Механизмы головного мозга, управляющие движением 13 страница
Возможно, наиболее важным в этой серии исследований явилось следующее наблюдение: если клетки из двух или трех областей развивающейся нервной системы диспергировать (механически или же с помощью мягкой химической обработки), смешать вместе, а затем оставить реагрегировать в подходящей среде, то они проявляют тенденцию сортироваться таким образом, что клетки каждой данной области агрегируют преимущественно с клетками той же области. Избирательная адгезивность, по-видимому, является общим свойством всех живых клеток и обеспечивается наличием на их поверхности особого класса больших молекул, которые служат как для «узнавания» клеток того же сорта, так и для связывания клеток друг с другом. Эти молекулы, функционирующие как межклеточные связки (лиганды), высоко специфичны для каждого крупного типа клеток. В процессе развития они, вероятно, изменяются либо в количественном отношении, либо по характеру распределения. В последнее время сотрудники нескольких лабораторий предпринимают попытки выделить и охарактеризовать те или иные поверхностные лиганды, и, быть может, проблема эта окажется первой среди других проблем биологии развития нервной системы, которые будут успешно решены на молекулярном уровне.
Еще одна особенность агрегации клеток в развивающейся нервной системе состоит в том, что в большинстве областей мозга клетки не только агрегируют друг с другом, но и приобретают некоторую предпочтительную ориентацию. К примеру, в коре головного мозга большинство крупных пирамидных нейронов согласованно выстраиваются в ряд таким образом, что их выступающие апикальные дендриты оказываются направленными к поверхности, а их аксоны располагаются в направлении подлежащего белого вещества. Непонятно, что помогает клеткам выстраиваться в ряд, однако представляется вероятным, что этому способствует либо наличие на поверхности клетки молекул разных классов, задающих ориентацию, либо избирательное перераспределение поверхностных молекул, определяющее исходную клеточную агрегацию.
|
|
|
Одной из наиболее ярких особенностей развивающихся нейронов является постепенное развитие их отростков. Одинаково важными чертами являются также приобретение нейронами одного из способов проведения сигналов (большинство нейронов генерирует потенциал действия, а некоторые обеспечивают только проведение с декрементом) и выбор одного из двух способов взаимодействия клеток друг с другом (либо посредством формирования традиционных синапсов, обеспечивающих выделение химического медиатора, либо посредством формирования щелевых контактов, обеспечивающих электрическое взаимодействие клеток). Для нейробиологов только теперь начинают проясняться некоторые из этих наиболее глубоких аспектов дифференцировки нейронов, и становится понятно, что нейроны могут оказаться значительно более сложно организованными клетками, чем ранее представлялось. Например, недавно было показано, что некоторые нейроны могут переключаться с одного типа медиатора на другой (в частности, с норадреналина на ацетилхолин) под влиянием факторов среды, тогда как другие могут на разных стадиях развития менять тип иона, используемого для распространения нервного импульса (к примеру, кальций - на натрий).
|
|
|
Значительно больше известно о процессе формирования нервных отростков. Нейроны мозга млекопитающих в большинстве своем являются мультиполярами — с несколькими конусообразными дендритами, функционирующими как рецептивные отростки, и одним аксоном, который служит главным эффекторным отростком клетки. Хотя некоторые клетки, как известно, образуют отростки до того, как начинают мигрировать, большинство образует их после того, как займет окончательное местоположение. Точно не ясно, что стимулирует образование отростков. Исследованиями, в которых изолированные незрелые нейроны поддерживались в культуре, выяснено, что отростки образуются только на клетках, прикрепляющихся к подходящему субстрату, и что при этом условии клетки часто способны образовывать совершенно нормальный набор дендритов и аксонов. В некоторых случаях, несмотря на пребывание в искусственных условиях, общий вид дендритов, образованных в культуре, точно соответствует характерному для интактного мозга, хотя при этом клетки лишены всех контактов с другими нейронами и даже с глиальными клетками. Наблюдения такого рода дают основания предполагать, что информация, необходимая для формирования характерного ветвления дендритов, детерминирована генетически.
|
|
|
Доказано также, что во время нормального развития большинство нейронов испытывает различного рода локальные механические влияния, которые модифицируют их форму. Несомненно, что количество и распределение получаемых клеткой импульсов способно коренным образом влиять на окончательную форму нейронов. Яркий пример такого рода влияния представляет мозжечок. Дендриты наиболее характерного класса нейронов коры мозжечка - клеток Пуркинье - в норме располагаются в плоскости, ориентированной под прямым углом к аксонам клеток-зерен, представляющих их основной вход; если по какой-либо причине нарушится обычное регулярное расположение этих аксонов, то соответственно изменится и характер расположения дендритов клеток Пуркинье.
|
|
|
Теперь стало достаточно ясно, каким образом вытягиваются отростки нейронов. У большинства отростков на их растущих концах находятся особые структуры, названные конусами роста. Эти развернутые, весьма подвижные структуры в живом виде выглядят как постоянно и активно исследующие свое непосредственное окружение. Они являются местами, в которых происходит добавление большей части нового материала к растущему отростку. Когда отросток разветвляется, он почти всегда образует новый конус роста. Хотя и по косвенным данным, можно, однако, полагать, что внутри или на поверхности конуса роста на молекулярном уровне заложена способность обнаруживать субстрат, вдоль которого следует расти, а также идентифицировать соответствующие мишени. Эксперименты, в которых нейронам создавались условия для роста на различных искусственных субстратах, показали, что большинство отростков растет преимущественно вдоль поверхности повышенной адгезивности.
На этих двух электронных микрофотографиях видны конусы роста (растянутые, очень подвижные структуры на концах растущих отростков нервных клеток). А. Микрофотография, полученная с помощью обычного электронного микроскопа, показывает два конуса роста на конце аксоноподобного отростка клетки из симпатического ганглия крысы. Диссоциированные клетки росли в культуре, и показанный отросток разветвился за несколько минут до того, как клетка была фиксирована и обработана (без приготовления среза) для микроскопии. Тонкие пальцевидные выросты являются филоподиями, а распластанные поверхности между ними, похожие на тонкие пленочки, - ламеллоподиями. Б. На микрофотографии, полученной с помощью сканирующего электронного микроскопа, показан растущий дендрит нейрона из гиппокампа плода крысы. Конусы роста в этом месте образовались уже через 2 часа после того, как диссоциированные клетки были перенесены в культуру, Оба снимка были сделаны в Медицинской школе Вашингтонского университета Дж. Кочраном, М. Банг (А) и Ст. Ротменом (Б).
Одна из наименее понятных проблем нейробиологии развития состоит в том, как аксоны определяют правильный путь. Это особенно трудно понять, когда аксонам приходится протягиваться на значительные расстояния сквозь структуры мозга, и в одной или нескольких точках своего пути отклоняться либо влево, либо вправо, продвигаясь к противоположной стороне мозга и образуя одно или несколько ответвлений до того, как они окончательно достигнут предопределенного местоположения. В некоторых системах это выглядит так, как если бы аксоны росли просто под влиянием каких-то градиентов, направленных вдоль больших осей головного и спинного мозга; в других системах больше похоже на то, что направление определяется взаимоотношениями с ближайшими соседями. Во многих случаях, однако, кажется, что внутри растущего аксона закодирован тонкий молекулярный механизм, позволяющий аксону точно реагировать на химические или структурные указатели на его пути.
Пример такого направленного роста продемонстрировала недавно Р. Леви-Монтальчини (R. Levi-Montalcini) из Лаборатории биологии клетки Национального совета по научным исследованиям в Риме. Когда она и ее коллеги вводили в головной мозг молодым крысятам белок, известный под названием фактора роста нервов, наблюдался аномальный рост аксонов клеток симпатического ганглия (периферических нейронов, лежащих рядом с позвоночником и, как известно, чувствительных к фактору роста) в спинной мозг и вверх по направлению к головному мозгу, по-видимому, вдоль пути, по которому диффундировал инъецированный фактор роста. В этом случае фактор роста нервов действовал не столько как трофический, или стимулирующий, рост, сколько как тропный, или направляющий, рост, при этом аксоны симпатических нервов отвечали хемотропизмом на присутствие этого фактора. Имеются еще два аспекта проблемы роста нервных отростков, заслуживающие обсуждения. Во-первых, это то, что большая часть нейронов образует вначале значительно больше отростков, чем им необходимо или же чем они способны впоследствии сохранить. Многие молодые нейроны несут на себе множество коротких дендритоподобных отростков, из которых почти все по мере «взросления» клеток втягиваются назад. Аналогично большинство развивающихся аксонов образует значительно больше связей, чем их остается во взрослом состоянии, иными словами, существует процесс ликвидации связей, во время которого устраняются многие (а в некоторых случаях все, за исключением одной) первоначальные связи. Второй аспект состоит в том, что у аксонов имеется тенденция расти в тесном соседстве друг с другом. Этот феномен известен под названием фасцикуляции (расположения пучками). В современных работах предполагается, что фасцикуляция связана с появлением на поверхности большей части аксонов веществ-лигандов, которые делают их способными объединяться и расти совместно с другими родственными аксонами. Одним из преимуществ латерального объединения такого типа является, по-видимому, то, что только первому нейрону в группе необходим традиционный конус роста, другие же аксоны лишь следуют за лидером.
Несомненно, что наиболее важным из нерешенных вопросов в развитии мозга остается вопрос, каким образом нейроны формируют специфическую пространственную структуру связей. Существовавшее ранее представление о том, что большинство связей мозга функционально отбирается из совокупности случайно сформированных соединений, в настоящее время кажется неправомочным. Уже на ранних стадиях развития большинство связей устанавливается точно; существует много доказательств того, что образованные связи специфичны не только для данной области мозга, но и для данного нейрона (а в некоторых случаях и для данных частей нейрона) внутри этой области.
Выдвинуто несколько гипотез для объяснения того, как достигается такая замечательная точность. Некоторые исследователи считают возможным объяснить это тем, что растущие аксоны поддерживают такие же топографические взаимоотношения друг с другом, как и тела их клеток. Другие подчеркивают значение временного аспекта (в частности, критическим является момент, к которому различные группы волокон достигают области своего назначения). Одной из гипотез, в которой делается попытка объяснения всех наблюдаемых особенностей роста, может послужить гипотеза химического сродства, сформулированная Р. Сперри (R. Sperry) из Калифорнийского технологического института. Согласно его точке зрения, большинство нейронов (или, что более вероятно, большинство малых популяций нейронов) приобретают химические различия на ранней стадии своего развития в зависимости от занимаемого положения, и эта их дифференцированность выражается в наличии соответствующих меток, которые и позволяют аксонам узнавать либо аналогичную, либо комплементарную метку на поверхности нейронов-мишеней.
Одним из экспериментальных подходов к изучению того, как нейроны образуют специфическую пространственную картину связей в развивающемся мозге, является воздействие на проекцию сетчатки в зрительном тектуме среднего мозга. При таком подходе, впервые разработанном Р. Сперри из Калифорнийского технологического института, глазное яблоко взрослой лягушки (или головастика на разных стадиях развития) поворачивают или трансплантируют. Позднее, после регенерации зрительного нерва (или после того как головастик превратится в лягушку и аксоны ганглиозных клеток сетчатки, составляющие зрительный нерв, образуют связи со зрительным тектумом), можно видеть, какое воздействие оказала операция на поведение лягушки. Данная серия рисунков, основанная на работе Сперри, вначале демонстрирует поведение нормальной лягушки (А). В первом эксперименте (Б) правый глаз был повернут на 180°; некоторое время спустя после регенерации зрительного нерва оказывалось, что попытка лягушки напасть на приманку, помещенную в верхнем поле зрения, была ошибочной точно на 180°. В следующем эксперименте (В) левый глаз был заменен на правый таким образом, что инвертировалась только дорсовентральная ось (толстая стрелка); в этом случае лягушка делала прыжок вперед к приманке, но в сторону нижнего, а не верхнего поля зрения. Затем (эксперимент Г) была осуществлена сходная трансплантация, но на этот раз глаз был повернут в передне-заднем направлении (тонкая стрелка); лягушка ощущала, что приманка располагалась в верхнем поле зрения, но прыгала вперед, вместо того, чтобы прыгать назад. Вывод из этих экспериментов согласуется с предположением о том, что волокна зрительного нерва при регенерации всегда прорастают опять в ту же часть зрительного тектума, которую они первоначально иннервировали, и что во время нормального развития они «находят путь» к правильному местоположению в тектуме сходным образом. Эти результаты объясняются гипотезой, что как ганглиозные клетки сетчатки, так и нейроны-мишени в тектуме несут химические признаки, помогающие им идентифицировать друг друга.
Хотя эта проблема может быть распространена на все части нервной системы, наиболее интенсивно она исследуется на двух системах - системе иннервации мускулатуры конечностей мотонейронами спинного мозга и системе проекции ганглиозных клеток сетчатки к месту их назначения (у низших позвоночных) в зрительный тектум мозга. Изучение иннервации мышц показывает, что при нормальных обстоятельствах на ранней стадии развития небольшие популяции мотонейронов, называемые пулами, отделяются друг от друга: каждый пул мотонейронов иннервирует преимущественно отдельную мышцу конечности, и при этом случается очень мало ошибок. Хотя пространственное соответствие при иннервации в норме является точным, точность эта не абсолютна. Поэтому если заднюю конечность куриного эмбриона-донора трансплантировать рядом с ногой эмбриона-реципиента, то мышцы дополнительной конечности будут иннервироваться неизменно пулами мотонейронов, которые в норме иннервируют или мускулатуру туловища, или мускулатуру тазового пояса. Картина иннервации явно аномальная, однако тот факт, что мышцы трансплантированной конечности всегда иннервируются одними и теми же популяциями клеток, служит убедительным подтверждением того, что даже при этих необычных условиях мотонейроны руководствуются некоторым определенным (пока еще неустановленным) набором правил.
Ретино-тектальная система оказалась особенно подходящей для анализа обсуждаемой проблемы. На эмбриональных и личиночных стадиях развития амфибий удается производить различные экспериментальные манипуляции, такие, как поворот глазного яблока, составление глаза из различных сегментов двух или более сетчаток, удаление или поворот частей тектума. После окончательного развития системы оказывается возможным анатомически, электрофизиологически, а также в поведенческих опытах выявить связи, сформированные ганглиозными клетками сетчатки. Кроме того, у рыб и амфибий зрительный нерв (состоящий из аксонов ганглиозных клеток сетчатки) способен регенерировать после разрушения, что позволяет проводить аналогичные эксперименты на ювенильных и взрослых животных. В настоящее время на этой системе получено огромное количество данных, и мы суммируем здесь только некоторые основные достижения.
Пожалуй, наиболее важные результаты в исследованиях такого рода получены в двух основных группах экспериментов. В первой группе у лягушек и хвостатых амфибии перерезали зрительный нерв и поворачивали глаз на 180°. В другой группе у золотой рыбки и лягушки иссекали участки зрительного тектума и либо поворачивали их, либо пересаживали в другую часть тектума. В обеих группах экспериментов регенерирующие волокна зрительного нерва, как это могло быть зарегистрировано в электрофизиологических или поведенческих опытах, прорастали в те же самые участки тектума, которые они исходно иннервировали. Наиболее простое объяснение этих результатов состоит в том, что аксоны ганглиозных клеток и их нейроны-адресаты в зрительном тектуме маркированы одинаковым образом и что регенерирующие аксоны растут до тех пор, пока не «опознают» соответствующие метки на нужных нейронах тектума.
Трудно отрицать возможность того, что при этих обстоятельствах волокна различных участков сетчатки смогли оставить свой след на соответствующих группах клеток тектума и что аксоны или нейроны тектума сумели «запомнить» свое предыдущее положение. Однако есть основания полагать, что подобный механизм если и срабатывает, то только на начальных стадиях развития системы. Так, если развивающийся глаз лягушки перевернуть ранее некоторой критической стадии развития, то проекция сетчатки на гектум останется нормальной. Если, однако, поворот совершить после критического момента, то и сетчаточная проекция обязательно повернется на столько же градусов. Аналогичным образом, если перевернуть на 180° весь зрительный тектум зародыша в направлении от хвоста к голове (вместе с частью переднего мозга, лежащего впереди него), то и сетчаточная проекция также инвертируется.
Из этих экспериментов следует, что существует определенная стадия в развитии большинства нервных центров, во время которой центры становятся топографически поляризованными, в результате чего входящие в их состав нейроны приобретают определенные характеристики, которые задают пространственную организацию проекции в целом. М. Джекобсон (М. Jacobson) из Медицинской школы Университета Майами несколько лет назад показал, что сетчатка шпорцевой лягушки Xenopus laevis становится поляризованной примерно к тому времени, когда первые ганглиозные клетки прекращают делиться. Хотя на этой стадии имеется еще только около 1% ганглиозных клеток, будущая пространственная структура проекции сетчатки в тектум, по-видимому, уже детерминируется в это время. Совершенно непонятно, каким образом нейроны получают информацию о положении и как она реализуется в процессе роста их отростков. Однако представляется вероятным, что механизмы детерминации полярности не являются специфичными для нервной системы — они едины для всего организма. Р. Хант (R. Hunt) из Университета Джонса Гопкинса, а также Джекобсон обнаружили, что если развивающийся глаз трансплантировать головастику на бок до начала периода осевой спецификации и оставить в этом аномальном положении на весь критический период, то затем, после ретрансплантации в глазную впадину, ганглиозные клетки формируют связи со зрительным тектумом в соответствии с тем, как глаз был ориентирован в тот период, когда он находился на боку, а не в соответствии с его новым положением в глазнице.
Когда растущий аксон достигает своего адресата, будь то другая группа нейронов или ткань эффектора, например совокупность мышечных или железистых клеток, он образует с ними специализированные функциональные контакты — синапсы. Именно в этих местах информация передается от одной клетки к другой обычно с помощью малых количеств соответствующих медиаторов (см. Л. Иверсен «Химия мозга»). Многочисленные феноменологические данные позволяют предположить, что в синаптической области осуществляется двусторонний перенос веществ, необходимых для выживания и нормального функционирования как пресинаптической, так и постсинаптической клеток. Эти вещества, в комплексе отнесенные к трофическим факторам, являются в значительной мере гипотетическими; только одно (фактор роста нервов) было выявлено и охарактеризовано химически. Это вещество, впервые идентифицированное В. Хамбургером (V. Hamburger) и Р. Леви-Монтальчини из Вашингтонского университета еще в 50-х годах, оказалось белком, существующим в норме в виде двух идентичных аминокислотных цепей, каждая из которых имеет молекулярный вес несколько больше 13000.
Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 91; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!