Развития нейрона, момент времени (стр. 2 из 3)

Стволовые нервные клетки

ВВЦ певчих птиц является не единственным примером того, когда новые нейроны включаются в состав нервной системы взрослых животных.

Рис. 3.. Половой диморфизм в головном мозге птиц. Схематическая диаграмма основных зон мозга и путей, участвующих в формировании песни у певчих птиц. Высший вокальный центр (HVC), крепкое ядро архистриатума (RA) и подъязычное ядро формируют задний вокальный моторный путь (показано черным). HVC, зона X, медикальное дорзолатеральное ядро тала муса (DLM) и латеральное магноцеллюлярное ядро переднего неостриатума (LMAN) образуют передний путь (показано серым). HVC, подъязычное ядро и RA имеют значительно большие размеры у самцов; зона X не обнаруживается в мозге самок зябликов.Fig. 23.14. Sexual Dimorphism in the Avian Brain. Schematic diagram of the major brain areas and pathways involved in production of song in songbirds.

Нейроны также постоянно обновляются в гиппокампе и обонятельной луковице у взрослых млекопитающих. Однако как образуются эти клетки? Нервные стволовые клетки, которые обладают способностью к самообновлению, были выделены из стенок желудочков и из гиппокампа взрослого мозга и было прослежено их размножение in vitro . Эти клетки могут дифференцироваться в нейроны, олигодендроциты и астроциты. Нейроны, постоянно добавляющиеся в обонятельной луковице in vivo, происходят из медленно делящихся стволовых клеток самого внутреннего, эпендимального слоя стенок боковых желудочков (остаток начальной вентрикулярной зоны). Один из потомков каждого клеточного деления направляется в субэпендимальную зону, чтобы стать там клеткой-предшественницей. Клетка-предшественница быстро делится, образуя незрелые нейроны, которые мигрируют в ростральном направлении в область луковицы, где они дифференцируются в интернейроны и интегрируются в имеющиеся сети. При повреждении ЦНС клетка-потомок стволовых клеток становится астроцитом, а не нейроном, мигрирует в область повреждения и принимает участие в образовании рубца в области повреждения. Таким образом, судьба потомка стволовой клетки у взрослых может быть изменена под влиянием внешних сигналов.

Стволовые нервные клетки, таким образом, представляют собой популяцию клеток, способных размножаться в культуре и подвергаться дифференцировке либо в глиальные клетки, либо в нейроны. Это обеспечивает возможность использования этих клеток в качестве резерва нейронов или глиальных клеток при лечении заболеваний нервной системы, при которых наблюдается гибель клеток ГМ или их дисфункция .

Контроль за фенотипом нейронов в ПНС

Сходны ли механизмы, определяющие судьбу клеток в ПНС позвоночных с механизмами, определяющими развитие ЦНС? Например, какую роль играют происхождение клеток, время их образования и локальные сигналы в определении пути развития периферических нейронов и глиальных клеток? Запрограммированы ли клетки-предшественницы на формирование клеток определенного типа, например клеток автономной, а не сенсорной системы, или на использование этими клетками ацетилхолина, а не норадреналина, в качестве трансмиттера?

Подобные вопросы изучались в нервной системе цыплят и перепелок Ле Дуарином, Вестоном и другими. В эмбрионе позвоночных клетки нервного гребня, расположенные в разных местах вдоль нервной оси, образуют различные типы клеток ПНС (рис. 5А). Для изучения того, определен ли фенотип клеток, развивающихся из нервно го гребня, уже на ранних стадиях развития или он может изменяться при перемещении клеток в другое место вдоль нервной оси, Ле Дуарин пересаживал клетки из одного региона нервного гребня в другой регион эмбрионахозяина и затем исследовал развитие пересаженных клеток. В этих экспериментах клетки доноры брались из эмбриона перепелки и затем имплантировались в эмбрион-хозяин цыпленка таким образом, чтобы пересаженные клетки можно было различить по очевидным цитологическим отличиям между клетками перепелки и цыпленка (рис. 5В). После пересадки клетки куропатки развивались согласно своему новому расположению. Например, клетки, взятые из области, которая при нормальном развитии образовывала надпочечник, вместо этого образовывали иннервацию кишечника.

Рис. 5. Судьба клеток нервного гребня определяется окружением. (А) Клетки нервного гребня образуют большое количество различных периферических ганглиев. Ресничный ганглий образован клетками из мезенцефального нервного гребня. Ганглий Ремака и кишечные ганглии тонкой кишки образуются из клеток вагальной (сомиты 1-7) и люмбосакральной (каудальнее S28) областей нервного гребня. Ганглии симпатической цепочки происходят из всех областей нервного гребня каудальнее S5. Надпочечник заселяется клетками нервного гребня из S18-S24. (В) Если клетки нервного гребня из S18-S24, которые должны образовать надпочечник, пересадить от донора-перепелки в вагальную или люмбосакральную область эмбриона цыпленка, они будут следовать пути развития, характерному для своего нового положения и заселят ганглий Ремака или кишечный ганглий тонкой кишки.

Близким вопросом является то, определен ли фенотип клеток нервного гребня до того, как клетки мигрируют прочь от нервной трубки или после того, как они достигнут своего окончательного месторасположения на периферии. Ответ на этот вопрос получен в исследованиях клеток нервного гребня, выделенных из одного периферического месторасположения: предшественника (primordiurn) надпочечника эмбриона млекопитающих. В культуре эти клетки образуют либо хромаффинные клетки, либо клетки мозгового вещества надпочечников, либо адренергические симпатические нейроны. Глюкокортикоиды (синтезируемые клетками коры надпочечника) вызывают экспрессию ферментов, специфических для хромаффинных клеток (рис. 6). И наоборот, два белка, присутствующие в местах образования симпатических ганглиев, называемые основной фактор роста фибробластов (basic fibroblast growth factor, bFGF) и фактор роста нерва (nerve growth factor, NGF), в культуре клеток вызывают дифференцировку клеток-предшественниц в симпатические нейроны.

Рис. 6. Определение направления развития клеток нервного гребня, образующих симпатоадреналовую (SA) систему. Плюрипотентные клетки нервного гребня образуют бипотентные SA клетки-предшественники. Судьба SA клеток-предшественников зависит от сигналов извне. SA клетки-предшественники, которые мигрируют в область надпочечника, подвергаются влиянию глюкокортикоидов, ингибирующих нервную дифференцировку и способствующих дифференцировке их в хромаффинные клетки. Альтернативным образом, SA клетки-предшественницы, которые мигрируют в область развивающейся симпатической цепочки, подвергаются воздействию основного фактора роста фибробластов, который приводит к экспрессии ФРН в SA предшественниках. Последующее действие ФРН приводит к тому, что клетки, нечувствительные к дифференцировке в ответ на глюкокортикоиды, начинают дифференцироваться в симпатические нейроны.

Таким образом, фенотип клеток нервного гребня может быть определен после того, как они мигрировали прочь от нервной трубки, при помощи факторов, находящихся на периферии.

Выбор трансмиттера

При пересаживании клеток нервного гребня в относительно раннем периоде их дальнейшее развитие может изменяться вплоть до того, что они могут в дальнейшем использовать абсолютно другой трансмиттер, например ацетилхолин, вместо норадреналина. В некоторых случаях такая смена медиатора происходит в ходе нормального развития. Например, симпатические нейроны, иннервирующие потовые железы, изначально синтезируют норадреналин, но в период между второй — третьей неделями постнатального развития факторы, выделяемые железой, приводят к тому, что они начинают вырабатывать ацетилхолин. На более поздних стадиях клетки нервного гребня становятся уже слишком зрелыми и теряют способность менять свою дифференцировку в соответствии с изменениями окружающей среды.

Изучение механизма смены трансмиттера проводилось на культурах клеток симпатических ганглиев. Когда нейроны выделялись из верхнего шейного ганглия новорожденного крысенка и вырашивались в культуре в отсутствие клеток других типов, они все содержали фермент тирозингидроксилазу, синтезировали и образовывали запасы катехоламинов.

Рис. 7. Отдельные нейроны симпатических ганглиев способны выделять как ацетилхолин, так и норадреналин в синапсах на культуре клеток сердца. (А) Микрокультура, содержащая отдельные симпатические нейроны, выращенные на островке клеток сердечной мышцы. (В) Короткая серия импульсов в нейроне (10 Гц, показано в виде отклонений нижней записи) вызывает ингибирование спонтанной активности миоцита из-за высвобождения АХ (верхняя запись). (С) Добавление атропина (10--7 М) блокирует тормозный холинергический ответ, что приводит к проявлению возбуждающего эффекта, вызванного высвобождение норадреналина.

Однако, если нейроны вырашивались в присутствии определенных типов ненейрональных клеток, таких как клетки сердечной мышцы или потовых желез, нейроны постепенно переставали синтезировать катехоламины и начинали синтезировать вместо этого фермент холинацетилтрансферазу и ацетилхолин. Для того, чтобы окончательно установить, что подобные изменения возможны в одиночных нейронах, они культивировались на микроостровках клеток миокарда (рис. 7). Нейроны быстро вытягивали свои отростки и образовывали синаптические контакты с клетками миокарда. Сначала эти синапсы были чисто адренергическими, затем, по прошествии нескольких дней, клетки начинали выделять вместе норадреналин и ацетилхолин. В конечном счете передача становилась полностью холинергической.