Глиальные клетки мозга что это
Глиомы головного мозга
ГЛИАЛЬНЫЕ ОПУХОЛИ ГОЛОВНОГО МОЗГА
Глиомы развиваются из нейроэпителиальных (глиальных) клеток, которые входят в состав ткани головного мозга.
Впервые глиальные клетки были отнесены в отдельную группу элементов нервной системы в 1871 году.
Глиальные клетки можно разделить на 4 основных типа: клетки эпиндемы, микроглии, олигодендроциты и астроциты.
Доброкачественная опухоль растет медленно, и оказывает неблагоприятное действие на окружающие ткани, сдавливая их. Злокачественная опухоль имеет агрессивно- быстрый рост, разрушая окружающие ткани, рорастая сосуды и ткани, инфильтрируя ткань головного мозга, не имеющей четких границ.
Глиомы развиваются из:
Классификация глиальных опухолей
В настоящее время существует множество классификаций глиальных опухолей
Доброкачественные опухоли медленно растут, редко инфильтруют окружающие ткани, вред, который они наносят, как правило, связан с компрессией окружающих тканей и структур головного мозга. Очень большая доброкачественная глиома может создавать опасность для жизни пациента, в той же мере, что и злокачественная.
Классификация ВОЗ (Всемирной Организации Здравоохранения) считается самой удобной и используется чаще других
В основе этой классификации лежит 4 основных признака:
Тип глиальной опухоли
Первая степень злокачественности
Признаков злокачественности нет.
Ювенильная астроцитома, субэпендимальная астроцитома, пилоцитарная астроцитома
Вторая степень злокачественности
Один признак злокачественного заболевания, чаще всего, атипия клеток. Эти опухоли хорошо дифференцируются, темп их роста медленный (low-grade), имеют доброкачественный характер
Диффузная астроцитома, фибриллярная астроцитома
Третья степень злокачественности
Четвертая степень злокачественности
Все признаки злокачественного заболевания и некроз тканей
Согласно классификации Всемирной организации здравоохранения (World Health Organization) глиомы можно разделить по степени их злокачественности.
Опухоли первой степени имеют благоприятный прогноз, так как они медленно растут (почти стопроцентная пятилетняя выживаемость). Опухоли четвертой степени имеют плохой прогноз и минимальную выживаемость, мало кто из больных остается в живых через год после хирургического вмешательства.
Клинические проявления заболевания зависят сразу от нескольких факторов:
Обычно все опухоли глиальной ткани вызывают неврологическую симптоматику:
На долю глиом приходится 50% всех первичных опухолей головного мозга.
Хирургическая резекция глиом – это основной метод лечения
Лучевая и химиотерапия – это дополнительные методы к лечению глиом
Радиохирургия методика «Гамма –нож» применяется при остаточном объеме или рецидиве опухоли, после ранее проведенных операций, лучевой терапи, при условии наличия четких границ опухолевой ткани размером не более 3,0 см в наибольшем измерении и общем состоянии пациента по индексу шкалы Карновского не менее 70 баллов
Рис. 1 Методика «Гамма-нож» в лечении астрацитома (Graed II) в до и послеоперационном периоде через 14 месяцев.
Метод «Гамма-ножа» может использоваться в лечении глиальных опухолей но при определенных условиях, о которых Вы можете узнать у специалиста
О больнице
Учредителем Бюджетного учреждения Ханты-Мансийского автономного округа – Югры «Окружная клиническая больница» является Ханты-Мансийский автономный округ – Югра. Дата государственной регистрации – 7 августа 2012 года.
Дифференциация глиальных клеток
Глиальные клетки участвуют практически во всех аспектах активности нейронов и играют важную роль в функциональной активности мозга, его развитии, повреждении и болезнях. Вирхов ввел термин «нейроглия» (синоним глиальных клеток) на основе греческого слова «glía», что означает «клей».
У грызунов обнаружены только протоплазматические и фиброзные астроциты ( Oberheim et al., 2006 ; Vasile et al., 2017 ). В общем, процессы протоплазматических астроцитов заходят в синапсы, а также кровеносные сосуды, в то время как фибриллярные (или волокнистые) астроциты задерживают кровеносные сосуды и контактируют с перехватами Ранвье.
Когда находящаяся в покое микроглия обнаруживает любой сигнал повреждения ткани, происходит «переход» микроглии в активированное состояние, называемый поляризацией, что инициирует врожденные иммунные ответы ( Durafourt et al., 2012 ; Prinz and Priller, 2014).
Микроглия (Microglia) представлена динамическими разнообразными фенотипами, находящимися в зависимости от действий детекторов модуляции и сигналов. Активация микроглии варьирует от классически активированных провоспалительных фенотипов М1 к альтернативно активированным противовоспалительным фенотипам М2 ( Tang and Le, 2016 ).
Обычно считается, что глиогенез возникает после нейрогенеза во время развития мозга человека. Астроциты и олигодендроциты происходят из эмбрионального зародышевого слоя, также известного как нейроэктодерма, в соответствии с происхождением нейронов ( Allen and Barres, 2009 ).
Клей, помощник или ключевой элемент?
Нервная ткань состоит не только из нейронов, которым всегда уделялось большое внимание. Долгие годы считалось, что лишь нейроны способны к передаче сигналов. Последние исследования доказывают, что важнейшие функции выполняют глиальные клетки, взаимодействующие с нейронами и превосходящие их по количеству в 9 раз. Раньше им приписывали лишь вспомогательную роль: защищать нейроны и предоставлять им энергию. Но оказалось, именно от глиальных клеток зависит нормальное функционирование мозга.
От древнегреческого «глия» (γλία) – клей. На основе этого в XIX веке Рудольф Вирхов назвал совокупность глиальных клеток «нейроглия», т.к. исследователи были убеждены, что клетки поддерживают нервную ткань и создают опорный скелет, обволакивая нейроны густой сетью.
Жизнь нейронов прямым образом связана с глиальными клетками. Без них нейроны погибают. В 1907 году итальянский биолог Эмилио Лугаро впервые объяснил принцип работы нейроглии, предположив, что клетки контролируют нейронную среду с помощью внеклеточной жидкости, которую используют при обмене веществ друг с другом.
Но среди задач глиальных клеток есть и обработка воспоминаний, борьба с инфекциями, защита мозга и управление его развитием. В зависимости от функций глиальные клетки бывают разных форм: футлярообразные, веретенообразные и звездчатые. Некоторые из них находятся в гипоталамусе, где влияют на поведение человека. От нейроглии зависит аппетит, ритм сердца и цикл сна.
Например, олигодендроциты покрывают нервные ткани оболочкой, которая на 80 % состоит из липидов и на 20 % из белков. Часто они тянутся цепочкой среди пучков нервных волокон в белом веществе головного и спинного мозга. Основная их функция – образование миелина в нервной системе и поддержание его целостности. Они представляют собой округлые клетки и находятся только в центральной нервной системе, где ускоряют передачу электрического сигнала. При шизофрении, биполярном расстройстве и нарушении миелиновой оболочки нейронов олигодендроциты могу повреждаться.
Астроциты крупнее олигодендроцитов и составляют 45— 60% объема серого вещества мозга. А в мозге взрослого человека их насчитывается около 150—200 млрд. Они отвечают за метаболизм нейромедиаторов, регулирование водно-солевого обмена, межклеточной жидкости и запаса питательных веществ. Также клетки участвуют в росте нейронов и при повреждении нервной ткани выполняют репаративную функцию, преобразовываясь в нейроны. Помимо этого, астроциты защищают нервные ткани от вредных веществ и осуществляют поддержку синапсов.
Эпиндимоциты секретируют спинномозговую жидкость и выстилают желудочки мозга. Основная их функция – выделение ликвора и растворение в нем веществ. На поверхности клеток находятся реснички, которые передвигают цереброспинальную жидкость с помощью мерцания.
Среди подтипов глиальных клеток – микроглия, которую впервые в 1920 году описал Пио дель Рио-Ортегой. С 1980-х гг. ученые активно занялись ее изучением. Известно, что микроглии выступают как макрофаги иммунной системы и уничтожают бактерии, защищая мозг от угроз. Их участие важно при черепно-мозговых травмах, воспалениях и заболеваниях нервной системы. Микроглии снабжают нейроны кислородом и глюкозой. Они формируют гематоэнцефалический барьер, который задерживает макромолекулы и ограничивает их доступ к нейронам.
Некоторые ученые считают, что стоит отказаться от термина «глия». По их мнению, нельзя объединять глиальные клетки в одну типовую группу, несмотря на то, что многие функции у клеток общие. Например, астроциты и шванновские клетки, как и микроглии, удаляют лишние синаптические связи.
Основы нейробиологии заложил Сантьяго Рамон-и-Кахаль. Он первым открыл нейроны и описал один из подтипов глии. Основная функция нейронов – проведение нервного импульса. Но не только нейроны отвечают за восприятие боли. Некоторые типы сигналов передаются глиальными клетками, которые в переплетении с нервными окончаниями формируют во внешних слоях кожи сетку, где и возникает сигнал от механического воздействия (порез бумагой, укусы и т.д.). В отличие от нейронов, глиальные клетки передают химические сигналы, а не электрические.
Ученые проводили эксперимент, где проверяли болевую реакцию на мышах. Выяснилось, что стимулируя только глиальные клетки, мыши стандартно одергивают лапки и облизывают их. Это подтверждает, что за болевые ощущения и передачу сигналов в мозг отвечают глиальные клетки.
В книге «Облава на м-ра Альберта» рассказана история вскрытия Альберта Эйнштейна в 1955 году. Патологоанатом Томас Харви 40 лет хранил голову ученого в банке с дезинфицирующим раствором у себя дома. А в конце жизни вернул ее внучке ученого. Исследователи со всего мира получали от Харви маленькие срезы мозговой ткани и искали причины гениальности Эйнштейна. Гистолог Калифорнийского университета в Беркли Мэриан Даймонд выяснила, что характеристики нейронов в головном мозге ученого не отличаются от других людей. Но концентрация клеток нейроглии намного превышала среднестатистическое количество. Нельзя точно заявить, что именно в глиальных клетках и есть гениальность физика, но возможно рассматривать это как одну из причин.
Нейроглия имеет важное значение в координационной деятельности мозга. Она не просто выступает опорой, защитой для нейронов, но и принимает участие в механизмах формирования условных рефлексов, обеспечивает функционирование мозга и его развитие.
Нейронауки для всех. Глия
О «другой» составляющей головного мозга, не менее важной, чем нейроны, функции которой очень разнообразны — и которые мы только начинаем более-менее осознавать, рассказывает наш новый выпуск рубрики «Нейронауки для всех».
Обычно в рассказе о нервной системе принято говорить о нейронах. Всем хорошо известно, что в нашем мозге около 86 миллиардов нейронов. И как-то само собой подразумевается, что они и есть главные и чуть ли не единственные действующие лица в мозге. Однако еще в 1846 году великий физиолог Рудольф Вирхов писал:
«До сих пор, описывая нервную систему, я говорил только об истинно нейрональной ее части. Однако важно знать о той субстанции, которая находится между собственно нейрональными частями, соединяет их вместе и создает целостную форму… Это подтолкнуло меня к тому, чтобы дать ей название нейроглия. Опыты показывают, что эта ткань головного и спинного мозга является одним из наиболее частых мест посмертных изменений.
В нейроглии проходят сосуды, которые практически повсеместно отделены от нервной субстанции промежуточным слоем и не входят с ней в непосредственный контакт».
Так что еще 170 лет назад открыли «другой» мозг, другую его составляющую. Однако долгое время особого внимания глии не уделяли: считалось только, что она скрепляет, подобно клею, нейронную ткань (отсюда и название от древнегреческого γλία — клей). Тем не менее, уже Вирхов, как видите, заметил, что глия отделяет, например, кровеносные сосуды от нейронной ткани. Это позволило Камилло Гольджи заявить, что главная функция нейроглии (и единственная после придания формы) – это питание нейронов. Отчасти он был прав, но авторитетное мнение надолго застопорило дальнейшее понимание функции глиальных клеток. Тем более, как оказалось, глиальные клетки в головном мозге разные – и функции выполняют разные.
Лучи развития
Нужно сказать, что глия выполняет важнейшую функцию еще при развитии центральной системы. Когда наш мозг только появляется, в нём появляются клетки радиальной глии. И аналогия с радиальными ветками московского метро совершенно не случайна. Глиальные клетки радиальной глии имеют очень длинные отростки. С одной стороны радиальная глия присоединяется своей ножкой к поверхности желудочков головного мозга, а с другой стороны своих отростков формирует то, что называется glia limitans – пограничную глиальную мембрану, самый верхний слой нервной ткани, который лежит непосредственно под мягкой оболочкой головного мозга.
Верхний холмик четверохолмия в мозге куриного эмбриона окраска гематоксилин—эозин. В миграторной зоне (MZ) между генеративной зоной (GZ) и первой пластинкой нейронов (L1) видны волокна радиальной глии. Из статьи Caltharp et al., 2007.
Когда формируется мозг, возникающие из стволовых клеток нейроны мигрируют вдоль радиальной глии точно в то место, где им нужно быть. Когда мозг сформировался, глиальные клетки радиальной глии преобразуются. Однако в некоторых местах головного мозга – в мозжечке, в гипоталамусе и в сетчатке (да-да, сетчатка глаза – это тоже мозг!) они сохраняют свою радиальную морфологию. Потому в мозжечке есть Бергмановская глия, в сетчатке – Мюллерова, а в гипоталамусе – танициты. Прочая же радиальная глия или исчезает, или превращается в астроциты, о которых речь пойдет немного ниже.
Изоляция
Как мы уже говорили в главе про нейрогистологию, одна из функций глиальных клеток – это изоляция аксонов, длинных отростков нейронов. Такую изолирующую оболочку называют миелиновой и она ускоряет проведение нервного импульса. Если она нарушается, то возникают самые разные – и очень неприятные заболевания.
Демиелинизация клеток центральной нервной системы хорошо известная под названием рассеянный склероз, в случае разрушения миелина вокруг клеток периферических нервов начинаются синдром Гийенна-Барре или болезнь Шарко-Мари-Тута, или другие самые различные нейропатии.
Интересно, что в центральной и периферической нервной системе клетки, которые выступают в роли «изоленты для нейронных проводов» — совсем разные. Клетки периферической нервной системы открыл еще в 1838 году, до открытия глии как таковой, немецкий физиолог Теодор Шванн. Шванновские клетки плоские и небольшие, и «наматываются» вокруг аксона несколькими слоями – вместе с телом клетки и ядром.
Совсем другая ситуация – в головном мозге. Там роль изоляции выполняют огромные ветвистые клетки, которые получили название олигодендроциты. Их открыли почти век спустя – в начале 1920-х годов американец Уайлдер Пенфилд и испанец Пио дель Рио-Гортега, ученики великого Сантьяго Рамон-и-Кахаля.
С греческого языка название «олигодендроциты» переводится как «клетки с несколькими ветвями». И это – чистая правда. Ядро олигодендроцита «живет» само по себе, а вот миелинизирует он аксоны при помощи ветвей-отростков. При этом каждый олигодендроцит в среднем оборачивает своими ветвями около 30, а бывает – и до 60 нейронов! Поэтому, как вы понимаете, олигодендроциты в своей массе находятся в белом веществе головного мозга. Кстати, есть данные о связи олигодендроцитов и интеллекта: считается, что между объемом белого вещества мозга и интеллектом есть взаимосвязь. Люди с бóльшим количеством белого вещества имеют более высокий показатель IQ.
Схема миелинизации олигодендроцитом аксонов
Астроциты
Наверное, самые известные (а заодно – и самые многочисленные) клетки глии – это астроциты. Этот термин, обозначающий «звёздчатые» клетки ввел еще в 1893 году венгерский анатом и гистолог Михай Ленхошек. Сейчас астроциты, пожалуй, самые изучаемые глиальные клетки в нейробиологии.
Кстати, нужно сказать, что в задней доле гипофиза существуют свои глиальные клетки отросчатой или веретеновидной формы, похожие по своей сути на астроциты – это питуициты. Их основная функция – помощь в накоплении и высвобождении нейрогипофизарных гормонов типа окситоцина и вазопрессина. И, кстати, эти клетки иногда даже образуют опухоль: питуицитому.
У астроцитов очень, очень много функций. Это своеобразный универсальный солдат центральной нервной системы.
Именно они образуют ту самую пограничную глиальную мембрану, защищающую мозг. Именно они, как и писал Вирхов, выполняют опорную функцию – поддерживают нейроны и разделяют их на группы.
Именно астроциты образуют особые глиальные тоннели, по которым новые нейроны у взрослых пополняют состав клеток обонятельной луковицы.
Именно астроциты активно участвуют в жизни синапсов. Более того, глутаматэргический синапс вообще невозможен без астроцита: в этом образовании он третий не лишний, поскольку именно астроцит убирает избыток глутамата из синаптической щели после передачи сигнала между синапсами.
Отростки астроцитов переплетаются между собой и образуют так называемый синцитий, который защищает синапсы.
Не так давно выяснилось, что астроциты и сами инициируют связь между парами нейронов на ранней стадии развития, вызывая определённые изменения в работе и той, и другой клетки. Так что роль этих звездчатых клеток и в нашем мышлении очень велика. Многие полагают, что именно в астроцитах прячется корень болезни Альцгеймера. Очень много данных получено и в том, что неправильная работа астроцитов по формированию синапсов приводит к возникновению расстройств аутистического спектра. По крайней мере, в экспериментах в совместных культурах астроцитов и нейронов здоровых и больных детей это очень хорошо показано.
Есть и еще одна важная функция у астроцитов. Давайте вспомним, что писал о глии Рудольф Вирхов. И процитируем другого ученого, который, а точнее, которая сделала доклад в Женевском медицинском обществе в 1921 году.
«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», — говорила Лина Соломоновна Штерн, первая женщина-академик в СССР.
Теперь мы знаем, что этот самый барьер, который «решает», что из капилляров попадет к нейронам, а что – нет, который мешает большинству инфекционных агентов и токсинов поражать нервные клетки – и одновременно мешает онкологам нормально лечить опухоли головного мозга – образуют именно астроциты.
Микроглия
Все клетки глии, о которых мы говорили выше, объединяют под название макроглия. Несмотря на всю свою несхожесть, и астроциты, и радиальная глия, и нейроны, кстати, и олигодендроциты образуются из эктодермы – клеток наружного зародышевого листка. Клетки же микроглии происходят из мезодермы – среднего зародышевого листка, так что они близкие родственницы мышц, почек, кровеносных сосудов и скелета.
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.
Микроглия (от древнегреческого 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.
Клетки микроглии первым подробно описал уже упомянутый выше Пио дель Рио-Гортега, и поэтому их до сих пор кое-где называют клетками Гортеги.
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 микрометров в диаметре, а отростки клеток покрывают площадь порядка микрометров и практически не пересекаются друг с другом.
В активированном состоянии клетки микроглии 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. Увеличение или уменьшение отростков клеток микроглии протекает со скоростью до 2-3 микрометра в минуту.
Основная функция клеток микроглии – 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.
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 (основная «работа» спокойной микроглии. 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.
Но и это еще не все. Оказалось, что после воспаления и активации 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. Так что благодаря микроглии мы можем восстанавливаться после инсульта.
Современная нейробиология все больше и больше начинает понимать, что глиальные клетки играют не менее важную роль в жизни мозга, чем нейроны. Только что появился специализированный журнал Neuroglia, а новости по изучению этих интереснейших клеток появляются почти каждый день.
Промывка мозгов: как работает глимфатическая система
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: Наш мозг — крайне активный орган, в котором происходит множество биохимических процессов. До недавнего времени было непонятно, как из него удаляются продукты этого бурного обмена веществ и всякий другой «мусор». Дело в том, что в паренхиме мозга нет лимфатических сосудов, а через кровеносную систему удаление метаболитов ограничено из-за ее особенностей в этом органе. Однако недавно в мозге обнаружили систему тока жидкости, которая как раз ответственна за его очистку. Эта система получила название «глимфатическая», и работает она в основном когда организм спит. Возможно, нам требуется сон, как раз чтобы глимфатическая система могла функционировать и очищать мозг от тех отходов, которые накопились в нем за день. Как устроена эта очистительная система, как она связана с нейродегенеративными заболеваниями, почему ей заинтересовались военные и правда ли лучше спать на боку — расскажем в этой статье.
Конкурс «Био/Мол/Текст»-2021/2022
Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2021/2022.
Партнер номинации — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.
Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.
Генеральный партнер конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Загадка очищения самого важного органа
В мозговой оболочке недавно нашли лимфатические сосуды, связанные с шейными лимфоузлами [3].
Рисунок 1. Лимфатическая система человека. Лимфатические сосуды пронизывают большую часть нашего тела. Они обеспечивают вывод ненужных соединений, по ним переносятся клетки иммунной системы и некоторые вещества.
Долгое время считалось, что роль очистительной сети в мозге выполняет система желудочков, заполненных спинномозговой (цереброспинальной) жидкостью (рис. 2) [5]. Ученые полагали, что эта жидкость забирает продукты метаболизма только через стенки желудочков путем фильтрации из межклеточной жидкости. Однако такое объяснение было не очень удовлетворительным — ведь площадь стенок не столь велика по отношению к объему мозга. Неужели её хватает для удаления ненужных веществ?
Рисунок 2. Желудочки мозга. Желудочки мозга заполнены спинномозговой жидкостью и занимают примерно 10% от объема мозга. Спинномозговая жидкость у человека обновляется каждые 2 часа.
Разрешением этой загадки стало открытие в 2012 году в мозге системы тока жидкости, которая была названа глимфатической системой [2]. Термин «глимфатическая система» ввела датский нейробиолог Майкен Недергард. Он произошел от слияния терминов «лимфатическая система» и «глия». Глия — это клетки мозга, которые не являются нейронами, т.е. не могут генерировать и проводить нервный импульс, зато они выполняют множество других функций. Тип глиальных клеток, которые принимают непосредственное участие в образовании и работе этой системы — это астроциты. Глимфатическая система — разгадка того, как клетки мозга могут обходиться без лимфатической системы и не погибать от своих же отходов.
Устройство очистительной системы мозга
Как же устроена глимфатическая система в анатомическом плане? Уникальная особенность кровеносных сосудов мозга — это то, что они окружены астроцитами, которые формируют вокруг них что-то вроде туннеля. Пространство между внешней стенкой сосуда и стенкой этого «туннеля» заполнено спинномозговой жидкостью и называется параваскулярным пространством [6] (рис. 3). Такая конструкция выглядит как двойная трубка, но найти ее на препарате срезов мозга — сама по себе непростая задача. Дело в том, что после их приготовления параваскулярное пространство нарушается и становится почти невидимым [7]. Для того чтобы его исследовать, необходимо использовать прижизненную микроскопию, например, смотреть на мозг мыши через прозрачное окно в черепе (рис. 5а), или метод МРТ.
По мере того как кровеносный сосуд заходит вглубь паренхимы мозга, параваскулярное пространство становится все уже и в итоге исчезает совсем. Спинномозговая жидкость продолжает свой путь по паренхиме уже без него. Там она смешивается с тканевой жидкостью, омывает клетки и собирает все ненужные вещества. Далее ток жидкости направляется к параваскулярному пространству, окружающему уже вены, и по нему выводится из мозга. Дальше жидкость попадает в лимфатические сосуды, которые расположены в оболочке мозга (сами эти сосуды тоже были открыты совсем недавно [3]). Однако, судя по всему, отток жидкости может происходить не только через венозное пaрaваскулярное пространство, но и через черепные нервы (!) по так называемому периневральному пути. Какой из путей выведения спинномозговой жидкости — параваскулярный или периневральный — используется в большей степени, пока неясно, это требует дальнейших исследований [8].
Рисунок 3. Строение параваскулярного пространства, окружающего мозговые артерии. Спинномозговая жидкость течет вдоль артерий по параваскулярному пространству, выходит в паренхиму мозга и смешивается с межклеточной жидкостью. В его формировании непосредственно участвуют астроциты — клетки нейроглии.
Впервые глимфатическую систему удалось увидеть в 2012 году в экспериментах на мышах. Исследователи добавили в спинномозговую жидкость флуоресцентную краску и проследили ее перемещение (рис. 4) [2].
Рисунок 4. Распределение синей (TR-d3) и зеленой (FITC-d2000) флуоресцентных красок после введения в желудочки мозга. Краска не появляется в областях вокруг желудочков, то есть она не диффундирует через их стенки, а транспортируется по какому-то особенному пути.
[2], рисунок с изменениями
Чтобы доказать, что спинномозговая жидкость движется именно по параваскулярному пространству, ученые использовали метод двухфотонной лазерной микроскопии [10] на живой мыши, у которой в черепе было сделано прозрачное окно (рис. 5а). Полученные данные подтвердили, что жидкость течет вдоль кровеносных сосудов по этому пространству (рис. 5б) [2].
Рисунок 5а. Транскраниальное окно. Этот метод позволяет прижизненно наблюдать за процессами, происходящими в мозге.
Рисунок 5б. Спинномозговая жидкость течет вдоль сосудов по параваскулярному пространству. Красной флуоресцентной краской окрашены сосуды, зеленой — спинномозговая жидкость. BS — ток крови (bloodstream), PVS — параваскулярное пространство (paravascular space), VSM — гладкие мышцы сосудов (vascular smooth muscle cells), BM — базальная мембрана (basal membrane).
[2], рисунок с изменениями
Сон нужен, чтобы промыть мозги?
Исследования показали, что глимфатическая система активна практически только во время сна и почти не функционирует в бодрствующем состоянии [12]. Сон необходим для многих живых существ, однако спящее животное беззащитно и легко может стать жертвой хищника. Если ради сна приходится так рисковать, то это означает, что он имеет очень важный биологический смысл и без него обойтись нельзя (потому что, если можно было бы, то эволюция давно бы уже от него избавилась, ведь животное, которому не нужно спать, получило бы огромное эволюционное преимущество). Несмотря на многочисленные исследования, проведенные в области сна, окончательное его значение так и не выяснено.
Наибольшая активность глимфатической системы приходится на стадию так называемого медленного сна. Исследования с помощью метода двухфотонной электронной микроскопии показали, что во время сна эта система на 90% более активна, расширяется параваскулярное пространство, а также увеличивается пространство между клетками, что облегчает ток жидкости между ними (рис. 6) [12]. Это говорит о том, что одной из функций сна может быть включение глимфатической системы для удаления из мозга «мусора», накопившегося за время бодрствования.
Рисунок 6. Активность глимфатической системы во время сна и бодрствования. а — 3D-реконструкция распределения спинномозговой жидкости. б — Сравнение интенсивности ее потока. Оранжевый цвет — во время бодрствования, зеленый цвет — во время сна.
[12], рисунок с изменениями
Ее «выключателем» на это время является нейромедиатор норадреналин. Локальное воздействие антагонистов норадреналина (веществ, блокирующих связь норадреналина с его рецепторами) на мозг бодрствующей мыши вызывало увеличение тока спинномозговой жидкости почти до таких же величин, что и у спящей. И наоборот, локальное воздействие норадреналина на мозг спящей мыши вызывало ухудшение работы глимфатической системы [12].
Если глимфатическая система работает в основном во время сна, то зависит ли ее функционирование от того, как именно мы спим? Оказалось, что на эффективность выведения белков влияет положение головы в пространстве. Опыты проводили на мышах и крысах: в мозг им вводили меченые белки и укладывали спать в разных позах. Выяснилось, что с наибольшей эффективностью они выводятся, когда животное лежит на боку. И действительно, в природе многие животные спят именно так (рис. 7), что может объясняться функционированием этой системы. Работает ли этот принцип на людях, и лучше ли нам тоже спать на боку? Подобные исследования на человеке еще не проводились. Однако выполнившие эти опыты на грызунах ученые утверждают, что человеческая глимфатическая система с большой вероятностью работает похожим образом [13].
Рисунок 7. Многие животные спят на боку, что может улучшать работу глимфатической системы.
Глимфатическая система и нейродегенеративные заболевания
Эти болезни характеризуются накоплением в нервной ткани белков: бета-амилоида и тау-белка. Причем они могут откладываться не только внутри клеток, но и в межклеточном пространстве, например, в синапсах [17]. Чтобы понять, как эти белки удаляются с помощью глимфатической системы из межклеточного пространства, ученые пометили их радиоактивными и флуоресцентными метками и увидели, что они вымываются из него как раз по глимфатическому пути [2], [18].
Давно замечено, что недостаток сна повышает риск возникновения старческой деменции, однако механизм этого явления был неизвестен [19]. Оказывается, депривация сна тормозит работу глимфатической системы и, как следствие, происходит накопление белков, ассоциированных с нейродегенеративными заболеваниями. Одно исследование показало, что после всего одной бессонной ночи в мозге значительно повышается концентрация бета-амилоида, что может быть связано как раз с тем, что в отсутствии сна глимфатическая система почти неактивна [20]. Получается, для снижения риска развития деменции в преклонном возрасте нужно стараться высыпаться, чтобы глимфатическая система могла вымывать из мозга все ненужное.
Работа глимфатической системы ухудшается с возрастом
Интересные результаты ученые получили, сравнивая глимфатическую систему у молодых и старых мышей [21]. Оказывается, у последних она на 80–90% менее активна (рис. 8). Введение радиоактивно меченного бета-амилоида старым мышам показало, что он выводится значительно хуже. Возможно, с возрастным снижением активности глимфатической системы связан повышенный риск развития нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и Паркинсона, обусловленных накоплением «неправильных» белков. С другой стороны, амилоиды сами могут тормозить работу глимфатической системы. С возрастом они могут накапливаться в глимфатическом пути и «засорять» его, мешая нормальному току жидкости. Пока неизвестно, что первично: накопление неправильно свернутых белков или дисфункция глимфатической системы [9].
Почему с возрастом глимфатическая система работает хуже? Объяснений может быть несколько. Это может быть обусловлено изменениями в астроцитах или понижением упругости артерий, пульсация которых обеспечивает ток спинномозговой жидкости по параваскулярному пространству. Также известно, что у пожилых людей происходят изменения в продолжительности фаз сна [22], поэтому глимфатическая система может «не успеть» поработать как следует, даже если человек в целом спит достаточное количество часов.
Рисунок 8. Сравнение активности тока спинномозговой жидкости по глимфатической системе у молодых, взрослых и пожилых мышей (слева направо соответственно). С возрастом активность тока жидкости уменьшается.
[21], рисунок с изменениями
Можно ли управлять очисткой мозга?
Итак, существует взаимосвязь между работой глимфатической системы, количеством и качеством сна и развитием нейродегенеративных заболеваний. Можно ли как-то повлиять на глимфатическую систему, чтобы снизить риски для здоровья человека? Этим вопросом всерьез занялись американские военные, выделив деньги на разработку аппарата, который мог бы стимулировать ее работу (рис. 9). Солдаты могут испытывать недостаток сна, поэтому создание прибора, который способен снизить вред от недосыпания, очень важно. Этот прибор выглядит как шапочка с электродами, импульсы от которых улучшают циркуляцию спинномозговой жидкости [23]. Пока детали работы аппарата не раскрываются, также неизвестно, будет ли он доступен широкой публике, а не только военным.
Рисунок 9. Внешний вид прибора, который может стимулировать глимфатическую систему. Детали работы пока неизвестны.
Работой глимфатической системы можно управлять не только с помощью приборов, но и с помощью химических соединений. Было обнаружено, что некоторые препараты могут увеличивать ее активность. Такой эффект дает, например, комбинация кетамина и ксилазина, используемых для анестезии. Причем эти и другие вещества влияли не только на ток спинномозговой жидкости, но и на электрическую активность мозга и на работу сердца, делая их похожими на те, что наблюдаются при «естественной» работе глимфатической системы [24]. Поиск веществ, стимулирующих ее, активно продолжается. Возможно, вскоре в аптеке можно будет приобрести «таблетку, промывающую мозги», и это будет совсем не метафора. Ну а до тех пор, пока не найдена такая таблетка и не разработан «волшебный прибор», очищающий мозг, мы можем управлять глимфатической системой только по старинке — следить за качеством своего сна, чтобы наш мозг мог как следует промываться.