Будет ли положен конец дебатам о функциях нейроглии?
15.11.2010
2494
0
24940
Кен МакКарти (Ken McCarthy), генетик из Медицинской Школы Университета Северной Каролины (University of North Carolina School of Medicine) в Чапел-Хилл (США) подливает масла в огонь дебатов, касающихся участия нейроглии, второй по численности клеточной популяции в нервной ткани после нейронов, в передаче электрических сигналов между нервными клетками.
В течение многих лет считалось, что нейроны являются единственными клетками, выполняющими функцию передачи нервных импульсов, а нейроглие отводилась вспомогательная роль специфического микроокружения нервных клеток, которое обеспечивает условия развития нейронов в эмбриогенезе, поддержания их жизнеспособности, а также генерации и передачи нервных импульсов. Однако за несколько последних десятилетий представления изменились.
Один из типов глиальных клеток, а именно астроциты, характеризуется многочисленными радиально расходящимися от тела клетки отростками, заканчивающимися, в том числе, на синапсах (контактах между нервными клетками). При этом было показано, что астроциты способны оказывать влияние на синаптическую передачу импульса. Биологически активные химические вещества (или нейромедиаторы), высвобождаемые нейронами, вызывают повышение уровня ионов кальция в астроцитах, что приводит к продукции астроцитами собственных нейромедиаторов. Это может усиливать или подавлять передачу сигнала (нейротрансмиссию) между нейронами, а также со временем влиять на силу их взаимодействия. Более того, астроцит, контактирующий с одним синапсом, может одновременно взаимодействовать с соседними синапсами и астроцитами.
Последствия такой «глиетрансмиссии» могут быть очень значимыми. В мозге человека содержатся примерно равные количества глиальных клеток и нейронов (примерно по 85 миллиардов каждого типа клеток), и каждый астроцит за счет своих отростков может образовывать до 30 тысяч контактов с соседними клетками. «Если нейроглия действительно вовлечена в обмен сигналами между нейронами, то процессы, протекающие в головном мозге, оказываются на порядок сложнее, чем считалось ранее», - говорит Андреа Вольтерра (Andrea Volterra), занимающаяся изучением астроцитов в Университете Лозанны (University of Lausanne) (Швейцария). Несколько статей, вышедших в прошлом году, подчеркнули актуальность этой проблемы.
Недавняя работа МакКарти могла бы положить конец дебатам вокруг астроглии. Большинство ранних исследований проводилось на культурах астроцитах в чашках Петри. По мнению МакКарти, эти методы недостаточно точны для того, чтобы можно было делать выводы о влиянии астроцитов на нейроны. Астроциты необходимо изучать отдельно. МакКарти провел исследование на генетически модифицированных мышах, у которых астроциты не могли влиять на передачу сигнала, продуцируя нейромедиаторы. Оказалось, что мутации в генах, регулирующих функционирование астроцитов, никак не повлияли на передачу сигнала между нейронами в головном мозге.
Результаты, полученные научной группой МакКарти, могли бы помочь многим нейробиологам, но некоторые ученые всю свою научную карьеру посвятили глиетрансмиссии. Помимо непосредственного участия в работе центральной нервной системы, функции глии открывали новые возможности для изучения многих психических и неврологических заболеваний. Поэтому ученым оставалось либо обвинять МакКарти в ошибочности его результатов, либо переоценивать фундаментальные принципы нейробиологии. По словам Дэвида Аттуэлла (David Attwell), нейробиолога из Университетского Колледжа Лондона (University College London) (Великобритания), на последнем съезде Европейского Общества Нейробиологов (Federation of European Neurosciences) в Амстердаме эмоции участников конференции были на пределе. «Если кто-то приходит и говорит, что все результаты, которые вы получили за свою научную карьеру, ошибочны, это все равно, что сказать, что вы впустую потратили жизнь».
Однако недавно гипотеза глиетрансмиссии получила большую поддержку. В январе этого года научная группа под руководством Дмитрия Русакова из Университетского Колледжа Лондона (Великобритания) и Стефана Олие (Stephane Oliet) из Университета Бордо (University of Bordeaux) (Франция) опубликовала результаты своих исследований, свидетельствующие о том, что один из нейротрансмиттеров – аминокислота D-серин, продуцируемая астроцитами, активирует рецептор NMDAR (или рецептор N-метил-D-аспартата) на клеточных мембранах нейронов. Считается, что передача сигнала через рецептор NMDAR приводит к усилению взаимодействия между синапсами, что в конечном итоге влияет на процессы обучения и память.
В сентябре этого года другая научная группа под руководством Джастина Ли (Justin Lee) из Корейского Института Науки и Техники (Korea Institute of Science and Technology) в Сеуле предоставила доказательства того, что астроциты мозжечка продуцируют особый нейромедиатор GABA (гамма-аминомасляную кислоту). Но, в отличие от результатов исследований других научных групп, свидетельствующих о том, что астроциты высвобождают молекулы, упакованные в крошечные пузырьки - везикулы, окруженные липидной мембраной, эксперименты Ли говорят о том, что клетки передают химические сигналы непосредственно через ионные каналы в мембране. При искусственном блокировании канала под названием бестрофин-1 концентрация гамма-аминомасляной кислоты в синапсе снижалась.
Существуют также различные мнения относительно экспериментальных методов. В этих и многих других экспериментах ученые пытались искусственно воссоздать передачу сигнала астроцитами в чашках Петри с помощью стимуляции отдельных клеток ионами кальция. По словам МакКарти, этот метод действует на клетку наподобие атомной бомбы. «В естественных условиях уровень кальция в клетке повышался бы гораздо медленнее. А накачивание клетки кальцием может привести к совершенно неожиданным последствиям», - говорит МакКарти.
Научная группа под руководством ученицы МакКарти Цендры Агалхон (Cendra Agulhon) исследовала 2 линии мышей, у одной из которых передачу сигнала астроцитами поддерживали ионами кальция, а в другой кальций, наоборот, полностью исключили. Выяснилось, что ионы кальция никак не повлияли на работу соседних с астроцитами нейронов. После этого эксперимента научная группа МакКарти укрепилась в своем мнении, что астроциты не оказывают влияния на передачу сигнала между нейронами. Результаты исследования были опубликованы в мартовском выпуске журнала Science.
Однако не все исследователи одобряют экспериментальные методы МакКарти. «Оценка работы астроцитов требует более тонких экспериментальных подходов», - говорит Ричард Робитайль (Richard Robitaille), нейробиолог из Университета Монреаля (University of Montreal) (Канада).
По мнению еще одного нейробиолога, Фила Хэйдона (Phil Haydon) из Университета Тафта (Tufts University) в Бостоне (США), у линии мышей с нефункционирующими астроцитами, которую создал МакКарти, могли произойти очень серьезные изменения головного мозга как в период его развития, так и в течение последующей жизни, которые не представлялось возможным оценить за короткое время.
Майкен Недергаард (Maiken Nedergaard), нейробиолог из Университета Рочестера (University of Rochester) (США) считает, что нельзя использовать одни и те же методы для работы с нейронами и астроцитами. «Астроциты совсем по-другому функционируют: в отличие от нейронов, они используют другие способы получения и передачи информации. Они также могут работать совсем в другом временном масштабе, а их сигналы могут быть на несколько порядков слабее, чем у нейронов. Обычные методы измерения уровня кальция в клетках не очень подходят для измерения уровня кальция в астроцитах хотя бы потому, что кальциевые красители не способны проникнуть в эти клетки».
Балджит Ках (Baljit Khakh), биолог из Калифорнийского Университета в Лос-Анджелесе (University of California) (США) разработал метод, с помощью которого можно выявлять кальций в отростках астроцитов, что ранее не представлялось возможным. Его научная группа использовала чувствительный к кальцию белок и модифицировала его таким образом, чтобы при повышении концентрации кальция он перемещался к плазматической мембране клетки, где должна проходить основная часть запускаемой кальцием череды молекулярных событий. Ученые показали, что повышение уровня кальция в теле астроцита вовсе не означает соответствующее его повышение в отростках клетки. Если глиальные клетки и в самом деле продуцируют нейромедиаторы, то подобные методы пригодятся ученым для изучения конкретных мест высвобождения этих веществ.
Ричард Робитайль решил выяснить, способны ли астроциты реагировать на слабую синаптическую передачу между нейронами (1 электрический сигнал, или 1 потенциал действия). Активируя небольшое количество нейронов слабым электрическим импульсом, ученый измерял уровень кальция в отростках соседних астроцитов с использованием высокоскоростного метода визуализации. Результаты его исследования, которые пока не опубликованы, свидетельствуют о том, что астроциты действительно улавливают слабые импульсы между нейронами, и более того, регулируют передачу сигнала с помощью продукции таких энергетических молекул, таких как аденозин и аденозинтрифосфат (АТФ). Таким образом, Робитайль и его научная группа сделали выводы в пользу глиетрансмиссии.
«Наши знания об астроцитах очень скудны, и ученые получают противоположные результаты потому, что имеется тенденция обобщать данные, полученные в результате работы с нейронами из разных отделов головного мозга. Этого делать нельзя», - говорит Андреа Вольтерра.
«Пока не удается понять, какой именно эксперимент помог бы решить дилемму раз и навсегда», - говорит Атуэлл.
Недавно Фил Хэйдон вместе со своей научной группой провел еще один эксперимент, в котором использовал генетически модифицированных мышей с повышенным уровнем фермента инозитолтрифосфатфосфатазы, которая препятствует высвобождению кальция из астроцитов. Эксперименты Хэйдона были проведены более тщательно, чем у МакКарти: ученый работал только с астроцитами из гиппокампа мышей, и все экспериментальные животные были одного возраста.
Хэйдон продемонстрировал, что у генетически модифицированных мышей передача сигнала от кальция в астроцитах снижалась, что влияло на синаптическую передачу в гиппокампе. Это означает, что астроциты все же принимают участие в нейротрансмиссии.
МакКарти с радостью воспринял это сообщение. «Мне бы хотелось, чтобы гипотеза о глиетрансмиссии получила подтверждение, - говорит МакКарти, - однако все аргументы «за» и «против» еще нуждаются в дальнейшей проверке».
Гипотеза «глиетрансмиссии» (рисунок: NatureNews).
По материалам:
NatureNews
В течение многих лет считалось, что нейроны являются единственными клетками, выполняющими функцию передачи нервных импульсов, а нейроглие отводилась вспомогательная роль специфического микроокружения нервных клеток, которое обеспечивает условия развития нейронов в эмбриогенезе, поддержания их жизнеспособности, а также генерации и передачи нервных импульсов. Однако за несколько последних десятилетий представления изменились.
Один из типов глиальных клеток, а именно астроциты, характеризуется многочисленными радиально расходящимися от тела клетки отростками, заканчивающимися, в том числе, на синапсах (контактах между нервными клетками). При этом было показано, что астроциты способны оказывать влияние на синаптическую передачу импульса. Биологически активные химические вещества (или нейромедиаторы), высвобождаемые нейронами, вызывают повышение уровня ионов кальция в астроцитах, что приводит к продукции астроцитами собственных нейромедиаторов. Это может усиливать или подавлять передачу сигнала (нейротрансмиссию) между нейронами, а также со временем влиять на силу их взаимодействия. Более того, астроцит, контактирующий с одним синапсом, может одновременно взаимодействовать с соседними синапсами и астроцитами.
Последствия такой «глиетрансмиссии» могут быть очень значимыми. В мозге человека содержатся примерно равные количества глиальных клеток и нейронов (примерно по 85 миллиардов каждого типа клеток), и каждый астроцит за счет своих отростков может образовывать до 30 тысяч контактов с соседними клетками. «Если нейроглия действительно вовлечена в обмен сигналами между нейронами, то процессы, протекающие в головном мозге, оказываются на порядок сложнее, чем считалось ранее», - говорит Андреа Вольтерра (Andrea Volterra), занимающаяся изучением астроцитов в Университете Лозанны (University of Lausanne) (Швейцария). Несколько статей, вышедших в прошлом году, подчеркнули актуальность этой проблемы.
Недавняя работа МакКарти могла бы положить конец дебатам вокруг астроглии. Большинство ранних исследований проводилось на культурах астроцитах в чашках Петри. По мнению МакКарти, эти методы недостаточно точны для того, чтобы можно было делать выводы о влиянии астроцитов на нейроны. Астроциты необходимо изучать отдельно. МакКарти провел исследование на генетически модифицированных мышах, у которых астроциты не могли влиять на передачу сигнала, продуцируя нейромедиаторы. Оказалось, что мутации в генах, регулирующих функционирование астроцитов, никак не повлияли на передачу сигнала между нейронами в головном мозге.
Результаты, полученные научной группой МакКарти, могли бы помочь многим нейробиологам, но некоторые ученые всю свою научную карьеру посвятили глиетрансмиссии. Помимо непосредственного участия в работе центральной нервной системы, функции глии открывали новые возможности для изучения многих психических и неврологических заболеваний. Поэтому ученым оставалось либо обвинять МакКарти в ошибочности его результатов, либо переоценивать фундаментальные принципы нейробиологии. По словам Дэвида Аттуэлла (David Attwell), нейробиолога из Университетского Колледжа Лондона (University College London) (Великобритания), на последнем съезде Европейского Общества Нейробиологов (Federation of European Neurosciences) в Амстердаме эмоции участников конференции были на пределе. «Если кто-то приходит и говорит, что все результаты, которые вы получили за свою научную карьеру, ошибочны, это все равно, что сказать, что вы впустую потратили жизнь».
Однако недавно гипотеза глиетрансмиссии получила большую поддержку. В январе этого года научная группа под руководством Дмитрия Русакова из Университетского Колледжа Лондона (Великобритания) и Стефана Олие (Stephane Oliet) из Университета Бордо (University of Bordeaux) (Франция) опубликовала результаты своих исследований, свидетельствующие о том, что один из нейротрансмиттеров – аминокислота D-серин, продуцируемая астроцитами, активирует рецептор NMDAR (или рецептор N-метил-D-аспартата) на клеточных мембранах нейронов. Считается, что передача сигнала через рецептор NMDAR приводит к усилению взаимодействия между синапсами, что в конечном итоге влияет на процессы обучения и память.
В сентябре этого года другая научная группа под руководством Джастина Ли (Justin Lee) из Корейского Института Науки и Техники (Korea Institute of Science and Technology) в Сеуле предоставила доказательства того, что астроциты мозжечка продуцируют особый нейромедиатор GABA (гамма-аминомасляную кислоту). Но, в отличие от результатов исследований других научных групп, свидетельствующих о том, что астроциты высвобождают молекулы, упакованные в крошечные пузырьки - везикулы, окруженные липидной мембраной, эксперименты Ли говорят о том, что клетки передают химические сигналы непосредственно через ионные каналы в мембране. При искусственном блокировании канала под названием бестрофин-1 концентрация гамма-аминомасляной кислоты в синапсе снижалась.
Существуют также различные мнения относительно экспериментальных методов. В этих и многих других экспериментах ученые пытались искусственно воссоздать передачу сигнала астроцитами в чашках Петри с помощью стимуляции отдельных клеток ионами кальция. По словам МакКарти, этот метод действует на клетку наподобие атомной бомбы. «В естественных условиях уровень кальция в клетке повышался бы гораздо медленнее. А накачивание клетки кальцием может привести к совершенно неожиданным последствиям», - говорит МакКарти.
Научная группа под руководством ученицы МакКарти Цендры Агалхон (Cendra Agulhon) исследовала 2 линии мышей, у одной из которых передачу сигнала астроцитами поддерживали ионами кальция, а в другой кальций, наоборот, полностью исключили. Выяснилось, что ионы кальция никак не повлияли на работу соседних с астроцитами нейронов. После этого эксперимента научная группа МакКарти укрепилась в своем мнении, что астроциты не оказывают влияния на передачу сигнала между нейронами. Результаты исследования были опубликованы в мартовском выпуске журнала Science.
Однако не все исследователи одобряют экспериментальные методы МакКарти. «Оценка работы астроцитов требует более тонких экспериментальных подходов», - говорит Ричард Робитайль (Richard Robitaille), нейробиолог из Университета Монреаля (University of Montreal) (Канада).
По мнению еще одного нейробиолога, Фила Хэйдона (Phil Haydon) из Университета Тафта (Tufts University) в Бостоне (США), у линии мышей с нефункционирующими астроцитами, которую создал МакКарти, могли произойти очень серьезные изменения головного мозга как в период его развития, так и в течение последующей жизни, которые не представлялось возможным оценить за короткое время.
Майкен Недергаард (Maiken Nedergaard), нейробиолог из Университета Рочестера (University of Rochester) (США) считает, что нельзя использовать одни и те же методы для работы с нейронами и астроцитами. «Астроциты совсем по-другому функционируют: в отличие от нейронов, они используют другие способы получения и передачи информации. Они также могут работать совсем в другом временном масштабе, а их сигналы могут быть на несколько порядков слабее, чем у нейронов. Обычные методы измерения уровня кальция в клетках не очень подходят для измерения уровня кальция в астроцитах хотя бы потому, что кальциевые красители не способны проникнуть в эти клетки».
Балджит Ках (Baljit Khakh), биолог из Калифорнийского Университета в Лос-Анджелесе (University of California) (США) разработал метод, с помощью которого можно выявлять кальций в отростках астроцитов, что ранее не представлялось возможным. Его научная группа использовала чувствительный к кальцию белок и модифицировала его таким образом, чтобы при повышении концентрации кальция он перемещался к плазматической мембране клетки, где должна проходить основная часть запускаемой кальцием череды молекулярных событий. Ученые показали, что повышение уровня кальция в теле астроцита вовсе не означает соответствующее его повышение в отростках клетки. Если глиальные клетки и в самом деле продуцируют нейромедиаторы, то подобные методы пригодятся ученым для изучения конкретных мест высвобождения этих веществ.
Ричард Робитайль решил выяснить, способны ли астроциты реагировать на слабую синаптическую передачу между нейронами (1 электрический сигнал, или 1 потенциал действия). Активируя небольшое количество нейронов слабым электрическим импульсом, ученый измерял уровень кальция в отростках соседних астроцитов с использованием высокоскоростного метода визуализации. Результаты его исследования, которые пока не опубликованы, свидетельствуют о том, что астроциты действительно улавливают слабые импульсы между нейронами, и более того, регулируют передачу сигнала с помощью продукции таких энергетических молекул, таких как аденозин и аденозинтрифосфат (АТФ). Таким образом, Робитайль и его научная группа сделали выводы в пользу глиетрансмиссии.
«Наши знания об астроцитах очень скудны, и ученые получают противоположные результаты потому, что имеется тенденция обобщать данные, полученные в результате работы с нейронами из разных отделов головного мозга. Этого делать нельзя», - говорит Андреа Вольтерра.
«Пока не удается понять, какой именно эксперимент помог бы решить дилемму раз и навсегда», - говорит Атуэлл.
Недавно Фил Хэйдон вместе со своей научной группой провел еще один эксперимент, в котором использовал генетически модифицированных мышей с повышенным уровнем фермента инозитолтрифосфатфосфатазы, которая препятствует высвобождению кальция из астроцитов. Эксперименты Хэйдона были проведены более тщательно, чем у МакКарти: ученый работал только с астроцитами из гиппокампа мышей, и все экспериментальные животные были одного возраста.
Хэйдон продемонстрировал, что у генетически модифицированных мышей передача сигнала от кальция в астроцитах снижалась, что влияло на синаптическую передачу в гиппокампе. Это означает, что астроциты все же принимают участие в нейротрансмиссии.
МакКарти с радостью воспринял это сообщение. «Мне бы хотелось, чтобы гипотеза о глиетрансмиссии получила подтверждение, - говорит МакКарти, - однако все аргументы «за» и «против» еще нуждаются в дальнейшей проверке».
Гипотеза «глиетрансмиссии» (рисунок: NatureNews).
По материалам:
NatureNews
Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Последние комментарии
