Влияние нейронов и нервных волокон на клетки глии

Глиальные клетки контактируют практически со всеми частями нейронов и нервных волокон в центральной нервной системе, отделяясь от них щелями, ширина которых составляет около 200 А. Эти щели, с одной стороны, являются путями для распространения электрического тока, а с другой стороны, надежно изолируют нейроны и глиальные клетки друг от друга.

Данные, которые могут свидетельствовать о возможном наличии электрической связи между некоторыми нейронами и глиальными клетками, были получены только на культуре ткани теплокровных животных. Нейроны, которые обладали такой электрической связью с глиальными клетками, имели очень низкий мембранный потенциал — 20—40 мВ и низкое сопротивление — 0,3 МОм. По этим показателям они почти не отличались от самих глиальных клеток. Кроме того, от этих нейронов не регистрировались потенциалы действия. Между теми нейронами, которые генерировали импульсы, и глиальными клетками электрическую связь обнаружить не удалось. И тем не менее между активностью нейронов и мембранным потенциалом глиальных клеток существует очень четкая зависимость.

Согласно классическим представлениям о природе потенциала действия реполяризация нервного волокна является результатом выхода ионов калия из нервной клетки. Синаптические процессы на нейронах тоже сопровождаются выходом калия в межклеточное пространство. Таким образом, при возбуждении нейронов и проведении возбуждения по волокнам калий активно выделяется во внеклеточную среду, а поскольку объем внеклеточной жидкости в щелях, отделяющих глиальные клетки от нейронов, не очень велик, то концентрация ионов калия в них может достигать очень значительных величин. Напомним, что глиальная мембрана чувствительна исключительно к изменениям концентрации калия во внеклеточной среде. А раз так, то возбуждение нейронов или волокон должно автоматически вызывать деполяризацию соседних с ними глиальных клеток. По расчетам М. Трахтенберга и Д. Поллена, сделанным в 1970 году, увеличение концентрации калия в межклеточной щели шириной в 250 А всего на 1 мМ должно вызвать деполяризацию глиальной мембраны на 7,6 мВ (рис. 22).

Деполяризация глиальной клетки под влиянием нервных импульсов

Рис. 22. Деполяризация глиальной клетки под влиянием нервных импульсов1

Перед вами результаты внутриклеточной регистрации потенциала глиальных клеток в изолированном зрительном нерве протея. Коротенькая черточка слева в самом начале осциллограммы соответствует потенциалу покоя глиальной клетки, равному 86 мВ. После того как через нерв, к которому прилегала эта глиальная клетка, пропустили одиночный электрический импульс, мембрана глиальной клетки деполяризовалась (А). При стимуляции зрительного нерва тремя импульсами тока с частотой 1 имп./с деполяризационные процессы, опосредованно вызываемые каждым из стимулов, нанесенных на нервную ткань, стали суммироваться (Б). Увеличение частоты стимуляции зрительного нерва до 2 и 5 имп./с привело к развитию длительной деполяризации мембраны глиальной клетки, которая начинает идти на спад после прекращения

стимуляции (В, Г).

Тонкие вертикальные и горизонтальные линии на рисунке — калибровка

времени и тока.

На рисунке представлены изменения мембранного потенциала глиальной клетки во время электрической стимуляции зрительного нерва протея, к которому эта клетка примыкала. Потенциал покоя мембраны глиальной клетки составлял 86 мВ. При нанесении одного стимула через электрод, введенный внутрь зрительного нерва, мембрана глиальной клетки деполяризовалась на 2,4 мВ за 0,15 секунды. Это видно на верхней кривой, которая отмечена литерой А. Луч осциллографа подскочил вверх на расстояние, превышающее калибровочную отметку, расположенную прямо под этой кривой и равную 2 мВ. Затем луч

1 Р. К. Орканд с соавт., 1966.

осциллографа начал медленно возвращаться к исходной точке. Это говорит о том, что произошла реполяризация мембраны и она вернулась к тому уровню поляризации, который называют потенциалом покоя.

Затем на нерв были нанесены подряд три стимула с частотой 1 импульс в секунду. Произошла суммация глиальной деполяризации. С каждым новым импульсом отклонение луча осциллографа от начального уровня становится все более значительным. Деполяризация усиливается. Это показывает вторая кривая под литерой Б. Под ней — калибровка времени.

При увеличении частоты стимуляции нерва до 5 импульсов в секунду и выше эффекты отдельных залпов импульсов слились воедино, и деполяризация мембраны глиальной клетки в результате суммационных процессов достигла 48 мВ, что предполагает повышение концентрации калия во внешней среде до чрезвычайно высоких значений — порядка 20 Мм. Это показывают кривые под литерами В и Г. Ниже последней кривой — соответствующие калибровки.

Это и есть та четкая зависимость, о которой было сказано чуть выше. При возбуждении нервного волокна деполяризуется мембрана примыкающей к нему глиальной клетки. Поскольку, как нам уже известно, мембрана глиальной клетки электрически невозбудима и ведет себя при прохождении через нее электрического тока как цепочка из омического сопротивления и емкости, длительные сдвиги ее мембранного потенциала не могут быть следствием электрического действия нервных импульсов. Возбужденная нервная ткань действует на мембрану глиальных клеток только через выделяющийся из нее калий.

Если деполяризация глиальной клетки обусловлена аккумуляцией калия в щелях, то последующая реполяризация должна означать, что калий из щелей начинает уходить (рис. 23).

Спад деполяризации мембраны глиальной клетки

Рис. 23. Спад деполяризации мембраны глиальной клетки1

На этом рисунке показано, как спадает уровень деполяризации мембраны глиальной клетки, вызванной длительной (А) и короткой (Б) стимуляцией зрительного нерва протея. Все очень просто. После длительного раздражения нерва концентрация калия в межклеточной щели была выше и на его удаление потребовалось больше времени, спад деполяризации продолжался 70 с. После короткого раздражения концентрация калия была не такой высокой, соответственно и время реполяризации было более коротким — 30 с.

В верхнем правом углу даны калибровки.

Данные, приведенные на рисунке, показывают спад глиальной деполяризации, вызванной длительной и короткой сериями импульсов, которыми раздражали зрительный нерв протея. Литерой А отмечена деполяризация, возникшая в глиальной клетке после стимуляции нерва серией импульсов с частотой 10 импульсов в секунду и длительностью 27 секунд. Литерой Б — деполяризация в результате стимуляции нерва короткой серией импульсов, но с высокой частотой — 75 импульсов в секунду. В верхнем правом углу даны калибровки.

После длительного раздражения нерва, а значит после большой по величине и длительности глиальной деполяризации, ее спад продолжался 70 секунд. После короткого раздражения — 30 секунд. То есть в первом случае концентрация калия в щели была выше, и на его удаление потребовалось больше времени. Во втором случае концентрация калия была не такой высокой, соответственно и время реполяризации было более коротким.

Предполагается, что существует три механизма для устранения ионов калия, накопившегося в результате возбуждения нервных элементов, из межклеточных щелей. Это диффузия ионов калия в межклеточной жидкости, их перераспределение посредством электрических токов по близлежащей глии и активный метаболический перенос калия в глиальные клетки и нейроны. Каждому из этих механизмов мы уделим немного внимания.

Механизм диффузии калия из межклеточного пространства через систему щелей считается основным, поскольку согласно расчетам, основанным на экспериментальных данных, скорость входа калия в нервную ткань почти совпадает по времени со скоростью реполяризационных процессов глиальных клеток. Время диффузии калия из межклеточной жидкости зависит от ряда условий. Во-первых, от числа каналов между нервной тканью и прилегающими к ней мембранами глиальных клеток. Во-вторых, от размеров самих глиальных клеток. Если к нервной ткани прилегают большие участки глиальной ткани, то процесс диффузии будет протекать медленнее, если же с нервной тканью соседствуют тонкие отростки глиальных клеток, то и диффузия будет протекать быстрее. Собственно говоря, эти два условия почти взаимосвязаны, поскольку чем меньше участки ткани, занимающие площади равного размера, тем больше между ними каналов. Однако нужно учитывать еще и тот факт, что ткани разного размера могут обладать и различными биофизическими характеристиками. Такими, например, как емкость и сопротивление.

Еще одним фактором, влияющим на скорость диффузии калия из межклеточных щелей, является температура. Экспериментально доказано, что глиальная мембрана медленнее реполяризуется при низкой температуре (рис. 24).

На рисунке показан процесс деполяризации глиальной клетки зрительного нерва протея с последующей реполяризацией при разных температурах. Верхняя кривая отражает течение процесса при температуре 20 °С, нижняя — при температуре 2 °С. Очень хорошо видно, что во втором случае реполяризация протекает значительно медленнее. На графике показано время спада деполяризации глиальной клетки при разных температурах. По оси абсцисс отложено время, прошедшее после прекращения раздражения зрительного нерва, по оси ординат — изменение концентрации наружного калия в межклеточной щели. Четырехугольники обозначают изменения, которые регистрировали при температуре 20 °С, кружки — при температуре 2 °С. Комментарии, что называется, излишни. При 20 °С процесс протекает значительно быстрее.

Зависимость спада деполяризации мембраны глиальной клетки от температуры

Рис. 24. Зависимость спада деполяризации мембраны глиальной клетки от температуры1

Тоже достаточно простая иллюстрация, из которой следует, что чем ниже температура, тем медленнее протекает процесс реполяризации мембраны глиальной клетки. Верхняя осциллограмма демонстрирует процессы деполяризации мембраны, вызванной раздражением нерва импульсами тока, подававшимися с частотой 5 имп./с при 20 °С, и последующей ее реполяризации. Время раздражения показано точками под прерывистой линией, отмечающей уровень потенциала покоя глиальной клетки. Нижняя осциллограмма демонстрирует развитие тех же процессов при 2 °С. Очевидно, что в первом случае процесс реполяризации протекает быстрее. Это подтверждает и график под осциллограммами, на котором по оси абсцисс отложено время в секундах после прекращения раздражения, а по оси ординат — изменение концентрации наружного калия в межклеточной щели в мМ.

Кривая с четырехугольниками — изменения при 20 °С, кривая с кружками — при 2 °С

Перераспределение калия за счет электрических токов обусловлено самим фактом возникновения этих токов при глиальной деполяри1 X. Брачо, Р. Орканд, 1972.

зации. Считается, что ток, возникающий при деполяризации, может проносить калий по системе связанных между собой глиальных клеток. То есть сами глиальные клетки в этой ситуации являются путями для движения ионов калия. Как это может происходить? При увеличении наружной концентрации калия его ионы начинают проникать через мембрану внутрь глиальной клетки, так как мембрана хорошо проницаема для калия. При прохождении калия через мембрану она деполяризуется, поскольку на ее внутренней стороне уменьшается отрицательный потенциал. Между деполяризованной глиальной клеткой и электротонически связанной с ней соседней недеполяризованной глиальной клеткой из-за разницы концентраций калия возникает ток, по которому калий из деполяризованной клетки начинает поступать в недеполяризованную, деполяризуя ее. Таким образом, калий может распределяться между соседними клетками по всему глиальному «сообществу», и его концентрация в межклеточных щелях будет уменьшаться.

Некоторые исследователи высказывают сомнения в том, что такой механизм может существовать, поскольку не считают соединения между глиальными клетками эффективными путями для электрического тока. На то существует другая теория, согласно которой главная роль в электрическом перераспределении калия приписывается электрическим токам, возникающим в пределах одной глиальной клетки, между ее деполяризованными и недеполяризованными участками, например, между телом и отростками. Поступающий из межклеточной щели калий, таким образом, распределяется по отросткам клетки, и его концентрация в щели уменьшается. Так или иначе, но сомневаться в том, что механизм электрического перераспределения калия в глиальных структурах может работать, не приходится.

Диффузия и электрическое перераспределение калия — это механизмы, которые обеспечивают нормальный ионный баланс в обычных условиях. Однако при интенсивном и длительном возбуждении нейронов в центральной нервной системе соседствующие с ними глиальные клетки окажутся в среде, в которой содержание калия будет значительно повышено на всех участках и со всех сторон. При таких условиях ни механизм диффузии, ни механизм электрического устранения калия из межклеточных щелей не смогут оказаться достаточными. В этой ситуации единственной возможностью снизить концентрацию наружного калия будет активация ионных насосов.

Считается, что ионные насосы могут осуществлять активное устранение калия из межклеточной жидкости при избыточной его аккумуляции в межклеточных щелях. Скорее всего, активный транспорт ионов калия осуществляется посредством натрий-калиевой АТФазы, присутствие которой показано на наружной стороне мембраны глиальных клеток. При этом следует заметить, что механизм активного переноса калия выявлен только у млекопитающих. У молодых животных калиевый потенциал в ответ на раздражение коры спадает длительнее, чем у взрослых, что связывается с низкой концентрацией натрий-калиевой АТФазы в незрелом мозге.

Но почему именно глиальным нейронам уделяется такое внимание, когда речь идет об удалении избыточного калия из межклеточных щелей? Ведь ионные насосы нервных клеток тоже активно «качают» калий. Здесь нет противопоставления. В данном случае рассматривается сравнительное участие клеток глии и нейронов в одном общем процессе.

Возможность участия глиальных клеток в активном контроле концентрации наружного калия проверялась в опытах, проведенных Ф. Хенном с соавторами в 1972 году на обогащенных фракциях нейронов и глии. В этих опытах удалось установить, что фракция глиальных клеток способна аккумулировать значительно больше ионов калия, чем фракция нейронов. Выявленная разница была максимальной при низких концентрациях наружного калия — в пределах 5—10 мМ. Было показано, что активность АТФазы глиальных клеток в 2,5 раза выше активности АТФазы нейронов. Кроме того, при повышении концентрации наружного калия с 3 до 10 мМ его ионы стимулировали АТФазу глиальных клеток в 3,5 раза сильнее, чем АТФазу мембран нейронов.

Эти эксперименты дали исследователям веские основания полагать, что глиальные клетки способны аккумулировать калий против концентрационного градиента благодаря действию натрий-калиевой АТФазы и таким образом регулировать уровень концентрации наружного калия. Такой механизм регуляции показывает, что клетки глии являются не пассивными, а активными участниками процессов передачи возбуждения в центральной нервной системе. И от их участия в этих процессах зависит слаженная работа всех остальных элементов.

Контрольные вопросы и задания

  • 1. В чем основное отличие электрических процессов, протекающих в глиальных клетках и в нейронах?
  • 2. Соотношением концентраций каких ионов определяется мембранный потенциал глиальных клеток в состоянии покоя? Докажите, что внутренняя концентрация ионов натрия в глиальных клетках может составлять около 25 мМ.
  • 3. Можно ли вызвать потенциал действия, деполяризуя мембрану глиальной клетки электрическим током? Объясните смысл опытов С. Куффлера и П. Г. Ко- стюка.
  • 4. Каким образом глиальные клетки взаимодействуют между собой и с нервными элементами? Объясните, что такое щелевые контакты в глиальной ткани.
  • 5. Почему возбуждение нейронов вызывает деполяризацию соседних с ними глиальных клеток? Опишите механизм реполяризации мембраны глиальных клеток.
  • 6. Какие механизмы для устранения ионов калия из межклеточных щелей существуют в ЦНС? Опишите каждый из них.
  • 7. Как работают ионные насосы мембраны глиальных клеток? Расскажите об экспериментах Ф. Хенна.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >