Жизнь и смерть нейрона

Введение

До недавнего времени большинство нейробиологов считали, что мы родились со всеми нейронами, которые у нас когда-либо будут. В детстве мы могли бы производить несколько новых нейронов, чтобы помочь построить пути, называемые нейронными цепями, которые действуют как информационные магистрали между различными областями мозга. Но ученые полагали, что как только нейронная цепь будет создана, добавление любых новых нейронов нарушит поток информации и отключит коммуникационную систему мозга.

В 1962 году ученый Джозеф Альтман поставил под сомнение это убеждение, когда увидел свидетельство нейрогенеза (рождения нейронов) в области мозга взрослой крысы, называемой гиппокампом. Позже он сообщил, что новорожденные нейроны мигрировали из места своего рождения в гиппокампе в другие части мозга. В 1979 году другой ученый, Майкл Каплан, подтвердил выводы Альтмана в мозге крысы, а в 1983 году он обнаружил нейронные клетки-предшественники в переднем мозге взрослой обезьяны.

Эти открытия о нейрогенезе во взрослом мозге удивили других исследователей, которые не думали, что они могут быть верны для людей. Но в начале 1980-х ученый, пытавшийся понять, как птицы учатся петь, предложил нейробиологам еще раз взглянуть на нейрогенез во взрослом мозге и начать понимать, как это может иметь смысл. В серии экспериментов Фернандо Ноттебом и его исследовательская группа показали, что количество нейронов в переднем мозге самцов канареек резко увеличивается во время брачного периода. Это было то самое время, когда птицы должны были выучить новые песни, чтобы привлечь самок.

Почему мозг этих птиц добавил нейроны в столь критический момент обучения? Ноттебом полагал, что это произошло потому, что свежие нейроны помогли сохранить новые паттерны песен в нейронных цепях переднего мозга, области мозга, которая контролирует сложное поведение. Эти новые нейроны сделали возможным обучение. Ноттебом подумал, что если бы птицы создавали новые нейроны, чтобы помочь им запоминать и учиться, мозг млекопитающих тоже мог бы это сделать.

Другие ученые полагали, что эти открытия не могут быть применимы к млекопитающим, но позже Элизабет Гулд обнаружила свидетельства новорожденных нейронов в отдельной области мозга у обезьян, а Фред Гейдж и Питер Эрикссон показали, что мозг взрослого человека производит новые нейроны в аналогичной области.

Для некоторых неврологов нейрогенез во взрослом мозгу до сих пор остается недоказанной теорией. Но другие считают, что данные открывают интригующие возможности относительно роли нейронов, генерируемых взрослыми людьми, в обучении и памяти.

Архитектура нейрона

Центральная нервная система (включая головной и спинной мозг) состоит из двух основных типов клеток: нейронов (1) и глии (4) и (6). В некоторых частях мозга глии превосходят нейроны, но нейроны играют ключевую роль в мозге.

Нейроны являются информационными мессенджерами. Они используют электрические импульсы и химические сигналы для передачи информации между различными областями мозга, а также между мозгом и остальной частью нервной системы. Все, что мы думаем, чувствуем и делаем, было бы невозможно без работы нейронов и их опорных клеток, глиальных клеток, называемых астроцитами (4) и олигодендроцитами (6).

Нейроны состоят из трех основных частей: тела клетки и двух отростков, называемых аксоном (5) и дендритом (3). Внутри тела клетки находится ядро ​​(2), которое контролирует деятельность клетки и содержит генетический материал клетки. Аксон выглядит как длинный хвост и передает сообщения от клетки. Дендриты выглядят как ветви дерева и принимают сообщения для клетки. Нейроны общаются друг с другом, отправляя химические вещества, называемые нейротрансмиттерами, через крошечное пространство, называемое синапсом, между аксонами и дендритами соседних нейронов.

Различают три класса нейронов:

1. Сенсорные нейроны  передают информацию от органов чувств (таких как глаза и уши) в мозг.
2. Моторные нейроны  контролируют произвольную мышечную активность, такую ​​как речь, и передают сообщения от нервных клеток мозга к мышцам.
3. Все остальные нейроны называются  интернейронами .

Ученые считают, что нейроны — самый разнообразный тип клеток в организме. В этих трех классах нейронов есть сотни различных типов, каждый из которых обладает определенной способностью передавать сообщения.

То, как эти нейроны общаются друг с другом, создавая связи, делает каждого из нас уникальным в том, как мы думаем, чувствуем и действуем.

Рождение

Степень, в которой новые нейроны генерируются в мозгу, является спорным вопросом среди нейробиологов. Хотя большинство нейронов уже присутствует в нашем мозгу к тому времени, когда мы рождаемся, есть данные, подтверждающие, что нейрогенез (научное слово, обозначающее рождение нейронов) — это процесс на протяжении всей жизни.

Нейроны рождаются в областях мозга, богатых концентрацией нервных клеток-предшественников (также называемых нейральными стволовыми клетками). Эти клетки могут генерировать большинство, если не все, различные типы нейронов и глии, обнаруженные в мозге.

Нейробиологи наблюдали, как клетки-предшественники нервных клеток ведут себя в лаборатории. Хотя эти клетки могут вести себя не совсем так, когда они находятся в мозгу, это дает нам информацию о том, как они могут вести себя, когда находятся в мозговой среде.

Наука о стволовых клетках все еще очень нова и может измениться с дальнейшими открытиями, но исследователи узнали достаточно, чтобы иметь возможность описать, как нейральные стволовые клетки генерируют другие клетки мозга. Они называют это родословной стволовых клеток, и в принципе это похоже на генеалогическое древо.

Нервные стволовые клетки увеличиваются путем деления надвое и образования либо двух новых стволовых клеток, либо двух ранних клеток-предшественников, либо по одной каждой из них.

Когда стволовая клетка делится, чтобы произвести другую стволовую клетку, говорят, что она самообновляется. Эта новая клетка может производить больше стволовых клеток.

Когда стволовая клетка делится с образованием ранней клетки-предшественника, говорят, что она дифференцируется. Дифференцировка означает, что новая клетка более специализирована по форме и функциям. Ранняя клетка-предшественник не обладает потенциалом стволовой клетки для создания множества различных типов клеток. Он может создавать клетки только своей конкретной линии.

Ранние клетки-предшественники могут самообновляться или идти одним из двух путей. Один тип даст начало астроцитам. Другой тип в конечном итоге будет производить нейроны или олигодендроциты.

Миграция

Как только нейрон рождается, он должен отправиться в то место в мозгу, где он будет выполнять свою работу.

Откуда нейрон знает, куда идти? Что помогает ему попасть туда?

Ученые заметили, что нейроны используют как минимум два разных способа передвижения:

1. Некоторые нейроны мигрируют, следуя за длинными волокнами клеток, называемыми радиальной глией. Эти волокна простираются от внутренних слоев к внешним слоям мозга. Нейроны скользят по волокнам, пока не достигнут места назначения.
2. Нейроны также путешествуют, используя химические сигналы. Ученые обнаружили на поверхности нейронов особые молекулы — молекулы адгезии, — которые связываются с аналогичными молекулами на близлежащих глиальных клетках или нервных аксонах. Эти химические сигналы направляют нейрон к его конечному местонахождению.

Не все нейроны успешны в своем путешествии. Ученые считают, что только треть достигает места назначения. Некоторые клетки погибают в процессе развития нейронов.

Некоторые нейроны переживают путешествие, но оказываются там, где их быть не должно. Мутации в генах, контролирующих миграцию, создают области неуместных или неправильно сформированных нейронов, которые могут вызывать такие расстройства, как детская эпилепсия. Некоторые исследователи подозревают, что шизофрения и дислексия, связанная с нарушением способности к обучению, частично являются результатом неправильного управления нейронами.

Дифференциация

Как только нейрон достигает места назначения, он должен приспособиться к работе. Этот последний этап дифференцировки является наименее изученной частью нейрогенеза.

Нейроны отвечают за транспортировку и поглощение нейротрансмиттеров — химических веществ, которые передают информацию между клетками мозга.

В зависимости от своего местоположения нейрон может выполнять работу сенсорного нейрона, двигательного нейрона или интернейрона, отправляя и получая определенные нейротрансмиттеры.

В развивающемся мозге нейрон зависит от молекулярных сигналов от других клеток, таких как астроциты, для определения его формы и местоположения, типа передатчика, который он производит, и того, с какими другими нейронами он будет соединяться. Эти только что родившиеся клетки создают нейронные цепи — или информационные пути, соединяющие нейрон с нейроном, — которые будут действовать на протяжении всей взрослой жизни.

Но во взрослом мозгу нейронные цепи уже развиты, и нейроны должны найти способ приспособиться к ним. Когда новый нейрон приживается, он начинает выглядеть как окружающие клетки. Он развивает аксон и дендриты и начинает общаться со своими соседями.

Смерть

Хотя нейроны являются самыми долгоживущими клетками в организме, большое их количество погибает во время миграции и дифференцировки.

Жизнь некоторых нейронов может принимать аномальные обороты. Некоторые заболевания головного мозга являются результатом неестественной гибели нейронов.

- При  болезни Паркинсона нейроны, вырабатывающие нейротрансмиттер дофамин, отмирают в базальных ганглиях, области мозга, которая контролирует движения тела. Это вызывает трудности с началом движения.

- При  болезни Хантингтона генетическая мутация вызывает перепроизводство нейротрансмиттера под названием глутамат, который убивает нейроны в базальных ганглиях. В результате люди бесконтрольно крутятся и корчатся.

- При  болезни Альцгеймера необычные белки накапливаются внутри и вокруг нейронов в неокортексе и гиппокампе, частях мозга, которые контролируют память. Когда эти нейроны умирают, люди теряют способность запоминать и выполнять повседневные задачи. Физическое повреждение головного мозга и других частей центральной нервной системы также может убить или вывести из строя нейроны.

-  Удары по мозгу или повреждения, вызванные инсультом, могут полностью убить нейроны или постепенно лишить их кислорода и питательных веществ, необходимых для выживания.

-  Травма спинного мозга  может нарушить связь между мозгом и мышцами, когда нейроны теряют связь с аксонами, расположенными ниже места повреждения. Эти нейроны могут все еще жить, но они теряют способность общаться.

 

 

Надежда через исследования

Ученые надеются, что, узнав больше о жизни и смерти нейронов, они смогут разработать новые методы лечения и, возможно, даже лекарства от болезней и расстройств головного мозга, которые влияют на жизнь миллионов американцев.

Самые последние исследования показывают, что нейральные стволовые клетки могут генерировать многие, если не все, различные типы нейронов, обнаруженных в мозге и нервной системе. Изучение того, как манипулировать этими стволовыми клетками в лаборатории в определенные типы нейронов, могло бы произвести новый запас клеток мозга, чтобы заменить те, которые умерли или были повреждены.

Также могут быть созданы методы лечения, использующие факторы роста и другие сигнальные механизмы внутри мозга, которые сообщают клеткам-предшественникам создавать новые нейроны. Это позволит восстанавливать, изменять и обновлять мозг изнутри.