| |
Как и чем мы думаем, запоминаем и забываем? Что такое синапсы и почему их структура меняется? Например, у крыс при понижении температуры, у суслика при зимней спячке? О компьютерном анализе трехмерной структуры синапсов головного мозга рассказывает доктор биологических наук Виктор Попов.
Обзор темы
В основе поведения любого животного и, конечно, человека лежит работа головного мозга. Общепринято, что нейрон является основной клеткой, которая обеспечивает такие процессы, как поведение, обучение, память и забывание. Нейроны образуют сложные «нейрональные сети», в которых посредством специфических нейрональных связей, а именно синапсов осуществляется коммуникация или общение как нейронов между собой, так и нейронов со всеми тканями и органами организма. Первые нейроны, которые образуют специальные скопления или ганглии, можно обнаружить, начиная с плоских червей, всем известных плоских червей — планарий, которые во многом уникальны, благодаря способности к регенерации любой своей части после того, как их разрезать. Именно эти ганглии и дали начало образованию головного мозга. В процессе эволюции у млекопитающих сохранились не только ганглии, но и большая их часть собралась в виде мозга или как мы его называем — центральной нервной системы.
Мозг вообще удивительное образование по своей организации и функционированию. Одним из его удивительных проявлений является способность к накоплению информации или, проще говоря, памяти. У любого животного и человека мы знаем три типа памяти:
1. Наследственность-память, которая хранится в нуклеиновых кислотах в виде определенной последовательности нуклеотидов и генетически передаётся потомству;
2. Иммунологическая память, которая не только хранится в клетках иммунной системы — лимфоцитах, но и постоянно обновляется, например, при прививках ослабленных вакцин болезнетворных микроорганизмов;
3. Память, которая хранится в головном мозге.
Строго говоря, головной мозг образован примерно на 50% нейронами и на 50% глиальными клетками, которые пока ещё во многом не понятно как связаны с нейронами.
Мозг крайне чувствителен к кислороду. Многочисленные кровеносные сосуды несут с кровью питательные вещества и кислород. В подавляющем большинстве различных структур мозга эпителий этих сосудов плотно покрыт глиальными клетками, которые формируют так называемый гемато-энцефалический барьер. Благодаря этому барьеру нейроны невольно оказываются заложниками глиальных клеток и, как известно из литературы, в этой связи нейроны оказываются чужеродными организму. Если разрушить этот барьер, то клетки иммунной системы просто уничтожают нейроны и организм быстро погибает. В силу вышесказанного, доминирует точка зрения, что глиальные клетки несут нейротрофную функцию — обеспечивают нейроны питательными веществами и кислородом. В последние годы было обнаружено, что глиальные клетки, подобно нейронам, образуют «сети», в которых эти клетки общаются между собой через специальные соединения или «щелевые контакты». До настоящего времени всё еще остаются загадкой механизмы взаимодействия глиальных сетей с «нейрональными».
Как взаимодействуют между собой нейроны? Как нейроны получают и посылают информацию к различным органам и тканям? Эти вопросы до настоящего времени остаются одними из главных в современной нейробиологии — науке, которая ставит, в конечном итоге, цель понять механизмы обучения и памяти.
Первые публикации о способе взаимодействия нервных клеток через специфические контакты или синапсы появились в 1893 году. Открытие синапсов связывают с именем гениального испанского ученого Рамона-и-Кахала, который, используя методику импрегнации нейронов серебром, предложенную не менее знаменитым итальянским ученым Гольджи, обнаружил, что подавляющее большинство нейронов имеют два принципиально функционально разных отростка: дендрит и аксон. Исследованиями английских ученых лауреатов Нобелевской Премии Хаксли и Хочкина был детально изучен механизм работы аксона, который участвует в проведении электрических импульсов из тела нейрона либо к соседним нейронам, либо к различным органам и тканям, например, мышцам. Длина аксонов может достигать десятков сантиметров. Самый наглядный пример — это аксоны жирафа и слона. В своих исследованиях Хаксли и Хочкин использовали гиганский аксон из нейрона кальмара.
Рамон-и-Кахал, используя серебрение, обнаружил на поверхности дендритов, которые всегда короче аксонов, небольшие выросты. Эти выросты он назвал дендритными шипиками. Именно Рамон-и-Кахал выдвинул гипотезу, которая до настоящего времени будоражит воображение всех биологов, что места контактов дендритных шипиков с аксонами представляют синапсы, посредством которых осуществляется передача электрического импульса с аксона на дендрит.
В 40-е годы английский ученый Хэбб развил гипотезу Рамона-и-Кахала, сформулировав понятие химического синапса. Кратко: синапс представляет контакт аксона с постсинаптической мембраной дендритного шипика. В месте синапса аксон расширяется, в этом расширении располагаются пресинаптические везикулы (пузырьки), которые содержат нейромедиатор (посредник) или нейротрансмиттер (нейропередатчик) (оба термина используются как синонимы) и т. д. Когда электрическая волна, идущая по аксону, доходит до синапса, в пресинаптической мембране открываются натриевые, калиевые и другие каналы, это вызывает активацию цитоскелета, благодаря которому везикулы подходят и сливаются с пресинаптической мембраной. При этом происходит высвобождение порциями или квантами нейротрансмиттеров, которые попадают в синаптическую щель, двигаются к постсинаптической мембране дендритного шипика и связываются с рецепторами, локализованными в этой мембране. В момент нейрональной передачи с аксона на постсинаптическую мембрану шипика в самом шипике происходит накопление кальция.
В 1995 году израильский ученый Сигал предложил свою гипотезу «экзитотоксичности кальция». Его идея проста: кальций необходим для передачи возбуждения с аксона на нейрон, если бы такое происходило в теле нейрона, то нейрон бы просто погиб. Поэтому нейрон выбросил специализированный отросток-дендрит, который, в свою очередь, также оказался «шустрым» благодаря тому, что «образовал» шипики. В последних и происходит процесс передачи нервного импульса с одного нейрона на другой. Необходимо сделать замечание, что синапсы могут быть образованы и непосредственно как на самих дендритах в отсутствие шипиков, так и на поверхности тел нейронов. Однако, приблизительно около 90% синапсов в ЦНС именно локализованы на дендритных шипиках! До настоящего времени доминирующая во всем мире гипотеза свидетельствует, что один шипик образует один синапс.
Прошло 120 лет после открытия Рамоном-и-Кахалом дендритного шипика и синапса, но (увы!) то, как работает синапс, всё еще остаётся загадкой. Сотни ученых вслед за испанцем стали активно исследовать нейроны серебрением по методу Гольджи. В конце 60-х годов английский ученый Питерс систематизировал все накопленные данные по дендритным шипикам, включая и электронно-микроскопические результаты. В 1970 году он вместе со своим коллегой Кайзерман-Абрамовым предложил простую классификацию шипиков, а следовательно, синапсов.
Обычно длина дендритных шипиков не более 1–2 мкм. Поэтому у электрофизиологов столь малые структуры вызвали здоровый скепсис. Предложенная классификация сразу не нашла поддержки у ученых нейробиологов. Однако в 1982 году английский ученый, Нобелевский Лауреат Френсис Крик в журнале «Trends in Neuroscience» возвращается к этой классификации. Благодаря Крику классификация Питерса и Кайзерман-Абрамова получила второе дыхание и заинтересовала мировую общественность. Классификация синапсов позволила формализовать много данных, что было важным для взаимного понимания ученых, занимающихся синапсами. После открытия двойной спирали ДНК Френсис Крик переехал в США и занялся проблемами работы мозга. В начале 90-х годов Крик опубликовал монографию с запоминающимся названием: «Научные поиски души. Удивительная гипотеза».
К концу 70-х годов бурно развилась электронная микроскопия с её различными методами. Различные электронно-микроскопические методы полностью подтвердили существование синапсов. Более того, благодаря электронной микроскопии появился надежный критерий идентификации синапса, а именно постсинаптическое утолщение. Так как согласно современной гипотезе «один шипик-один синапс», то именно постсинаптическое уплотнение явилось маркером синапса. Среди многих достоинств электронной микроскопии, пожалуй, главным является её высокая разрешающая способность — 2–3 нм для большинства электронно-микроскопических методов, тогда как разрешение в световой микроскопии не превышает длины волны видимого света, т. е. около 400 нм. Следовательно, разрешение в электронной микроскопии на два порядка выше, чем в световой.
Таким образом, электронная микроскопия позволила изучить микромир различных клеток, в том числе нейронов. Этот микромир представлен различными клеточными органеллами или органоидами. Это ядро, митохондрии, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи и др.
Пожалуй, самые уникальные структуры в головном мозге — это кора и гиппокамп. Именно с этими структурами мозга связывают такие процессы, как обучение и память. Гиппокамп эволюционно более древняя структура мозга и организация в нем нейрональных сетей практически мало отличается от коры. Вместе с тем, в отличие от коры гиппокамп проще для изучения, чем кора, по нескольким причинам: эта структура легко выделяется из мозга; именно в гиппокампе наиболее хорошо изучены связи между различными нейронами; гиппокамп может быть порезан на слайсы (срезы), которые являются прекрасной моделью для большинства электрофизиологов, изучающих процессы синаптической передачи in vitro (в пробирке) и т. д.
Рамон-и-Кахал уже в 1893 году предположил, что в процессе функционирования мозга происходит обновление синапсов: часть разрушается и образуются новые. В это же время итальянский ученый Танци предложил альтернативную гипотезу, что после эмбрионального развития новые синапсы не образуются, но зато уже существующие могут подвергаться перестройкам. До настоящего времени, десятки тысяч нейробиологов во всем мире не могут решить, какая из этих точек зрения правильная. Только на каждом Нейробиологическом Съезде США собирается не менее 25 тысяч нейробиологов, ежегодно на нейробиологические исследования тратятся десятки миллиардов долларов.
Всем интересно: почему и как мы думаем, почему забываем? Можно ли с помощью какой-либо фармакологии корректировать эти процессы? Проще говоря, как работает синапс? Все исследования биохимиков и электрофизиологов так или иначе опираются на морфологические данные. Морфологические исследования, главным образом, связаны с описанием различных структур, включая структуры, посредством которых клетки взаимодействуют друг с другом. При этом практически все клеточные органеллы клеток были описаны более 120 лет назад. Уже более чем 1,5 века назад, используя обычный световой микроскоп, были опубликованы прекрасные картинки в отсутствии фотографий, о возможности которых тогда просто и не знали. Все рисунки делались карандашом и пером и, если сейчас посмотреть эти картинки, то вызывает восхищение их качество. Главный недостаток этих исследований был только один — низкая разрешающая способность светового микроскопа. Было много гениальных догадок, о которых мы можем судить только сейчас.
Чуть более 10 лет назад ученые получили более мощный инструмент — конфокальную лазерную микроскопию. У конфокальной микроскопии есть главное достоинство: возможность исследовать по флуоресцентному зонду синтез и локализацию изучаемого белка или структуры непосредственно в живой клетке. Такой микроскоп по цене равен электронному.
Если мы восхищаемся картинками 150-летней давности, то что можно противопоставить сейчас? Это трехмерные реконструкции различных клеточных органелл с использованием серийных ультратонких срезов. Первые исследования серийных ультратонких срезов были начаты в середине 60-х годов. Например, было показано, что одноклеточная зеленая водоросль хламидомонада имеет только один хлоропласт. Однако для трехмерной реконструкции хлоропласта хламидомонады потребовалось несколько лет. Каждый профиль хлоропласта на срезе переносился на некий материал, например, пенопласт. Лобзиком выпиливали этот контур, после чего десятки и сотни контуров складывались, склеивались и тем же напильником подгонялись, чтобы создать гладкую поверхность трехмерной структуры. Трудоёмкость и дороговизна такого подхода делали такие исследования уникальными. Именно уже тогда для автоматизирования процесса получения трехмерных структур стали использовать ЭВМ, были созданы программы и алгоритмы ввода изображений и т. д. Однако, начиная с 80-х годов, развитие новых поколений компьютеров, включая персональные, позволило использовать их для трехмерных реконструкций с использованием серийных срезов. Естественно, эти исследования бурно прогрессировали в США и в других странах с высоким научным потенциалом: Великобритании, Франции, Японии, Германии. Уже в середине 80-х годов были созданы соответствующие программы, которые позволяли после ввода серийных изображений через сканнер в компьютер быстро получать трехмерные изображения.
Особый интерес представляют исследования синапсов у сусликов в процессе зимней спячки. Зимняя спячка процесс циклический и состоит из баутов. Баут — это вход в спячку-спячка-выход из спячки. Между баутами суслик находится в состоянии нормотермии 1–2 дня, когда температура его тела составляет 35–36 °C. В январе-феврале продолжительность баута составляет 10–12 дней. Можно провести мониторинг нескольких баутов для того, чтобы взять суслика в центре баута и спровоцировать его пробуждение. Исследования показали, что уже через 2–3 часа температура спящего суслика поднимается до 34–35 °C, то есть он полностью пробуждается. Оказалось, что при входе в спячку происходит втягивание или ретракция тонких и пеньковых шипиков с возрастанием пропорции стволовых синапсов. Важно, что плотность синапсов во всех состояниях сохраняется неизменной.
Как это сказывается на памяти суслика как врожденной, так и приобретенной? В конце 60-х годов югославские ученые провели эксперименты на сусликах, которые показали, что предварительно обученные суслики после пробуждения теряют приобретенные навыки. Однако уже через месяц-полтора после естественного пробуждения из зимней спячки эти навыки восстанавливаются. Пока еще мало достоверных данных о том, как приобретенные в результате обучения навыки фиксируются в мозге, хотя не исключено, что запоминание происходит на генетическом уровне. В этом смысле знаменитый французский ученый Жан Батист, может, и был прав, говоря, что благоприобретенные признаки наследуются.
Впечатляющи эксперименты с крысами по искусственной гипотермии (охлаждении до температур ниже 17 °C). Это может быть актуально при введении человека в состояние гипотермии, которая может быть использована при проведении длительных хирургических операций, при длительных космических полетах и т. д.
Вопросы для дискуссии:
• Как появилось понятие синапса. Дендритный шипик как аналог синапса.
• Какие мы знаем виды памяти.
• Когда в эволюции появился головной мозг.
• Гиппокамп как старая кора — уникальная модель нейробиологов.
• Как взаимодействуют между собой нейроны? Как нейроны получают и посылают информацию к различным органам и тканям?
• Нейроны живут в окружении глиальных клеток.
• Дендрит и аксон два нейрональных отростка, которые осуществляют взаимодейстие между соседними нейронами.
• Классификация синапсов основана на структуре дендритных шипиков.
• Методы обнаружения синапсов.
• Современное понятие синапса. Работает ли гипотеза один шипик-один синапс.
• Подвижны ли дендритные шипики и могут ли они образовываться вновь.
• Зимняя спячка якутского суслика как уникальная модель для исследования динамики синапсов.
• Роль центриолей в образовании дендритов в нервных клетках. Исследование нейронов в культуре (в пробирке).
Библиография
Куффлер С., Николс Дж. От нейрона к мозгу. М.: Мир, 1979.
Попов В. И., Петухов В. В. Особенности ультраструктурных изменений в синапсах поля CA-3 гиппокампа крыс в различных функциональных состояниях//ДАН СССР. 1982. № 265(4).
Petukhov V. V., Popov V. I. Quantitative analysis of ultrastructural changes in synapses of the rat hippocampal field CA3 in vitro in different functional states//Neuroscience. 1986. № 18(4).
Popov V. I., Bocharova L. S., Bragin A. G. Repeated changes of dendritic morphology in the hippocampus of ground squirrels in the course of hibernation//Neuroscience. 1992. № 48(1).
Popov V. I., Bocharova L. S. Hibernation-induced structural changes in synaptic contacts between mossy fibers and hippocampal pyramidal neurons//Neuroscience. 1992. № 48(1).
Popov V. I., Tsyganova V. G. Replication of centrioles and differentiation of neurons in hippocampal slice cultures and olfactory neuroepithelium in the rat//Neurosci Lett. 1996. № 19;203(2).
Gordon R. Y., Bocharova L., Kruman I. I., Popov V. I. Acridine orange as an indicator of the cytoplasmic ribosome state//Cytometry. 1997. 29(3).
Fiala J. C., Feinberg M., Popov V. I. Synaptogenesis Via Dendritic Filopodia in Developing Hippocampal Area CA1//J. Neurosci. 1998. 18(21).
Popov V. I., Ignat’ev D. A., Lindemann B. Ultrastructure of taste receptor cells in active and hibernating ground squirrels//J. Electron Microsc (Tokyo). 1999. № 48(6).
Сайт в интернете: http://synapses.bu.edu/
Тема № 103
Эфир 25.04.2002
Хронометраж 35:00
|
25.04.2002 
35:00
www.ntv.ru