Ансамблевая организация мозга

В последние годы значительно расширились представления о роли как тканевых составляющих сосудистого русла, так и нейроглиального окружения в жизнедеятельности нейронов. Роль сосудов, согласно современным представлениям, не может ограничиваться лишь трофическими и барьерными функциями. Если в 70−80-е гг. прошлого века основная роль отводилась межнейронным взаимодействиям и возможности формирования ими структурно-функциональных единиц (Сентаготаи Я., Арбиб М., 1976), то с 90-х гг. в данные единицы часто вводят не только нейроны, но и их глиальное и сосудистое окружение (Семенова Л.К., Шумейко Н. С., 1994; Васильев Ю. Г., Чучков В. М., 2003). Необходимость подобных исследований продиктована расширившимся представлением о роли нейроглии (в первую очередь астроцитов) и микрососудов (в том числе эндотелия сосудов и гематоэнцефалического барьера) в формировании и функционировании мозга. Эта роль обусловлена как трофическими, так и местными гормональными регуляторными взаимодействиями и возможностью так называемой объемной внесинаптической передачи сигнала, которые описаны в соответствующей главе.

Имеются данные, что доминирующие биологические мотивации складываются как интегративное химическое взаимодействие нейронов различных систем мозга. При этом изменяется чувствительность нейронов к нейромедиаторам и нейромодуляторам (Cудаков К.И., 1996). Данное влияние может быть наиболее эффективным в условиях измененного гематоэнцефалического барьера и в ранние сроки онтогенеза, когда барьерные свойства эндотелия невысоки. Повышенная проницаемость барьера к протеинам наблюдается также в условиях ангиогенеза и регенерации, особенно в условиях патологического процесса в зонах неоваскуляризации (Nag S., 1996). Свободно могут проникать через структуры гематоэнцефалического барьера некоторые возбуждающие аминокислоты и их производные (Josek M.C., Griffith W.H., 1998). Значительный интерес вызывает высокомолекулярный протеин экстрацеллюлярного матрикса — тенасцин, выделяемый в развивающемся мозге. Он важен для процессов клеточной адгезии, миграции и пролиферации. В нормальном мозге взрослого уровень тенасцина низок. Его выделение повышается в эмбриогенезе и в астроцитомах человека. Он вызывает гиперпластические процессы в сосудах, что связано с воздействием на имеющиеся к нему на эндотелии тирозинкиназные рецепторы Tie-1 и Tie-2 (Zagzag D., 1995, 1995).

Все это требует комплексного рассмотрения вопроса при изучении реакций мозга на различные воздействия. В пользу этого обстоятельства указывает то, что морфологические реакции на повреждающие воздействия отнюдь не всегда регистрируются преимущественно в нервных клетках. В частности, при экспериментальной аудиогенной эпилепсии наиболее грубые изменения наблюдались авторами в глиальном и сосудистом окружении нейронов (Веретенников Н.А. и др., 1996).

Это позволяет предполагать, что глия — одна из наиболее мобильных структур нейро-глио-сосудистых комплексов. Доказана высокая степень реактивности нейроглии на различные патофизиологические раздражения, что проявляется в изменении структуры и перераспределении клеток в паренхиме нервной ткани. Гипоксия и нарушение функции сердечнососудистой системы приводят к повышению ферментативной активности в олигодендроцитах и гипертрофии астроцитов, формированию дренажных комплексов вокруг очага повреждения. Увеличивается число периваскулярных глиоцитов, при уменьшении числа перинейральных (Квитницкий-Рыжов Ю.Н., Матвиенко Р. В., 1988). Морфологические проявления активизации астроцитов при аксотомии у крыс совпадают со сроками гибели нейронов. Наблюдается корреляция между гибелью нейронов и активностью астроцитов (Agarwala S., Kalil R.E., 1998).

Нейроглиальные взаимодействия носят двусторонний характер. Нейроны оказывают активное влияние на глиальные клетки. Ведущие медиаторы центральной нервной системы (глютамат, норадреналин, ВИП) способны вызывать значительные физиологические реакции астроцитов. Доказано, что ВИП-нейроны могут взаимодействовать с астроцитами, на которых имеются рецепторные комплексы к вазоинтерстициальному пептиду. ВИП и норадреналиновые аппликации в чистых культурах астроцитов вызывают быстрый гликогенолиз и контролируют ресинтез гликогена через активацию цАМФ и факторов транскрипции (Martin J.L., 1989; Pralong E., Magistretti P.J., 1994).

Ансамблевые взаимодействия значимы не только в функционировании мозга, но и при изучении его реакций при трансплантации. На это может указывать поведение эмбриональных трансплантатов в зрелом мозге крыс. Выявлена высокая способность к миграции трансплантированных астроцитов (до 230−1000 мкм) на 50-е сутки, возможность вселения в ткани реципиента олигодендроглиоцитов при миелинизации аксонов донорских нейронов и клеток реципиента. Нейроны могут мигрировать (максимально до 200 мкм), но это относится только к клеткам среднего и малого, но не большого диаметра. Миграция клеток осуществляется в основном вдоль сосудов (Александрова М.А. и др., 1993). Обширные перспективы для изучения нервной ткани дает вживление в мозг донорских тканей не только близкородственных видов животных, но даже представителей эволюционно отдаленных таксономических групп (беспозвоночных — млекопитающим). Для таких пересадок характерно формирование контактных взаимодействий между нейронами трансплантата и «хозяина» (Смирнов Е.Б., Быстров И. П., 1997; Савельев С. В., Корочкин Л. А. и др., 1997). Можно предположить, что мигрировавшие из плотных нейротрансплантатов астроциты могут оказывать влияние на процессы, происходящие в мозге реципиента, так как незрелые астроциты способны стимулировать аксонный рост и изменять региональные процессы (Smith G. et al., 1990).

В формирующемся мозге млекопитающих глиальные клетки окружают функционально близкие группы нейронов, их дендриты и аксоны. Глиальные клетки и гликоконъюгаты (гликопротеины, гликолипиды и гликозоаминогликаны) такого окружения, в частности, прослеживаются в коре головного мозга (Сотников О.С. и др., 1994; Steindler A.D., 1993). Нейроглиальные ансамбли характеризуются индивидуальностью. У одаренных людей в 3−4 слоях 44-го и 45-го цитоархитектонических полей мозга значительно выше доля сателлитной нейроглии и общая площадь глиальных клеток в сравнении с общей выборкой (Боголепова Н.Н., 1993). Определенную роль в этом играет влияние глиального окружения, гуморальные факторы. Имеются видовые особенности структуры протоплазматических астроцитов в ряду крыс, кролика, собаки, человека. Значимая часть этих различий может быть обусловлена условиями трофики и построения нейронных ансамблей ядер. Так, при рассмотрении строения ядер крысы наблюдается более плотное расположение тел нейронов, их средний диаметр по всем клеткам ниже. Гуще располагаются и сосудистые сети. Это сопровождается тем, что при сохранении общей морфологии протоплазматических астроцитов, характерной особенностью половозрелых крыс является преобладание клеток с короткими, сильно ветвящимися отростками. При сравнении кролика и собаки наблюдается увеличение разнообразия по степени ветвления и длине отростков протоплазматических астроцитов. Наиболее ярко это разнообразие проявляется у человека. Наряду с увеличением морфологической неоднородности изменяется соотношение между содержанием тел нейронов к макроглии в ряду от крысы к человеку. Данная закономерность была отмечена и другими авторами (Ройтбак А.И., 1993).

Усложнение органных внутритканевых и структурных межтканевых взаимоотношений можно объяснить как в эволюционном, так и в приспособительном аспекте. Важным является предположение о компенсаторных изменениях нейроглии, адекватных изменениям трофического обеспечения нейронов и их отростков, при сохранении основных принципов внутриядерных внесинаптических взаимодействий и основных функций упомянутых ядер. Таким образом, нейроглиальные взаимодействия не являются безоговорочным показателем степени эволюционного развития данного вида, а носят и приспособительный характер в зависимости от размеров нейронов и степени развития нейропиля. Именно эти показатели увеличиваются параллельно формированию глиально-нейронного соотношения. А. И. Ройтбак (1993) и другие авторы подтвердили эту закономерность (Веретенников Н.А. и др., 1996). Сравнение головного мозга показывает, что чем более высокое положение занимают животные на эволюционной лестнице, тем выше у них соотношение между числом глиальных клеток и нейронов. Это предполагает, что увеличение связности астроцитов может повышать способность животных к обучению. Эта гипотеза проверяется сегодня экспериментально. Не исключено, что высокие концентрации глиальных клеток в мозге, а возможно, и наличие в нем более «действенной» глии, и превращает некоторых людей в гениев.

По нашим данным, в ряду крыса — кролик — собака — человек происходит несколько разнонаправленных процессов:

• — увеличиваются размеры тел нейронов;
• — уменьшается плотность их расположения на единицу объема;
• — уменьшается плотность расположения капиллярных сетей;
• — увеличиваются различия между уровнем микроциркуляции в непосредственном окружении тел нейронов и в нервном центре в целом;
• — возрастает диаметр сосудистых микробассейнов, параллельно возрастает длина и степень морфологического разнообразия астроцитов.

Однако выявленные нами видовые особенности в ряду высших млекопитающих не носят характера эволюционных преобразований. В частности, сравнительный анализ коровы и человека указывает на то, что морфологическая организация ее стволовых центров по тенденциям структурирования ансамблей близка к таковой у человека. Вероятнее всего, данные изменения соответствуют особенностям энергетических процессов, степени развития нейропиля по отношению к телам нейронов, объему нервных клеток и взаимосвязаны с размерами животного.

В то же время изучение в эволюционном аспекте, а именно, сравнение морфологической организации ядерных центров и белого вещества спинного мозга у зеркального карпа, травяной лягушки, голубя и крысы обнаруживает, что в указанном ряду примитивная организация нейроглии у рыб и земноводных сопровождается усложнением структуры и разнообразия, появлением астроцитов, усилением проявлений морфологической дифференциации глиоцитов от голубя к крысе. В то же время у голубя выявляется высокая концентрация сосудистых образований, что, возможно, связано с интенсивностью обменных процессов.

Функционально важными в ЦНС низших позвоночных являются радиальные глиоциты, которые, в отличие от млекопитающих, сохраняются и у половозрелых животных (Bodega G. et al., 1990; Lauro G.M. et al., 1991; Lazzari M. et al., 1997). Радиальные глиоциты распределяются в вентрикулярных и субвентрикулярных участках мозга в ряду животных от рыб до амфибий (Soula C. et al., 1990). Они сохраняются у пресмыкающихся и птиц, но наряду с ними у последних появляются и астроциты. Роль этих глиоцитов у млекопитающих сводится, в первую очередь, к контролю процессов миграции нейробластов и поддержанию нейрогенеза, в связи с чем они встречаются в основном в эмбриогенезе, иногда сохраняясь как переходные формы к астроцитам в раннем постнатальном онтогенезе (Tuba A. et al., 1997; Chanas-Sacre G. et al., 2000; Alvarez-Buylla A. et al., 2001; Gotz M. et al., 2002).

Радиальные глиоциты позвоночных, включая птиц, сохраняются как основные глиоциты у взрослых животных и характеризуются способностью к синтезу ГФКБ, вплоть до земноводных, они являются ведущими глиальными популяциями, что сопровождается особенностями нейрогенеза и функции мозга (Lauro G.M. et al., 1991; Wicht H. et al., 1994; Lazzari M. et al., 1997). Еще одной разновидностью глиоцитов у низших позвоночных являются овальные глиоциты. Переходные к овальным формы глиоцитов, способные к синтезу ГФКБ и виментина, выявляются в ходе индивидуального развития пресмыкающихся (Monzon-Mayor M. et al., 1990). Иммуногистохимическое и ультраструктурное исследование ГФКБ-позитивных глиоцитов у жаб указывает на накопление данного белка в эпендимоцитах и радиальных глиоцитах. Они накапливают его в основном в зонах базальных отростков и морфологически соответствуют таницитам. Радиальные глиоциты отличались более интенсивной экспрессией белков, особенно в удалении от эпендимального слоя. ГФКБ накапливался как в телах, так и в отростках радиальных глиоцитов. Эти клетки могут формировать терминальные расширения в периваскулярных зонах, но наиболее выражены их терминали субпиально, где клетки формируют пограничную мембрану. Большинство указанных клеток и их отростков располагаются в сером веществе мозга и несут функциональное значение, близкое к астроцитам млекопитающих (Bodega G. et al., 1990).

Иммуногистохимический анализ глиального фибриллярного кислого белка в переднем и среднем мозге ящериц видов Eumeces algeriensis, Scincoidae; Agama impalearis, Agamidae; Tarentola mauritanica, Gekkonidae указал на значительные различия в распределении клеток и численности популяций. Среди глиоцитов у ящериц выделяют радиальные глиоциты, овальные клетки, танициты, эпендимоциты, пограничные глиоциты и астроциты. В мозге Eumeces algeriensis астроциты наиболее многочисленны, и их отростки формируют типичные периваскулярные терминали. Кроме указанных клеток, ГФКБ способны синтезировать эпендимоциты и пограничные глиоциты. Эти особенности рассматривались авторами как признаки высокой организации структур мозга. Tarentola характеризуется несколькими ГФКБпозитивными глиоцитами. Среди них наиболее многочисленны радиальные глиоциты и танициты. У агам ГФКБ-позитивные клетки располагаются в основном в перивентрикулярной и субпиальной области мозга и наблюдаются в многочисленных таницитах и пограничных глиоцитах (Ahboucha S. et al., 2003).

Способность к экспрессии глиального фибриллярного кислого белка обнаруживается у нескольких видов клеток позвоночных. К ним относятся астроциты, пограничные глиоциты, радиальные глиоциты, овальные клетки, танициты, эпендимоциты. Их распределение, особенности организации эволюционно обусловлены и могут подвергаться существенной динамике в зависимости от видовой принадлежности (Onteniente B. et al., 1983; Pixley S.K.R., De Vellis J., 1984; Bodega G. et al., 1990; Monzon-Mayor M. et al., 1990; Bodega G. et al., 1994; Bruni J.E. 1998).

Важным представляется то, что, наряду с особенностями эволюции нейроглии, происходят изменения в особенностях функционирования мозга и нейронов. В частности, это может проявляться в возможности нейрогенеза у взрослых животных, в первую очередь рыб, лягушек и рептилий, а также животных с более примитивной организацией нервной системы, в частности у беспозвоночных. Считается, что сохранение радиальных глиоцитов у взрослых животных облегчает процессы нейрогенеза во взрослом состоянии (Perez-Sanchez F. et al., 1989; Cameron H.A. et al., 1993; Goldmann S.A., 2001).

Астроциты становятся преобладающими ГФКБ-позитивными клетками, начиная с птиц (Onteniente B. et al., 1983; Voigt T., 1989; Kalman M. et al., 1989, 1998), но и у них они содержатся наряду с радиальными глиоцитами, что сопровождается особенностями функционирования нейронных систем. мозг нейрон глия Таким образом, приведенные данные указывают на разнообразные влияния эндотелиоцитов, макроглии и микроглии на состояние нейронов, механизмы синаптической передачи возбуждения, модуляции ответа в постсинаптических структурах, которые имеют эволюционно прогрессирующую направленность. Подтверждением нашего предположения о важной роли ансамблевой организации центров ядерного типа является то, что в последнее время существенно пересматривается представление о функциональном соотношении структур в ЦНС. В классическом варианте в ней изучали лишь межнейронные взаимодействия и микроархитектонику нейронов и их отростков. Но появились работы, в которых, на примере структуры коры больших полушарий, в микроансамбли включаются не только нейроны, но и глиальные и сосудистые элементы (Антонова А.М., 1985; Семенова Л. К., Шумейко Н. С., 1994). Согласно авторам, глиоциты (в первую очередь астроциты), локализуясь по ходу сосудистых коллекторов между скоплениями нейронов, осуществляют изолирующую и формообразующую функцию, в том числе и в онтогенезе. В коре больших полушарий такие скопления глиоцитов и сосудов отграничивают колонки нейронов.

Эти работы отличаются от других данных (Васильев Ю.Г., 1998), в которых показана ансамблевая организация на уровне отдельных сосудистых микробассейнов. По нашим представлениям, ведущей является не столько изоляция, сколько возможность модуляции сигнала в нервных клетках, обусловленная в том числе трофическими, ионкорректирующими, местными эндокринными эффектами. Немаловажное значение имеют динамические морфологические и функциональные перестройки нейроглии и эндотелиоцитов, распределения микрососудов в соответствии со степенью активности нейронных микроансамблей и отдельных нейронов.

Нейроглия значима в адаптивных процессах перестройки энергетического метаболизма нейронов, что проявляется в согласованном изменении обмена в нейронах, олигодендроцитах и астроцитах в течение суток (выявленное с помощью определения АТФ-азы) (Гусатинский В.С., Кондратьева Л. А., 1986). Данные реакции имеют место и в условиях патологических нарушений, что проявляется в изменении ультраструктуры и содержания (Свинов М.М., 1999). Одним из важнейших специфических эффектов глиального окружения в ЦНС является ее стабилизирующее влияние на нейроны и их отростки. У взрослых млекопитающих и человека макроглия тормозит формирование и рост нервных отростков, одновременно обеспечивая жизнеспособность и регенерацию нейронов. Тем самым стабилизируется популяция нейронов и их взаимодействия в постнатальном онтогенезе (Sims T.J., Gilmore S.A., 1994). Важное свойство глиальных клеток заключается в их высокой пластичности. Они быстро регенерируют и активно реагируют на изменение функциональной нагрузки в виде изменения строения глиальных комплексов и обилия клеток (Жвания М.Г., Костенко Н. А., 1995).

Представляется, что при изучении функций головного мозга, и особенно таких сложнейших, как мнестическая, осуществление условно-рефлекторной и высшей нервной деятельности, мыслительных и творческих процессов, невозможно ограничиться узким рассмотрением лишь активности нейронов, не рассматривая мозг как сложную полиморфноклеточную систему с комплексом местных гуморальных, пространственно-трофических и иных взаимодействий. Именно динамика этих взаимоотношений может существенно изменять структурно-функциональную организацию ведущей популяции мозга — нейронов, придавая индивидуальность характеру мозговой деятельности.