Нейронауки для всех. Детали: клетки Пуркинье

Наша рубрика «Нейронауки для всех» уже имеет два подраздела. Первый — это большие статьи, посвящённые общим вопросам: как появляется нервная система, как она устроена, и так далее. Второй — это статьи, посвящённые инструментам и методам нейронаук. МРТ, КТ, ТМС и другие страшные аббревиатуры. Однако, в этом наборе совершенно точно не хватает ещё одной, самой толстой колоды карт: клеточно-анатомической. Ведь нервная система состоит из большого количества типов клеток, а мозг имеет много различных отделов, которые постоянно упоминаются в наших новостях и статьях. Поэтому мы начинаем и третий цикл статей, который мы условно назвали «Детали». И первая статья этого цикла будет посвящена одному из самых известных типов клеток в мозжечке (структуре, статья о которой еще впереди): клеткам Пуркинье.

Клетки Пуркинье (красный). Фото Yinghua Ma and Timothy Vartanian, Cornell University, Ithaca, N.Y. Part of the exhibit Life:Magnified by ASCB and NIGM


История

Впервые, как несложно догадаться, клетки Пуркинье увидел человек по фамилии Пуркинье. Или Пуркине, как любят говорить пуристы. Чех Ян Эвангелиста Пуркинье был потрясающим человеком, учёным-энциклопедистом, переписывался с Гёте, состоял в ордене иллюминатов, открыл сумеречное зрение, стал одним из родоначальников дактилоскопии и создал прототип киноаппарата, несмотря на то, что был старшим современником Пушкина. Он прожил долгую жизнь, и анатомией занимался чуть более двух десятков лет. В 1837 году он описал «ганглиозные тельца» — клетки Пуркинье.


Ян Эвангелиста Пуркинье


Самое известное изображение этих ветвистых клеток получил другой великий учёный — нобелевский лауреат 1906 года, Сантьяго Рамон-и-Кахаль. На его знаменитом рисунке, растиражированном во всех учебниках, изображены клетки Пуркинье и более глубокие гранулярные клетки в мозжечке голубя.


Клетки Пуркинье (А) и гранулярные клетки (В) мозжечка голубя. Рисунок Сантьяго Рамон-и-Кахаля


Только факты

Клетки Пуркинье — это ГАМК-эргические (передающие сигнал при помощи нейромедиатора гамма-аминомасляной кислоты) униполярные нейроны (с одним аксоном). Длина аксона у мышей – 2 миллиметра, у крыс — 3 миллиметра. Толщина дендритов 2-5 мкм — толстые ветви, 0.5-1 мкм — тонкие. Дендритная сетка у клеток Пуркинье очень развита, плотность дендритных шипиков тоже высокая. В итоге, каждая клетка Пуркинье способна образовать до двухсот тысяч синапсов! Это очень много для нейрона.


Клетки Пуркинье мозжечка мыши

Credit: Jakob Jankowski
University of Bonn
Department of Anatomy and Cell Biology
Bonn, Germany


Клетки Пуркинье — одни из самых крупных нейронов (если не считать длину аксонов) в человеческом мозге. Крупнее только клетки Беца, о которых речь ещё впереди.


Мозжечок. Credit: Anatomography maintained by Life Science Databases(LSDB).


Всего клеток Пуркинье в мозжечке 26 миллионов. Они, вместе с особыми глиальными клетками, так называемой глией Бергманна, образуют слой Пуркинье в мозжечке. Удивительно, что разветвлённая дендритная сеть каждой клетки почти двумерна, подобно опахалу или кораллу, и в слое Пуркинье одноименные клетки ориентированы параллельно, как костяшки домино в различных фокусах с падением последних. Сквозь эти двумерные слои дендритов проходят перпендикулярно им волокна аксонов гранулярных клеток из более глубоких слоев мозжечка и образуют с дендритами клеток Пуркинье синапсы (так называемые gcPc-cинапсы, от Granule-cell to Purkinje-cell synapses). Соединение гранулярных клеток и клеток Пуркинье изображено на том самом известном рисунке с клетками Пуркинье, выполненным Рамон-и-Кахалем.


Глия Бергманна


«Разрез» дольки мозжечка с типами клеток


Тело клетки Пуркинье — грушевидное, а длинный аксон уходит сквозь белое вещество к ядрам мозжечка и вестибулярным ядрам.

Происхождение

Если говорить о происхождении клеток Пуркинье во время формирования организма (у нас есть отдельная статья про то, как формируется нервная система), то есть данные, что эти клетки происходят от общего стволового «предка» вместе с совершенно непохожими на них B-лимфоцитами и альдостерон-продуцирующими клетками коры надпочечника (!).


B-лимфоцит


Зачем они нужны

Роль клеток Пуркинье в том, как мы двигаемся, очень сложно переоценить. Они получают возбуждающие импульсы от лиановидного волокна и моховидных (мшистых) волокон мозжечка и отправляют тормозные импульсы (мы же помним, что ГАМК – основной «тормоз» головного мозга) в глубокие слои мозжечка – его ядра. Если перевести эту активность на простой язык, то клетки Пуркинье играют важнейшую роль в двигательном обучении, в равновесии и коодинации движений. Убедиться в этом просто, зная два факта: во-первых, у человека клетки Пуркинье вызревают сравнительно поздно, к восьми годам жизни человека, а во-вторых, они очень чувствительны к воздействию алкоголя. И именно поэтому дети и пьяные движутся так неуклюже. Кстати, самые развитые клетки Пуркинье — именно у людей, с детства занимающихся сложнокоординированным движением: акробатикой, гимнастикой, фигурным катанием или танцами.


Одиночная клетка Пуркинье


Текст: Алексей Паевский

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

 

Нейронауки для всех. Детали: ядра гипоталамуса

Структура мозга настолько сложна и состоит из такого большого числа компонентов, что порой небольшие группы находящихся рядом нейронов могут иметь разные функции. Так и с ядрами гипоталамуса, о некоторых из которых мы уже упоминали. Но мы говорили вскользь, а хотелось бы рассказать немного подробнее, чтобы дать общее представление об их расположении, многочисленности и разнообразии функций. И ещё раз убедиться в том, насколько сложна регуляция всего организма.

Под таламусом

 

Илл: Wikimedia Commons


Гипоталамус располагается в промежуточном мозге аккурат под таламусом, от того и название «гипоталамус». А снизу он граничит с гипофизом.

По размеру гипоталамус можно сравнить с фалангой большого пальца руки, он весит всего 4-5 г. Сам регион мал, но подотчётных ему и координируемых им систем организма – очень много. По-другому эту область ещё называют «мозгом вегетативной жизни», потому что она ответственна за поддержание гомеостаза организма и его эндокринную (гормональную) регуляцию.

В гипоталамусе есть группы нейронов, называемые ядрами, большинство из которых парные. Более того, среди некоторых ядер можно выделить так называемые подъядра (subnuclei).

Илл: Wikimedia Commons


Ядерное многообразие

Илл: Wikimedia Commons

 

Ядер в гипоталамусе насчитывается свыше 30 штук, они имеют мощное кровоснабжение и выполняют разные функции. Мы расскажем только про некоторые из них. Но сразу нужно оговориться – ещё не все функции ядер гипоталамуса исследованы, и мы говорим о том, что известно на сегодняшний момент.

Преоптическая зона (на рисунке обозначена PO) расположена в передней части гипоталамуса. Она отвечает за терморегуляцию – получает сигналы от терморецепторов кожи, слизистых и самого гипоталамуса. Также в ней находится половое диморфное ядро, которое, как считают специалисты, связанно с сексуальным поведением у животных.

Супраоптическое ядро (на рисунке SO) у человека содержит в себе около 3 000 нейронов. Они синтезируют гормон вазопрессин, который по кровотоку достигает сосочковых протоков почек и повышает реабсорбцию (обратное всасывание) воды.

В биологии есть свои модельные объекты – животные – на которых ставятся почти все эксперименты ввиду их удобства. Это мыши, кролики, плодовые мушки дрозофилы, растение арабидопсис, кишечная палочка. А в нейронауках в качестве «модели» используется супрароптическое ядро. Оно удобно, так как состоит из достаточно больших по размеру клеток, с которыми можно легко проводить различные манипуляции. Также по клеточному составу ядро достаточно однородно, и можно без труда отделить его от других участков мозга.

Паравентрикулярное ядро (на рисунке PV) содержит в себе группы нейронов, которые активируются при стрессе или каких-либо физиологических изменениях в организме. Нервные клетки этого ядра играют жизненно важную роль во многих процессах, например, в контроле стресса, метаболизма, роста, занимаются «слежкой» за репродуктивной и иммунной системами. К примеру, они выделяют такие гормоны как окситоцин, вазопрессин, соматостатин. А анатомическую структуру ядра описали ещё в начале 80-х годов прошлого века.

Супрахиазматическое ядро (на рисунке SC) – главный механизм, отвечающий за циркадные ритмы. Активность нервных клеток, находящихся в нём, изменяется в течение суток и регулируется окружающими условиями, например, продолжительностью светового дня. В норме у человека циркадные ритмы синхронизированы с 24 часовым циклом день-ночь, а при искусственном разрушении этого ядра ритмы утрачиваются. Интересно, что цикла в 24 часа нейроны достигают сообща, а для каждого нейрона по отдельности он может длиться от 20 до 28 часов (это показано в экспериментах на крысах).

Латеральный гипоталамус (на рисунке LT) очень важен для питания и приёма пищи. В экспериментах, когда искусственно стимулировали эту область электрическими импульсами, животные начинали есть и пить, даже будучи сытыми, а при разрушении ядер они отказывались от приёма пищи совсем. Здесь расположены нейроны, регулирующие температуру тела, пищеварение, давление, уменьшающие восприятие боли. Именно в латеральном гипоталамусе находятся клетки, синтезирующие орексины, которые поддерживают бодрствование и влияют на метаболизм.

Правильная работа вентромедиального ядра (на рисунке обозначено VM) определяет чувство насыщения, регуляцию энергетического обмена, контроль потребления пищи, а также нейроэндокринный контроль. Повреждение вентромедиальных ядер у мышей приводит к грубым сдвигам в обмене веществ.

Дорсомедиальное ядро гипоталамуса (на рисунке DM) представляет собой «контролирующий центр» обработки информации, которая поступает от вентромедиального ядра и латерального гипоталамуса. Оно обеспечивает регуляцию кровяного давления, сердцебиения, пищеварения. В экспериментах на крысах определили, что поражение нейронов в этом ядре приводит к снижению двигательной активности, помимо этого хуже происходит терморегуляция. Дорсомедиальное ядро, как и супрахиазматическое, регулирует циркадные ритмы.

Центральная роль аркуатного ядра (на рисунке AR) – поддержание гомеостаза организма. Оно так же, как другие, участвует в регуляции питания, метаболизма, контроле за сердечно-сосудистой системой. Особенно важно аркуатное ядро в воздействии на аппетит, потому как в нём секретируется нейропептид Y и агути-подобный пептид (agouti-related peptide). Именно там располагаются дофаминергические нейроны, которые регулируют секрецию гормона пролактина, выделяемого гипофизом. Другие нервные клетки вырабатывают соматостатин, который подавляет секрецию гипоталамусом соматотрипин-рилизинг-гормона или соматолиберина (стимулирует в гипофизе синтез и выделение соматотропного гормона, который отвечает за рост организма).

Маммилярное тело, маммилярное ядро или сосцевидные тела (на рисунке MB) располагаются в основании гипоталамуса, и учёные считают, что их правильное функционирование влияет на поддержание памяти. При дефиците тиамина (витамина B1) развивается синдром Гайе-Вернике – алкогольная энцефалопатия, которая проявляется нарушениями в сознании, движениях и параличом глазных мышц.

Туберомаммилярное ядро располагается в задней трети гипоталамуса. Состоит из гистаминергических нейронов и вовлечено в контроль пробуждения, обучения, запоминания, сна и обменных процессов в организме. Нервные клетки этого ядра – единственный источник гистамина в мозге позвоночных.

Насчёт некоторых из перечисленных ядер существуют разногласия. Некоторые учёные считают, что их нужно выделять отдельно, тогда как настаивают на присоединении их в каким-то другим ядрам или зонам гипоталамуса. Но уже из того, о чём мы рассказали (а это далеко не все), видны разнообразие и, главное, важность функций этого маленького органа весом лишь 4-5 грамм.


Текст: Надежда Потапова.

P.S. Здесь стоит добавить, что для большинства студентов (и просто желающих знать) задача запомнить, какое ядро за что ответственно и где находится, может оказаться почти невыполнимой. Их можно понять. Поэтому придумали специальное мнемоническое правило, в котором все ядра и их функции проецируют на … корову. Так что учите и блистайте своими знаниями!

Илл: http://epomedicine.com

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Нейронауки для всех. Детали: таламус и его ядра

Рассказы о том, что в мозге даже совсем небольшие структуры выполняют важные функции, уже давно ни у кого не вызывают удивления. Но всё же осознание того, что участки ещё меньшего в размера в тех же самых структурах тоже по-разному работают и много за что ответственны, вызывает восхищение. Ранее мы уже рассказывали про небольшой, но важный гипоталамус и его многочисленные ядра. Теперь пришёл черёд рассказать про таламус и его ядра.

Таламус. Сredit: Wikimedia Commons


Таламус, или, по-другому, зрительные бугры – парный орган, который находится между передним и средним отделами головного мозга и по бокам III желудочка.  По форме он похож на куриное яйцо размером в 3-4 сантиметра. Его передний конец заострён и иногда его называют «передний бугорок», а задний утолщён и называется “подушка”. Таламус невелик, но занимает примерно 80% от всего объёма промежуточного мозга. В каждом из таламусов можно выделить внутреннюю, наружную, верхнюю и нижнюю поверхности. Зрительные бугры связаны с большим числом структур нервной системы, в том числе с гипоталамусом, мозжечком, базальными ганглиями, гиппокампом, корой головного мозга, спинным мозгом.

Таламус собирает информацию от всех органов чувств организма (кроме обоняния) и отправляет к коре головного мозга. Получается, что у каждой сенсорной системы там есть свой «представитель» – особое ядро. По сути таламус можно себе представить как хаб, в который концентрируется много-много информации и затем она транслируется нужным адресатам. Интересно, что, по имеющимся сведениям, не вся информация, которая приходит в зрительные бугры, отправляется к коре, а лишь некоторая часть. Другая часть, вероятно, принимает участие в формировании безусловных и, возможно, условных рефлексов.

Помимо сбора и распределения сенсорной информации, таламус контролирует циклы сна и бодрствования, участвует и в процессе запоминания, осуществляет контроль сознанием автоматических движений. Насчёт последнего, объясним, что этот орган – важнейшее звено системы, которая обеспечивает контроль за привычными нам движениями (бег, ходьба, прыжки, плавание). Ещё таламус регулирует сознание, потому как соединяет участки коры, которые отвечают за восприятие, с другими отделами головного и спинного мозга.

Как и в случае гипоталамуса, в таламусе тоже есть ядра. Это скопления нервных клеток, образующих серое вещество, которые несут определённую функцию. Остальная часть таламуса заполнена белым веществом.

Ядра

Некоторые учёные считают термин «ядра» не совсем корректным и внутри структур, которые так называются, выделяют «подъядра». Можно делать так, а можно обойтись более крупными структурами. Поэтому мы будем говорить о некоторых скоплениях как о «ядрах», хоть, возможно, корректнее было бы разделять их ещё на большее число. Тем не менее, данная статья – не учебник, и наша цель – просто и понятно рассказать о ядрах и группах ядер вообще.

Ядра таламуса


Группа передних ядер таламуса обозначена на рисунке как AN. Считается, что они играют роль в контроле бодрствования, вовлечены в процесс обучения и эпизодическую память. И так же они – часть лимбической системы.

Группа средних ядер таламуса, или дорсомедиальное ядро (на рисунке MD), занимает довольно большой объём таламуса и важно в процессе запоминания, внимания, планирования, абстрактного мышления. Так же оно задействовано, когда человек одновременно выполняет множество действий (так называемый мультитаскинг, который мы никому не рекомендуем). Если нарушается работа этого ядра, то возникает состояние, которое называется «синдром Корсакова». Человек перестаёт запоминать события настоящего, при этом более-менее хорошо может воспроизводить воспоминания о прошлом.

Вентральная группа ядер (на рисунке VNG) состоит из трёх ядер. Первое – переднее вентральное ядро (VA), которое участвует в процессе движения. Оно часто поражается при болезни Паркинсона. Второе – переднее латеральное ядро (VL), задействовано в координации движений и в процессе планирования совершить какое-то движение. Ещё оно играет роль и в том, чтобы учиться двигаться. Это актуально не только для маленьких детей, как можно сразу подумать, но и для взрослых, которые учатся танцевать или плавать.  Третье ядро – заднее вентральное (VPL и VPM), важная часть соматосенсорной системы. Оно воспринимает информацию от прикосновений, положения тела в пространстве (или «мышечного чувства» проприоцепции), боли, вкуса, возбуждения и даже желания почесаться.

Пульвинарное ядро (на рисунке PUL) – ответственно за визуальное внимание. У человека он занимает до 40% таламуса, то есть оно одно из самых больших ядер. Если в нём что-то пойдёт не так, то может появиться одностороннее пространственное игнорирование – когда мозг человека не реагирует на то, что показывают со стороны, противоположной поражённой. Например, при проблеме с левой частью этого ядра, человек либо не видит то, что происходит справа, либо не может сконцентрировать внимание на происходящем. Другим проявлением проблемы с пульвинарным ядром может быть синдром дефицита внимания и гиперактивности.

Метаталамус (на рисунке MTh) – представлен двумя образованиями: парными медиальными коленчатыми телами (на рисунке MG), которые играют роль подкоркового центра слухового анализатора, и латеральными коленчатыми телами (на рисунке LG). Последние — точно такой же подкорковый центр, но уже зрительного анализатора. Оба эти анализатора связаны с  центрами соответствующих анализаторов в коре головного мозга. Считается, что MG могут определять интенсивность и длительность звука.

Если что-то ломается

Как вы могли заметить, у таламуса сложная структура и его функции разнообразны, поэтому, если начинает неправильно работать какой-то из его участков, то могут проявляться совершенно разные симптомы. И если происходят изменения в работе таламуса, это может влиять на функционирование всего организма в целом. Ведь он несёт такую важную роль перераспределителя. Например, может начаться антероретроградная амнезия, при которой человек забывает события, произошедшие после начала заболевания. При этом память о том, что предшествовало появлению симптомов, остаётся нетронутой. Другое редкое заболевание, затрагивающее таламус, впервые описали в 1979 году. Это «фатальная семейная бессонница». Если в гене PRPN произошла определённая мутация, то в участке таламуса, регулирующего сон, начинают накапливаться амилоидные бляшки. Из-за неправильной работы этого отдела человек перестаёт спать. Мутация в гене передаётся по родословной, оттого в названии и есть слово «семейная». Известен только примерно в 40 семьях по всему миру и был у 100 людей. Существует и другая разновидность, это «спорадическая фатальная бессонница», которая так же не имеет особенного лечения, и причина которой так же в неправильной работе таламуса.

Для лечения некоторых заболеваний, которые затрагивают таламус, применяют электроды, которые имплантируются в мозг и могут стимулировать определённую его часть. Например, это используется для устранения симптомов болезни Паркинсона. Метод инвазивный и изменяет электрическую активность, потому для пациентов с такими стимуляторами противопоказана процедура магнитно-резонансной томографии. Зато стимуляцию можно прекратить в любой момент и электроды возможно изъять. Более кардинальным решением является хирургическое вмешательство, когда намерено разрушают определённые участки таламуса – таламотомия. Его используют для лечения тремора при болезни Паркинсона.


Текст: Надежда Потапова

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Микроглия — на страже здоровья и пластичности мозга

 

Микроглия – это настоящая многофункциональная аварийно-спасательная и очень хозяйственная бригада мозга. Она «выносит» из него «мусор», помогает бороться с инфекциями, включает при необходимости химическую «сирену», призывая на помощь иммунные клетки, переключает связи с поврежденных нейронов на уцелевшие и вообще выполняет массу всего крайне полезного. И подробнее об этом мы расскажем в очередной статье из цикла «Нейронауки для всех», подготовленной нашими коллегами Михаилом Диконенко и Романом Деевым из Военно-медицинской академии и Рязанского государственного медицинского университета.

Микроглия. Рисунок Сантьяго Рамон-и-Кахаля


Микроглия (от древне греч. mikros, маленький; glia, клей) представляет собой совокупность мелких удлинённых звёздчатых клеток (микроглиоцитов) с плотной цитоплазмой и сравнительно короткими ветвящимися отростками. Они, как правило, располагаются вдоль капилляров центральной нервной системы (ЦНС). Они знаменательны тем, что это специальные макрофаги, берущие своё начало из соединительной ткани, которые находятся в ЦНС постоянно, а не время от времени (резиденты). Происходят они непосредственно из моноцитов (белых клеток крови, необходимых для иммуннитета) или околососудистых макрофагов и относятся к так называемой макрофагально-моноцитарной системе.

Наследник великого гистолога и мозговые фагоциты

Термин «микроглия» ввёл ученик знаменитого гистолога Сантьяго Рамон-и-Кахаля – Пио дел Рио-Гортега – ещё в 1920-х годах, когда он разделил глиальные клетки мозга на макро- и микроглию. Впоследствии их стали называть клетки Гортега, и так учёный навсегда вписал в историю своё имя.

Пио дель Рио-Гортега (1882-1945 гг.). Credit: Wikipedia


Пио дел Рио-Гортега впервые представил концепцию микроглии, как определённого клеточного элемента центральной нервной системы, в главе Microglia, написанной для книги, ставшей в последствии знаковой – Cytology and Cellular Pathology of the Nervous System (Цитология и клеточная патология нервной системы). Она вышла под редакцией Уайлдера Пенфилда в 1932 году. В этой главе Рио-Гортега говорил о том, что микроглия мигрирует в ЦНС на ранних этапах эмбриогенеза и в развивающемся мозге присутствует временная её форма – амёбоидная. Она, активно фагоцитируя (поглощая посторонние включения), выполняет защитную функцию в ранний послеродовый период, когда ещё не вполне развит гематоэнцефалический барьер и вещества из крови легко попадают в мозг. При этом такие клетки имеют большую способность мигрировать и размножаться.

Происхождение и развитие микроглии. Credit: public domain


Нужно отметить, что Гортега имел предшественников и не он был первооткрывателем клеток Гортеги. Кто был первым, пока что неясно. Вроде бы, в 1878 году Карл Фроманн идентифицировал клеточные изменения в определенных областях головного и спинного мозга умершего от рассеянного склероза пациента 22 лет. Мы точно знаем, что в конце XIX – начале XX века эти клетки видели и зарисовывали Франц НиссльАлоис Альцгеймер и Людвиг Мерцбахер. Да и сам учитель Гортеги, Сантьяго Рамон-и-Кахаль тоже отметился на этом поприще.

 Зарисовки Алоиса Альцгеймера
 Зарисовки Алоиса Альцгеймера


Сейчас уже известно, что микроглия принципиально отличается от полученных из костного мозга моноцитов/макрофагов, которые часто можно найти в периферических тканях. Отличие в том, что её клетки берут своё начало из примитивных макрофагов, которые происходят из стенки желточного мешка, во время эмбриогенеза (8-я неделя эмбрионального развития) и входят в мозговой рудимент через систему кровообращения.

Эти предшественники окружают нейроэпителий развивающегося мозга вокруг к 9-й неделе эмбрионального развития и на 64-й день входят в нейроэпителий, начиная заселять ткань ЦНС. Действительно, микроглиоциты на этом этапе развития имеют амёбоидную, а не ветвящуюся форму.

Интересно, что учёный ещё в 20-х годах 20 века в главе «Microglia» писал, что мигрируя вдоль сосудистых сплетений, оплетающих нервную трубку, и проводящих путей белого мозгового вещества, клетки микроглии проникают во все отделы ЦНС. В сформированном мозге они по своему виду схожи с астроцитами (клетками макроглии), и в таком виде в них можно различить тело и множество не переплетающихся друг с другом отростков (такое состояние микроглии известно сегодня как «покоящаяся» микроглия). То есть представление о них по прошествии десятков лет не сильно изменилось.

Микроглия полностью заселяет ЦНС лишь к 28 дню постнатального развития. Развитие и выживание микроглии зависит от нескольких факторов, включая фактор транскрипции PU.1, а также CSF1R.

В уже сформированном головном мозге клетки микроглии распределены равномерно во всех его отделах и, за редким исключением, проявляют небольшую вариативность. Но как только возникает патологический процесс, эти клетки, активируясь, приобретают амёбовидную форму, которая присуща им на ранних этапах эмбриогенеза.

Дель Рио-Гортега ввёл свои постулаты на основе исследований, опубликованных в серии статей между 1919 и 1927 годами, в которых для маркировки микроглиальных клеток он использовал усовершенствованную методику импрегнации серебром (специальная окраска, которую придумал Камилло Гольджи, за что совместо с Рамон-и-Кахалем получил Нобелевскую премию). Техника визуализации была утомительной и достаточно продолжительной по времени, но она того стоила – получались качественные и чёткие изображения микроглиальных клеток.

Помимо термина «микроглия» дель Рио-Гортега также ввёл термин «микроглиоцит». В учебниках по нейронаукам, издававшихся после Второй мировой войны, эти клетки уже назывались клетками микроглии. Название хоть и слегка изменилось на микроглиальные клетки, но остаётся актуальным до сих пор.

Микроглиоциты бывают разные…

Препараты микроглии, полученные дель Рио-Гортегой: (A) клетка микроглии в «покоящемся» состоянии; (B) клетка микроглии в реактивном состояниию. Credit: public domain


Микроглиальные клетки, рассеянные по всей ЦНС и способные к самообновлению, в зависимости от выполняемых ими функций пребывают в двух состояниях. В состояние «покоящейся» микроглии тело клетки чаще продолговатой формы, 6 мкм в диаметре. В ней отмечается высокое содержание лизосом в цитоплазме, а отростки клеток покрывают площадь порядка 15 мкм и практически не пересекаются друг с другом.

Состоянии активированной микроглии клетки приобретают причудливый амёбоидный вид, напоминая макрофаги. Диаметр их тела увеличивается с 6 мкм до 10 мкм, а охватываемая ими площадь получается равной порядка 30 мкм. Ядро и концентрация лизосом в цитоплазме остаются неизменными. Увеличение или уменьшение отростков клеток микроглии in vivo протекает со скоростью до 2-3 мкм/мин.

«Покоящаяся» микроглия, современная фотография. Credit: Grzegorz Wicher


Реактивная микроглия амёбовидной формы, современная фотография.Credit: public domain.


Несколько фактов об этих клетках:

  • Их плазматическая мембрана клеток пронизана множеством рецепторов к различным стимулам, таким как рецепторы АТФ (показатели местного повреждения тканей), toll-like рецепторы TLR, которые реагируют на молекулы, высвобождаемые гибнущими клетками (DAMPS: damage-associated molecular patterns) или патогенами (PAMPS: pathogen associated molecular patterns).
  • В отличие от других типов нейроглии, имеющих сферические ядра, ядра микроглии продолговатые.
  • Клетки микроглии составляют ~13 процентов от общего числа клеток ЦНС. Однако, среди глиальных элементов коры мозга в количественном отношении микроглия занимает небольшую долю.
  • Микроглиоциты расположены в коре равномерно и притом в шахматном порядке, наподобие протоплазматических астроцитов. По выражению одного из «отцов» гистопатологии нервной системы Павла Снесарева, «каждый микроглиоцит имеет свой район действий».
  • Область распространения отростков одного микроглиоцита не переходит на территорию смежного глиоцита.
  • В последнее время показано, что каждый микроглиоцит со своими отростками связан с определенными нервными и глиальными клетками и сосудами, расположенными в области их разветвления, и как бы объединяет все эти элементы.

Микроглиоциты коры головного мозга характеризуются (в сравнении с другими участками серого вещества), более сложной структурой (причудливое разветвление отростков, придающее им «мохнатый» вид). Они несколько преобладают в средних слоях коры мозга, а именно в областях, богатых капиллярными сетями.

Если на фронтальных срезах мозга, в областях зрительной коры обезьяны, подсчитать количество микроглиоцитов, то окажется, что в разных слоях коры (а их 6) их будет разное количество. Эту работу сделал гистолог Евгений Микеладзе в 60-х годах и выяснил, что в I слое их в среднем 4,5 процентов; во II — 6,0; в III — 11,9; в IV — 38,0; в V — 30,9 и в VI слое — 8,7 процентов.

Многолики и многофункциональны

Микроглиальные клетки выполняют множество различных функций в ЦНС, в основном связанных с воспалением, иммунным ответом и с поддержанием гомеостаза. О некоторых функциях мы расскажем немного подробнее.

Фагоцитоз

Основная функция микроглиоцитов – фагоцитоз. «Съеденная» масса обычно состоит из отходов клеточной жизнедеятельности, липидов и апоптозных телец в невоспалённом состоянии, а также воспалившихся участков, подвергшихся повреждению вирусами, бактериями либо иными агентами. Как только микроглиальная клетка «заполнена», она переходит в неактивное состояние для переработки материала – то есть, подобно хищнику после охоты, успокаивается и уходит «переваривать» добычу.

Активация микроглии при повреждении или инфицировании ЦНС. На этом рисунке под литерой «а» изображена частичная активация микроглии в результате стерильной травмы ЦНС, а под «b» — её диффузная активация в результате вирусной инфекции. Credit: public domain.


При очаговой травме головного мозга (а), который вызывает некроз, зону повреждения окружают астроциты, высвобождая внеклеточный АТФ, вызывающий активацию специфических рецепторов на клеточной мембране микроглии (например: обнаружение АТФ микроглиальными клетками через P2Y12R и P2X4R — два пуринергических рецептора). Микроглиоцит «превращается» в фагоцит и участвует в «зачистке» места поражения (например: обнаружение UDP через P2Y6R рецепторы вынуждает микроглию принять участие в утилизации некротизированной ткани). Затем фагоцит участвует в очистке от клеточного мусора.

После заражения ЦНС (b) нецитопатическим (то есть не поражающим клетки) вирусом (например, LCMV) отростки микроглии становятся короче и менее разветвлёнными. Однако, их ветвистая структура сохраняется. Микроглия в этом морфологическом состоянии может высвобождать провоспалительные (запускающие воспаление) цитокины, участвовать в представлении антигена, облегчая приход в место «аварии» периферических врождённых/адаптивных иммунных клеток.

Чистильщики межклеточной среды

В дополнение к тому, что микроглия чувствительна даже к небольшим изменениям в своём микроокружении, каждая микроглиальная клетка при помощи отростков регулярно исследует среду вокруг себя. Это действие выполняется как в её реактивном состоянии, так и в состоянии покоя. Если во время перемещения микроглиальная клетка обнаруживает какой-либо посторонний материал (повреждённые клетки, апоптотические тельца, нейрофибриллярные клубки при болезни Альцгеймера, фрагменты ДНК или бляшки), то она активируется и незамедлительно его поглощает. Таким образом, микроглиальные клетки также действуют как «домохозяйки», «выбрасывая» случайный клеточный мусор.

Микроглиоциты, «распределённые» по своим территориям для патрулирования в мозге: иммуногистохимическая детекция, реакция с антителами к iba 1. Credit: researchgate.net


Во время развития электропроводимости мозга микроглиальные клетки играют большую роль в регуляции числа клеток-предшественниц нейронов, удаляя умершие нейроны. Существует также доказательство того, что микроглия может перестраивать синаптические связи, ремоделируя и разрушая синапсы в развивающейся ЦНС и ЦНС взрослого человека.

Сигнальные «огни»

Важную роль микроглиальные клетки играют в поддержании гомеостаза в неинфицированных областях ЦНС и способствуют воспалению в инфицированных или повреждённых тканях нервной системы. Они делают это с помощью сложной серии сигналов внеклеточными сигнальными молекулами, которые позволяют им обмениваться информацией с другими микроглиоцитами, астроцитами, нейронами, Т-клетками и миелоидными клетками-предшественниками.

Для активации клеток хорошо подходит цитокин IFN-γ (гамма-интерферон). Кроме того, после этого микроглия высвобождает большое количество IFN-γ во внеклеточное пространство. Это «возбуждает» ещё больше микроглиоцитов и запускает активированный цитокином каскад, незамедлительно запускающий вообще все находящиеся поблизости микроглиоциты.

Полученный из микроглии TNF-α (фактор некроза опухоли α) приводит к тому, что нервная ткань подвергается апоптозу («самоубийству») и усиливает воспаление. IL-8 (интерлейкин-8) способствует росту и дифференцировке B-клеток, что позволяет ему помогать микроглии в борьбе с инфекцией. Другой цитокин, IL-1, ингибирует цитокины IL-10 и TGF-β (фактор роста опухоли β), которые снижают подачу антигена и провоспалительную сигнализацию.

Дополнительные дендритные клетки и Т-клетки добираются в место повреждения посредством микроглиального образования хемотаксических молекул, таких как MDC, IL-8 и MIP-3β (макрофагальный белок воспаления 3β). Наконец, PGE2 (простагландин Е2) и другие простаноиды предотвращают хроническое воспаление, гася микроглиальную провоспалительную реакцию и подавляя ответ Th1 (Т-хелперная клетка).

Хочу вас представить: это антиген

Чтобы «продемонстрировать» иммунной системе антиген, у иммунных клеток существует специальный механизм антигенпредставления, в котором участвуют специфические белки главного комплекса гистосовместимости или MHC, которые бывают нескольких классов. Обычно макрофаги, поглощая патоген, с помощью этих белков надевают его фрагменты снаружи на свою мембрану, чем стимулируют другие иммунные клетки на борьбу с этим конкретным патогеном.

При активации микроглиальные клетки в ответ на раздражители быстро размещают на себе белки MHC класса I/II с чужеродными частицами (в зависимости от того, внутриклеточные они или внеклеточные), становясь эффективными антигенами. В некоторых случаях микроглия также может активироваться IFN-γ для представления антигенов, но не функционирует так эффективно, как при обычном процессе презентации с MHC.

Во время воспаления Т-клетки преодолевают гематоэнцефалический барьер благодаря специализированным поверхностным молекулам, а затем непосредственно связываются с микроглиоцитами для «знакомства» с антигенами. После презентации Т-клетки отвечают на инородное раздражение, формируя иммунный ответ, секретируя цитотоксические вещества и совершая прямые атаки на «чужих».

Микроглиоциты, «распределённые» по своим территориям для патрулирования в мозге: иммунофлюоресценция. Credit: medicalxpress.com


Цитотоксичность

В дополнение к способности разрушать инфекционные агенты с помощью фагоцитоза, микроглия также может выделять различные цитотоксические вещества.

Микроглиоциты выделяют большое количество перекиси водорода и оксида азота в процессе, известном как «респираторный взрыв». Оба эти химические вещества могут непосредственно повреждать клетки и приводить к гибели нейронов. Специфические протеазы (ферменты), секретируемые микроглией, стимулируют белки прямого клеточного повреждения, тогда как цитокины, подобные IL-1, способствуют демиелинизации аксонов – длинных отростков нейронов.

Наконец, микроглия может повредить нейроны с помощью NMDA-рецептор-опосредованных процессов, выделяя глутамат, аспартат и хинолиновую кислоту. Такая цитотоксическая секреция направлена ​​на уничтожение инфицированных нейронов, вирусов и бактерий, также может вызывать нейродегенеративные повреждения. В результате хронический воспалительный ответ приводит к крупномасштабному повреждению ЦНС, поскольку микроглия разрушает в том числе и здоровые клетки мозга в попытке уничтожить инвазивную инфекцию.

Ремоделирование и уничтожение синаптических связей

Это явление впервые заметили немецкие исследователи Карл Блинзингер и Георг Кройцберг в 1968 году при спинальных поражениях. Оказалось, что после воспаления микроглия ремоделирует либо уничтожает синапсы и синаптические связи здоровых клеток, контактирующих с повреждёнными. Это помогает перестраивать нейронные связи после повреждения и перераспределяет функции, утраченные нейроном, между нейронами, не подвергшимися повреждению. Именно это и есть один из принципов нейропластичности.

Следует отметить, что за прошедшее столетие изучение микроглии продвинулось от рисунков пионеров до фотографий электронной микроскопии высокой четкости и огромного разрешения, при этом лишь только приоткрывая завесу тайн биологии микроглиальных клеток. Каждый год захватывающие исследования в этой зоне нейронаук все более ясно раскрывают видение учёных о том, как мы можем лучше всего использовать или даже менять их активность в ходе повреждений или заболеваний ЦНС. Теперь, однако, у ведущих специалистов есть технологии для наблюдения за работой микроглии in vivo, которые должны улучшить наше понимание этих загадочных клеток в последующие десятилетия.

Текст: Михаил Диконенко, Роман Деев

Литература:

1. Быков В.Л. — Цитология и общая гистология. СПб 2002 г. 

2. Мтуи Э. Грюнер Г. Докери П. — Клиническая нейроанатомия и неврология по Фицджеральду. «Издательство Панфилова» Москва 2018 г.

3. Дэвид Л.Ф. Керри М.О. Саммо М.М. — Неврология атлас с иллюстрациями Неттера. «Издательство Панфилова» Москва 2018 г.

4. Александров Ю.И., Анохин К.В — Нейрон. Обработка сигналов. Пластичность. Моделирование. Фундаментальное руководство. Тюмень 2008 г.

5. Каменская М.А. Каменский А.А. — Основы нейробиологии. Москва 2014 г.

6. Беритов И.С. — Структура и функции коры большого мозга. Москва 1969 г.

7. Shepherd M.G. — Neurobiology v1. New York 1983.

8. Benarroch E.E. MD, Daube J.R. MD, Flemming K.D. MD et all. — Mayo Clinic Medical Neurosciences. Organized by Neurologic System and Levels. 5th edition. Mayo clinic 2008.

9. Kaas J.H. — Evolution of nervous systems. University of California, Irvine 2007.

10. Kettenmann H. Hanisch U. Noda M. and all — Physiology of Microglia. Physiol Rev 91: 461–553, 2011; doi:10.1152/physrev.00011.2010.

11. Nayak D. Roth T.L. McGavern D.B. — Microglia Development and Function. Annu. Rev. Immunol. 2014. 32:367–402

 

Нейронауки для всех. Выпуск первый: как появляется нервная система

Портал «Нейроновости» начинает большой цикл статей, которые будут рассказывать о строении мозга, о том, как работают нервные клетки и сам мозг и о том, как мы обо всём этом узнали.


Начнём мы с самых азов, с нейроэмбриологии. Давайте заглянем в наше далёкое-далёкое прошлое – в то время, когда каждый из нас был ещё яйцеклеткой с двойным ядром, образовавшимся сразу после слияния с ней сперматозоида. Наверняка вы видели прекрасные анимационные фильмы, созданные нашими зарубежными коллегами, которые демонстрируют весь процесс метаморфоз одной клетки в целый организм вплоть до его рождения. Но что в этот момент происходит с нервной системой? Как появляется наиболее сложный в организации орган со всеми путями и «нитями», что связывают его даже с самыми дальними уголкам тела? В этом мы сегодня с вами попытаемся разобраться.

А начинается всё с деления.

Дробь в квадрате

 

Деление оплодотворённой яйцеклетки называется дроблением. Это процесс, при котором растёт количество клеток, но их объём остаётся прежним, то есть с каждым следующим этапом они уплотняются и становятся мельче. Причём, это происходит достаточно быстро (одно деление в 12-20 часов), и уже к третьим суткам количество клеток в «комке» или так называемом концептусе может достигать 16. К этому моменту он уже «подплывает» к концу маточной трубы, в которой находился до этого (и где, собственно, произошло оплодотворение) и готов выйти в полость матки.

Интересно, что само дробление происходит неравномерно, и если под микроскопом посмотреть на концептус к концу второго дня, то вы увидите, что он похож на конгломерат из разного размера плотно спаянных шариков.

Внимание, дальше вас ждёт череда новых и необычных терминов, но не пугайтесь — мы всё будем пояснять.

Выход будущего эмбриона в полость матки ознаменовывает собой новый этап его развития – стадию морулы (ассоциация: для него полость – это «море»). Морула отличается от предшественника чуть большим количеством клеток, а также их организацией: внутри клетки связаны свободными щелевыми контактами, а снаружи формируют плотную оболочку – барьер, который обособляет внутреннюю среду. И делается это не случайно, ведь ещё через день (на 4-е сутки) в центре появляется заполненная жидкостью полость – бластоцель.

Морула и бластоциста на ранних этапах развития


Клеточная масса отчётливо разделяется на два слоя: внешний – трофобласт (та самая плотная оболочка), и внутренний – эмбриобласт, та клеточная масса, из которой начнут развиваться органы.

На 6-7 день будущий эмбрион «устаёт» скитаться в «бескрайнем» пространстве маточной полости и находит «пристанище» на одной из стенок, куда с помощью ферментов, лизирующих (расщепляющих) ткани внедряется трофобласт и «ставит» зародыша «на якорь». Теперь он готов развиваться дальше.

При чём здесь желудок?

 

Самое интересное начинается в конце второй недели, когда клетки обретают способность двигаться и перемещаться. Вся клеточная масса эмбриобласта (внутреннего слоя, внешний теперь будет обеспечивать питание и устойчивость) начинает расщепляться на две части и образовывать «бутерброд», состоящий из двух слоёв: верхнего (или эпибласта) и нижнего (или гипобласта). Чуть позже гипобласт «уходит» на строительство внезародышевых органов (например, желточный мешок), а эпибласт в итоге расходится на эктодерму (с греч. ektós — наружный) и энтодерму (entós — внутренний). Весь этот процесс тоже имеет своё наименование и называется «гаструляция». Да-да, вы всё верно поняли, если подумали, что здесь «замешан» желудок. Всё более расширяющаяся внутренняя полость и слои клеток вокруг неё действительно напоминают этот столь важный пищеварительный орган, поэтому греки решили не заморачиваться с термином.

Но «двухслойного сэндвича» (бутерброд уже был) или, по-научному, зародышевого диска, который получился из эктодермы и энтодермы, явно мало для такого сложного организма на выходе, поэтому необходимо «масло» или третий слой. Он-то как раз и формируется «перебежками» клеток в межслойное пространство, становясь мезодермой. Так образуется гаструла.

Обратите внимание на то, что здесь, на этапе гаструлы, происходит самое первое функциональное разделение клеток – их дифференциация по слоям. А самое главное – зародышевые листки или слои сэндвича активно влияют друг на друга, помогая друг другу развиваться и образовывать новые структуры. Влияние это называется первичной эмбриональной индукцией, а его результат — развитие из эктодермы (та, которая снаружи) нервной ткани.

 

Нейрогенез полным ходом

 

Наконец, мы подошли к основной теме нашей сегодняшней беседы. Введение получилось немного долгим, но это самые основы, тот фундамент, благодаря которому мы с вами дальше будем всё лучше и лучше понимать организацию нервной системы.

Как вы думаете, как называется процесс, который следует за гаструляцией и благодаря которому первой формируется одна из самых главных систем нашего организма? Тут и гадать не проходится – добавляем уже известный нам корень «нейро» и получаем нейруляцию. В результате неё закладываются осевые структуры, и в дальнейшем формируется система нервных волокон и связей.

Нейруляция запускается в начале третьей недели (на 16-е сутки), когда появляются первые признаки формирования нервной пластинки, и, главным образом, завершается к 23-м суткам. Но! Развитие мозга продолжается как в эмбриональном периоде, так и достаточно долго после рождения ребёнка.

Как же там всё происходит? Благодаря первичной эмбриональной индукции, о которой мы уже говорили, из эктодермы появляется нервная пластинка. Здесь клетки окончательно «определяются», что быть им всё их существование нервными.

Нервная пластинка – это дорсальная (спинная) часть эктодермы, и она, в свою очередь, формируется по так называемому кранио-каудальному градиенту. Да, много новых слов, но потерпите ещё немного.

Чтобы понять, что за такой градиент, представьте собаку. У неё есть морда (голова, череп или краниум), которая впереди, и есть хвост (кауда), который сзади, а стоит она на четырёх лапах. Поэтому понятие «кранио-каудальный» или следующий от «головы» к «хвосту» здесь сохраняет свою логику. В процессе эволюции человек приобрёл прямохождение и фактически встал с четырёх «лап» на две, а вот направление осталось. Поэтому теперь кранио-каудальное движение означает движение спереди назад (от носа к затылку, от груди к позвоночнику).

Вскоре края нервной пластинки приподнимаются, и формируются нервные валики, между которыми появляется нервный желобок. Валики всё растут и приходят к тому, что смыкаются посередине – так образуется замкнутая нервная трубка. Краниальный и каудальный участки нервной трубки некоторое время остаются зияющими, а называют их снова без особой фантазии – просто нейропорами (передний и задний нейропор соответственно). Передний нейропор закрывается на 23-26-й день развития (и даёт развитие головному мозгу), а задний — на 26-30-й день.

Развитие нервной системы. Слева – дорсальная (спинная) поверхность зародыша, справа — дорсальная часть зародыша в поперечном разрезе на уровне, обозначенном пунктиром слева. Развитие последовательно сверху вниз: нервная пластинка (19 сутки), нервный желобок (20 сутки), нервная трубка (22 сутки) и зачаток ЦНС (24 сутки).


После смыкания валиков и появления нервной трубки часть эктодермы, расположенная сверху («спинка») формирует новую структуру  нервный гребень.

 

Почти нервная система

 

Помните, мы говорили, что на стадии нервной пластинки клетки уже «определились»? Именно поэтому уже нервная трубка содержит специфические стволовые нейрональные клетки (они же матричные), которые впоследствии становятся источником почти всех клеток центральной нервной системы. Они размножаются и дают начало нейробластам (будущим нейронам) и глиобластам (будущим глиоцитам). Часть из них остаётся «без преображения» и впоследствии формирует внутреннюю выстилку желудочков мозга и мозговых каналов — эпендиму.

Нейробласты в процессе развития преобразуются в нейроны, которые относятся к статической популяции, то есть в живом организме они теряют свою способность к обновлению. Однако, здесь есть исключение. Теряют способность к обновлению все нервные клетки, кроме обонятельных нейронов эпителиальной выстилки носовых ходов, а также некоторых нейронов гиппокампа и обонятельной луковицы.

Глиобласты, которые затем превращаются в макроглию и становятся астроцитами и олигодендроцитами, наоборот, могут обновляться в течение всей жизни человека.

Из нервного гребня формируются элементы «нервной» периферии, а также великое множество других очень важных структур. Только посмотрите, здесь целый арсенал:

  • чувствительные нейроны спинномозговых узлов и ганглиев черепных нервов;
  • симпатические нейроны;
  • парасимпатические нейроны;
  • шванновские клетки и клетки-сателлиты спинномозговых узлов и ганглиев черепных нервов (которые образуют миелиновую оболочку);
  • меланоциты (клетки, вырабатывающие пигмент меланин, защищающий кожу от ультрафиолета);
  • клетки каротидного тельца (располагается в раздвоении сонной артерии а внутреннюю и наружную и регулирует артериальное давление);
  • клетки, продуцирующие кальцитонин (один из гормонов щитовидной железы);
  • хромаффинные клетки (располагаются в мозговом веществе надпочечников и вырабатывают гормоны адреналин, норадреналин и энкефалин);
  • хрящ, кости, мышцы и соединительная ткань лица;
  • верхне- и нижнечелюстной отростки;
  • одонтобласты (которые отвечают за развитие зубов);
  • эндотелий роговицы.

Воистину универсальное эмбриональное образование, не так ли?

Но мы не сказали про ещё одну важную часть — нейрогенные плакоды. Это небольшие утолщения эктодермы, которые располагаются сбоку по обе стороны от формирующейся нервной трубки в краниальном (головном) отделе зародыша. А важные они потому, что дают начало нейронам обоняния (обонятельная выстилка в камерах носа), вестибулярному и слуховому ганглиям или узлам, а также чувствительные нейронам некоторых ганглиев черепных нервов.

Вот такой сложный процесс проходит наша нервная система, чтобы сформироваться и дать нам возможность существовать, ощущать, видеть слышать и мыслить. А в следующем выпуске мы поговорим с вами об её составных элементах – нейронах и нейроглии – более подробно.


Текст: Анна Хоружая

 

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Нейронауки для всех. Двигатель жизни: сила покоя

Итак, когда мы с вами немного разобрались со строением нервной ткани и её основных единиц, давайте поговорим об одной из её основных функций — передаче информации. На что похож язык нейронов, из каких «слова» он состоит, какая особенность микростроения позволяет клеткам «разговаривать» и почему покой дорогого стоит? Сегодня мы попытаемся ответить на все эти вопросы.

На самом деле процесс, о котором мы будем вести беседу, обеспечивает возможность жизни как таковой в принципе. Благодаря ему бьётся наше сердце, дышат лёгкие, работают мозг, периферическая нервная система, обеспечивая слаженное взаимодействие всех органов. Не было бы этого всего – не было бы жизни, и как только клетки теряют свою некоторую характерную особенность, которая помогает обеспечивать их взаимодействие со средой, они погибают. Что же это?

 

Электричество внутри нас

Ответ лежит на поверхности, и о нём нам расскажет мембрана.

Наверняка многие со школы или первых курсов университета могут напрячься и вспомнить о двухслойном строении клеточной мембраны, которая состоит из двух рядов направленных вовне гидрофильных «головок», представляющий собой многоатомные спирты, и двух рядов гидрофобных углеводородных «хвостов», которые смотрят внутрь. Такое строение позволяет ей быть очень избирательной и хорошо сохранять баланс внутренней среды.

Клеточная мембрана и мембранные белки


Однако, совсем от внешнего пространства «отгораживаться» нельзя, поэтому у клетки должны иметься входы, по которым либо свободно, либо с затратой энергии будут поступать те или иные вещества. Входы могут быть совершенно разными: это и поры («дырки» в мембране), и оформленные белками «ворота» — ионные каналы, ионобменники (которые могут менять один ион на другой при том условии, что они оба присоединяются к разным его концам одновременно), активные транспортёры, передача веществ по которым идёт с затратой энергии. Здесь их ещё можно поделить на те, которые осуществляют транспорт пассивно и по «доброй воле» или активно (ионы «расплачиваются за проезд» АТФ).

Так вот, эти самые входы обладают разной пропускной способностью для разных ионов, поэтому химический состав внутри и за границами клетки будет сильно отличаться, в том числе и зарядом. При том, что клетка в общем-то электронейтральна. А разность зарядов и составов обеспечивает постоянный ток ионов в разных направлениях, что, собственно, формирует мембранный биопотенциал и обеспечивает тот самый необходимый для жизни процесс, о котором мы говорили ранее – возможность возбуждаться и передавать электрический сигнал.

Тут стоит оговориться, что обладают этим свойством не все клетки, а только возбудимые – мышечные и нервные. Но всем и не нужно, а нейроны и миоциты справляются со своей задачей прекрасно, когда с ними всё в полном порядке.

Итак, электрическая сигнализация. Откуда она берётся? Из разности потенциалов. Почему возникает эта разность потенциалов? Из-за разности концентраций заряженных частиц. А разные концентрации почему? Потому что есть «разнонастроенные» ионные каналы. Всё просто! Или нет?

Ионный «фейс-контроль»

Один из основных мембранных ионных «двигателей», создающий неравномерность зарядов — активный транспортёр, который работает на АТФ и называется Na/К насосом (натрий-калиевая аденозинтрифосфатаза). Эти белковые «ворота» связывают внутри 3 иона Na+ с АТФ, в связи с чем изменяется их строение. Теперь к измененному белку снаружи присоединяются 2 иона K+, весь комплекс «разворачивается» на 1800, К+ оказывается внутри, а три иона Na+ остаются за пределами мембраны. В итоге получается, что насос «выкачивает» из клетки чуть больший положительный заряд, создавая там отрицательную среду, то есть работает в электрогенном режиме, и получается, что цитоплазма в районе мембраны по отношению к внеклеточному пространству заряжена отрицательно.

Схема работы Na/К насоса


Однако, это не всё. Калий может свободно покидать клетку ещё через один тип ионных каналов, которые приспособлены специально для него и открыты, когда клетка находится в невозбуждённом состоянии, таким образом усугубляя отрицательный заряд. А вот натрий так спокойно проникать внутрь уже не может, потому что Na+-каналы, собственно, как и каналы для хлора, о которых речь пойдёт дальше, преимущественно закрыты. Конечно, натрий мог бы ещё пройти сквозь поры, но так как он очень «общителен» и легко ассоциируется с другими веществами, а особенно – с водой, его размеры просто не позволяют ему «просочиться» сквозь узкий проход.

Вот и получается, что концентрация калия в клетке высокая – 145 ммоль/л, а натрия – малая, «всего» 12 ммоль/л. Во внешней среде, наоборот, калия 5 ммоль/л, а натрия – 145 ммоль/л. И это всё постоянно меняется, перетекает и обеспечивает движение жизни, создавая равновесный потенциал (равновесие в скоростях перетекания), он же мембранный потенциал, он же потенциал покоя.

Каналы «решают»

Однако, мы упустили ещё одну важную деталь. Сказав об открытых в невозбуждённой клетке каналах для калия и закрытых каналах для натрия, мы не объяснили, почему же возникает такая ионная «несправедливость». Дело в том, что каналы делятся ещё на два подтипа: лигандзависимые и потенциалзависимые. Не спешите чесать затылок, сейчас всё объясним.

У этих «ворот» совершенно разное строение. Например, лигандзависимые каналы в своей структуре сцеплены с рецептором. Лиганд – это некое вещество, атом или молекула, которое связывается с неким фундаментом (акцептором), под него подходящим, что приводит к трансформации этого «ровного» фундамента в, скажем, ступеньки. Механизм этого взаимодействия легко можно воспроизвести в голове, представив ключ и замок. Замок закрыт, но как только в него вставляется ключ и проворачивается, то внутренняя схема замка меняется, и дверь открывается.

То же самое и с каналом. При образовании комплекса лиганд-рецептор (снаружи мембраны) меняется его проницаемость, и туда, где «ворота» открылись, с «улюлюканьем»несётся толпа ионов.

Дело обстоит иначе с потенциалзависимыми ионными каналами. Они открываются только тогда, когда меняется потенциал покоя мембраны, или, по-простому, клетка возбуждается. У них даже строение характерное и состоит из двух частей: наружной – активационных «резвых» створок, которые открываются и закрываются быстро, и внутренней – инактивационных створок, которые закрываются и открываются медленно (вспомним ленивца Блица из мультфильма «Зверополис»).

И вот тут может возникнуть небольшая путаница, которая иногда очень мешает студентам, только начинающим своё знакомство с обширным полем физиологии. Дело в том, что когда клетка спокойна («граница открыта»), инактивационные створки распахнуты и спокойно могут пропускать «беженцев». Что как раз и происходит с калием, потому что его часть потенциалзависимых «ворот» содержит только лишь одну часть створок. А вот натрию сложнее, у него есть оба типа створок, и если инактивационные (внутренние) открыты, то активационные (внешние) – закрыты, что играет ключевое значение, так как натрий в основном находится снаружи.

Ионы калия движутся по каналу


Но вот как только клетка начинает возбуждаться и генерировать потенциал действия – состояние, противоположное потенциалу покоя, всё меняется… А как, мы с вами обсудим в следующий раз!


Текст: Анна Хоружая

 

Предыдущие выпуски:

как появляется нервная система,

клетки нервной системы.

Нейронауки для всех. Двигатель жизни: потенциал действия

…На них надвигалась огромная волна. Однако, всё, что они могли делать – наблюдать, как она стремительно приближается, безжалостно переворачивая привычное равновесие. Они жили вмурованными в двухслойную почву под ногами, оберегали свои врата от внешних посягательств и не впервые переносили подобное цунами, но каждый раз испытывали леденящий всё их естество трепет. В течение лишь нескольких миллисекунд один за одним всё ближе распахивались врата их товарищей, не выдерживая напора, и в них с бешенной силой и победными возгласами устремлялись толпы постоянно дежуривших неподалёку «противников»… Они понимали, что до полной капитуляции оставались считанные мгновения. За их спинами уже расположились налившиеся силой воины, которые были готовы, как только падут последние двери, нестись что есть мочи к следующей крепости, унося с собой необходимые для доставки союзникам ценные сведения. Три… Два… Один.

Распространение потенциала действия по аксону


Согласитесь, похоже на сценарий какого-то средневекового фильма? И всё это ежесекундно в огромных количествах происходит в каждом уголке нашего организма. Как вы, наверное, уже могли догадаться, речь идёт о потенциале действия (ПД) – другом двигателе, который обеспечивает нашу жизнедеятельность.

В прошлый раз мы говорили о потенциале покоя, который полностью противоположен нашему нынешнему «герою», но только в их постоянном чередовании может существовать чудо под названием «жизнь». Покой обеспечивает внутреннюю устойчивость и равновесие, которые можно регулировать и менять действием. Именно так «сотрудничают» потенциалы, то есть без одного невозможен и другой. Но давайте обо всём по порядку.

 

Упражнение «ямка-горка» для мембраны

Мы с вами уже разобрались, какие бывают каналы и как они поддерживают внутреклеточный гомеостаз (постоянство среды). Калиевые каналы обладают одними «вратами», который в покое открыты, а натриевые – двумя, и те, которые располагаются более близко к наружной среде – в покое закрыты. Но вот как только клетка начинает возбуждаться и генерировать потенциал действия, всё меняется. Как? Двухфазно и циклически.

Дело в том, что потенциал действия тоже не возникает на «пустом» месте, и для того, чтобы он появился, нужен свой определённый по силе пороговый раздражитель. Здесь самое время сказать о том, что раздражители тоже бывают разными: одни подходящие (пороговые, их воздействие вызывает ПД), другие слабоваты (подпороговые, вызывают локальный ответ, но до возбуждения «не дотягивают»), а третьи – чрезмерные (надпороговые, могут и «убить»).

Итак, фаза 1 – деполяризация.

В покое мембрана поляризована, и мембранный потенциал (разница между зарядами внутри и снаружи) составляет у нервных клеток и волокон -70 мВ (для сравнения, у мышечных клеток он равен -90 мВ). Как только на клетку действует раздражитель (предположим, он по силе «идеален»), натрий, которого много вовне, устремляется внутрь через постепенно открывающиеся потенциал-зависимые ионные каналы и деполяризует мембрану до того самого порогового уровня (около -55 мВ), после которого лавинообразно и одномоментно распахиваются абсолютно все подобные каналы. Таким образом, мембрана резко меняет свой заряд, и там, где был (-), становится (+) – внутри, а там был (+), становится (-) — снаружи. Мембрана приобретает заряд около +40 мВ, и тот пик, пока она заряжена положительно (выше 0 мВ), называется овершутом (нет это не «очень крутой» шут, а такой термин).

С этого момента начинается фаза 2 – реполяризация.

Достигнув максимального пика, сила потенциала падает, и ионный ток начинает обратное движение (нужно же убрать «всё это безобразие» после «вечеринки»). При этом потенциал-зависимые натриевые каналы захлопываются, но открываются каналы для К+, который начинает активно выходить по градиенту концентрации (помним, что снаружи его меньше) и восстанавливать внутренний отрицательный заряд мембраны. Однако, натрия в клетке всё ещё много, и чтобы его ликвидировать, подключаются энергозатратные К/Na-насосы. В итоге все эти механизмы перевыполняют свою работу, и клетка слегка уходит в гиперполяризацию, приобретая даже более сильный отрицательный заряд, который ей в принципе нужен для покоя. Но потом всё быстро восстанавливается, и вот мембрана уже снова готова к приходу сокрушительного деполяризующего «цунами».

Конечно, стоит отметить, что вторая фаза потенциала действия, как правило, обусловлена не одним, а целым семейством взаимодействующих калиевых, кальциевых и других токов.

 

Потенциал воображения

Какие же условия нужны для того, чтобы появился потенциал действия? Прежде всего, должно «прилететь» раздражение либо извне, либо благодаря блуждающим по мембране локальным потенциалам, которые, объединившись на аксональном холмике (его можно даже назвать «родильным домом»), переходят в реальный потенциал действия. С этого момента он становится нервным импульсом и передаётся по аксону, вызывая в синаптическом окончании выброс нейромедиаторов, которые устремляются к мембране другой клетки через синаптическую щель (узнаёте картину, описанную в начале статьи?)

Кроме того, то самое раздражение должно быть достаточным по силе, чтобы достичь порога возбуждения, достаточным по времени действия и скорости нарастания. Имеет значение даже его направление (если оно электрическое, то в зависимости от полюса направление будет либо в сторону деполяризации, либо в сторону гиперполяризации).

Так, стоп. А почему нас это волнует? Поясним: чем мембрана более деполяризована, тем клетка более активна и готова на ответ в виде потенциала действия. Например, если её начальный заряд не -70 мВ, а -60. Именно поэтому любое малейшее движение (зачёркнуто) раздражение, даже подпороговой силы, будет способно клетку возбудить и заставить её «вздрогнуть в конвульсии».

Когда же она находится в состоянии гиперполяризации, ей глубоко «всё равно», какими пороговыми раздражителями на неё воздействуют. Например тогда, когда мембранный потенциал составляет -100мВ, и до порога нужно преодолеть целых 45мВ. Она «не в духе», и только сила гораздо выше обычного для неё порога сможет «достать» её из этого состояния и помочь ответить потенциалом действия. Но уж как только она достигает этого порогового значения, то отвечает со всей той силой и «пылкостью», на которую способна (согласно закону «всё или ничего»). А измеряется уровень «пылкости» количеством имеющихся в мембране потенциал-зависимых Na-каналов, которые могут открыться одновременно.

Движение ионов через каналы в процессе распространения потенциала действия


Но и это ещё не всё. Оказывается, на разных стадиях развернувшегося потенциала действия клетка тоже поддаётся (или не поддаётся) влиянию. Если попытаться её тронуть на этапе быстрой деполяризации и сразу после пика, то ничего не произойдёт, потому что в первом случае все возможные Na-каналы уже будут открыты, а во втором – инактивированы (закрыты на обе «щеколды»). Этот период называется периодом абсолютной рефрактерности. Но если ещё немного подождать и попытаться пораздражать мембрану за овершутом, то мы увидим ответ, хотя он будет достаточно слабым – период относительной рефрактерности. Это потому, что некоторые натриевые каналы уже «оправятся» и наполовину откроются, готовясь к новой серии возбуждения. Сразу за ним идёт короткий период повышенной возбудимости, так как клетка ещё не «остыла» и готова откликнуться потенциалом на любой слабый сигнал.

Если же мы потерпим ещё немного, избежав период гиперполяризации, и дадим раздражение, то увидим, что мембрана снова гипервозбудима, потому что попадём в так называемый следовый потенциал.

Такие вот клеточные «американские горки».

Ближе к «телу»

Интересно, что амплитуда потенциала действия у каждой клетки постоянная и своя, правда, колеблется не так сильно и в основном составляет по абсолютной величине около 90-110 мВ. А вот длительность ПД у разных типов клеток различается и довольно значительно, вплоть до нескольких порядков.

Наиболее «быстрострельные» потенциалы действия у крупных миелинизированных аксонов двигательных нейронов (2-3 мс), а также скелетных мышечных волокон (3-4 мс). Оно и понятно – им важна скорость. Прежде всего, для выживания.

Гладкомышечные клетки генерируют потенциалы действия не всегда, а их продолжительность может составлять от 10 до 30 мс, как, например, в клетках желудочно-кишечного тракта. Здесь сила сокращения мышцы зависит от того, насколько часто возникают серийные потенциалы. Схема такая: чем чаще один ПД следует за другим, тем больше кальция поступает в клетки, и, соответственно, тем сильнее сокращается и тонизируется гладкая мышца.

У кардиомиоцитов (мышечных клеток сердца) длительность ПД больше на целых два порядка и составляет 300-400 мс, так как здесь во время второй фазы потенциала внутрь поступают ионы кальция, которые нужны для того, чтобы запустить сокращение. В итоге чем длительность ПД отдельной клетки выше, тем сильнее сокращение сердца.

Зачем нам всё это нужно знать? Всё достаточно просто. Потенциал действия и колебания потенциала покоя лежат в основе возбуждения и торможения у животных и человека. Главные характеристики ПД – амплитуда и длительность – могут быть как функциональными, так и носить патологический характер, что сразу даст нам понять о «сбоях в системе». А исследование суммарных потенциалов действия клеток и органов легло в основу таких незаменимых в современной врачебной практике диагностических методик, как электрокардиография, электроэнцефалография и электромиография.


Текст: Анна Хоружая

Предыдущие выпуски:

как появляется нервная система,

клетки нервной системы,

потенциал покоя.

Безглютеновое общество: дань моде или необходимость?

Поколение X  иногда называют поколением «героинового шика», так как их молодость выпала на 1990-е с печальной романтизацией наркотиков, возросшим употреблением героина, первыми сообщениями о ВИЧ и попытками его изучения. Поколение Y иное, люди сейчас гораздо больше следят за здоровьем и уделяют огромное внимание своему питанию. Целую бурю вызвало появление на прилавках магазинов безглютеновых продуктов, многие скупают безглютеновую муку, пирожные и печенье пачками, записав глютен во враги номер один. Но чем же так вреден глютен, что такое целиакия и как наше питание может быть связано с развитием неврологических заболеваний?

Биопсия тонкого кишечника у больного с целиакией


Целиакией называют недуг, который развивается из-за повреждения  ворсинок тонкой кишки некоторыми пищевыми продуктами, содержащими определённые белки: глютен (клейковину) и близкие к нему белки злаков (авенин, гордеин и др.)

Откуда корни?

Целиакия – это аутоиммунное заболевание, а первые упоминания о нем относятся еще к эпохе Древней Греции, когда Аретайос из Каппадокии впервые привели описание заболевания, которое назвали «Diathesis coeliacus». Но подробное изучение целиакии началось лишь в конце 19 века, когда Самюэль Ги описал классические симптомы болезни у детей: диарею, анемию, истощение и отставание в развитии. В 1950 Виллем Дике впервые предположил, что развитие таких симптомов можно связать с глютеном. В настоящее время выделяют несколько форм непереносимости глютена:

  1. Аутоиммунная (целиакия, глютеновая атаксия)
  2. Аллергическая непереносимость глютена (пищевая аллергия)
  3. Неаутоиммунная непереносимость глютена

Целиакия считается многофакторным заболеванием, в основе которого лежат иммуногенетические нарушения. Объясняется она двумя основными теориями, которые раскрывают повреждающее действие глютена: токсической и иммунологической.

Токсическая теория предполагает наличие прямого токсического воздействия нерасщепленных (по разным причниам) белков на клетки слизистой оболочки кишечника. Согласно же иммунологической теории, целиакия возникает из-за иммунного ответа в результате повышенной восприимчивости к глиадину (растворимая фракция глютена). Кроме того, считают, что свою отрицательную роль могут играть некоторые вирусы, а также врожденные особенности рецепторов клеток кишечника, что приводит к аномальному связыванию глиадина.

Долгое время полагали, что целиакия характеризуется прежде всего кишечными проявлениями и возникающими на этом фоне психическими нарушениями (эмоциональная лабильность, повышенная возбудимость, замкнутость, негативизм). Но оказалось, что все не так просто.

Впервые данные о связи неврологических нарушений с целиакией появились к концу 1960-х. Тогда врачи впервые описали случаи, когда болезнь начиналась с неврологической симптоматики у 16 пациентов. У всех них наблюдалась атаксия (несогласованность движений), которая в некоторых случаях сопровождалась периферической нейропатией (поражением периферических нервов).

К началу нулевых стали появляться публикации, посвященные распространенности различных неврологических нарушений у пациентов с аутоиммунными заболеваниями кишечника (целиакией, болезнью Крона, язвенным колитом). Оказалось, что они развиваются у 3-70 процентов пациентов, при этом характер этих нарушений различен: в литературе описано развитие и полинейропатии (когда поражается сразу несколько нервов), заболеваний сосудов мозга, эпилепсии, нейромышечных заболеваний, демиелинизации (разрушения миелина) и других. Так, по данным  специалистов университета Sheffield, целиакия – основная причина идиопатической (появляющейся якобы на «пустом» месте) атаксии.

У 6-10 процентов пациентов целиакия начинается неврологическими нарушениями. При этом, по данным исследовательской группы университета Sheffield, при манифестации целиакии с неврологических симптомов у части пациентов уже обнаруживаются нарушения со стороны желудочно-кишечного тракта. Целиакия может проявляться и мигренью, и миоклониями (подергиваниями мышц), и другими неврологическими проявлениями, которые редко наталкивают на мысль о каких-то нарушениях обмена.

Предполагали, что целиакия может увеличивать распространенность миастении (быстрая утомляемость мышц), но исследование, законченное в 2018 году, не подтвердило наличия связи между миастенией и целиакией.

Целиакия и мозг

На сегодняшний день наиболее частые проявления целиакии – это атаксия (с миоклонусом и без) и периферическая нейропатия, реже всего хорея (размашистые беспорядочные движения) и эпилепсия. У таких пациентов нередко обнаруживаются нарушения глотания, речи и движений. Активно обсуждают связь целиакии и деменции, в некоторых исследованиях даже описывают ее связь с болезнью Альцгеймера, либо с изолированным снижением когнитивных функций.

До сих пор до конца не понятно, почему этот недуг «берет в оборот» нервную систему. Предполагают, что неврологические нарушения связаны с аутоиммунными процессами. Так, у пациентов с глютеновой периферической нейропатией при биопсии нервов обнаруживают скопления лимфоцитов, которые говорят о «возбужденном» иммунитете.

Интересно, что «нервные» проблемы сопровождают не только целиакию, но и другие аутоиммунные заболевания кишечника, в том числе болезнь Крона и язвенный колит. Например, заболеваемость рассеянным склерозом (когда разрушается миелиновая «обертка» нервных отростков) в популяции пациентов с болезнью Крона увеличивается в пять раз, а в некоторых исследованиях продемонстрировали наличие у пациентов с язвенным колитом еще и атрофии зрительного нерва. Такие общие черты, возможно, связаны с общими патогенетическими механизмами, при которых нарушается нормальная так называемая кишечно-мозговая ось, а клеточный иммунитет излишне активируется.

Диагностика целиакии строится на проведении серологического исследования (то есть проверяется, есть ли антитела к собственным антигенам). В крови пациентов с целиакией обнаруживают антитела к глиадину, но самый точный способ – определение антител к тканевой трансглутаминазе (фермент, «сшивающий» и делающий прочными белки соединительной ткани).

Лечить будем?

Один из самых важных вопросов, который встает перед специалистом, к которому пришел пациент с целиакией – как его лечить? По данным многих исследований, стандартная терапия возникших  неврологических нарушений малоэффективна. Первый принцип лечения целиакии – это безглютеновая диета, при которой из питания исключаются продукты, содержащие глютен. Следует помнить, что «скрытый» глютен может присутствовать и в полуфабрикатах из мяса и рыбы, колбасных изделиях, соусах, мороженом и других сладких продуктах, йогуртах, концентрированных сухих супах и бульонных кубиках.

Такая безглютеновая диета эффективна в терапии неврологических нарушений у 90 процентов пациентов, но примерно у 10 процентов развивается устойчивая (рефрактерная) форма заболевания. В этих случаях назначают глюкокортикостероиды и ограничивают еще некоторые другие белки (например, сою), иммуноглобулины. Также такие пациенты находятся в группе риска по некоторым опасным заболеваниям, например Т-клеточной лимфоме (опухоль, происходящая из клеток иммунной системы), что требует проведения скрининга.

Есть или не есть – вот в чем вопрос

Так что бум безглютеновых продуктов, который наблюдается в последнее время – это, безусловно, лишь дань моде, причем, не совсем обоснованная. Питаясь лишь безглютеновыми продуктами, мы лишаем себя необходимых витаминов. Цельнозерновые продукты – один из важнейших источников пищевых волокон, которые необходимы для нормального функционирования кишечника.

Распространенность целиакии, по данным последних эпидемиологических исследований, составляет лишь около 1 процента от общей популяции, при этом наблюдаются некоторые региональные различия. Нельзя не отметить, что за последние 25 лет произошел почти пятикратный рост распространенности целиакии, но все же ее доля в популяции не столь велика и не требует самоназначения безглютеновой диеты.

 


Текст: Елизавета Макашова

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

 

Виртуальная и дополненная реальность на Дальнем Востоке: реальный Нейронет

Когда Дальневосточный Федеральный Университет (ДВФУ) в декабре 2017 года выиграл грант на создание Центра Национальной технологической инициативы дорожной карты НейроНет, многие восприняли это с неким скепсисом: Владивосток и нейротехнологии? Не бывает! Главный редактор нашего портала  приехал во Владивосток, чтобы самостоятельно разобраться с тем, что происходит в Приморском крае.

Credit: StockVault.Net

Прошло полгода, и первые результаты уже есть – Центр Национальной технологической инициативы (НТИ) по нейротехнологиям и технологиям виртуальной (VR) и дополненной реальностей (AR) уже не просто создан, но и скоро представит первые результаты своей работы. Это произойдет на Восточном экономическом форуме (ВЭФ) в сентябре 2018 года. Еще до создания Центра на базе ДВФУ появился Консорциум по виртуальной и дополненной реальности, в который вошли ведущие российские игроки в этой области. Что важно – речь идет не об индустрии развлечений, а о серьезных приложениях, предназначенных для промышленности, космоса, энергетики и медицины. Это принципиальный момент, потому что именно эти направления создадут основу для будущих рынков, на которые и ориентируется НТИ в целом и Нейронет в частности.

Какие примеры готовых проектов уже можно привести? Всего в Консорциум вступило около 30 компаний и стартапов. Вот некоторые из этих игроков формирующегося рынка, часть из которых уже вошла в Консорциум, часть – готовится к нему присоединиться.

КРОК – от Эрмитажа до орбитальной станции и АЭС

Компания «КРОК», планирующая войти в Консорциум, уже известна профессиональному сообществу своими проектами виртуальной и дополненной реальности. Так, например, в номинации «Лучший IT-проект в области культуры 2017 года» в конкурсе «Проект года» победила ее цифровая копия зала Юпитера Государственного Эрмитажа в виртуальной реальности.

Если же говорить о промышленной реальности, то среди самых ярких проектов можно отметить тренажер устранения чрезвычайных ситуаций, созданный для Росатома, в котором специалисты проводят тренировки работы в условиях аварии на АЭС. Более «мирный» проект создан для Мособлгаза. С его помощью компания может дистанционно обучать сотрудников обслуживать газовое оборудование в виртуальной и в дополненной реальностях. Похожий проект создан для проведения тренингов персонала центра обработки данных «Компрессор» – учиться обслуживанию серверных залов и дополнительного оборудования можно теперь в виртуальной среде. Ну и конечно, самый масштабный проект компании был создан для Центра подготовки космонавтов – виртуальная орбитальная станция.

OneMoreWorld – дополненная реальность и не только

Одна из главных «фишек» компании OneMoreWorld, вошедшей в Консорциум на базе ДВФУ – это системы контроля работы оборудования. Их проект AR Service получает информацию с датчиков и выводит данные в системе дополненной реальности на смартфон или планшет: техник наводит камеру на агрегат и видит на экране не только его изображение, но и все параметры, необходимые для работы.

Если же говорить о чисто виртуальной реальности, то здесь одним из флагманских проектов стала система визуального наблюдения за удаленными объектами и сравнения фото с 3D моделями объектов, которая используется для управления крупными строительными проектами.

Rubius – обучение и компоновка

Вошла в Консорциум и компания Rubius, которая стала не только автором многих приложений дополненной реальности, но и образовательным центром, создавшим свою Rubius Academy.

«Самый очевидный эффект использования – в обучении, — уверен директор по развитию компании Rubius Сергей Дорофеев. — Студента не требуется везти на промысел или разрабатывать макет оборудования. Достаточно надеть очки и работать с оборудованием в реальном размере. Особенно интересно применение дополненной реальности: мы ставим оборудование в пустой комнате или на открытом полигоне, после этого человек может ходить в очках вдоль виртуального оборудования и взаимодействовать с ним согласно инструкции, которая выводится тут же на очках. После обучения также возможно принять и экзамен без участия человека, отработав, например, критические ситуации. В случае использования дополненной реальности (в отличие от виртуальной) устраняется эффект головокружения, а также происходит более полное погружение — можно перемещаться вдоль оборудования, нет проводов к очкам и манипуляторов».

«Нейросети Ашманова» — компания, организованная в 2015 году, создала свой фреймворк PuzzleLib, на основе которого разработаны детектор объектов на фотографии, стилизатор, детектор локаций, поиск NSFW (небезопасных и неподходящих для работы) объектов и т.д.

«STEM-игры» и резидент Сколково «Цереврум» работают в области обучения. Они интегрируют в обучающие программы элементы искусственного интеллекта, виртуальной и дополненной реальности.

Консорциум пополнили и два крупных российских вуза, что также важно и для будущего развития сообщества VR/AR. Иркутский государственный университет в рамках сетевого сотрудничества будет заниматься разработкой фреймворка — платформы AR-навигатора для использования дополненной реальности в системах глобального и локального позиционирования, а также создать обучающие курсы по VR/AR.

Ульяновский государственный университет запускает проект «Мастерская лидерских компетенций цифровой трансформации» для формирования партнерской сети с институтами развития (АСИ, «Кибер Россия» и другими), инновационным бизнесом, венчурными компаниями (РВК) и университетами-участниками Консорциума.

Будущее уже начинается

Важно и то, что Центр компетенций уже имеет четкую программу развития на ближайшие годы, главная цель которой – не только внедрять новые разработки, но и создать первое в России экспертное сообщество НейроНет.

«Центр НТИ на базе ДВФУ имеет дорожную карту до 2021 года. К этому времени должна быть создана не только конкурентоспособная платформа разработки, но и мощное сообщество разработчиков, действующее на принципах open source, формирующее собственные рыночные стандарты и представляющее собой питательную почву для мирового уровня IT-компаний родом из России. Первые разработки центра — в области персональных виртуальных ассистентов — будут представлены в сентябре 2018 года в рамках Восточного экономического форума», — говорит проректор по развитию ДВФУ Дмитрий Земцов.

Уже на этот год намечено создание единой платформы VR/AR приложений, доступной для независимых разработчиков и конкурирующей с ведущими зарубежными разработками, библиотеки алгоритмов и программ для решения задач распознавания образов и систем глубокого обучения, необходимых при создании продуктов VR/AR.

В принципе, Центр и должен стать своеобразным хабом для всех разработчиков виртуальной и дополненной реальности в нашей стране. Кроме этого, на 2018 год намечено и создание многих учебных материалов – как по самим дисциплинам VR и AR, так и дистанционной автоматизированной системы обучения в трёхмерной интерактивной учебной среде на базе AR/VR по дополнительным общеразвивающим программам технической направленности на основе свободного программного и аппаратного обеспечения. Так что в этой области Центр будет работать сразу по обе «стороны баррикад».

«Мы не будем устанавливать правила. Мы мечтатели. Мы придумываем миры», — так видит миссию Центра компетенций Дмитрий Земцов.

Текст: Алексей Паевский

 

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

 

День в истории: женщина, поставившая барьер между мозгом и кровью

Наша иммунная система не знает о присутствии в нашем организме мозга благодаря ему – гематоэнцефалическому барьеру (ГЭБ), концепция которого сформировалась ровно 100 лет назад. За это миру стоит быть благодарным женщине номер один – первому как профессору в Женевском университете, так и академику в Советском Союзе женского пола. Три для назад Лине Соломоновне Штерн  исполнилось бы 140 лет.

Лина Штерн


Исследовательница пережила многое: сексизм и притеснение прав женщин на родине, жестокую конкуренцию в швейцарской лаборатории и предательство со стороны советской власти. Тем не менее это не помешало ей не просто выжить, но и прожить 90 лет, выпустить более 250 научных статей и даже на закате своих дней сделать несколько открытий в области биологических эффектов радиации. Однако, в мировую историю она вписала себя именно созданием теории о защитном барьере между мозгом и кровяным руслом.

Про притеснение в правах

Будущая первая советская леди в науке родилась в Курляндском герцогстве (нынешняя Латвия) 26 июля 1878 года. С самоопределением и выбором профессии у нее проблем не было: состоятельный отец семейства с семью детьми мог позволить себе отучить чад там, где они хотели. При этом он полностью разделял стремление дочери к наукам о человеке, поскольку видел в ней потенциал.

Тем не менее на медицинский факультет Московского университета Лина Штерн поступить не смогла. Не потому что не хватило знаний – ее бы взяли с удовольствием, да вот нравы тогда были не те, брали только юношей. Для девушек тоже существовали свои институты, однако, еврейской барышне и туда путь был закрыт. Поэтому она поступила просто – уехала в 1900 году в Швейцарию.

В Женевском университете на медицинском факультете Лина быстро стала «звездой»: пытливый ум, любознательность и отличная память делали свое дело. Первая научная статья не заставила себя долго ждать и была посвящена физиологией почек. Тогда же девушка начала увлекаться физиологической химией, которая сейчас называется биохимией. Но врачом после блестящего окончания обучения поработать ей не довелось, так как сразу после выпуска ее забрал к себе ассистентом на кафедру физиологии человека Жан-Луи Прево, ставший ее близким наставником, давшим опыт и чрезвычайно широкую свободу действий.

Жан-Луи Прево. 1838-1927


Новоиспеченный ассистент приступила к закрытию белых пятен в науке, что она очень любила, и занялась клеточным дыханием – темой, которая только набирала обороты интереса в научной среде. За этим последовали десятки статей, написанных совместно с Федерико Баттелли, который стал преемником Прево после его смерти. Доктор Штерн анализировала жидкости в тканях различных клеток, обращая особое внимание на нейроны, работала с катализаторами и подступала к одному из главных открытий в ее жизни.

Про барьеры

О том, что в мозге между кровью и непосредственно мозговой тканью есть что-то, что мешает веществам так просто из кровеносного русла проникать в мозг, задумались еще в конце 19 века – небезызвестный Пауль Эрлих проводил опыты с крысами и увидел, что краситель, введенный в вену, окрашивал все ткани, кроме мозга. Однако, вывод о том, что просто мозг не имеет сродства к венам, поэтому и не проник в орган, оказался в корне неверным.

Пауль Эрлих


Затем последовали успешные опыты с попыткой покрасить спинномозговую жидкость: мозговые ткани тоже прокрашивались, тогда как остальные органы – нет. Термин Blut-Hirn-Schranke («»перегородка» между кровью и мозгом») возник после экспериментов с инъекцией токсинов (например, желчных кислот) прямо вглубь белого вещества, после чего нейротоксическая кома развивалась почти мгновенно.

До готовой концепции ГЭБ оставалась самая малость, и Лина Штерн преодолела эту финишную прямую. Она создала уникальную методику по введению веществ прямо в четвертый желудочек мозга крыс, чтобы при этом они оставались живыми, и можно было наблюдать за диффузией этого вещества. А в 1918 году вышла статья о защитном барьере между мозгом и кровяным руслом, переросшая к 1921 году в обзор и сообщение в Женевском медицинском обществе, где впервые и прозвучал термин «гемато-энцефалический барьер».

«Между кровью, с одной стороны, и спинномозговой жидкостью, с другой, есть особый аппарат или механизм, способный просеивать вещества, обыкновенно присутствующие в крови или случайно проникшие в неё. Мы предлагаем называть этот гипотетический механизм, пропускающий одни вещества и замедляющий или останавливающий проникновение других веществ, гемато-энцефалическим барьером», — звучало в сообщении, которое Лина сделала со своими студентами Эрнестом Ротлиным и Раймондом Готье.

 

1. Эпендима
2. Нейрон
3. Аксон
4. Олигодендроцит
5. Астроцит
6. Миелин
7. Микроглия
8. Капилляр


Про зависть

Но если с Прево работать было одно удовольствие, то Баттелли воспринимал конкуренцию за первенство, на которое Штерн претендовала, крайне болезненно. Несмотря на то что исследования проводились, а статьи – публиковались совместно, он отказывался делить частями премий и грантов. Понятно, что на одном энтузиазме далеко не уедешь, поэтому Штерн отстаивала свои права, наконец доказав руководству университета, что имеет право называться экстраординарным (внештатным) профессором. Это поставило ее чуть выше заведующего кафедрой Баттелли, однако, не дало никаких преференций в зарплате. А когда подошло время занять должность штатного профессора, об исследовательнице пошли в прессе разговоры типа «большевичка», «еврейка». Это стало последней каплей в терпении, и женщина приняла предложение близкого друга и основателя русской школы биохимии Алексея Баха вернуться в СССР. И не зря.

Она сразу стала заведующей отделом биохимии Института инфекционных болезней имени И.И.Мечникова и профессором 2-го Медицинского института. Уже через несколько лет в ее ведение вручили целый исследовательский Институт физиологии, основанный в 1929 году, и выпуск газеты «Бюллетень биологии и экспериментальной медицины». Она также создала отдел возрастной физиологии в Институте охраны материнства и младенчества.

Занималась Лина Соломоновна разным. Она продолжала работать с гемато-энцефалическим барьером, продолжала работать над концепцией сосудосуживающих и сосудорасширяющих метаболитов и значения оксидов в тканевом дыхании. Важно то, что во времена Великой Отечественной войны инъекциями препаратов в спинномозговой канал она лечила столбняк и разрабатывала методы терапии туберкулезного менингита. В частности, тайно вывезенным из США стрептомицином ей впервые в СССР удалось избавиться от этого заболевания, которое забирало тысячи жизней прежде всего солдат.

Стрептомицин


В 1938 году ее сделали первой женщиной-членом Академии наук СССР, а через пять лет наградили Сталинской премией и орденами Красной Звезды и Трудового красного знамени. А еще через два года она лишилась института и подверглась репрессиям – врагов у нее было немало, так как крупные успехи всегда вызывают зависть.

В 1949 году холодным январским вечером в ее дверь постучались сотрудники НКВД (а исследовательнице на тот момент минул 71 год). После застенков Лубянки выход в ее ситуации был лишь один – расстрел, но его заменили длительной ссылкой в отдаленный район страны – город Тараз, располагавшийся на самом краю Казахстана.

Уголовное дело Еврейского антифашистского комитета, по которому была осуждена Штерн


Существует несколько предположений, почему вдруг Сталин смягчил приговор исследовательнице. Согласно одним, она была слишком титулованной, талантливой и широко известной в международном еврейском сообществе, а согласно другим, работала над разработкой препарата, тормозящего старение, что представлялось крайне притягательным. При этом все данные разработок оставались только с ней.

Тем не менее, ссылка ее не сломила, и возвратившись в Москву в 1953 году, она нашла в себе силы вернуться к работе и продолжить прерванные исследования. Перед самой смертью в 1968 году (90 лет) ее интересы концентрировались на биологических эффектах радиации. А гемато-энцефалический барьер и поныне остается одной из самых интересных и важных тем в нейробиологии.


Текст: Анна Хоружая

 

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.