Нервная ткань

                            Глава VI.

                       Нервная  ткань. 

       Нервную ткань, составляющую основу нервной системы, изучают представители разных биологических и медицинских дисциплин,  объединённых в фундаментальную комплексную науку о мозге - нейробиологию.

       На сегодняшний день накоплен большой объём информации о свойствах и строении отдельных нервных клеток - нейронов.  Как это ни парадоксально, они изучены лучше других клеток нашего организма. Достаточно полно охарактеризованы молекулярные механизмы функциональной активности нейронов, что позволило объяснить клеточные и молекулярные основы простейших поведенческих реакций, приблизиться к пониманию работы отдельных малых частей нервной системы. Однако, объяснить сложнейшие механизмы, лежащие в основе человеческого мышления, памяти, творческих процессов, пока не представляется возможным. Мозг остаётся самым загадочным органом нашего тела, и на протяжении многих лет учёные задают себе вопрос: «Может ли мозг познать сам себя?».

       Нервная система человека с одной стороны обеспечивает быструю связь между отдалёнными частями тела, регулирует и координирует физиологические процессы в организме, обеспечивает связь с внешним миром, адаптацию организма к постоянно меняющимся условиям внешней и внутренней среды, и с другой стороны лежит в основе сложнейших эмоциональных и интеллектуальных процессов, обеспечивающих индивидуальность человеческой личности.

           Все функции, выполняемые нервной системой, объединяют в две группы:

• фундаментальные - это восприятие экзогенных (внешних) и эндогенных (внутренних) раздражений, преобразование этих раздражений в нервный импульс, проведение нервного импульса к эффекторному органу (мышце);
• функции высшего порядка - это координация и интеграция всех функций организма, память, обучение.

       Гистологическими элементами нервной ткани являются нервные клетки, или нейроны, и клетки нейроглии (от греч. glia - клей) - элементы, поддерживающие нейроны и их отростки, и выполняющие ряд вспомогательных функций.  Нервная система человека содержит не менее 10¹² нейронов, образующих единую пространственную сеть с бесчисленным количеством связей, и около 10¹³ глиальных клеток.

       Нейрон* является основной структурной и функциональной единицей нервной системы. Фундаментальные функции нейрона - это приём, передача,  

       ________________________________________________

       * Термин «нейрон» ввёл в гистологию в прошлом веке немецкий анатом В.Вальдейер.

преобразование сигналов и интеграция. В связи с этими задачами в его строении, наряду с общими для всех клеток организма чертами, выявляется ряд характерных особенностей. Это прежде всего крупные размеры (длина отростков которых может достигать у человека одного метра, а у крупных млекопитающих, например у слона, трёх метров) и форма, характеризующаяся наличием большого количества ветвящихся отростков.

       Нейроны необыкновенно разнообразны по своему строению и размерам. Описано около ста их типов. Строение и классификация нейронов будут подробно рассмотрены ниже в специальном разделе.

        В понятие нейроглии, введённое в прошлом веке основателем патологической гистологии немецким анатомом Рудольфом Вирховом, включена эпендимная глия или эпендима (выстилка желудочков мозга и центрального спинно-мозгового канала), макроглия (состоящая из клеток двух типов: олигодендроцитов и астроцитов) и микроглия (к этой группе относятся небольшие свободно живущие клетки - фагоциты, относящиеся к макрофагальной линии кроветворной дифференцировки, которые активируются в ответ на повреждения различного характера). Клетки макроглии и эпендимы имеют общее происхождение с нейронами, но отличаются от последних тем, что сохраняют способность к делению, и не могут проводить нервный импульс. Все компоненты нейроглии изображены на рис. 6.1, более подробно их происхождение, строение и функции мы опишем в следующем разделе. 

                             Онтогенез нервной ткани.

       Нервная ткань образуется из нейроэктодермы, дифференцирующейся в:

• нервную трубку зародыша, которая даёт начало всем элементам (нейронам и клеткам нейроглии) центральной нервной системы (ЦНС);
• нервный гребень, клетки которого мигрируют по всему телу зародыша и дают начало нейронам сенсорной, симпатической и парасимпатической нервных систем, шванновским клеткам, а также пигментным клеткам кожи, клеткам надпочечников, синтезирующим адреналин, соединительнотканным и скелетным структурам головы, С-клеткам щитовидной железы.

       Нервная трубка, играющая главную роль в развитии нервной ткани, исходно образована одноклеточным слоем нейрального эпителия, клетки которого интенсивно делятся. В результате формируется многослойная структура, в которой зона интенсивной пролиферации локализована вокруг просвета нервной трубки, а завершившие последний митоз клетки мигрируют к её периферии, где и происходит их дальнейшая дифференцировка.

       Гистогенез нейроэктодермы представлен на рис. 6.2. Его результатом является образование следующих клеточных линий.

1. Нейробласты, мигрирующие в средний (плащевой) слой нервной трубки, дают начало всем нейронам ЦНС. Положение, которое занимают молодые нейроны в слоях формирующейся нервной трубки и определяет направление их дальнейшей специализации. Нейроны образуют отростки (аксоны и дендриты) и с их помощью  устанавливают между собой связи - специализированные контакты, называемые синапсами, именно в них происходит передача  сигналов от клетки к клетке с помощью специальных химических веществ - нейромедиаторов. Таким образом, два важнейших морфогенетических процесса, происходящих на начальных этапах развития зародыша: адресная миграция нервных клеток и направленный рост их отростков, обеспечивают жёсткость организации мозга. То есть, формируется сложная упорядоченная система, в которой каждый элемент индивидуален и «знает» своё место. В программу раннего нейроонтогенеза также входит  массовая физиологическая гибель нейронов, причины которой объясняют по-разному, но наиболее вероятной, по-видимому, является конкуренция, в результате которой выживают только активно участвующие в межклеточных взаимодействиях нейроны. Ошибки в реализации программы раннего нейроонтогенеза обычно приводят к гибели зародыша, либо к появлению дефектов развития. В результате нормальной реализации этой программы формируется нервная система организма, её основу составляет статическая популяция нейронов, которые навсегда теряют способность к делению и обновлению. Срок их жизни равен сроку жизни индивидуума. Гибель нейронов наблюдается и в зрелом организме (её также называют физиологической), но происходит она в значительно меньшем объёме, чем в эмбриогенезе. В среднем у человека за год погибает около 10 миллионов нервных клеток, т.е. в течение жизни мозг в среднем теряет около 0,1 % всех нейронов.
2. Свободные спонгиобласты также образуются из клеток пролиферативной зоны, мигрируют в периферические слои нервной трубки и в дальнейшем дифференцируются в клетки макроглии.

• Астроциты - своё название эти клетки получили из-за большого количества отростков, отходящих от их тел подобно лучам звезды (от греч. astron - звезда). Они представлены двумя типами: протоплазматические астроциты серого вещества мозга и фибриллярные астроциты белого вещества. Астроциты выполняют многочисленные функции. Эти клетки обеспечивают микроокружение нейронов, заполняют промежутки между нервными клетками и их отростками, выполняя при этом опорную и трофическую роль. Они могут делиться и заполнять участки ткани, которые занимали погибшие нейроны. Известно также, что астроциты регулируют состав межклеточной жидкости, участвуют в метаболизме нейромедиаторов. Концевые участки их отростков образуют специальные структуры - астроцитарные ножки, которые соединяются с помощью плотных контактов и образуют пограничные глиальные мембраны вокруг кровеносных капилляров, эпендимы или вдоль базальной мембраны, отделяющей мозг от мягкой мозговой оболочки, и тем самым контролируют доступ различных веществ к мозгу из крови и цереброспинальной жидкости (ликвора). Эти структуры входят в состав гемато-энцефалического барьера (отделяющего нейроны ЦНС от крови и тканей внутренней среды) и нейро-ликворного барьера (изолирующего нейроны мозга от цереброспинальной жидкости). Астроциты также изолируют рецептивные поверхности нейронов. Кроме этого, в раннем онтогенезе астроциты направляют миграцию недифференцированных нейронов в коре большого мозга и мозжечка, а также выделяют вещества, способствующие росту аксонов, например, фактор роста нервов.
• Олигодендроциты (от греч. oligos - мало, dendron - дерево) - это небольшие клетки с малым количеством отростков, они формируют миелиновые (от греч. myelos - мозг) оболочки нервных волокон (аксонов) в ЦНС, на периферии эту функцию выполняют шванновские клетки. Аксоны, заключённые в миелиновые футляры - своеобразные электроизоляторы - носят название миелинизированных или мякотных нервных волокон и составляют большую часть белого вещества головного и спинного мозга. Подробнее строение и образование миелиновых оболочек описано ниже. 

1. Немигрирующие спонгиобласты эпендимы - остаются в слое клеток, выстилающих просвет нервной трубки. Этот исходный слой после образования второго, плащевого, слоя называется эпендимным. После завершения митотических и миграционных процессов в нервной трубке, его клетки формируют эпителиоподобный пласт, выстилающий желудочки мозга и центральный канал, за ним сохраняется название эпендима. Клетки эпендимы имеют хорошо развитые реснички, большое количество мелких везикул в цитоплазме. Между собой клетки соединены плотными и щелевыми контактами. Эпендима  входит в состав гемато-ликворного барьера (барьера проницаемости между кровью и спинномозговой жидкостью), а также, совместно с астроцитами, образует нейро-ликворный барьер (отделяет нейроны мозга от спинно-мозговой жидкости).

                                      Строение нейрона.

       В нервной клетке выделяют три отдела: клеточное тело (или перикарион), дендриты и аксон (рис.6.3). От тел нейронов отходит множество дендритов (от греч. dendron - дерево), получающих разнообразные входные сигналы от других нервных клеток, и один аксон (от греч. axon - ось), передающий суммированный сигнал от нервной клетки к другим нейронам или эффекторным органам. На своём протяжении аксон обычно не ветвится, но даёт многочисленные концевые разветвления - терминали, окончания которых образуют синапсы на дендритах и телах других нейронов, или на мышечных клетках.                    

       Рассмотрим подробнее строении отделов нейрона.

       Перикарион имеет внутреннее строение, характерное для активно функционирующей, белоксинтезирующей клетки. Эта часть нейрона содержит ядро, гранулярный эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, митохондрии, лизосомы, многочисленные цитоплазматические пузырьки и цитоскелет.

       Ядро нервной клетки содержит в основном деконденсированный мелкодисперсный хроматин и чётко обозначенное ядрышко. Некоторые крупные нейроны, такие как клетки Пуркинье мозжечка, пирамидные нейроны коры большого мозга, мотонейроны передних рогов спинного мозга, полиплоидны, они обычно имеют тетраплоидный набор ДНК. Для ядра нейрона характерно большое количество инвагинаций, увеличивающее площадь ядерной оболочки, и большое количество ядерных пор.

       Как мы уже упоминали выше, ядро нейрона всегда находится в G₀-периоде клеточного цикла. В этих клетках работают внутриклеточные генные механизмы, блокирующие переход к G₁-периоду, а также антиапоптозные механизмы. Биологическое значение этого феномена можно объяснить, тем, что запрет на деление нервных клеток сохраняет уникальную неврологическую индивидуальность, которая сложилась в процессе развития организма, как результат устойчивых многочисленных связей нейронов между собой и с эффекторными (исполнительными) органами.

       В цитоплазме тела нервной клетки, а также в проксимальных (прилежащих к перикариону) частях дендритов содержатся группы цистерн гранулярного ЭПР, которые интенсивно окрашиваются базофильными красителями, например метиленовым синим, и в световой микроскоп видны как глыбки базофильного материала, называемого субстанцией Ниссля или тигроидом (рисунок цитоплазмы при этом окрашивании действительно напоминает шкуру дикой кошки).

       Белковые продукты, синтезированные в гранулярном ЭПР, далее поступают в аппарат Гольджи, который интенсивно развит особенно в крупных нейронах. Характерная особенность расположения диктиосом в нейроне - это их преимущественная концентрация в зоне между ядром и аксонным холмиком (местом отхождения аксона от перикариона), отсюда в аксон поступают синтезированные белковые продукты (пузырьки с нейромедиатором, белки цитоскелета, мембранные пузырьки, необходимые для роста отростка и т.д.).

       Среди других органоидов цитоплазмы нервных клеток необходимо отметить многочисленные митохондрии. Потребность нейронов в кислороде велика, это обусловлено высоким уровнем метаболизма. В связи с этим нервные клетки очень чувствительны к гипоксии. Особенно высока плотность митохондрий в таких локусах клетки, как аксонный холмик, рецепторные окончания, синапсы, узлы ветвления дендритов.

       Цитоскелет нейронов хорошо развит, представлен микротрубочками, промежуточными филаментами, микрофиламентами, и служит для поддержания формы нейрона и его отростков, а также для направленного транспорта многочисленных цитоплазматических пузырьков.

       Помимо описанных выше компонентов цитоплазмы нервные клетки содержат лизосомы, гранулы гликогена (по-видимому, как запасной энергетический субстрат) и пигменты. Так жёлто-коричневый пигмент липофусцин (его называют пигментом старения) накапливается в нейронах ЦНС с возрастом, другой, тёмно-коричневый, пигмент нейромеланин (связан с метаболизмом таких нейромедиаторов, как дофамин и серотонин)  присутствует в нейронах чёрной субстанции среднего мозга и голубого пятна.

       Таким образом, нейрон обладает следующими отличительными признаками:

• образует многочисленные цитоплазматические отростки, с помощью которых устанавливает контакты (образует синапсы) с другими нейронами или эффекторными клетками;
• синтезирует и выделяет нейромедиатор;
• выделяет нейромедиатор в квантовой форме в специализированных секреторных зонах (синапсах)  при деполяризации мембраны;
• мембрана нейрона содержит рецепторы медиаторов, при присоединении молекул нейромедиаторов к рецепторам возникают потенциалы( постсинаптический возбудительный потенциал или тормозный постсинаптический потенциал).

       Итак, мы рассмотрели общие черты строения всех нейронов, теперь необходимо остановиться на их отличиях. Описано около 100 типов нервных клеток организма человека, отличающихся по своему строению и функциям. 

                               Классификация нейронов.

       Существует несколько классификаций нейронов, в зависимости от признака, положенного в их основу.

1. По количеству отростков все нейроны делятся на три группы (рис.6.4):

• мультиполярные нейроны имеют много дендритов и один аксон - это основная масса нейронов ЦНС, например, мотонейроны спинного мозга, пирамидные клетки коры больших полушарий;
• биполярные нейроны имеют аксон и один ветвящийся дендрит, например, обонятельные рецепторные нейроны, нейроны чувствительных ганглиев;
• униполярные нейроны - имеют один отросток (аксон), к ним относятся, например, нейроны сетчатки глаза, иногда к этой группе относят псевдоуниполярные нейроны спинномозговых узлов (аксон и дендрит выходят из тела нейрона в одном месте).

2. По длине основного отростка нейрона - аксона нервные клетки делят на две группы:

• клетки первого типа Гольджи, аксон этих клеток выходит далеко за пределы клеточного тела,
• клетки второго типа Гольджи, аксон которых не выходит за пределы клеточного тела и имеет многочисленные ветвления вблизи этого тела.

3. Функциональная классификация нейронов. Нервные клетки, в pависимости от их местоположения, определяющего их функции, делятся на:

• чувствительные (сенсорные) - так называются нейроны, которые воспринимают сигнал из внешней или внутренней среды и преобразуют энергию внешнего стимула в нервный импульс;
• вставочные (переключательные, ассоциативные или интернейроны) - составляют основную массу клеток мозга, служат для анализа и переработки поступивших импульсов, кора больших полушарий, многие подкорковые ядра целиком состоят из переключательных нейронов;
• двигательные нейроны служат для иннервации сократительных и секреторных клеток, их аксоны идут к исполнительным органам - к мышцам или железам.

       На первом этапе филогенеза нервной ткани одни и те же клетки и воспринимают раздражение, и передают нервный импульс к мышечной клетке. На втором этапе эволюционного развития происходит разделение функций: одна клетка воспринимает раздражение (чувствительный нейрон), передаёт сигнал другому нейрону (двигательному), который по своему аксону посылает импульс к мышце. Третьим этапом считается появление вставочных нейронов (нейронов-посредников, переключателей), которые анализируют воспринимаемые сигналы, трансформируют их и направляют либо в другие отделы ЦНС, либо к эффекторным нейронам. 

3. По направлению возбуждения различают

• афферентные нейроны, несущие импульс к центру (головному и спинному мозгу), например, все чувствительные нейроны, нейроны восходящих путей;
• эфферентные нейроны, проводят нервный импульс от центра      к периферии, это нейроны двигательных путей, нисходящих проводящих трактов (например, пирамидной и экстрапирамидной систем).

4. По данным электрофизиологии. Согласно этой классификации       нервные клетки делятся на возбудительные и тормозные,       тормозные - это обычно вставочные нейроны, содержащие нейромедиатор - g-аминомасляную кислоту (ГАМК).

5. Химическая классификация нервных клеток основана на выделяемых ими нейромедиаторах:

• холинергические, основной медиатор ацетилхолин, в головном мозге эти нейроны располагаются в трёх локусах: ствол мозга (средний мозг и варолиев мост), двигательная кора больших полушарий и гиппокамп; в спинном мозге это - двигательные нейроны передних рогов спинного мозга (ацетилходин выделяется в нервно-мышечных синапсах), а также к этой группе относятся нейроны автономной нервной системы: ацетилхолин содержат преганглионарные волокна симпатической нервной системы и все нейроны парасимпатической нервной системы;
• адренергические, основной медиатор норадреналин, к ним относятся, например постганглионарные нейроны симпатической нервной системы и нейроны голубого пятна;
• дофаминергические, основной медиатор дофамин, содержится в окончаниях аксонов многих нейронов ЦНС (чёрная субстанция, средний мозг, гипоталамус);
• ГАМК-эргические - тормозные нейроны (например, базальных ядер, мозжечка), ГАМК - это основной тормозный медиатор ЦНС;
• серотонинэргические - многие нейроны ствола мозга, расположенные, например, в ядрах шва;
• пептидергические, выделяющие нейропептиды, многие нейроны ЦНС (кора больших полушарий, гипоталамус, таламус, мозжечок и т.д.)

6. Морфологическая классификация нейронов основана на форме     перикариона (веретеновидные, звёздчатые, пирамидные и т.д.)

7. По характеру воспринимаемого сигнала нейроны подразделяются        на механорецепторы, зрительные, обонятельные, вкусовые и         температурные.

                       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: 

       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