Что такое клетки глии
На протяжении ХХ столетия мнения об изменениях глии при шизофрении были неоднозначны.
В последние годы при шизофрении были обнаружены изменения белого вещества, клеток глии. Отметим, что благодаря клеткам глии вокруг нейронов поддерживается определенная среда, необходимая для их нормального функционирования. Предполагается, что астроциты выполняют «опорную» функцию по отношению к нейронам мозга и участвуют в их восстановлении после повреждения тканей мозга. Олигодендроциты вырабатывают миелин, окружающий аксоны многих нейронов и являющийся характерным компонентном белого вещества.
Современные исследования, проведенные с помощью биологических микрочипов тканей дорсолатеральной префронтальной коры (постмортальные исследования), установили, что мозг больного шизофренией можно отличить от мозга здорового человека на основании экспрессии генов миелина.
Последние исследования показали, что при шизофрении имеют место значительные изменения клеток глии, особенно олигодендроцитов.
Учитывая тот факт, что многие исследователи обнаружили при шизофрении увеличение размеров боковых желудочков мозга при сравнительно слабо выраженных изменениях со стороны серого вещества (исключение составляют специфические таламические ядра), можно предполагать, что расширение желудочков мозга связано с потерей белого вещества мозга или клеток глии.
Тензорная диффузионная нейровизуализация, позволяющая оценить когерентность пучков белого вещества, выявляет у больных шизофренией заметное снижение анизотропии, изменения в направленности и расположении аксонов. Методика, созданная на основе переноса намагниченности, в свою очередь, выявляет при шизофрении уменьшение количества миелина. Все это свидетельствует, что при данном психическом расстройстве нарушается функционирование клеток олигодендроглии.
Цитоархитектонические исследования префронтальной коры при шизофрении показали снижение в ней численной плотности глиальных клеток и не выявили достоверного снижения числа астроцитов и микроглиальных клеток.
Изменения нейроглии при шизофрении
Стереологическое морфометрическое исследование аутопсийного мозга больных шизофренией продемонстрировало выраженное снижение численной плотности общей популяции олигодендроцитов (поле 10 и 9), перинейрональных (поле 9, слой 111), перикапиллярных (поле 10, слой V) клеток глии в сером веществе префронтальной коры, а также снижение популяции интерфасцикулярных олигодендроцитов в подлежащем белом веществе.
Дефицит олигодендроцитов при шизофрении, по-видимому, является следствием дистрофии и гибели этих клеток (Востриков В.М., 2007).
Ряд постмортальных исследований мозга больных шизофренией показал повреждения олигодендроцитов у пациентов, страдавших этим психическим расстройством. При этом отмечалось существенное сокращение количества олигодендроцитов в функционально значимых областях мозга. Результаты электронной микроскопии подтвердили, что в этих областях мозга имеются патологические включения между слоями миелиновой оболочки, свидетельствующие о нарушении функции клеток.
Также была отмечена сниженная анизотропия, мера когерентности белого вещества, лобной и височной долей мозга больных шизофренией. Это феномен некоторые патологоанатомы назвали эффектом «потертых проводов».
С помощью нейрогистологических исследований была выявлена ареактивность глии, в первую очередь астроглии, при шизофрении. Эти результаты были подтверждены данными количественных иммуногистохимических исследований с помощью антител к глиальному фибриллярному кислому белку, которые также показали отсутствие астроглиоза в мозге больных шизофренией. Снижение содержания глиального фибриллярного белка и его мРНК было выявлено в различных областях мозга и, в частности, в гиппокампе. В этой структуре мозга обнаружено выраженное изменение активности, содержания и экспрессии астроцитарных рецепторов, включая В астроцитах гиппокампа выявлено при шизофрении снижение содержания переносчика нейтральных аминокислот. CA3 область гиппокампа считается наиболее чувствительной областью мозга в плане нарушения трансмиссии глутамата при шизофрении.
Н.С. Коломеец (2008) описал дефицит глутаматергических синаптических контактов, образуемых между терминалями мшистых волокон и шипиками пирамидных нейронов в СА3 области гиппокампа при шизофрении. Результаты последних исследований этого автора свидетельствуют, что при шизофрении имеет место достоверное увеличение в мозге больных объемной фракции астроцитов на 20% и их численной плотности на 28% в пирамидном слое СА3 области гиппокампа. Н.С. Коломеец считает, что эти данные позволяют говорить о локальном астроглиозе, предположительно представляющим собой компенсаторный механизм, направленный на поддержание специфической активности крупных пирамидных нейронов и их «выживания» в условиях измененной трансмиссии глутамата.
Отметим, что на клетки глии влияют и некоторые биологически активные вещества, например, глутамат — предположительно одновременно и нейротрансмиттер, принимающий участие в патогенезе шизофрении. Астроциты в настоящее время считаются участником глутаматергической передачи. Они осуществляют регуляцию уровня внутриклеточного глутамата и защищают нейроны от повреждающего воздействия его избыточной концентрации. Особо важную роль они играют в регуляции активности рецепторов NMDA типа, причем только в астроцитах синтезируется наиболее сильный эндогенный коагонист этих рецепторов
Увеличенное содержание белка и экспрессии мРНК астроглиального переносчика глутамата GLT-1 отмечено в префронтальной коре больных шизофренией.
Что такое клетки глии
Секреторные нейроны. В некоторых ядрах переднего гипоталамуса головного мозга (например, в супраоптических и паравентрикулярных) имеются клеточные системы, состоящие из специализированных нейронов — крупных секреторных нейронов.
Последним присущи типичные для нейронов органеллы. Они подвергаются воздействию других нейронов через синаптические контакты. Однако их ответы наряду с деполяризацией мембран и освобождением нейромедиатора включают также выделение в кровь или тканевые жидкости пептидных нейрогормонов. По внешнему виду эти клетки сходны с мультиполярными нейронами.
Они имеют несколько коротких дендритов и один аксон. На дендритах и теле секреторных нейронов выявляются многочисленные синапсы — места переключения импульсов от нейронов, расположенных в ядерных центрах головного мозга. В цитоплазме и по ходу аксона секреторных нейронов определяются гранулы нейросекрета (например, окситоцин и вазопрессин). Гранулы нейросекрета выводятся в кровь или жидкость желудочков мозга. Секреторные нейроны гипоталамуса участвуют во взаимодействиях нервной и гуморальной систем регуляции.
Нейроглия. В процессе развития тканей нервной системы из материала нервной трубки, а также нервного гребня происходит развитие глиобластов. Результатом глиобластической дифференцировки является образование нейроглиальных клеточных дифферонов. Они выполняют опорную, разграничительную, трофическую, секреторную, защитную и другие функции. Нейроглия создает постоянную, стабильную внутреннюю среду для нервной ткани, обеспечивая тканевый гомеостаз и нормальное функционирование нервных клеток. По строению и локализации клеток различают эпендимную глию, астроцитную глию и олигодендроглию. Нередко эти разновидности глии объединяют обобщенным понятием «макроглия».
Эпендимная глия имеет эпителиоидное строение. Она выстилает центральный канал спинного мозга и мозговые желудочки. В качестве эпендимного эпителия эта разновидность нейроглии относится к нейроглиальному типу эпителиальных тканей. Выпячивания мягкой оболочки мозга в просвет его желудочков покрыты эпендимоцитами кубической формы. Они принимают участие в образовании спинномозговой жидкости. В стенке Ш-го желудочка мозга находятся специализированные клетки — танициты, обеспечивающие связь между содержимым желудочка и кровью за счет ультрафильтрации элементов спинномозговой жидкости.
Астроцитная глия является опорной структурой (каркасом) спинного и головного мозга. В астроцитной глии различают два вида клеток: протоплазматические и волокнистые астроциты. Первые из них располагаются преимущественно в сером веществе мозга. Они имеют короткие и толстые, часто распластанные отростки. Вторые — находятся в белом веществе мозга. Волокнистые астроциты имеют многочисленные отростки, содержащие аргирофильные фибриллы. За счет этих фибрилл формируются глиальные остов и разграничительные мембраны в нервной системе, пограничные мембраны вокруг кровеносных сосудов и так называемые «ножки» астроцитных отростков на кровеносных сосудах.
Олигодендроглия состоит из различно дифференцированных клеток — олигодендроцитов. Они плотно окружают тела нейронов и их отростки на всем протяжении до концевых разветвлений. Есть несколько видов олигодендроцитов. В органах центральной нервной системы олигодендроглия представлена мелкими отростчатыми клетками, называемыми глиоцитами. Вокруг тел чувствительных нейронов спинномозговых ганглиев находятся глиоциты ганглия (мантийные глиоциты).
Отростки нервных клеток сопровождают нейролеммоциты, или шванновские клетки. Источник их развития в периферических нервах, по данным некоторых авторов, эктомезенхима нервного гребня.
Функции олигодендроглиоцитов многообразны и чрезвычайно важны для нормальной деятельности нервных клеток. Они обеспечивают трофику нейронов. В единой метаболической системе «нейрон-глия» происходит взаимообмен некоторыми ферментами, белками и РНК. Олигодендроциты играют существенную роль в процессах возбуждения и торможения нейронов и проведения по их отросткам нервных импульсов.
Так, нейролеммоциты совместно с отростками нейронов образуют миелиновые и безмиелиновые нервные волокона периферической нервной системы, выполняя при этом роль изоляторов, препятствующих рассеиванию импульсов. Олигодендроциты принимают участие в регуляции водно-солевого баланса в нервной системе. Они могут набухать, перераспределять ионы и т. д. Специализированные глиоциты нервных окончаний участвуют в процессах рецепции, а также в передаче нервного импульса на рабочие структуры.
Помимо макроглии в нервной системе есть еще микроглия. Источником ее развития является мезенхима, а клетки микроглии представляют собой глиальные макрофаги и относятся к нейроглии лишь на основании гистотопографии. Клетки микроглии могут размножаться, проявлять фагоцитарную активность, синтезировать не свойственные организму антигены, что наблюдается при некоторых заболеваниях.
Дифференциация глиальных клеток
Глиальные клетки участвуют практически во всех аспектах активности нейронов и играют важную роль в функциональной активности мозга, его развитии, повреждении и болезнях. Вирхов ввел термин «нейроглия» (синоним глиальных клеток) на основе греческого слова «glía», что означает «клей».
У грызунов обнаружены только протоплазматические и фиброзные астроциты ( Oberheim et al., 2006 ; Vasile et al., 2017 ). В общем, процессы протоплазматических астроцитов заходят в синапсы, а также кровеносные сосуды, в то время как фибриллярные (или волокнистые) астроциты задерживают кровеносные сосуды и контактируют с перехватами Ранвье.
Когда находящаяся в покое микроглия обнаруживает любой сигнал повреждения ткани, происходит «переход» микроглии в активированное состояние, называемый поляризацией, что инициирует врожденные иммунные ответы ( Durafourt et al., 2012 ; Prinz and Priller, 2014).
Микроглия (Microglia) представлена динамическими разнообразными фенотипами, находящимися в зависимости от действий детекторов модуляции и сигналов. Активация микроглии варьирует от классически активированных провоспалительных фенотипов М1 к альтернативно активированным противовоспалительным фенотипам М2 ( Tang and Le, 2016 ).
Обычно считается, что глиогенез возникает после нейрогенеза во время развития мозга человека. Астроциты и олигодендроциты происходят из эмбрионального зародышевого слоя, также известного как нейроэктодерма, в соответствии с происхождением нейронов ( Allen and Barres, 2009 ).
Нейронауки для всех. Глия
О «другой» составляющей головного мозга, не менее важной, чем нейроны, функции которой очень разнообразны — и которые мы только начинаем более-менее осознавать, рассказывает наш новый выпуск рубрики «Нейронауки для всех».
Обычно в рассказе о нервной системе принято говорить о нейронах. Всем хорошо известно, что в нашем мозге около 86 миллиардов нейронов. И как-то само собой подразумевается, что они и есть главные и чуть ли не единственные действующие лица в мозге. Однако еще в 1846 году великий физиолог Рудольф Вирхов писал:
«До сих пор, описывая нервную систему, я говорил только об истинно нейрональной ее части. Однако важно знать о той субстанции, которая находится между собственно нейрональными частями, соединяет их вместе и создает целостную форму… Это подтолкнуло меня к тому, чтобы дать ей название нейроглия. Опыты показывают, что эта ткань головного и спинного мозга является одним из наиболее частых мест посмертных изменений.
В нейроглии проходят сосуды, которые практически повсеместно отделены от нервной субстанции промежуточным слоем и не входят с ней в непосредственный контакт».
Так что еще 170 лет назад открыли «другой» мозг, другую его составляющую. Однако долгое время особого внимания глии не уделяли: считалось только, что она скрепляет, подобно клею, нейронную ткань (отсюда и название от древнегреческого γλία — клей). Тем не менее, уже Вирхов, как видите, заметил, что глия отделяет, например, кровеносные сосуды от нейронной ткани. Это позволило Камилло Гольджи заявить, что главная функция нейроглии (и единственная после придания формы) – это питание нейронов. Отчасти он был прав, но авторитетное мнение надолго застопорило дальнейшее понимание функции глиальных клеток. Тем более, как оказалось, глиальные клетки в головном мозге разные – и функции выполняют разные.
Лучи развития
Нужно сказать, что глия выполняет важнейшую функцию еще при развитии центральной системы. Когда наш мозг только появляется, в нём появляются клетки радиальной глии. И аналогия с радиальными ветками московского метро совершенно не случайна. Глиальные клетки радиальной глии имеют очень длинные отростки. С одной стороны радиальная глия присоединяется своей ножкой к поверхности желудочков головного мозга, а с другой стороны своих отростков формирует то, что называется glia limitans – пограничную глиальную мембрану, самый верхний слой нервной ткани, который лежит непосредственно под мягкой оболочкой головного мозга.
Верхний холмик четверохолмия в мозге куриного эмбриона окраска гематоксилин—эозин. В миграторной зоне (MZ) между генеративной зоной (GZ) и первой пластинкой нейронов (L1) видны волокна радиальной глии. Из статьи Caltharp et al., 2007.
Когда формируется мозг, возникающие из стволовых клеток нейроны мигрируют вдоль радиальной глии точно в то место, где им нужно быть. Когда мозг сформировался, глиальные клетки радиальной глии преобразуются. Однако в некоторых местах головного мозга – в мозжечке, в гипоталамусе и в сетчатке (да-да, сетчатка глаза – это тоже мозг!) они сохраняют свою радиальную морфологию. Потому в мозжечке есть Бергмановская глия, в сетчатке – Мюллерова, а в гипоталамусе – танициты. Прочая же радиальная глия или исчезает, или превращается в астроциты, о которых речь пойдет немного ниже.
Изоляция
Как мы уже говорили в главе про нейрогистологию, одна из функций глиальных клеток – это изоляция аксонов, длинных отростков нейронов. Такую изолирующую оболочку называют миелиновой и она ускоряет проведение нервного импульса. Если она нарушается, то возникают самые разные – и очень неприятные заболевания.
Демиелинизация клеток центральной нервной системы хорошо известная под названием рассеянный склероз, в случае разрушения миелина вокруг клеток периферических нервов начинаются синдром Гийенна-Барре или болезнь Шарко-Мари-Тута, или другие самые различные нейропатии.
Интересно, что в центральной и периферической нервной системе клетки, которые выступают в роли «изоленты для нейронных проводов» — совсем разные. Клетки периферической нервной системы открыл еще в 1838 году, до открытия глии как таковой, немецкий физиолог Теодор Шванн. Шванновские клетки плоские и небольшие, и «наматываются» вокруг аксона несколькими слоями – вместе с телом клетки и ядром.
Совсем другая ситуация – в головном мозге. Там роль изоляции выполняют огромные ветвистые клетки, которые получили название олигодендроциты. Их открыли почти век спустя – в начале 1920-х годов американец Уайлдер Пенфилд и испанец Пио дель Рио-Гортега, ученики великого Сантьяго Рамон-и-Кахаля.
С греческого языка название «олигодендроциты» переводится как «клетки с несколькими ветвями». И это – чистая правда. Ядро олигодендроцита «живет» само по себе, а вот миелинизирует он аксоны при помощи ветвей-отростков. При этом каждый олигодендроцит в среднем оборачивает своими ветвями около 30, а бывает – и до 60 нейронов! Поэтому, как вы понимаете, олигодендроциты в своей массе находятся в белом веществе головного мозга. Кстати, есть данные о связи олигодендроцитов и интеллекта: считается, что между объемом белого вещества мозга и интеллектом есть взаимосвязь. Люди с бóльшим количеством белого вещества имеют более высокий показатель IQ.
Схема миелинизации олигодендроцитом аксонов
Астроциты
Наверное, самые известные (а заодно – и самые многочисленные) клетки глии – это астроциты. Этот термин, обозначающий «звёздчатые» клетки ввел еще в 1893 году венгерский анатом и гистолог Михай Ленхошек. Сейчас астроциты, пожалуй, самые изучаемые глиальные клетки в нейробиологии.
Кстати, нужно сказать, что в задней доле гипофиза существуют свои глиальные клетки отросчатой или веретеновидной формы, похожие по своей сути на астроциты – это питуициты. Их основная функция – помощь в накоплении и высвобождении нейрогипофизарных гормонов типа окситоцина и вазопрессина. И, кстати, эти клетки иногда даже образуют опухоль: питуицитому.
У астроцитов очень, очень много функций. Это своеобразный универсальный солдат центральной нервной системы.
Именно они образуют ту самую пограничную глиальную мембрану, защищающую мозг. Именно они, как и писал Вирхов, выполняют опорную функцию – поддерживают нейроны и разделяют их на группы.
Именно астроциты образуют особые глиальные тоннели, по которым новые нейроны у взрослых пополняют состав клеток обонятельной луковицы.
Именно астроциты активно участвуют в жизни синапсов. Более того, глутаматэргический синапс вообще невозможен без астроцита: в этом образовании он третий не лишний, поскольку именно астроцит убирает избыток глутамата из синаптической щели после передачи сигнала между синапсами.
Отростки астроцитов переплетаются между собой и образуют так называемый синцитий, который защищает синапсы.
Не так давно выяснилось, что астроциты и сами инициируют связь между парами нейронов на ранней стадии развития, вызывая определённые изменения в работе и той, и другой клетки. Так что роль этих звездчатых клеток и в нашем мышлении очень велика. Многие полагают, что именно в астроцитах прячется корень болезни Альцгеймера. Очень много данных получено и в том, что неправильная работа астроцитов по формированию синапсов приводит к возникновению расстройств аутистического спектра. По крайней мере, в экспериментах в совместных культурах астроцитов и нейронов здоровых и больных детей это очень хорошо показано.
Есть и еще одна важная функция у астроцитов. Давайте вспомним, что писал о глии Рудольф Вирхов. И процитируем другого ученого, который, а точнее, которая сделала доклад в Женевском медицинском обществе в 1921 году.
«Между кровью, с одной стороны, и спинномозговой жидкостью, с другой, есть особый аппарат или механизм, способный просеивать вещества, обыкновенно присутствующие в крови или случайно проникшие в неё. Мы предлагаем называть этот гипотетический механизм, пропускающий одни вещества и замедляющий или останавливающий проникновение других веществ, гемато-энцефалическим барьером», — говорила Лина Соломоновна Штерн, первая женщина-академик в СССР.
Теперь мы знаем, что этот самый барьер, который «решает», что из капилляров попадет к нейронам, а что – нет, который мешает большинству инфекционных агентов и токсинов поражать нервные клетки – и одновременно мешает онкологам нормально лечить опухоли головного мозга – образуют именно астроциты.
Микроглия
Все клетки глии, о которых мы говорили выше, объединяют под название макроглия. Несмотря на всю свою несхожесть, и астроциты, и радиальная глия, и нейроны, кстати, и олигодендроциты образуются из эктодермы – клеток наружного зародышевого листка. Клетки же микроглии происходят из мезодермы – среднего зародышевого листка, так что они близкие родственницы мышц, почек, кровеносных сосудов и скелета.
Микроглия – это настоящая многофункциональная аварийно-спасательная и очень хозяйственная бригада мозга. Она «выносит» из него «мусор», помогает бороться с инфекциями, включает при необходимости химическую «сирену», призывая на помощь иммунные клетки, переключает связи с поврежденных нейронов на уцелевшие и вообще выполняет массу всего крайне полезного.
Микроглия (от древнегреческого mikros, маленький; glia, клей) представляет собой совокупность мелких удлинённых звёздчатых клеток (микроглиоцитов) с плотной цитоплазмой и сравнительно короткими ветвящимися отростками. Они, как правило, располагаются вдоль капилляров центральной нервной системы.
Клетки микроглии первым подробно описал уже упомянутый выше Пио дель Рио-Гортега, и поэтому их до сих пор кое-где называют клетками Гортеги.
Микроглиальные клетки, рассеянные по всей ЦНС и способные к самообновлению, в зависимости от выполняемых ими функций пребывают в двух состояниях. В состояние «покоящейся» микроглии тело клетки чаще продолговатой формы, 6 микрометров в диаметре, а отростки клеток покрывают площадь порядка микрометров и практически не пересекаются друг с другом.
В активированном состоянии клетки микроглии приобретают причудливый амёбоидный вид, напоминая макрофаги. Диаметр их тела увеличивается с 6 мкм до 10 мкм, а охватываемая ими площадь получается равной порядка 30 мкм. Увеличение или уменьшение отростков клеток микроглии протекает со скоростью до 2-3 микрометра в минуту.
Основная функция клеток микроглии – фагоцитоз. «Съеденная» масса обычно состоит из отходов клеточной жизнедеятельности, липидов и апоптозных телец в невоспалённом состоянии, а также воспалившихся участков, подвергшихся повреждению вирусами, бактериями либо иными агентами. Как только микроглиальная клетка «заполнена», она переходит в неактивное состояние для переработки материала – то есть, подобно хищнику после охоты, успокаивается и уходит «переваривать» добычу.
В дополнение к тому, что микроглия чувствительна даже к небольшим изменениям в своём микроокружении, каждая микроглиальная клетка при помощи отростков регулярно исследует среду вокруг себя. Это действие выполняется как в её реактивном состоянии, так и в состоянии покоя (основная «работа» спокойной микроглии. Если во время перемещения микроглиальная клетка обнаруживает какой-либо посторонний материал (повреждённые клетки, апоптотические тельца, нейрофибриллярные клубки при болезни Альцгеймера, фрагменты ДНК или бляшки), то она активируется и незамедлительно его поглощает. Таким образом, микроглиальные клетки также действуют как «домохозяйки», «выбрасывая» случайный клеточный мусор.
Но и это еще не все. Оказалось, что после воспаления и активации микроглия ремоделирует либо уничтожает синапсы и синаптические связи здоровых клеток, контактирующих с повреждёнными. Это помогает перестраивать нейронные связи после повреждения и перераспределяет функции, утраченные нейроном, между нейронами, не подвергшимися повреждению. Именно это и есть один из принципов нейропластичности. Так что благодаря микроглии мы можем восстанавливаться после инсульта.
Современная нейробиология все больше и больше начинает понимать, что глиальные клетки играют не менее важную роль в жизни мозга, чем нейроны. Только что появился специализированный журнал Neuroglia, а новости по изучению этих интереснейших клеток появляются почти каждый день.
