеисследования о передаче метаболических сигналов в системе нейрон-нейроглия иосвещение вопроса о возможной роли глии в обеспечении нейронов АТФ.
1.Физиология глии.
По морфологическим признакам клетки нейроглииобычно подразделяют на две главные группы: астроциты и олигодендроциты. Вгруппе астроцитов выделяют две подгруппы. Фиброзные астроциты характеризуютсятем, что в цитоплазме содержатся филаменты; этот тип астроцитов преобладает средипучков миелинизированных нервных волокон. Другую группу составляют протоплазматическиеастроциты, содержащие в цитоплазме меньше фиброзного материала; онираспространены в сером веществе вблизи тел нейронов, дендритов и синапсов. Обатипа астроцитов образуют контакты с капиллярами и нейронами. Олигодендроцитынаходятся преимущественно в белом веществе, где они образуют миелин вокругкрупных аксонов. Шванновские клетки периферических нервов аналогичны олиголендроцитам;они образуют миелин вокруг крупных, быстро проводящих аксонов. Однако глиальныеклетки 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. Клеткиэпендимы, которые выстилают внутреннюю поверхность мозга в желудочках, такжеотносятся к глиальным клеткам. Трудности изучения функции глии обусловлены преждевсего отсутствием метода, который позволяет отделить нейроны от глии, посколькуэти две ткани чрезвычайно сильно переплетены. В течение последних двухдесятилетий глиальным клеткам пытались приписать целый ряд функций, напримерфункции обучения и памяти. Основная трудность проверки всех гипотез состоит вотсутствии адекватных физиологических методик. Все гипотезы преимущественновозникли на базе гистологических наблюдений, а гистологические методы, какправило, не могут выявить физиологическое взаимодействие между клетками.
Перечислим основные установленные функциинейроглии. 1.Опорная роль (это главная мысль Р. Вирхова). 2. Изоляция, обособлениенейронов. Глиальные клетки могут выполнять роль электрических изоляторов, атакже служить пространственным барьером для распространения медиаторов илиионов. Например, установлено, что клетки нейроглии способны поглощатьнекоторые виды медиаторов. 3. Участие в восстановлении и регенерации нервнойткани. Как уже указывалось, клетки нейроглии способны к делению в течение всей жизниорганизма. Благодаря этой способности они участвуют в образовании рубцовойткани. При регенерации нервов последние прорастают по ложу из оставшихсяшванновских клеток. При этом регенерация идет не беспорядочно, а только в направлениииннервируемого органа. Это дает основание предполагать существованиехимического сродства, которое направляет регенерирующий аксон к месту егоназначения. 4. Роль глиальных клеток в онтогенетическом развитии нервнойсистемы.
Например, было установлено, что в процессе развитиямозга нейроны перемещаются вдоль отростков глиальных клеток.
Тесная связь между нейроглией и нейронами позволяетпредполагать, что клетки нейроглии обеспечивают первоначальный каркас дляпоследующего формирования нейрональных структур. 5.Обеспечение нейроновпитательными и другими веществами. Эта идея восходит к К. Гольджи (1883). Онписал: "… должен сказать, что термин «нейроглия» лучше подходит дляткани, которая, хотя и является соединительной, поскольку соединяет различныеэлементы и со своей стороны обеспечивает распределение питательных веществ, вто же время отличается от обычной соединительной ткани по морфологическим ихимическим признакам и имеет иное эмбриональное происхождение". Предположениео необходимости присутствия нейроглиальных клеток для синтеза медиаторов,было подтверждено, например, на культуре диссоциированных клеток симпатическихганглиев. В отсутствие клеток — сателлитов нейроны обратимо утрачивалиспособность к синтезу ацетилхолина.
Физиологические критерии дляидентификации глиальиых клеток в мозге млекопитающих. При внутриклеточной регистрации активности нейроновв центральной системе позвоночных и беспозвоночных животных были обнаружены клетки,которые не имели импульсных ответов. Потенциал покоя этих клеток был оченьвысоким, иногда до —90 мВ, без флуктуации, которые характерны для нейронов какрезультат фонового возбуждения отдельных синапсов. Попытки возбудить этиклетки внутриклеточными толчками тока также были безрезультатными. Инъекция вних красителей (например, роrcion yellow) и последующий гистологическийконтроль подтвердили, что это клетки глин. Исследования показали, что смежныеглиальные клетки соединены между собой щелевидными контактами. Они напоминают вэтом отношении другие ткани, например эпителиальную, железистую и т.д. Можнопредположить, что такие плотные связи между отдельными глиальными клеткамисвязаны с взаимодействием этих клеток, например метаболическим взаимодействием.О системах сигнализации отнейронов к глиальным клеткам известно оченьмало. Например, при регистрации от глиальных клеток в зрительном нерве Necturusбыла показана их деполяризация при возбуждении зрительного нерва, однакоамплитуда ответа обычно не превышала 4 мВ. Гипотеза, которая объясняет такиеответы, сводится к предположению, что во время возбуждения нейрона (или аксона)в экстраклеточную среду выделяется калий, который и деполяризует глиальнуюклетку. Роль локального повышения концентрации экстраклеточного калия можетбыть очень велика. Например, есть данные, что локальное повышение концентрациикалия может запустить аномальную активность нейронов. В этих условияхглия может выполнять роль буфера, защищающего нейроны от влияния калия.
2. О передаче метаболическихсигналов в системе нейрон – нейроглия.
(Н. Г. АлексидзеТбилисский гос. Университет, Тбилиси, СССР)
Гипотеза А. И. Ройтбака об участии глиальныхклеток в замыкании временных межнейрональных контактов стимулировала исследованияпо биохимии нейронно – нейроглиальных взаимоотношений В настоящее время всемипризнается что нейрон-нейроглия является функциональной единой системой, однакоматериальная сущность передатчиков сигнала от нейрона на клетки глии и многиевопросы, связанные с его реализацией в метаболические процессы, остаютсяоткрытыми.
Было высказано предположение, чтобиохимический цикл глиального обеспечения функции нейронов осуществляется путемобратной метаболической связи при непосредственном участии в качестве передатчиковсигнала нейромедиаторов, К+, аммиака и др. соединений. Предпосылки для такогозаключения имелись как в нейрохимической, так и в физиологической литературе, нотребовалось коррелятивное сопоставление физико-химического состоя мембран глиис биохимическими процессами в них в условиях моделирования возбуждающего итормозного состояния нейрон – нейроглиального комплекса.
Исходя из вышесказанного мы предпринялиисследование участия К+, нейромедиаторов и аммиака в передачеметаболических сигналов от нейрона на клетки нейроглии в условиях их целостногосостояния, на уровне изолированных единичных нейронов и глиального скопления илиже обогащенных нейронами и глиальными клетками фракций.
МЕТОДИКА.
Объектомисследования служили беспородные белые крысы и кролики. Нейроны и глиальныеклетки выделяли из срезов головного мозга кроликов методом Хидена, обогащенныенейронами и глиальными клетками фракции — из коры больших полушарий крыс икроликов по прописи Роуза в модификации. Скорость поглощения кислородаизолированными нейронами в глиальными клетками измеряли методом поплавка вмодификации Хидена и Пигона, в опытах с обогащенными фракциями был использованполярографический метод определения дыхания.
Результаты.
Влияние К+ на скоростьпотребления клетками глии и нейронов.
Впервые, об особой чувствительности глиальныхклеток к К+ указал Куффлер с сотрудниками. Позже этот вывод был обоснован биохимически датским ученым Хертцом. Однако анализ его результатов былзатруднен, так как изолированные нейроны были получены в основном из корыголовного мозга кошек, а скопления глии — из коры мозга крыс.
Кроме того, имелись определенные недостатки и вметодике исследования. После разработки метода дубль поплавка удалось показатьстимулирующее влияние К+ на дыхание клеток глии вестибулярного ядра Дейтерса, анейроны, даже в специальных опытах с предварительно измененным содержанием К+ винкубационной среде от 5мМ до 60мМ, не обнаруживали существенных различий в скоростипоглощения кислорода.
/>
Рисунок 1.Влияние К+ на дыхание нейрона(2) и нейроглии(3) латерального вестибулярногоядра Дейтерса кролика. Стрелками указан момент добавления К+ в инкубационнуюсреду. 1-контроль, без нервных клеток.
В опытах с обогащенными нейронами иглиальными клетками фракциями при избытке К+ Бредфорд и Роуз наблюдали примерноравное усиление их дыхания, а согласно данным Хультборна и Хидена скоростьпоглощения кислорода изолированными нейрональными клетками возрастала примернов 2 раза. Вотличии от результатов Бретфорда и Роуза, работая с фракциямиобогащенными нейронами и глиальными клетками, Халиаме и Хамбергер подтвердилирезультаты Хертца и наши об особой чувствительности клеток глии к К+. В связи стакими разногласиями о действии К+ на нервные клетки, мы провелианализ экспериментальных условий описанных выше опытов. Как выяснилось, приполучении обогащенных нейронами и глиальными клетками фракций в градиентефикола и сахарозы в среде Роуза концентрация, К+ была 100 мМ, а в средеХамбергера, Хертца и нашей, концентрация К+ не превышала 5 мМ. Изданных литературы известно, что повышение концентрации К+ до 100 мМи выше вызывает моментальное и обычно необратимое изменение цитоплазмы глиальныхклеток и ее сморщивание. Высокие концентрации К+ в средекультивирования нервных клеток вызывали увеличение объема глиальных клеток иуменьшение содержания в них сухого остатка. В нейронах такие изменения не былинайдены. Следовательно, можно было предположить, что низкая чувствительностьглиальных клеток к К+ в опытах Брэдфорда и Роуза в условияхповышенного содержания К+ в среде их выделения обусловленапредварительной деполяризацией и сенсибилизацией мембран глии. Это былодоказано экспериментально.
При замене К+ ионами натрия всреде выделения нервных клеток резко возрастает чувствительность обогащенныхглиальными клетками фракций к К+ усиление дыхания, по отношению к контролю(1,5 мМ К+), составило примерно 90%. Таким образом, была выяснена причина разногласияотносительно чувствительности нервных клеток к К+ и высказано предположение обучастии К+ в передаче метаболического сигнала от нейрона на клетки нейроглии.
Ацетилхолинкак передатчик метаболического сигнала в системе нейрон-нейроглия.
При изучении возможной роли ацетилхолина (АХ) вкачестве передатчика метаболического сигнала в нейрон-нейроглиальной системемы исходили из следующих фактов 1) ацетилхолин освобождается при возбуждении ивызывает сдвиги в мембранной активности глии;
Таблица1
Влияние ацитилхолина(АХ) на скорость поглощения кислорода(ОАХ) обогащенными клетками глии фракций при разных соотношенияхК+/АХ. О0-скорость поглощения кислорода без АХ. КонцетрацияАХ-10-5г/мл
К+ мМСкорость 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 92,22)под влиянием АХ изменяется активность ряда ферментов обмена углеводов, липидов,белков, нуклеиновых кислот и т.п.
В связи свышеизложенным, мы предприняли исследование наличия связи между изменением мембраннойактивности клеток глин и углеводным обменом в них при воздействии АХ. При этомособое внимание обращалось на соотношение К+ к АХ (К+—5 мМ/АХ — 10-5г/мл; К+ — 40 мМ/АХ—10-5 г/мл; К+—60 мМ/АХ—10-5 г/мл).
Было установлено (табл. I), что приконцентрации К+ 5 мМ скорость поглощения кислорода клетками глии вприсутствии 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 сконтролем даже проявляется тенденция к торможению. Стимулирующий эффект АХ наскорость поглощения кислорода полностью исчезает в присутствии аптихолинэргическогоагента — атропина. Этот факт указывал на существование холинэргического рецепторана мембранах глии, что в настоящее время является хорошо доказаннымэкспериментально. Подтверждается существование холинэргического механизмарегуляции дыхания глиальных клеток, где роль информатора сигнала может выполнитьвозбуждающий нейропередатчик АХ.
ГАМК какпередатчик метаболического сигнала в нейрон-нейроглиальной системе.
Из данных литературы известно, что под влиянием ГАМКизменяется мембранная активность глии и стимулируются окислительные процессыв нервной ткани. Следовательно, можно было допустить, чти и ГАМК можетпретендовать на роль метаболического сигнала. С целью решения данного вопросав качестве объекта были взяты нервные клетки ядра Дейтерса кролика, где функциюнейропередатчика выполняет ГАМК. Изменения в содержании ГАМК вызывали введениемГАМК и фармакологических веществ (гидроксиламин, тиосемикарбазид), действиекоторых связано с обменом ГАМК. Об измененииметаболической активности изолированных нейронов и клеток глии судили посукцинатоксидазной (СО) активности (СОА), которая является удобным тестом дляоценки функционального состояния нервных клеток.
Былоустановлено, что в зависимости от уровня содержания ГАМК в головном мозгуактивность СО меняется реципрокно: ГАМК подавляет активность фермента в нейронах,а в глии напротив—стимулирует. Под влиянием гидроксиламина по сравнению снормой более чем в 2 раза возрастает САО нейронов, в нейроглии—подавляется.Тиосемикарбазид также стимулировал СОД в нейронах, но не оказывал влияния наактивность фермента в клетках глии. Учитывая разнонаправленность действияГАМК, гидроксиламина и тиосемикарбазида па количественное распределение ГАМК вголовном мозгу и результаты влияния ГАМК на окислительное фосфолирование былосделано заключение, что в регуляторных механизмах окислительных процессовнервных клеток значение имеет не общее содержание ГАМК в мозгу, а еераспределение во внутри- и в внеклеточном пространстве. Следовательно, и ГАМКможет выполнить функцию передатчика сигнала в нейрон-нейроглиальной системе.
Аммиак какпередатчик метаболического сигнала в нейрон-нейроглиальной системе.
Уровень аммиака в головном мозгу является одним из показателейфункционального состояния ЦНС. Как было установлено, обмен аммиака находит своеотражение в мембранной активности клеток глии, что послужило основаниемизучения его возможной роли в передаче информации о функциональном состояниинейронов на перинейрональные клетки. С целью биохимического обоснования такогомеханизма мы исследовали дыхание обогащенных клетками глии фракций в опытах in vitro в зависимости от концентрации аммиака в средеинкубации. В качестве субстрата дыхания использовали глутамат и глутамин.Дыхание клеток глии в присутствии глутамата служило контролем. В опытных вариантахобразование глутамата, субстрата дыхания, происходило в результате распадаглутамина. Следовательно, при такой постановке опытов, критическими были:величина активности глутаминазы глии и скорость освобождения аммиакаглутамата.
/>
/>
/>
Рис. 2 Скорость поглащениякислорода глиальными клетками в присутствии глутаминовой кислоты (1) иглутамина (2).
Предварительныеопыты по изучению глутаминазной активности глии показали, что она являетсяаллостерическим ферментом высокой степенью кооперативности, следовательнотребовалось графическое сопоставление скорости образования аммиака винкубационной среде и скорости поглощения кислорода глиальными клетками. Как видноиз рисунка 2, спустя одну минуту после добавления глутамина в инкубационнуюсреду, в период максимального усиления дыхания, количество аммиака составляет0,64 мкМ, через 4 мин, когда проявляется тенденция угнетения дыхания— 1.40 мкМа 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 аммиакаи, следовательно, дыхание глиальных клеток во времени возрастало линейно.
Суммируя вышеизложенное, мы считаем, чтоаналогично К+ АХ и ГАМК, аммиак также может участвовать в передачеметаболического сигнала от нейрона на нейроглиальные клетки.
Механизм инактивациинейропередатчиков глиальными клетками.
Исходя из того факта, чтонейропередатчики могут выступать в роли переносчиков метаболических сигналов внейрон-нейроглиальной системе, возникает вопрос о необходимости их инактивацииглиальными клетками. В настоящее время установлено, что глиальные клетки обладаютспособностью инактивировать нейропередатчики на уровне плазматической мембраныи внутриклеточно. Примером первого пути является гидролиз АХ глией безпредварительного его захвата. Клетки глии характеризуются высокой ацетил- ибутирилхолинэстеразной активностью и легко могут устранить излишки АХ.Продукт гидролиза АХ холин, который обладает слабым холинэргическим эффектом,устраняется клетками глии механизмом захвата высокого сродства. На примереГАМК было показано, что в клетках глии имеется две системы его захвата: свысоким (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). Дальнейшаясудьба инактивации серотонина в клетках глии заслуживает особого внимания всвязи с его отрицательным влиянием на синтез белков. Нам удалось установить,один из возможных механизмов инактивации серотонина в клетках глии путем синтезаглюкуронида серотонина, последний в отличие от серотонина отличается более чемв 1000 раз меньшей биологической активностью.
Такимобразом, выясняется, что относительно всех кандидатов, Претендующих наинформативную роль в передаче метаболических сигналов, в клетках глин имеютсямощные механизмы устранения их хеморецептивного воздействия на мембрану.
3. Возможная роль глиальныхклеток в обеспечении нейронов АТФ. (Л. М. Чайлахян Институт проблем передачи информации АН СССР, Москва, СССР)
В общей проблеме о функциональной роли нейроглиисуществует важный и интересный вопрос—являются ли глиальные клетки источникомэнергии для нейронов? Он возникает в связи с тем, что глиальные клетки, с однойстороны, не уступают нейронам по интенсивности энергетического обмена, в частности,но окислительному фосфорилированию, т. е. в производстве АТФ, но, с другойстороны, должны потреблять гораздо меньше энергии, чем нейроны, так какэлектрически пассивны. Для обоснования подобной точки зрения важно достаточноаккуратно сравнить энергетические потребности для поддержания ионных градиентову нейронов и глиальных клеток. В настоящем сообщении сделаны такиеколичественные оценки, результаты которых позволяют сформулировать гипотезу овозможной роли глиальных клеток в обеспечении нейронов АТФ.
В первую очередь нужно оценить необходимыеэнергетические затраты нейрона для поддержания ионных градиентов в покое исравнить их с таковыми у глиальных клеток. Для последующих расчетов на основаниилитературных данных была приняты следующие геометрические и электрофизиологическиепараметры для обобщенного нейрона и глиальной клетки.
Геометрические параметры нейрона:объем нейрона принимался равным объему шара диаметром 30н м — что соответствоваловеличине Он=1.4.10-8 см3, а площадьповерхности (Sн)-соответствовалаувеличенной в 5 раз поверхности такого шара, что составляло Sн=1.4.10-4 см3.
Геометрическиепараметры 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 поверхноститакого шара, что составляло Sr=0.3.10-4см2.
Электрофизиологические параметрынейрона 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), атакже удельные проводимости поверхностной мембраны у нейрона и глиальнойклетки не отличались и принимались-Vk=-90мв, VNA=-60мв, gm=10-3 с/см2/так как проводимостьповерхностной мембраны в основном определяется ионами калия, то принималось-gm=gk. Кроме тогопринималось, 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, чтоинъекция ионов натрия в глиальные клетки не приводит к появлению какой-либозаметной гиперполяризации, что свидетельствовало бы об электрогенной помпе, какэто было показано в сходных опытах на нейронах моллюска.
Исходныепредпосылки для расчетов. На основании принятых электрофизиологических параметров, соответствующих большому количеству исследований, при использованииизвестного уравнения Гольдмана—Ходжкина—Катца легко показать, что отношениепроницаемостей для ионов натрия (РNA) икалия (Рк) у нейронов примерно на 1,5 порядка выше, чем у глиальнойклетки-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 всостоянии покоя у рассматриваемых клеток, когда пассивный ток ионов калиянаружу должен быть равен пассивному току ионов натрия внутрь. Уравнение длянейрона, строго говоря, выполняется, если Na, К-насос, какдля глиальных клеток, электронейтрален, т. е. стехиометрический коэффициентдля активных потоков ионов натрия наружу и ионов калия внутрь равен. Однако,поправка на электронность будет лишь увеличивать энергетические затраты нейронана ионные потоки.
На основании уравнений [2] и [3]и принятых нами параметров для нейрона и глиальной клетки можно вычислитьвеличины ионных токов для этих клеток на единицу поверхности клетки (см2)или веса (гр) и времени (секунды, часы, сутки). Знание электрохимических градиентовдля ионов калия и ионов натрия позволяет от значений токов перейти к оценкамсоответствующих энергий. Очевидно, что энергия, затрачиваемая на Nа, К-насосы, поддерживающая пассивные ионные потоки, должна быть не меньшеоцениваемой нами описанным способом.
Результатырасчетов. Существенно оценить затраты энергии у разных тканейна единицу поверхности клеток, так как эти оценки непосредственно отражаютинтенсивности ионных потоков и не зависят от размеров и формы клеток.
Длянейрона в покое получено: 0,3*10-5вт/см2. Если принять,что частота работы нейрона в среднем составляет 15-30 импульсов в секунду, тосравнительные оценки по пассивным потокам у нервных клеток в покое я привозбуждении дают основания предполагать, что затраты на сохранения ионного гомеостазапри такой работе нейрона могут увеличиваться в два-три раза, т. е. достигать 1• 10-5вт/см2.
Интереснозаметить, что вычисленные нами затраты энергии для идеализированного нейрона наединицу поверхности удивительно хорошо совпали с экспериментальными даннымиКонноли и Крейнфельда, полученными для гигантского аксона кальмара на основанииизмерений потребления кислорода – 0,5*10-5 вт/см2.
Дляглиальных клеток вычисленные энергетические затраты на ионный гомеостаз былитакие: 0,15*10-6 вт/см2. Видно, что энергетическиезатраты на единицу площади на работу Na, К-насоса у глиальной клеткидолжны быть в 20—60 раз меньше, чем у нейрона.
Знаниеотношения S/O у нейрона (104) и у глиальной клетки(2,14*104) позволяет перейти от затрат на работу насосов на единицуповерхности 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 массыэнергетические затраты у глиальных клеток на насосы в десятки раз меньше, чему нейрона.
Сравнениеэнергетических 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 процентот всех суммарных энергетических затрат. Однако, видимо, это не так.
Длянервных клеток энергетические затраты на ионный гомеостаз составляютподавляющий процент во всем энергетическом балансе.
Дляподтверждения этой точки зрения можно привести сравнительные оценкиэнергетических затрат у нейрона и глиальной клетки на ионный транспорт исинтетические процессы, в частности, на синтез белка. Примем, чтоинтенсивность синтеза белка в нервной клетке такова, что за сутки происходитполное воспроизведение всех белков. Зная процентное содержание белка в нервныхклетках (8% от веса клетки) можно оценить количество пептидных связей наединицу веса ткани. А знание необходимой энергии для синтеза одной пептиднойсвязи (примерно гидролиз трех молекул АТФ до АДФ) позволяет оценить соответствующиеэнергетические расходы на воспроизведение белка за сутки.
Длянейрона в покое и при активации, а также для глиальной клетки выше ужеприводились данные об энергетических затратах. Для удобства сравнения сзатратами на синтетические процессы они также будут пересчитаны на сутки.
Вот эти цифры. На ионный транспортэнергетические затраты в сутки у нейрона в покое -2592вт/гр, при активности -5000-7500вт/гр, у глиальной клетки -258 вг/гр, а на синтетические процессы унейрона и глиальной клетки указанной выше интенсивности расходуется в сутки—61.гр.
Расчеты показывают, что на столь интенсивныйсинтез белка, как полное его воспроизведение за сутки, нервная клетка в покоедолжна затрачивать в 42 раза меньше энергии, чем на ионные насосы, а при активнойработе в 123 раза меньше. Даже у глиальной клетки на ионные насосызатрачивается в 4,2 раза больше энергии, чем на столь интенсивныесинтетические процессы.
Поистине, дорого стоит нервной тканиподдержание в боевой готовности натриево-калиевого механизма генерации ипроведения нервного импульса — практически на это идут все энергетическиезатраты.
Все это означает, что если глиальные клетки вцелом способны с такой же интенсивностью синтезировать АТФ как и нейроны, то АТФу них должна быть в избытке. И из соображений целесообразности естественнопредположить возможность прямого использования этого избытка нейронами.
Формулировка гипотезы. Можнопредложить возможный путь потока АТФ из глиальных клеток в нейроны на основеуже известных механизмов. Этот путь должен состоять из двух этапов.
Первый этап — это выброс АТФ из глиальныхклеток при их деполяризации ионами калия во время активации соседних нейронов(имеются убедительные данные, что при калиевой деполяризации глиальные клеткиактивно секретируют в межклетники ряд еще неидентифицированных соединений).
Второй этап — это поступление АТФ измежклетников в пресинаптические окончания по механизму пиноцитозного поглощения(в пресннатических окончаниях показано существование процесса обратной секреции—типапиноцитоза).
С точки зрения этой гипотезы нейроглияявляется общим распределенным энергетическим резервуаром, снабжающим нейроныуниверсальным биологическим топливом — АТФ. Активность того или иногонейронного пула сразу же приводит к калиевой деполяризации глиальных клеток,окружающих эти нейроны. Они начинают секретировать АТФ в межклетники, а оттудачерез активированные пресинаптические окончания эта АТФ может поступать помеханизму пиноцитозного поглощения в нейроны. Таким образом, при реализацииподобной возможности видна большая целесообразность во взаимодействии нейронови глиальных клеток—поток АТФ из глиальных клеток в нейроны четко регулируетсясамой нейронной активностью: чем активнее работает нейрон, тем больше АТФ внего будет поступать.
Важнотакже заметить, что наличие щелевых контактов между глиальными клетками создаетусловия для эффективного диффузионного обмена АТФ глиальными клетками. Другимисловами система глиальных клеток, окружающая нейроны, может в этой связирассматриваться как единая непрерывная диффузионная среда, в которой могутосуществляться градиентные потоки АТФ в участки мозга с наибольшимпотреблением АТФ, т. е. в места наибольшей нейронной активности. Таким образом,может происходить своеобразная кооперация глиальных клеток при обеспечении АТФнаиболее нуждающихся нейронов.
Высказанныесоображения мало чего стоят, пока не будут получены прямые экспериментальныеданные в пользу сформулированной гипотезы.
Заключение.
Взаключение хочу обобщить все сказанное.
Вовсех органах человеческого тела, кроме мозга, функционирующие клеткиудерживаются вместе межклеточным веществом соединительной ткани. В нервнойсистеме эту роль выполняет глия ( от греч. глия-клей), клетки которойобразуются 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 такжебольшую часть их аксонов. Тем она формирует структуру мозга. Численность клетокглии превышает нейронов в мозгу приблизительно в 10 раз. Эти клетки отличаютсядруг от друга по внешнему виду и по выполняемой функции.
Самымраспространенными среди клеток глии являются астроциты, например, в мозолистомтеле они составляют 1/4 всех клеток глии. У астроцита неправельной, звездчатойформы тело с многочисленными и относительно длинными отростками, один изкоторых направлены к нейронам, а другие- к кровеносным капиллярам. Эти отросткирасширяются на концах, образуя т. н. астроцитарную ножку. На поверхностикапилляра отростки соседних астроцитов плотно смыкаются друг с другом ипрактически полностью обвертывают кровеносный сосуд. Подобная изоляция сосудаявляется одним из способов формирования гематонцефалического барьера- границымежду кровью и нервной тканью, закрытой для многих находящихся в крови веществ.
Другиеотростки астроцита почти целиком обертывают тела нейронов. Если нейронвозбуждается длительно, вокруг него повышается концентрация ионов калия, а это можетуменьшить возбудимость соседних нейронов. Астроциты предупреждают такуювозможность, поглощая излишки калия, тем самым они выполняют функцию буфера.Некоторые клетки глии при этом деполяризуются, а поскольку они связаны междусобой щелевыми контактами, между деполяризованными и находящимися в покоеклетками возникает ток. Это, однако, не приводит к возбуждению, так как вмембране клеток глии очень мало потенциалзависимых каналов для натрия и калия.Не смотря на, что повышение концентрации ионов калия у астроцитов изменяетнекоторые их свойства, в настоящее время нет достаточных оснований считать ихпрямыми участниками переноса нервных импульсов.
Особуюроль клетки глии выполняют, по-видимому, во время развития мозга. Некоторые ихразновидности регулируют напровление перемищения нейронов в определенныерегионы растущего мозга, а также напровление роста аксонов. Другие клетки глиивозможно участвуют в питании нервных клеток путем регуляции кровотока, а темсамым 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. 1997г.
3.Недоспасов В.О. «Физиология ЦНС» М.: ООО УМК «Психология»2002 г.