Книга: Разум побеждает: Рассказывают ученые

Л. 3. Певзнер, доктор медицинских наук Исследование вещества мозга

^{Л. 3. Певзнер, доктор медицинских наук}

Исследование вещества мозга

В коре нашего мозга от 14 до 16 миллиардов нервных клеток — нейронов. Долгое время внимание исследователей было приковано исключительно к ним, ведь именно нейроны — хозяева всех нервных процессов. При этом упускалось из виду, что большую часть объема мозга занимают «слуги» этих хозяев клетки-сателлиты, или, как их еще называют, глиальные клетки. Их впервые описал в середине XIX в. немецкий морфолог Р. Вирхов, считавший, что они склеивают, цементируют нервную ткань. (По-гречески «глия» означает клей). Объем всех тел глиальных клеток в 3 раза больше, чем объем всех тел нейронов. В ряду эволюции животных они появляются очень рано и отсутствуют лишь у совсем примитивных организмов. С совершенствованием организации видов начинает увеличиваться не столько число нейронов, сколько число глиальных клеток, приходящихся на один нейрон.

В ходе развития одного и того же организма с возрастом тоже увеличивается количество глиальных клеток на один нейрон. Их меньше у новорожденных. В юности их число и число нейронов сравнивается, дальше они начинают преобладать. Существует несколько типов глиальных клеток, но у всех тела и ядра гораздо меньше, чем у нейронов. От их поверхности отходят тонкие отростки, и каждый нейрон, за исключением синапсов (мест сближения между разными нейронами), оплетен сетью отростков соседних глиальных клеток. Некоторые из них взаимодействуют друг с другом. Таким образом, они пронизывают всю нервную систему.

Однажды в тканевой культуре совместно выращивали клетки глии и нейроны. Под микроскопом можно было наблюдать, как глиальные клетки делали пульсирующие движения и наползали на нейроны своими отростками, словно щупальцами. В культуре ткани глиальные клетки прекрасно развивались и росли, так как у них есть все необходимое для нормальной жизнедеятельности. Значит, и нейроны, и глиальные клетки вполне самостоятельны. Но при более тонком их анализе выявляются такие различия между ними, которые позволяют сделать вывод об их взаимной зависимости. В процессе эволюции природа создала глиальные клетки как очень удобный механизм, и в настоящее время удалось выявить три основные его функции. Но прежде чем о них рассказать, нужно сказать несколько слов о тех методах, с помощью которых биохимики исследуют глиальные клетки.

Как можно изучать отдельно химию нейронов и химию глии, если в мозгу эти клетки тесно переплетены?

Один из методов — микроманипуляция. Специальным микроскальпелем, микроиглами или микроманипуляторами различной конструкции под стереомикроскопом из срезов нервной ткани можно иссечь тела отдельных крупных нейронов и отделить от них глиальные клетки. Существуют очень сложные и очень тонкие микрохимические методы, позволяющие определять химический состав нейрона и глии даже в столь малых объемах, как одна клетка.

Другой метод — так называемый метод обогащенных фракций. Ткань мозга продавливают через нейлоновые сита, вначале с крупными, затем со все более мелкими отверстиями. Крупные отверстия пропускают нейроны, мелкие — клетки глии. Затем с помощью центрифуги клетки глии отделяют от тех нейронов, которые «проскочили» через первое сито. Различия в весе при центрифугировании позволяют глиальным клеткам двигаться вверх, а нейронам осаждаться на дно пробирок. Таким образом удается получить довольно большую массу фракций тех и других клеток, позволяющих производить любые биохимические определения. Правда, фракции получаются все же обогащенными, с некоторым процентом примесей, и на это приходится делать скидку.

Третий метод называют методом количественной цитохимии. В нем используют микроскопическое исследование препарата не только для визуального наблюдения, но и для спектрального анализа химического состава. Однако приготовление препарата неизбежно искажает исходный химический состав клеток.

Как видим, у каждого из методов есть свои плюсы и минусы. Но все они в комплексе позволили получить верное представление о клетках глии и установить, что по химическим свойствам глия не уступает нейронам, а по интенсивности протекания в ней некоторых процессов даже их превосходит.

Например, поглощение глией аминокислот — тех кирпичиков, из которых строятся молекулы белка, — идет гораздо активнее, чем в нейронах. Зато скорость синтеза белка в нейронах значительно выше, чем в клетках глии. Тогда зачем глии такое большое количество аминокислот? На этот вопрос уже получен ответ, позволивший понять первую ее функцию — трофическую. Глия выполняет роль слуги, подносящего к хозяину (нейрону) необходимые вещества. Нейронам передается часть находящихся в ней макромолекул РНК, белков, глюкозы, органических кислот, кислорода и пр.

Прямо из крови вещества не могут попадать в нейроны, так как они непосредственно не соприкасаются с капиллярами. Многие глиальные клетки оплетают тончайшие сосуды-капилляры, снабжающие мозг кровью. Все необходимое для нормальной жизнедеятельности нейронов вначале поступает в глиальные клетки. Их можно сравнить не только со слугами, но и со сторожами. Как вахтеры в проходной, они пропускают одни, но задерживают другие, вредные вещества, способные отравить или повредить нейроны. Благодаря глии нейроны чрезвычайно устойчивы к токсическим веществам, циркулирующим в крови. Любопытно, что гормоны главным образом влияют на глиальные клетки, заставляя их перестраивать обмен так, что они становятся посредниками между гормонами и нейронами, передавая информацию последним.

Когда нейрон в рабочем состоянии, он вырабатывает электрическую активность. Для этого ему необходимо много энергии. Энергия высвобождается при окислении биологических субстратов нейрона (глюкозы, органических кислот). Ничто так эффективно не дает энергию, как глюкоза. Глия использует для окисления кроме глюкозы и другие субстраты, например уксусную кислоту. При необходимости глия отдает нейронам и часть своей глюкозы. Она может пожертвовать в их пользу и кислород, перейдя сама на бескислородное дыхание. Нейроны мозга поглощают 20–25 процентов кислорода, потребляемого всем организмом в состоянии покоя, а вес мозга составляет лишь 2,5 процента веса тела. У детей до четырех лет нейроны поглощают даже до 50 процентов кислорода. Прекращение дыхания всего на 3–5 минут приводит к необратимому поражению центральной нервной системы. Поэтому понятно, насколько важна эта функция глии — выручать при необходимости нейроны кислородом и глюкозой.

За последнее время в биохимии появилась новая глава исследований изоферменты. Это разные формы одного и того же фермента, отличающиеся различными видами белковых молекул.

В настоящее время насчитывается более 50 ферментов, у которых доказано существование изоферментов. Благодаря различиям в чувствительности к регуляторным факторам они обеспечивают более тонкую регуляцию обмена в клетке. Так, фермент лактатдегидро-геназа (ЛДГ), с помощью которого нейроны и глиальные клетки окисляют молочную кислоту, может состоять из пяти разных видов белковых молекул. Соответственно все пять его изоферментов встречаются и в нейронах, и в клетках глии. Но в нейронах преобладают те из них, которые способны окислять молочную кислоту в присутствии кислорода, а в глии — те, которые окисляют ее в бескислородной среде.

О трофической функции глии многое было известно уже в начале 70-х годов нашего века, но о других ее функциях стало известно лишь в самое последнее время.

Еще в прошлом столетии выдающийся французский физиолог Клод Бернар сделал верное наблюдение: для того чтобы хорошо приспособиться к внешней среде, организм должен иметь постоянство внутренней среды — гомеостаз. («Гомеостазис» буквально — постоянный внутренний уровень однородного состояния). Изменения внешней среды меняют параметры внутренней среды организма, но только на время. Потом снова должно наступить исходное состояние. Чем выше организовано животное, тем более совершенны механизмы, обеспечивающие гомеостаз. У низших животных температура тела меняется в зависимости от окружающей среды, у высших есть механизмы терморегуляции, бдительно за ней следящие. Стоит температуре тела у человека повыситься всего на полградуса по сравнению с нормальной, и он нездоров.

В нервной системе механизмы гомеостаза особенно важны. Поэтому раньше думали, что при изменениях функциональных состояний нервной системы химический состав клеток остается неизменным. Но оказалось, что это не так. При возбуждении или торможении нейрона изменяются и химический состав, и активность ферментов, но они быстро возвращаются к норме. В этом очень важную роль играют глиальные клетки.

За последние годы стало точно известно, что при возбуждении нейрона в нем происходит перераспределение и заряженных частиц — ионов. Ионы калия (К⁺) выходят из нейрона во внеклеточное пространство, а ионы натрия (Na⁺) входят из внеклеточного пространства внутрь его.

Ионы калия являются как бы сигналом для глиальной клетки. Как только они вышли из нейрона, глиальные клетки, расположенные поблизости, жадно их захватывают, и ионы калия тут же «запускают» в них целый ряд биохимических реакций, позволяющих поддерживать гомеостаз в нейроне. Подобно санитарам психиатрической помощи, глиальные клетки готовят для нейрона «смирительную рубашку», не дают ему разбушеваться, выйти за рамки, приводят к исходному состоянию равновесия. Само поглощение глиальной клеткой ионов калия служит спасением от переполнения этими ионами внеклеточного пространства. При их избытке во внеклеточном пространстве наступает беспорядочное возбуждение соседних нейронов, а нейрон должен посылать только узконаправленный сигнал. Наступает неадекватная реакция — генерализованное возбуждение: страх или даже паника.

Когда нервная клетка возбуждена, в ней увеличивается содержание аммиака. При генерализованных возбуждениях аммиак накапливается сильнее. Аммиак токсичен — он отравляет нейроны. Чтобы этого не произошло, нужны ферментные системы, способные его устранять. Они есть в клетках глии.

От нейрона к нейрону возбуждение передается через нейромедиаторы ацетилхолин и ряд других веществ, в том числе, как было установлено в последние годы, через циклические нуклеотиды. Ферменты, способствующие их синтезу, в основном локализуются в нейронах. Те ферменты, что их расщепляют, преимущественно находятся в глиальных клетках.

Нейрон синтезирует медиаторы и держит их наготове. При возбуждении он выделяет их в синаптическую щель и передает возбуждение на соседние нейроны. Чем сильнее возбуждение, тем больше выделяется нейромедиатора. Для точной передачи информации необходима кратковременность действия. Поэтому, чтобы медиатор не действовал слишком долго, нужны ферменты, которые его расщепляют. В противном случае произойдет перевозбуждение или даже отравление нервной системы.

Чтобы этого не произошло, должны работать ферменты, синтезируемые в клетках глии. Известны два фермента, способные расщеплять ацетилхолин, ацетилхолинэстераза и бутирилхолинэстераза. Первый синтезируется в нейронах, второй — в глии. Первый активнее, но справляется с расщеплением ацетилхолина лишь тогда, когда последнего накопилось еще немного. Если же ацетилхолина много, происходит «торможение избытком субстрата», и фермент перестает действовать. Тогда ацетилхолин начинает грозить центральной нервной системе разлитым диффузным перевозбуждением. В этих условиях спасает глия, используя второй фермент — бутирилхолинэстеразу, причем, чем больше ацетилхолина накапливается, тем активнее действует глия. Ее фермент не боится избытка ацетилхолина и расщепляет его.

В последние годы было установлено, что некоторые аминокислоты могут претендовать на роль медиаторов. Как уже говорилось, глиальные клетки захватывают их много, и, возможно, не только для снабжения ими нейронов, но и для предотвращения перевозбуждения нейронов, если в этом наступит необходимость.

Чем активнее работает нейрон, тем интенсивнее идут в нем окислительные процессы — поглощение кислорода и поглощение углекислого газа. Углекислый газ может превращаться в угольную кислоту, и это создаст избыток кислот в нервной ткани. Усиленное окисление глюкозы приводит к накоплению молочной, уксусной, пировиноградной и других органических кислот. Таким образом, активация нейрона создает угрозу сдвига кислотно-щелочного равновесия среды (рН), а постоянство этого равновесия — еще более строгое условие для гомеостаза. Вся жизнедеятельность организма определяется активностью ферментов, а они очень чувствительны к температуре и кислотности среды. Поэтому изменение рН в кислую сторону — это угроза гомеостазу. Для ликвидации избытка угольной кислоты существует фермент — угольная ангидраза, с помощью которой угольная кислота превращается в нейтральные соединения. Они вначале выводятся из клеток мозга в кровь, затем — в легкие и в виде углекислого газа выдыхаются в атмосферу. Активность угольной ангидразы в клетках глии в несколько раз выше, чем в нейронах. Нейрон вынужден потреблять угольную кислоту, а глия заботится 6 том, чтобы его гомеостаз не нарушался.

В последнее время стала вырисовываться и третья, регуляторная (модулирующая) роль глии. Исследования обогащенных фракций глии показали, что ее клетки не только накапливают аминокислоты, но и выделяют их в окружающую среду. Этот процесс очень чувствителен к химическому составу окружающей среды, в частности к ионному составу и к наличию или количеству других аминокислот. Учитывая тесный контакт глиальных клеток и синапсов, можно думать, что прежде всего глия влияет на передачу возбуждения через синапсы.

На крысах проводились опыты по запоминанию новых условий эксперимента. Сначала их научили нажимать левой лапой на педаль, чтобы получить пищу; затем животных переучивали: заставляли вопреки привычке пользоваться правой лапой вместо левой. При этом активация синтеза белков шла одновременно и в нейронах, и в глии, причем в глии были обнаружены белки, которых нет в нейронах.

Так в нейрохимии появилась еще одна, новая глава под названием «мозгоспецифические белки» — о белках, характерных исключительно для клеток нервной системы.

Как известно, набор белков, присущий данному организму, во всех органах однотипен. Однако в нервной системе удалось найти наряду с белками обычными для других органов несколько таких, которых нет ни в одном другом органе, например белок, условно обозначенный S-100, который преимущественно содержится в глии. Именно он накапливался в глии при переучивании крыс. Общее количество белка в головном мозгу крыс — около 200 мг, а на долю белка S-100 приходится не более 0,4 мг. Однако если в боковые желудочки мозга крысы вводили антисыворотки против белка S-100, то это заметно уменьшало способность животных к переучиванию.

В синапсах обнаружили белок, напоминающий сократительный белок мышц. Такой белок имеется во всех тканях, где наблюдаются механические перемещения и пространственные изменения формы. Когда он сокращается или расслабляется, меняется форма и конфигурация синаптических мембран и, следовательно, меняется проведение импульса.

Состояние сократительного белка (сокращение или расслабление) зависит от ионов кальция. Белок S-100 способен активно их захватывать. Накапливаясь в ходе обучения, он начинает все больше и больше отнимать ионы кальция от. сократительного белка. Таким образом регулируется состояние тех каналов, по которым выходит калий и входит натрий. Следовательно, белок S-100, преимущественно содержащийся в глиальных клетках, может оказывать влияние на синапсы, — такова гипотеза. В ближайшие годы основные исследования глии будут посвящены именно этой, третьей ее функции.

Как видим, изучение первого из недавно открытых специфических для мозга белков стимулировало исследования механизма обучения и поведения животных, а третья функция глии поднимает эту «второстепенную субстанцию» до уровня нейронов.