Нейроглия. Глиальные клетки

1. Нейроглия

Нейроны мозга тесно окружены глиальными клетками, или глией.
Количество глиальных клеток превышает число нейронов примерно в 10
раз, что составляет около половины объема мозга.
Глиальные клетки впервые описаны и так названы Р. Вирховым в 1859 г.,
который считал их своеобразной разновидностью соединительной ткани
(«нервным клеем»), расположенной между нервными клетками и
«склеивающей» их между собой.
К. Гольджи отмечал, что глия отличается от обычной соединительной
ткани как морфологически, так и химически и, кроме того, имеет иное
эмбриональное происхождение.
В отличие от нервных клеток глиальные клетки способны делиться во
взрослом организме и часто являются источником опухолей мозга и так
называемых «глиальных рубцов» при регенерации пораженной нервной
ткани.
По строению и свойствам глиальные клетки беспозвоночных (пиявка) и
позвоночных (земноводные, млекопитающие) животных принципиально
сходны.

2. Типы глиальных клеток

Глию подразделяют на микро- и макроглию, иногда к глиальным клеткам
относят и клетки эпендимы.
Макроглия включает:
- астроциты,
- олигодендроциты,
- Шванновские клетки (аналоги олигодендроцитов в периферических
аксонах)
- и клетки радиальной глии.
Клетки микроглии представляют собой популяцию клеток-фагоцитов
нервной системы. По строению и свойствам клетки они напоминают
макрофаги крови, от которых они предположительно и происходят.
Клетки эпендимы выстилают поверхность желудочков мозга и считаются
глиальными, поскольку являются источником глиальных клеток в процессах
эмбриогенеза и прижизненного нейрогенеза.

3. Типы глиальных клеток: астроциты

Астроциты занимают положение между нейронами и кровеносными
капиллярами и подразделяются на две группы.
Фиброзные астроциты содержат в цитоплазме
много филаментов и локализованы
преимущественно среди миелинизированных
волокон.
Протоплазматические астроциты содержат
меньше фиброзного материала и окружают
тела нейронов, их дендриты и синаптические
контакты.

4. Типы глиальных клеток: олигодендроциты

Образуют миелиновую оболочку крупных аксонов нейронов ЦНС.
В нервах и ганглиях вегетативной нервной системы аналогами
олигодендроцитов являются Шванновские клетки, которые формируют
миелиновую оболочку (My) вокруг крупных аксонов (Ax), характеризующихся
высокой скорость проведения нервных импульсов.
75 nm

5. Типы глиальных клеток: олигодендроциты

Образуют миелиновую оболочку крупных аксонов нейронов ЦНС.
Олигодендроциты и Шванновские клетки отличаются разным происхождением
в эмбриогенезе: первые образуются из клеток-предшественниц, выстилающих
мозговую трубку (эпендимы), а вторые - из нервного гребня.

6. Типы глиальных клеток: клетки радиальной глии

Имеют длинные отростки, которые образуют своеобразные пути (тракты),
вдоль которых развивающиеся в процессе нейрогенеза нервные клетки
мигрируют к местам своего назначения.
А - на срезе развивающейся затылочной коры
плода обезьяны радиальные волокна
расположены вдоль путей миграции
формирующихся нейронов от вентрикулярной
зоны (внизу) к поверхностным слоям (вверху).
Б - клетки коры мигрируют к местам своего
назначения с помощью специальных (ведущих)
отростков, ориентированных вдоль волокон
радиальной глии как своеобразных
«направляющих» (проводников).
Клетки 1, 2, 3 – развивающейся нейроны на
разных этапах миграции из вентрикулярной зоны
в поверхностные слои. Несколько поперечных
срезов через «мигрирующие» клетки (а-г)
демонстрируют, что они «охватывают» ствол
волокна радиальной глии (выглядит серым) всей
своей поверхностью на протяжении пути
«миграции».

7. Типы глиальных клеток: клетки радиальной глии

Radial glia perform support and guidance functions for migrating neurons. In early development, radial glia
span the thickness of the expanding brain parenchyma. (Inset) Defined layers of the neural tube from the
ventricular to the outer surface: VZ, ventricular zone; IZ, intermediate zone; CP, cortical plate; MZ, marginal
zone. The radial process of the glial cell is indicated in blue, and a single attached migrating neuron is
depicted at the right.

8. Типы глиальных клеток: клетки радиальной глии

Имеют длинные отростки, которые образуют своеобразные пути (тракты),
вдоль которых развивающиеся в процессе нейрогенеза нервные клетки
мигрируют к местам своего назначения.
Фрагменты видеосъемки миграции нейрона
гиппокампа вдоль волокна радиальной глиальной
клетки in vitro.

9. Типы глиальных клеток: клетки радиальной глии

В ЦНС аналогами радиальной глии
являются клетки Бергмана мозжечка
(выделены красным).
Зеленые– протоплазматические
астроциты.
Синие – фиброзные астроциты.

10. Типы глиальных клеток: клетки радиальной глии

В сетчатке глаза аналогами радиальной глии являются Мюллеровские клетки.

11. Типы глиальных клеток: микроглия

Клетки микроглии представляют собой популяцию клеток-фагоцитов нервной
системы. По строению и свойствам они напоминают макрофаги крови, от
которых они предположительно и происходят.
Activation of microglial cells in a tissue section from human brain. Resting microglia in normal brain (A).
Activated microglia in diseased cerebral cortex (B) have thicker processes and larger cell bodies. In regions
of frank pathology (C) microglia transform into phagocytic macrophages, which can also develop from
circulating monocytes that enter the brain. Arrow in B indicates rod cell. Sections stained with antibody to
ferritin. Scale bar = 40 μm.

12. Взаимодействие астроцитов и нейронов

Classic concepts and new concepts of neuron–astrocyte interaction.
According to classic concepts astrocytes are recognized as passive and supporting elements in
the brain.
Since the discovery of neurotransmitter receptors on astrocytes and the release of transmitters
from them, new concepts of neuron–astrocyte interaction as information processing elements
have been established.

13. Взаимодействие астроцитов и нейронов

(1)Diffusion of neurotransmitter in extracellular space (spill over). Before disposal of the
released neurotransmitters by specific transporters, they diffuse into the extracellular space
and activate neurotransmitters receptors expressed on the astrocytes.
(2) Expression of many kinds of receptors. Astrocytes have been demonstrated to express
receptors for neurotransmitters, such as glutamate, noradrenalin, serotonin, GABA and
acetylcholine and also for trophic factors. Activation of these receptors induces the increase in
[Ca2+]i.
(3) Characteristic Ca2+ increase. The
activation of astrocytes through
receptors results in an oscillatory
increase in [Ca2+]i.
(4) Neurotransmitter release.
Activation of astrocytes
sometimes causes release of
neurotransmitters, such as
glutamate and ATP. Released
glutamate will activate neuronal
cells.
(5) Inhibitory regulation by ATP
released from astrocytes has
been demonstrated to depress
neuronal activities.

14. Тройственный синапс = астроцит + пре- + постсинаптический нейроны

Tripartite synapse
The structure consisting of (1) pre-, (2) post-synaptic neurons and (3) astrocytes has
been emphasized by the coining of the term “tripartite synapse”.
Information processing between pre- and post-synaptic neurons receives further
modulation from astrocytes, which express neurotransmitter receptor and release
neurotransmitters.

15. Взаимодействие астроцит-синапс-капилляр

Interactions among astrocytes, synapses and vasculature
The [Ca2+]i increase in astrocytes induced by neurotransmitter propagates intra- and intercellularly. The propagation may be promoted by two mechanisms:
(1) One is diffusion of IP3 inside the cell and also through the gap junctions formed between
astrocytes.
(2) The other is the response mediated by released ATP and its receptor (purinergic receptor).

16. Взамиодействие астроцит-астроцит

Interactions among astrocytes, synapses and vasculature
ATP released through the gap junction hemichannel diffuses to adjacent astrocytes and
activates their ATP receptors.
Functional molecules for regulating the astrocytes, such as purine receptor and aquaporin-4 are
expressed mainly on the endfoot of astrocytes, which makes tight contact with a blood vessel.
Since synaptic activities give and receive information between astrocytes, the size of the blood
vessel may also be regulated depending upon the neuronal activities. The structure consisting of
astrocyte, blood vessel and neuron will provide dynamic regulation of information processing in
the brain. The gap junction hemichannel will participate in the release not only of ATP but also of
some other transmitters and of trophic factors.

17. Регуляторная роль взаимодействия астроцит-нейрон

Regulatory neuron–astrocyte interaction
(1) Synaptogenesis
Astrocytes play important roles in synaptogenesis during development. Apoprotein E
(cholesterol complexed with apolipoprotein E-containing lipoproteins) released from
astrocytes has been shown to be a factor facilitating synapse formation.
Direct contact of astrocytes and neuronal cells through integrin receptor induces drastic
synaptogenesis, which is mediated by protein kinase C (PKC) activation.

18. Регуляторная роль взаимодействия астроцит-нейрон

Regulatory neuron–astrocyte interaction
(2) Activation of N-methyl-D-aspartic acid (NMDA) receptor by D-serine
D-Serine is produced from L-serine only inside astrocytes by a specific enzyme, serine
racemase. The amino acid is an effective co-activator (binds with glycine site) for NMDA
receptor, a key receptor for synaptic plasticity.

19. Регуляторная роль взаимодействия астроцит-нейрон

Regulatory neuron–astrocyte interaction
(3) Regulation of neuron–astrocyte interaction by Ca2+-permeable AMPA receptors
Ca2+-permeable AMPA-type glutamate receptors (without GluR2 subunit) expressed on the
Bergman glia are indispensable for proper structural and functional regulation of the
Bergmann glia and glutamatergic synapses.
(4) Ectopic release of glutamate from
neuron to astrocyte
The ascending fiber terminal releases
glutamate and directly activates Ca2+
permeable AMPA receptor expressed
on the Bergman cell.

20. Глиальные клетки генерируют спайки (?!)

В мембранах астроцитов и Шванновских клеток найдены K+- и Cl--каналы,
проводящие токи утечки, а также потенциал-зависимые Na+- и Ca2+-каналы.
Долгое время считалось, что, несмотря на наличие потенциал-зависимых
каналов, активация мембран глиальных клеток не приводит к генерации ПД.
Однако публикации 2008 г. изменили традиционные представления о
физиологических свойствах глии.
В мозжечке млекопитающих как у развивающихся, так и взрослых животных
идентифицированы (методами гистохимии) и исследованы (методом пэтчкламп) глиальные клетки, содержащие протеогликан NG2+. В разные годы эти
клетки считались предшественниками олигодендроцитов, «полидендроцитами»
и «синаптоцитами».

21. Глиальные клетки генерируют спайки (?!)

NG2+-клетки подразделяются на два отдельных класса:
(1) с типичными глиальными свойствами без синаптических контактов, без лигандзависимых каналов и с минимальными возбуждающими мембранными токами
(no INa cells),
(2) с такими же, как и у нейронов синаптическими входами, выраженными глутаматзависимыми синаптическими токами и существенными потенциал-зависимыми Na+токами (INa cells).

22. Глиальные клетки генерируют спайки (?!)

Методом пэтч-кламп в мембранах INa cells зарегистрированы потенциал-зависимые
Na+-токи, обуславливающие генерацию истинных ПД (a). На (b) ответы no INa cells.
Так же как и в нейронах, эти токи демонстрируют зависимость от мембранного
потенциала и обратимо блокируются ТТХ (с).

23. Глиальные клетки генерируют спайки (?!)

NG2+-клетки с нейронным фенотипом получают обычные возбуждающие синаптические
глутаматные входы от немиелинизированных аксонов в белом веществе, а также
возбуждающие и тормозные входы в сером веществе.

24. Глиальные клетки генерируют спайки (?!)

Káradóttir et al. (2008) report that some NG2+ glia can be induced to fire action
potentials by excitatory synaptic input (highlighted by red starbursts) formed by
myelinated (top) or unmyelinated (bottom) axons.
The physiological role of NG2+ cell excitability is not yet clear, but, as suggested by
the authors, may influence the transition of NG2+ cells into myelinating
oligodendrocytes. These NG2+ cells have processes that wrap nodes of Ranvier,
and they might therefore be well positioned for a role in optimizing nodal spacing or
stability (?).

25. Глиальные клетки генерируют спайки (?!)

В ответ на деполяризвцию INa cells генерируют истинные ПД (a). На (с) отсутствие ПД у
no INa cells.
Так же как и в нейронах ПД обратимо блокируются ТТХ (b).
Спонтанные ПД

26. Активный транспорт и рецепторы в глиальных клетках

В мембранах глиальных клеток обнаружены системы активного транспорта
ионов, необходимые для обеспечения возбуждающей функции:
- ионные помпы для трансмембранного транспорта Na+, K+ и H+,
- а также Na+-зависимый Cl-/HCO3--обменник.
В мембранах астроцитов, олигодендроцитов и Шванновских клеток также
представлены
- транспортеры для глутамата и ГАМК
- рецепторы для некоторых медиаторов - glutamate, noradrenalin, serotonin, GABA
and acetylcholine and also for trophic factors.

27. Участие глии в регуляции проведения возбуждения по аксонам

Нейроноподобные NG2+-клетки, получающие возбуждающие и тормозные
синаптические входы от аксонов и генерирующие настоящие ПД участвуют в регуляции
проведения возбуждения по аксонам.
NG2+-клетки направляют свои отростки к перехватам Ранвье миелинизированных
аксонов. Такие возбудительные посылки увеличивают эффективность проведения
возбуждения через перехваты Ранвье.
С одной стороны NG2+-клетки получают
синаптические входы от аксонов и тем
самым детектируют различные
нарушения в прохождении ПД по этим
аксонам.
С другой стороны они структурно
взаимодействуют с перехватами
(«окутывают» их).

28. Участие глии в регуляции проведения возбуждения по аксонам

Предполагается, что эти клетки при взаимодействии с близлежащими олигодендроцитами и
аксонами могут укорачивать межперехватные
участки, вызывать увеличение диаметра
+-каналов в мембране перехватов. Действительно в
аксона или повышать
плотность
Na
окончаниях NG2+-клеток, контактирующих с перехватами, присутствует миелин-гликопротеин
олигодендроцитов, и у трансгенных мышей, у которых отсутствует ген, кодирующий этот
белок, отмечается нарушение роста аксональной мембраны в перехватах.
Такие функциональные особенности NG2+-клеток указывают на их возможную регуляторную
роль в ремиелинизации аксонов после различных мозговых нарушений (параличей,
апоплексии мозга и травм спинного мозга), приведших к демиелинизации проводящих путей.

29. Деполяризация олигодендроцита улучшает проводимость в аксоне

Schematic diagram of experiments by Yamazaki et al. (Neuron Glia Biology. 2007. 3: 325-344)
revealing that depolarization of oligodendrocytes can decrease the latency of action potentials in
axons in the rat hippocampus. Theta burst stimulation of axons depolarized the oligodendrocytes
by activating glutamate and potassium channels in the oligodendrocyte. Paired cell recordings
between oligodendrocytes (Roligo) and pyramidal neurons (Rpyr) were used to monitor and
regulate voltage responses in oligodendrocytes. Action potentials were stimulated by antidromic
stimulation (S) for measurements of action potential conduction velocity. Conduction velocity
increased in axons myelinated by the oligodendrocyte that was depolarized.

30.

Деполяризация олигодендроцита улучшает
проводимость в аксоне
Depolarization of oligodendrocytes in the rat
hippocampus can reduce action potential
latency through the axons ensheathed by the
cell.
A, Axon (triangles) and oligodendrocyte filled
with biocytin in paired whole-cell recordings.
B, Depolarization of the oligodendrocyte
reduced the spike latency in axons ensheathed
by the oligodendrocyte within seconds, and the
latency returned to baseline after restoring
normal resting potential in the oligodendrocyte.
Reprinted from Yamazaki and others (2008),
with permission

31.

Физиологические свойства нейроглии (история)
Глиальные клетки в ЦНС пиявки
Прижизненный снимок изолированного
ганглия ЦНС пиявки в проходящем свете.
Цитоплазма клеток глии прозрачна, и поэтому они не видны.
Гистологические срезы через ганглий.
Цитоплазма глиальных клеток окрашена
белым. Нейроны показаны черным.
Мембранный потенциал в глиальных клетках ЦНС пиявки -75 мВ, против -50 мВ в нейронах.

32.

Физиологические свойства нейроглии (продолжение)
Глиальные клетки в зрительном нерве Necturus (протеи)
Мембранный потенциал в глиальных клеток
позвоночных и Necturus составляет –90 мВ
против –70-75 мВ в нейронах.
Мембранный потенциал глиальной клетки
при изменении концентрации внеклеточного
К+. При снижении [К+] от 3 мМ (норма) до
0,3 мМ глиальная клетка гиперполяризуется
до –125 мВ (в норме –89 мВ). При повышении [К+] до 30 мМ – деполяризуется до –30
мВ.
Мембранный потенциал в глиальных клетках меняется в соответствии с уравнением
Нернста для К+-электрода:
Е = 58 log ([K+]o/[K+]i)

33.

Физиологические свойства нейроглии (продолжение)
Глиальные клетки в зрительном нерве Necturus (протеи)
Мембранный потенциал в глиальных клеток
позвоночных и Necturus составляет –90 мВ
против –70-75 мВ в нейронах.
Мембранный потенциал глиальной клетки
при изменении концентрации внеклеточного
К+. При снижении [К+] от 3 мМ (норма) до
0,3 мМ глиальная клетка гиперполяризуется
до –125 мВ (в норме –89 мВ). При повышении [К+] до 30 мМ – деполяризуется до –30
мВ.
Мембранный потенциал в глиальных клетках меняется в соответствии с уравнением
Нернста для К+-электрода:
Е = 58 log ([K+]o/[K+]i)

34.

Физиологические свойства нейроглии (продолжение)
Глиальные клетки в зрительном нерве Necturus (протеи)
Импульсы в нервных волокнах вызывают деполяризацию глиальных клеток. После каждого залпа импульсов деполяризация спадает в течение нескольких секунд.
Раздражение одиночными импульсами.
Раздражение ритмическими сериями импульсов.

35.

Физиологические свойства нейроглии (продолжение)
Глиальные клетки в зрительном нерве Necturus (протеи)
Влияние освещения глаза на мембранный потенциал глиальных клеток в
зрительном нерве.
А – одиночная вспышка длительностью 0,1 с;
Б – три вспышки;
В – свет в течение 27 с.
Во время продолжительного освещения (В) происходит адаптация частоты разрядов в зрительном нерве, которая сопровождается уменьшением деполяризации.
При выключении света возникает
off-разряд, который вызывает деполяризацию глии.

36.

Физиологические свойства нейроглии (продолжение)
Глиальные клетки в коре млекопитающих
Деполяризации глии при активации нейронов коры у кошки.
Амплитуда деполяризации зависит от силы
и частоты раздражения.
При активации нейронов, расположенных
рядом с глиальными клетками, последние
деполяризуются, что объясняется повышением концентрации внеклеточного К+ при
генерации ПД.

37.

Физиологические свойства нейроглии (продолжение)
Глиальные клетки в коре млекопитающих
Деполяризации глии при активации
нейронов зрительной коры у кошки.
Наиболее значительную деполяризацию вызывают определенным
образом ориентированные движущиеся световые полоски.
Нейроны, около которых расположена глиальная клетка, имеют одну
и ту же предпочтительную ориентацию.

38.

Основные функции нейроглии (без учета новых данных)
1. Опорная роль. Обеспечивают физическую опору нейронов.
2. Изоляция и обособление нейронов. Электрические изоляторы и пространственный барьер для распространения медиаторов и ионов.

39.

Основные функции нейроглии
(продолжение)
3. Поглощают медиаторы. Авторадиографическими методами установлено,
что в спинальных ганглиях задних корешков, в спинном мозге и вегетативных ганглиях у млекопитающих, в нервно-мышечных соединениях ракообразных глиальные клетки поглощают ГАМК и, по-видимому, ее освобождают. На мембранах глиальных клеток также найдены транспортеры
глютамата и глицина.
4. Секреторная функция. В хронически денервированных скелетных мышцах шванновские клетки выделяют кванты ацетилхолина, которые вызывают в мышце миниатюрные потенциалы. Клетки-сателлиты в симпатических и спинальных ганглиях при повышении концентрации К+ в наружной среде выделяют ГАМК.

40.

Основные функции нейроглии
(продолжение)
5. Участвуют в восстановлении и регенерации. Когда
нейроны исчезают в результате старения или после повреждения, клетки
глии делятся и занимают
освободившееся
место.
Участвуют в образовании
рубцовой ткани.
При перерезке нервов в
процессе регенерации аксоны прорастают в направлении инервируемого
органа по пути, обозначенному оставшимися там
швановскими клетками.

41.

Основные функции нейроглии
(продолжение)
6. Участие в онтогенезе. В процессе развития
нейроны перемещаются по первоначальному
каркасу вдоль отростков глиальных клеток.
7. Трофическая функция. Гипотеза К. Гольджи глия обеспечивает питательными веществами
нервные клетки, связывая их с кровеносными
сосудами.