Непомічені герої мозку

Коли ми говоримо про нервову систему людини, а власне про нервову тканину, ми у більшості випадків згадуємо нейрони. Без сумніву це чудові клітини, феномен природи і вони супер-пупер, та в нас лишаються невиправдано обділені увагою клітини, що грають далеко не другорядні ролі в фільмі під назвою “Нервова тканина”. Саме тому сьогодні я намагатимусь пролити світло на цих чудових хлопців, цих воїнів невидимого фронту, завдяки роботі яких, наші нейрони можуть блищати у світлі софітів і отримувати похвали та компліменти.
Час розвіяти міф, що нейроглія це лише “сполучна тканина”, FOR DA SCIENCE!

Увага!Attention! Стаття наповнена відсилками, сленгом та інтернет мємєсами(Єєєє,рокккккккк)!

Що таке взагалі нейроглія? Це всі клітини, які в нормі присутні в нервовій тканині, та не є нейронами. Співвідношення вражає — 50 клітин глії на 1 нейрон, та це й не дивно, як болід формули один потребує кваліфікованої команди з обслуговування, так і наші нейрони потребують допомоги. Ось групове фото клітин, які роблять життя нейронів легше:

Blausen.com staff. “Blausen gallery 2014”. Wikiversity Journal of Medicine, розповсюджено на умовах CC BY-SA 3.0

І дозвольте познайомити вас зі складом нашого загону. Перед вами Астроцит, відповідає за зв’язок нейронів ЦНС з організмом і фільтрацію шумів в ефірі. Хороший хлопець, важливу роботу виконує, ще й пайки роздає.

Archontia Kaminari (Wikipedia), розповсюджено на умовах CC BY-SA 3.0

“Астроцит периферичної нервової системи” — сателітні клітини.

OpenStax, розповсюджено на умовах CC BY-SA 4.0

Це Олігодендроцит, любить огортати нейрони “ізолентою”, живе в престижному районі (центральній нервовій системі).

Мікрогліальна клітина — це наш захисник-кулеметник, хоча інколи стріляє по своїм.

GerryShaw, розповсюджено на умовах CC BY-SA 3.0

Клітини, які утворюють амортизуючу рідину мозку (спинномозкова рідина) — епендімальні клітини.

Martin Hasselblatt MD, розповсюджено на умовах CC BY-SA 3.0

Шванівська клітина. Маємо підозру, що має якісь родинні зв’язки з Олігодендроцитом, але працює на периферії(теж огортає нейрони “ізолентою”).

Ucbtbej, розповсюджено на умовах CC BY-SA 3.0

Тепер давайте поговоримо про кожного більш детально.

АСТРОЦИТИ

Це самі гарні компоненти нейроглії (на мою думку). Мають вони зірчасту форму і їх загальний відсоток поміж інших клітин приблизно 20-40% від загальної кількості клітин нейроглії. Це клітини зірчастої форми і вони присутні як в нашому спинному, так і в головному мозку. В 1990-х, поки країни постсовка переживали період “перебудови” і для науки не було часу, західні вчені відкрили цікаву функцію цих клітин — вони випускають глутамат (уууууу, страшні казочки про шкоду глутамату) за рахунок Са2+ залежного механізму і таким чином передають нейронам свої повідомлення-сигнали. І саме тоді їх прийняли в джентльменський клуб “Neuroscience”, де крутяться великі гроші, великі вчені та великі відкриття.

То, власне, яка ж функція астроцитів? А вона не одна, скажу я вам, ці хлопці майстри на всі руки! Тут тобі і структурна функція-беруть участь у формуванні самого “каркасу нервової системи”, і забезпечення метаболічних процесів, і багато інших! Я розберу більш детальніше буквально кілька з них, хто хоче Deep Neuroscience — ласкаво просимо на англомовну вікіпедію.

1. Регуляція рівня К+ в позаклітинному просторі

Калій і Натрій, як відомо є основними йонами для створення струмів в нейронах, а саме формування потенціалу дії та потенціалу спокою. Калій — це внутрішньоклітинний йон в нашому організмі, а натрій позаклітинний. І коли виникає потенціал дії, то, внаслідок відкриття каналів для калію, він швидко тікає з клітини в позаклітинний простір за законами осмосу (прямо як зі Східного Берліну в Західний) і тут в вступають в гру астроцити. Їх клітинна мембрана дуже проникна для калію і таким чином вони забирають його надлишок в позаклітинному просторі! Чому це важливо? Та дуже просто, поруш цю функцію і отримаєш надлишок цього йону в позаклітинному просторі і в якості бонусу — епілептичні напади.

2. Ремонт нервової системи.

Коли нейрони ушкоджені й не здатні функціонувати, на допомогу приходять гліальні клітини. Астроцити беруть участь у формуванні гліального рубцю — заміщують собою мертві нервові клітини. Або вони можуть стати нейронами! Оце вже набагато крутіше і цікавіше. Це відбувається за рахунок наявності трансмембранного білка NOTCH1. В нормі він подавляє бажання астроцитів ставати нейронами, та як тільки відбувається пошкодження, він зменшує свою активність і дає можливість астроцитам перетворюватись на нейрони (УВАГА! Ці дані знаходяться на стадії публікацій в журналах і є доволі новими, тому з часом може виявитись, що вони помилкові або застарілі, на момент публікації статті вони актуальні).

3. Метаболічна — сама потужна функція!

Біохімічні схеми, як я люблю біохімічні схеми, в них є щось медитативне і величне (передаю привіт Досенко Віктору Євгеновичу). Власне  до чого я веду, найбільш повно метаболічні співвідношення між астроцитам і нейроном демонструє оця схема:
OldakQuill, розповсюджено на умовах CC BY-SA 2.0

І зараз, сказавши пароль ельфійською, я відчиню для вас ці ворота в біохімічні знання, як Гендальф у свій час ворота в Морію!

Як бачимо безпосередньо з крові до нейронів поступає лише кілька амінокислот (триптофан, фенілаланін, тирозин та лізин) а все інше, що потрібно для функціонування клітини, проходить через своєрідну “митницю” — астроцит. Через нього проходить дуже важливі речовини — кисень і глюкоза для окисного фосфорилювання (утворення енергетичних молекул АТФ за участі кисню), лактат (утворення АТФ без кисню) та кілька амінокислот. Також наш астроцит може працювати як депо для глікогену (це “упакована” форма глюкози для зберігання) і вивільняти його для нейрона при інтенсивній роботі (хто багато працює, той багато їсть). А при проходженні струмів крізь мембрану клітини до місця з’єднання його з нейроном, астроцит вивільняє кілька дуже важливих нейромедіаторів, які впливають на роботу синапсів — ГАМК (гамма-аміномасляна кислота-“гальма” мозку) і глутамат (“педаль газу” нейронів). Цікавий факт, коли людина споживає абсент, то чутливість нейронів до ГАМК падає і нейрони починають продукувати сигнали набагато інтинсивніше і більш спонтанно, що й викликає галюцинації.

САТЕЛІТНІ КЛІТИНИ

Синя велика клітина — нейрон, малі зелені — сателітні клітини.

По функціям вони дуже схожі на астроцити, лише працюють в периферичній нервовій системі, то здавалося б, нащо їх описувати, копі-пейст попередній текст з заміною слова “астроцит” на “сателітна клітина” і готово! Та не все так просто, вони мають специфічні особливості, які заслуговують на право бути описаними. Ці клітини дуже люблять нейрони периферичної нервової системи і обімають його тіло с усіх сторін. І їх основна функція зробити життя периферичної системи комфортним і приємним, а досягають вони цього, шляхом зміни мікросередовища навколо тіл периферичних нейронів. Вони займаються транспортуванням ГАМК, глутамату, АТФ і тому подібне, але є одне але, як казав Майкл Щур, вони мають три крутих ферменти: глутамат синтаза, глутамат дегідрогеназа і піруват карбоксилаза.

Перший фермент займається в нейроні тим, що перетворює глутамат в глутамін. А глутамін слугує альтернативним джерелом енергії  для клітин. Також він бере участь в процесі утилізації аміаку з організму(така собі вантажівочка, яка везе аміачний вантаж).

Другий і третій фермент роблять дещо більш цікаве, вони забезпечують нейрони малатом і лактатом. Малат є однією із речовин, що бере участь в циклі трикарбонових кислот (один із етапів отримання енергії клітинами) aka цикл Кребса (крикніть це слово в аудиторії повній медичних студентів і більшість ляже на підлогу, обхопить коліна руками і почне кататися зі сторони в сторону, плачучи при цьому), а лактат, це продукт безкисневої утилізації глюкози. Останні дослідження наводять на думку, що саме лактат є основним джерелом енергії для нейронів, а не глюкоза (дві статті на цю тему doi:10.1523/JNEUROSCI.0415-11.2011, doi:10.1016/j.tips.2010.06.005)

А далі в нашій програмі олігодендроцит, не перемикайте канал.

ОЛІГОДЕНДРОЦИТИ

LadyofHats, розповсюджено на умовах суспільного надбання.

Це саме ті клітини, які дають можливість струмам в наших нейронах рухатись з блискавичною швидкістю. Наш олігодендроцит дуже комунікабельний, він може охоплювати своїми відростками до 50 сусідніх нейронів. Нащо ж він це робить, невже нейрони мерзнуть, а він закутує їх в тепленькі мієлінові ковдри? Зовсім ні. Наявність мієлінових оболонок дає можливість нейронам розповсюджувати струм по своїм відросткам не лавиноподібно, а сальтаторно. Швидко поясню, чим відрізняється один тип передачі від іншого. Уявіть собі два коридори однакової довжини, в одному стоїть двадцять дверей з замками, а в іншому п’ять. Набагато швидше дістатись кінця коридору там, де дверей менше, це логічно. І саме оцей коридор з меншою кількістю дверей і є мієлінізований нейронон. В ньому електричний струм “стрибає” по перехватах Ранв’є (ділянки без мієліну) замість того, щоб послідовно проходити по всій довжині нейрону.
Картинка клікабельна — відкриється гіфка в поточному вікні

Dr. Jana, розповсюджено на умовах CC BY-SA 4.0

Також наші олігодендроцити виділяють кілька речовин, які змушують нейрони рости, тобто фактори росту (очевидно) з абсолютно нудними назвами — glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) та brain-derived neurotrophic factor (BDNF). GDNF допомагає клітинам вижити і не накласти на себе руки, а BDNF стимулює диференціацію і ріст нейронів та їх синапсів. Фактор росту в нервовій тканині з самою крутою назвою — це Їжак Сонік. Як же круто, коли білок називають на честь головного героя однойменної гри!

ШВАНІВСЬКІ КЛІТИНИ

Якщо просто – це мієлінізатори периферичної нервової системи. Мієлінізують лише один нейрон, бо вони ще ті хіккани. І ще одна важлива функція — регенерація нейронів. Ну, власне, вони лише допомагають у регенерації, та роль їх досить важлива. Як тільки нейрон пошкоджується, вони командують “бульдозерам” розчистити місце ураження від уламків (допомагають у фагоцитозі) і потім утворюють “будівельні ліси” для подальшого відновлення (формують “тунель” від здорової частини нейрону до пошкодженої і в ньому йде утворення нової ділянки).

ЕПЕНДІМАЛЬНІ КЛІТИНИ

Це клітини, які вистеляють вентральну поверхню шлуночків мозку. Страшні слова? Зараз все розберемо. В нашому мозку є порожнини, які називають шлуночками мозку і в них утворюється спинномозкова рідина.

OpenStax, розповсюджено на умовах CC BY-SA 4.0

Ця рідина створює “басейн” я якому плаває наш спинний і головний мозок, так вона захищає його він травм при ходьбі, падіннях і т.д., вона вимиває все сміття і відходи, забезпечує метаболічну стабільність і попереджає ішемію. Об’єм циркулюючої спинномозкової рідини обмежений, тому, коли вироблення зменшується або епендімальні клітини всмоктують її, зменшується внутрішньочерепний тиск, який вона створює, таким чином. За законами фізики, це провокує збільшення притоку крові до мозку. Функцію утворення і регуляції кількості спинномозкової рідини виконують епендімальні клітини.

МІКРОГЛІОЦИТИ

Це макрофаги, які потрапили в “лігу плюща”. Саме так можна охарактеризувати, чим ці колишні макрофаги відрізняються від усіх інших, адже для всіх, крім них, вхід в нервову систему закритий. Основні охоронці мозку, вартові його спокою. Почнемо ми з форм мікрогліоцитів, а закінчимо їх функціями (як же я люблю функції клітин, більше функцій богу функцій!).

Форми

• Розгалужена. Це “спляча” форма мікроглії. В цьому стані її тіло має малі розміри, а відростки дуже довгі та розгалужені. Але вона не спить, вона спостерігає своїми відростками-“антенами” за навколишнім середовище і чекає ворога. Як той командос у засідці.
• Активована форма. Як тільки ціль потрапляє в зону прямої видимості, мікроглія завдає удару, зменшується довжина відростків та виділяються прозапальні та цитотоксичні речовини, внаслідок чого така клітина виглядає “пухнастою”. Вона фагоцитуює ворожі антигени та вмираючі клітини, при цьому сигналізуючи союзним військам про положення противника шляхом виділення ще більшої кількості прозапальних цитокінів і координація дій з астроцитами для мінімізації пошкодження здорових клітин.
• Амебоподібна форма. Якщо згадати шкільну програму, то амеби не мають сталої форми і мікрогіальні клітини цієї форми мають таку саму властивість. Це дає їм можливість пролазити де заманеться і шукати “сміття” — залишки клітин після харакірі (апоптоз), тіла мертвих ворогів та союзників (мертві антигени та клітини), фрагменти ДНК та інше.
• Gitter-клітини (сітчасті). Ця форма утворюється, коли наші мікрогліальні клітини наїдаються під час фагоцитозу так, що аж не лізе і тоді вони перетворюються на клітинні маси з зернистими включеннями. Коли роблять гістологічні зрізи мозку, дивляться на наявність цих клітин, якщо вони присутні, то можна зробити висновок, що в мозку відбувся патологічний процес з загибеллю клітин (запалення, інсульт).

Функції

1. “Сміттярі”

Саме так, сміттярі. Будь-який завод утворює відходи під час своєї роботи і нейрони не виключення. Саме тому потрібен хтось, хто буде прибирати це сміття, щоб воно не нагромаджувалось і не перешкоджало нормальному функціонуванню клітин. Або, якщо завод ламається, то після його ремонту потрібно прибрати уламки та непотрібні деталі. Саме це й роблять мікрогліальні клітини шляхом фагоцитозу (поїдають все непотрібне, в тому числі й ворожі антигени, як і їх менш престижні родичі — макрофаги). Якщо казати більш лагідно, то вони “покоївки” в нервово-тканинному домі. Також під час розвитку організму, вони регулюють кількість клітин попередників-нейронів і кількість хімічних синапсів.

2. Позаклітинна сигналізація

Мікроглії дуже важливо зберігати спокій під час нормального стану нервової тканини, але й не втрачати пильність, щоб під час проблем в мозку (атака ворожих організмів) закликати всіх до співпраці для подолання кризи. Це досягається шляхом активації каскадів сигнальних реакцій (“Гей малий, скажи малому, хай малий малому скаже, хай малий теля прив’яже”). Наприклад, IL-8 (інтерлейкін 8) стимулює ріст та диференціацію В-клітин нашого імунітету, а цитокін з назвою TNF-? (фактор некрозу клітин-альфа) робить з мікрогліальної клітини сьоґуна, який каже самураям(іншим клітинам нервової тканини), що вони втратили честь і тільки харакірі (апоптоз) вихід для них. IL-1 (інтерлейкін 1) заставляє “пацифістів” IL-10(інтерлейкін 10) та TGF-? (трансформуючий фактор росту бета) мовчати під час війни та не заважати військовій машині (ці два фактори інгібують синтез прозапальних факторів і таким чином зменшують запалення).

3. Антигенпрезентуюча функція

Sjef, розповсюджено на умовах CC BY-SA 3.0

Клітини нашого імунітету мають знати кого бити, а кого ні, вірно? Цей механізм реалізує антигенпрезентуюча система! В кожної нашої клітини є паспорт (білок на поверхні) MHC-1 (Головний Комплекс Гістосумісності) і його регулярно перевіряють поліцейські (Т-цитотоксичні клітини). Якщо все гаразд, то клітинам нічого не буде, та як тільки з’являється ворожий антиген він починає забирати нормальні паспорти і натомість видає клітинам якісь незрозумілі папірці (зміна якісного складу білків MHC-1), в такому випадку поліцаї б’ють усіх, хто не має нормального документу. Також в організмі є спостерігачі (наприклад, дендритні клітини в шкірі), які бачать, що роблять ті ворожі антигени, і біжать в поліцейський відділок (лімфатичний вузол), де повідомляють про портрет ворога поліцаям (Т і В лімфоцити). Саме так працюють мікрогліальні клітини. Ось милий комікс, який дуже спрощено ілюструє їх роботу.

1. Мікрогліальна клітина шукає антиген.
2. Знаходить і “з’їдає” його.
3. Перетравлює його і роздумує про його зовнішній вигляд.
4. Малює портрет і розвішує його для пошуку.

4. Цитотоксичність

Якщо наш командос не може дотягнутись руками й власноруч задушити ворога (фагоцитоз), то він буде стріляти з кулемету, зарядженого кулями з перекисом водню (H2O2) та монооксиду азоту (NO). Здавалось б, перекис ми використовуємо в повсякденному житті, він не шкідливий, а от і ні! Перекис водню дуже небезпечний для клітинних стінок, адже він викликає їх окиснення і руйнування, внаслідок чого клітина гине (це в своїх цілях використовує мікроглія щоб знищити ворожі антигени). Також вона виділяє фермент протеазу, що розщеплює протеїни з яких складається майже усе в ворожих організмах. Враховуючи все вище сказане, знищення інфікованих клітин, вірусів, бактерій, паразитів та грибів є палкою з двома кінцями, адже ці речовини викликають ураження й здорової нервової тканини в зоні їх дії.

5. Усунення синапсів та ремонт пошкоджень

Щоб мінімізувати власну шкоду, яку цитотоксичні речовини можуть спричинити, мікроглія прибирає синапси з місця бойових дій, куди вони повертаються після закінчення війни і відновлення нормального функціонування даної ділянки нервової системи.

От власне й усе. За зображення роботи MHC комплексу і сателітних клітин дякую Бордонос Каріні. Наука — це кльово!