Nikolls_-_Ot_neyrona_k_mozgu

Глава 24. Денервация и регенерация синаптических связей

593

Рис. 24.13. Базальная мембрана и регенерация синапсов. (А) Микрофотография нормального нервномышечного синапса лягушки, окрашенного рутением красным, показывающая базальную мембрану, погруженную в постсинаптические складки и окружающую шванновскую клетку (S) и нервное окончание (N). (В) Изображение кожно-грудной мышцы, показывающее замороженный (справа) или перерезанный (слева) участок, с целью вызвать локальное повреждение мышечных волокон. (С) Замораживание приводит к дегенерации и фагоцитозу всех клеточных элементов нервно-мышечного соединения, оставляя целой только базальную мембрану мышечного волокна и шванновской клетки. Новые нервно-мышечные синапсы создаются регенерирующими аксонами и мышечными волокнами. (D) Нерв и мышца были повреждены, регенерация мышечных волокон предупреждена рентгеновским облучением. В отсутствие мышечных волокон аксоны регенерировали, восстанавливали связь с исходными синаптическими зонами и формировали активные зоны.

Fig. 24.13. Basal Lamina and Regeneration of Synapses. (A) Electron micrograph of a normal neuromuscular synapse in the frog, stained with ruthenium red to show the basal lamina that dips into the postsynaptic folds and surrounds the Schwann cell (S) and nerve terminal (N). (B) Diagram of the cutaneous pectons muscle, showing the region frozen (right) or cut away (left) to damage muscle fibers. (C) Freezing causes all cellular elements of the neuromuscular junction to degenerate and be phagocytized, leaving only the basal lamina sheath of the muscle fiber and Schwann cell intact. New neuromuscular junctions are restored by regenerating axons and muscle fibers. (D) Nerve and muscle were damaged, and regeneration of muscle fibers was prevented by /irradiation In the absence of muscle fibers, axons regenerated; contacted original synaptic sites, marked by the tongue of basal lamina that had extended into the junctional fold (arrow); and formed active zones. (After McMahan, Edgington, and Kuffter, 1980; micrographs kindly provided by U. J. McMahan.)

кластеров АХ рецепторов вместе с другими компонентами постсинаптической мембраны (рис. 24.15)106).

Активный компонент экстрактов, названный агрином, был очищен и охарактеризован, а у цыпленка, крысы и ската клонирована соответствующая кДНК.107). Результаты гибридизации in situ и иммуногистохимических исследований продемонстрировали, что агрин синтезируется мотонейронами, транспортируется по аксонам и, освобождаясь, индуцирует дифференцировку постсинаптического аппарата в развивающихся нервно-мышечных синапсах (глава 23)108). Затем агрин

594								Раздел IV. Развитие нервной системы
Рис.		24.14.		Аккумуляция
AX			рецепторов				и
ацетилхолинэстеразы							в
исходных				синаптических
зонах				мышечных
волокон,			регенерирующих
в	отсутствие					нерва.
Мышца						была
заморожена,				как		на рис.
24.13В, но регенерация
нерва		была		блокирована.
Новые				мышечные
волокна			сформировались
в	пределах				оболочек
базальной мембраны.							(А
и	В)		Ауторадиография
регенерированной						мышцы
с			окраской				на
холинэстераэу, для того
чтобы		выделить			исходную
синаптическую					зону		(в
фокусе			в	части		А),	и
помеченной
радиоактивным							α-
бунгаротоксином,						чтобы
определить положение АХ
рецепторов				(серебряные
зерна в фокусе в части В).
(С)				Электронная
микрофотография								Исходная холинэстераза деградировала после заморозки	мышцы. Таким
исходной				синаптической
зоны		в	регенерированной					образом, выявляемый продукт реакции обусловлен	холинэстеразой,
мышце,				отмеченная				синтезированной и аккумулированной в исходной	синаптической зоне
пероксидазой хрена (HRP),								регенерирующим мышечным волокном.
конъюгированной						с	α-	Fig. 24.14. Accumulation of ACh Receptors and Acetylchohnesterase at Original
бунгаротоксином.								Synaptic Sites on muscle fibers regenerating in the absence of nerve. The muscle was
Распределение							АХ	frozen as in Figure 24.13B, but the nerve was prevented from regenerating. New
рецепторов								muscle fibers formed within the basal lamina sheaths. (A and B) Light-microscope
обнаруживается							по	autoradiography of a regenerated muscle stained for cholinesterase to maik the original
высокой				плотности				synaptic site (in focus in part A) and incubated with radioactive α bungarotoxin to label
продукта реакции с HRP,								ACh receptors (silver grains in focus in part В). (С) Electron micrograph of the original
который				позволяет				synaptic site in a regenerated muscle labeled with HRP-α-bungarotoxin. The
различать				поверхность				distribution of ACh receptors is indicated by the dense HRP reaction product which
мышечного				волокна			и	lines the muscle fiber surface and the junctional folds. (D) Electron micrograph of the
синаптические складки. (D)								original synaptic site in a regenerated muscle stained for cholinesterase. The original
Электронная								cholinesterase was permanently inactivated at the time the muscle was frozen. Thus,
микрофотография								the dense reaction product is due to cholinesterase synthesized and accumulated at
исходной				синаптической				the original synaptic site by the regenerating muscle fiber. (A and В after McMahan,
зоны		в	регенерирующей					Edgington, and Kuffler, 1980; С after McMahan and Slater. 1984; D after Anglister and
мышце			с	окраской			на	McMahan, 1985; micrographs kindly provided by U.J. McMahan.)
холинэстеразу.

становится частью синаптической базальной мембраны, где участвует в сохранении постсинаптического аппарата и запускает дифференцировку во время регенерации.

Как описано в главе 23, специфичный для мышцы рецептор тирозинкиназы, называемый MuSK, образует часть агринового рецептора. Активация MuSK инициирует внутриклеточное фосфорилирование, что служит пусковым сигналом для агрегации АХ рецепторов.

§ 5. Регенерация в ЦНС млекопитающих

Центральная нервная система взрослого млекопитающего имеет ограниченные возможности для регенерации. Перерезка большинства проводящих путей не сопровождается ростом аксонов и восстановлением функции. Однако, как описано ранее, в некоторых ситуациях после повреждений в центральной нервной системе неповрежденные аксоны могут развет-

Глава 24. Денервация и регенерация синоптических связей

595

Рис. 24.15. Агрин вызывает агрегацию АХ рецепторов в культуре мышечных трубочек цыпленка. Флуоресцентная микрофотография мышечных трубочек, помеченных родамин конъюгированным

α1бунгаротоксином для выявления АХ рецепторов. (А) Рецепторы с низкой плотностью распределены по поверхности интактных трубочек. (В) Инкубация трубочек с агрином в течение ночи вызывает формирование участков мембраны, в которых происходит аккумуляция АХ рецепторов вместе с другими компонентами постсинаптического аппарата.

Fig. 24.15. Agrin Causes Aggregation of ACh Receptors in chick myotubes in culture. Fluorescence micrographs of

myotubes labeled with rhodamine-conjugated α-bungarotoxin to mark ACh receptors. (A) Receptors are distributed over the surface of control myotubes at low density. (B) Overnight incubation with agrin causes the formation of patches at which ACh receptors accumulate, together with other components of the postsynaptic apparatus. (After McMahan and Wallace, 1989.)

вляться и с высокой специфичностью формировать новые синапсы. Более того, при повреждении даже больших участков ЦНС аксоны в благоприятных условиях могут удлиняться на несколько сантиметров и в некоторых случаях формировать синапсы с соответствующими мишенями109)--111).

Роль глиальных клеток в регенерации ЦНС

Важнейшую роль в ограничении регенерации в центральной нервной системе играют глиальные клетки (глава 8). Ингибирующая активность глиальных клеток ЦНС была установлена в нескольких типах экспериментов. Во-первых, было показано, что, хотя в ЦНС перерезанные аксоны, как правило, не регенерируют, мотонейроны, локализующиеся в передних рогах спинного мозга, могут восстанавливать поврежденные периферические аксоны (рис. 24.16). Подобным же образом аксоны чувствительных нервов регенерируют к их мишеням на периферии, хотя они и не способны к восстановлению повреждения в пределах ЦНС. Так, после перерезки заднего корешка чувствительные аксоны регенерируют к спинному мозгу, но прекращают свой рост тогда, когда они достигают астроцитов, локализующихся на границе центральной нервной системы. Кроме того, периферические аксоны в зрительной системе не способны проникать в трансплантант зрительного нерва, который имеет в своем составе глиальные клетки112'. Эти данные позволяют предположить, что глиальные клетки ЦНС активно ингибируют рост аксонов.

С другой стороны, известно, что, когда нейроны спинальных ганглиев пересаживаются в белое вещество ЦНС с минимальной травматизацией, они способны формировать протяженные аксоны, прорастать в серое вещество и образовывать конечные синаптические разветвления113). Таким образом, при отсутствии травмы, индуцирующей глиальную реакцию, регенерация аксонов не зависит от контакта с глиальными клетками ЦНС.

Если проводящие пути в ЦНС повреждены, астроциты, микроглиальные клетки, менингеальные клетки и предшественники олигодендроцитов аккумулируются в зоне повреждения, формируя глиальный рубец114). Эти клетки продуцируют разнообразные молекулы, включая свободные радикалы, окись азота, производные арахидоновой кислоты и протеогликаны, ингибирующие аксональный рост. Например, Шваб и его коллеги нашли, что олигодендроциты в зрелой ЦНС имеют на своей поверхности белки, обозначаемые N1-35 и N1-250, вызывающие коллапс конуса роста нейронов и ингибирующие рост нервных клеток in virro 111, 115). Аппликация моноклональных антител к этим белкам

596	Раздел IV. Развитие нервной системы

Рис. 24.16. Аксоны чувствительных и двигательных нейронов регенерируют на периферии, но не в ЦНС (А) Мотонейроны, сенсорные нейроны ганглиев дорзальных корешков (DRG) и их аксональные отростки в нервной системе млекопитающего. (В) Места повреждений аксона. (С) Степень регенерации. Аксоны нейронов DRG и мотонейроны регенерируют через места повреждения в периферических нервах и дорэальных корешках (затемнение на волокнах в местах повреждения). Тем не менее регенерирующие волокна дорзального корешка прекращают рост, достигнув отростков астроцитов ограничивающих поверхность спинного мозга. Аксоны чувствительных нейронов DRG не регенерируют также через глиальные рубцы (Glial scar), формирующиеся в местах повреждения ЦНС (затемнение с высветленной серединой).

Fig. 24.16. Axons of Sensory and Motor Neurons Regenerate in the Periphery but Not in the CNS. (A) Motoneurons, dorsal root ganglion sensory neurons, and their axonal processes in the mammalian nervous system.

(B) Sites of axon lesions. (C) Extent of regeneration. Axons of dorsal root ganglion neurons and motoneurons regenerate through lesion sites in peripheral nerves and dorsal roots. However, regenerating dorsal root fibers stop when they reach the astrocytic processes that delimit the surface of the spinal cord. Axons of dorsal root ganglion sensory neurons also do not regenerate through glial scars that form at lesion sites in the CNS.

нейтрализовала их тормозную активность. Более того, в присутствии антител аксоны могли прорастать через поврежденный участок спинного мозга и частично восстанавливать двигательную функцию, хотя степень регенерации была явно неполной111· 116· 117). Аппликация антител способствовала также спраутингу интактных нервных волокон и формированию дополнительных синапсов, что также может играть роль в восстановлении потерянной функции118). Механизм действия антител является, по-видимому, достаточно сложным. В качестве дополнительного механизма, участвующего в спраутинге и нейрональном росте, может выступать местное, индуцированное антителами воспаление119· 120).

Мосты из шванновских клеток и регенерация

шванновские клетки создают благоприятное окружение для роста аксонов нейронов ЦНС. Например, при имплантации сегментов периферических нервов между перерезанными участками спинного мозга мыши или крысы, регенерирующие нервные волокна прорастают в поврежденный участок и заполняют зону повреждения121). Имплантант состоит из шванновских клеток и соединительной ткани; периферические аксоны при этом дегенерированы. Подобным же образом способствует росту нейронов культура шванновских клеток, имплантированная в спинной мозг122). Этот эффект может быть значительно усилен модификацией шванновских клеток методами генной инженерии, приводящими к продукции повышенного уровня нейротрофических факторов123). Введение суспензии инкапсулирующих глиальных клеток в культю перерезанного спинного мозга или в зону электролитического повреждения кортикоспинального тракта также усиливает регенерацию аксонов124· 125). Наличие инкапсулирующих глиальных клеток является характерной особенностью обонятельного аппарата, где даже во взрослом организме происходит рождение новых нейронов и прорастание их аксонов в ЦНС.

Поразительный эффект восстановления утерянной функции наблюдается при использовании мостиков (рис. 24.17126). Один конец седалищного нерва имплантирован в спинной мозг, а другой — в вышележащий отдел нервной системы (спинной мозг, продолговатый мозг или таламус). Мостики можно даже протягивать от коры больших полушарий головного мозга к другому участку ЦНС

Глава 24. Денервация и регенерация синоптических связей					597
Рис. 24.17. Мостики между		продолговатым и
спинным мозгом дают возможность нейронам
ЦНС прорастать на длинные расстояния.
Имплантированный мостик состоит из куска
седалищного нерва взрослой крысы с деге
нерированными аксонами, с сохранившимися
шванновскими	клетками.	Этот	мостик
функционирует как канал, по которому могут
прорастать центральные аксоны. (А) Место
приложения имплантанта. (В) Нейроны
метили перерезкой имплантанта и наложением
HRP к перерезанным концам. Позиции 1 472
клеточных тел нейронов были помечены
ретроградным транспортом HRP y семи крыс с
имплантантом.	Большинство		клеток,
посылающих аксоны в имплантант, были
расположены вблизи него.
Fig. 24.17. Bridges between Medulla and Spinal				These act as a conduit along which central axons can grow. (A)
Cord enable CNS neurons to grow for prolonged
distances. The grafted bridge consists of a				Sites of insertion of the graft. (B) Neurons are labeled by cutting
segment of adult rat sciatic nerve in which axons				the graft and applying HRP to the cut ends. Positions of 1472
have degenerated, leaving Schwann cells.				neuronal cell bodies were labeled by retrograde transport of HRP
				in seven grafted rats. Most of the cells sending axons into the
				graft are situated close to its points of insertion. (After David and
				Aguayo, 1981.)

или к скелетной мышце. После нескольких недель или месяцев имплантант приобретает сходство с нормальным нервным проводником, наполненным миелинизированными или немиелинизированными аксонами. Эти нейроны являются электрически возбудимыми и способными генерировать распространяющиеся нервные импульсы. Более того, они способны ингибироваться стимулами, приложенными выше или ниже зоны имплантации. При перерезке тканей в области мостика и загрузке обрезанных концов пероксидазой хрена (или другими маркерами) можно установить происхождение прорастающих нервных волокон (рис. 24.17В). Такие эксперименты показали, что аксоны, заполнившие мостик, происходят из нейронов, клеточные тела которых лежат внутри центральной нервной системы. Обычно в мостик прорастают только те нейроны, тела которых располагаются на расстоянии не более нескольких миллиметров от мостика. Подобным же образом аксоны, вышедшие из мостика, способны прорастать в центральную нервную систему только на короткую дистанцию.

Не все нейроны ЦНС даже в благоприятном окружении способны удлинять аксоны. Например, при перерезке аксонов клеток Пуркинье мозжечка у взрослых животных выживают все утратившие отростки нейроны, но это не сопровождается регенерацией аксонов, даже если в поврежденный участок имплантируются кусочки эмбрионального мозжечка127). Между тем такие имплантанты эффективно стимулируют прорастание аксонов других мозжечковых нейронов. Таким образом, регенерация зависит как от условий, разрешающих или активирующих рост нервных клеток, так и от внутренних характеристик, присущих данному нейрону. Отсутствие способности к регенерации поврежденных отростков у клеток Пуркинье коррелирует с тем, что в их цитоплазме при аксотомии не происходит повышения синтеза белков, обеспечивающих рост аксонов.

Формирование синапсов при регенерации аксонов в ЦНС млекопитающих

Могут ли аксоны, регенерирующие в ЦНС млекопитающих, правильно находить свои мишени и создавать функционирующие синапсы? Эксперименты на регенерирующих аксонах ганглиозных клеток сетчатки дали положительный ответ на этот вопрос109). Если после перерезки зрительного нерва в поврежденный участок между глазом и верхним четверохолмием вставляли мостик, состоящий из периферического нерва, аксоны ганглиозных клеток сетчатки прорастали через мост, достигали своей цели, ветвились и образовывали синапсы (рис. 24.18). Под электронным микроскопом регенерированные синапсы, образованные в должных участках клеток-мишеней имели нормальную структуру,

598						Раздел IV. Развитие нервной системы
Рис.			24.18.
Соединение		сетчатки и
верхнего		бугра		с
помощью имплантанта
периферического нерва
у взрослой крысы. (А)
Зрительные			нервы
были	пересечены,
один	из	них		был
замещен		отрезком
малоберцового			нерва
длиной	3--4	см (серый
цвет).	Регенерация
тестировалась				с
помощью			меток,
антероградно переме-
						2 дня до получения срезов мозга; серебряные зерна, показывающие меченые белки,
щаемых			после
						транспортированные из глаза, служили для распознавания терминален аксона
инъекций в глаз				или
регистрацией			ответов			ганглиозных клеток. Регенерированные терминали были похожи на таковые у
нейронов			верхнего			контрольных животных; они были заполнены круглыми синаптическими везикулами и
бугра на		освещение				формировали асимметричные синапсы.
сетчатки.				(В)		Fig. 24.18. Reconnection of the Retina and Superior Colliculus through a peripheral nerve
Электронно-						graft in an adult rat. (A) The optic nerves were severed, and one was replaced by a 3 to 4
микроскопическая				аут
						cm segment of the peroneal nerve (grey). Regeneration was tested by injecting
радиограмма						anterograde tracers into the eye or recording responses of superior colliculus neurons to
регенерированной
						light flashed onto the retina. (B) Electron microscope autorad ogram of a regenerated
терминали			аксона
						retinal ganglion cell axon terminal in the superior colliculus. [3H]-labeled amino acids were
ганглиоэной			клетки			injected into the eye 2 days before the brain was fixed and sectioned; silver grains exposed
сетчатки	в		верхнем			by radiolabeled proteins transported from the injected eye identify ganglion cell axon
бугорке. [ Н]-меченые						terminals. The regenerated terminal resembles those seen in control animals; it is filled
аминокислоты				были		with round synaptic vesicles and forms asymmetric synapses. (After Vidal-Sanz, Bray, and
инъецированы в глаз за						Aguayo, 1991; micrograph kindly provided by A. 3 Aguayo.)

и являлись функционирующими, о чем свидетельствовало то, что освещение глаза вызывало генерацию электрических сигналов в постсинаптических клетках.

Регенерация в незрелой ЦНС млекопитающих

По сравнению с нервной системой взрослых, незрелая ЦНС млекопитающих обеспечивает более благоприятные условия для регенерации110). Например, если спинной мозг новорожденного опоссума передавлен или перерезан, аксоны прорастают через участок повреждения. Проводимость через поврежденный участок восстанавливается через несколько дней, даже если спинной мозг извлечен и помещен в культуральную среду128). Сходные результаты получены на эмбриональном спинном мозге крысы и мыши в условиях культуры. У новорожденного опоссума даже после полного пересечения спинного мозга после заживления наблюдается полная и точная регенерация и отличное восстановление функций. Например, аксоны чувствительных нейронов восстанавливают прямые синаптические связи с

двигательными нейронами129) и животное может координирование ходить, плавать и прыгать130).

Спинной мозг 9-дневного опоссума регенерирует хорошо, а 12-дневного — уже нет. Поразительным свойством спинного мозга 9--дневного опоссума является отсутствие миелина и малое количество глиальных клеток. Действительно, конец критического периода, в течение которого может осуществляться успешная регенерация, совпадает с появлением олигодендроцитов, миелиновых оболочек и ингибирующих нейрональный рост протеинов N135 и N1-250131). Сходно с этим, у эмбрионов цыплят нейроны ствола мозга будут успешно регенерировать свои спинальные аксоны, если спинной мозг был рассечен до начала миелинизации132). Позже регенерация становится невозможной, за исключением тех случаев, когда миелинизания волокон по какой-то причине запаздывает или если она нарушена. Эти экспериментальные модели дают возможность изучения молекулярных механизмов, облегчающих и ингибирующих регенерацию в центральной нервной системе.

Глава 24. Денервация υ регенерация синаптических связей

599

Рис. 24.19. Процедура трансплантации ткани эмбриона в мозг взрослой крысы. Ткань, богатая клетками, содержащими дофамин, бралась из черной субстанции (А) и инъецировалась в боковой желудочек (В) или имплантировалась в пространство коры, покрывающей базальные ганглии (С). Как альтернативный подход, суспензия диссоциированных клеток черной субстанции могла быть инъецирована непосредственно в базальные ганглии (D). Эти эмбриональные клетки выживали, росли и секретировали трансмиттер.

Fig. 24.19. Procedures for Transplanting Embryonic Tissue into adult rat brain. Tissue rich in cells containing dopamine is dissected from the substantia nigra (A) and is injected into the lateral ventricle (B) or grafted into a cavity in the cortex overlying the basal ganglia (C). Alternatively, a suspension of dissociated substantia nigra cells can be injected directly into the basal ganglia

(D). Such embryonic cells survive, sprout and secrete transmitter. (After Dunnett, Bjorklund, and Stenevi, 1983.)

Нейрональные трансплантанты

Наиболее распространенными заболеваниями ЦНС человека являются болезни, обусловленные спонтанной дегенерацией нейронов, такие как болезни Паркинсона, Альцгеймера и Хантингтона Большинство нервных клеток у взрослых являются постмитотическими; в настоящее время неизвестны физиологические механизмы восстановления утерянных нейронов. Одним из подходов для замещения погибших нервных клеток, предпринятых Бьерклундом и коллегами, являлась трансплантация нервных клеток эмбриона в мозг взрослого организма133). В отличие от нейронов взрослого организма, погибающих при трансплантации, нервные клетки эмбрионов или новорожденных животных после перемещения в серое вещество ЦНС взрослого выживали и развивались (рис. 24.19). Имплантированные клетки дифференцировались, проращивали аксоны и освобождали нейротрансмиттеры из нервных терминалей.

Ярким примером такого рода являются эксперименты, в которых после разрушения дофаминсодержащих нейронов черной субстанции эмбриональные нейроны были трансплантированы в базальные ганглки крысы. Гибель нейронов черной субстанции воспроизводит дефицит, напоминающий болезнь Паркинсона у людей134). У нормальных животных дофаминергические нейроны черной субстанции, располагающиеся в среднем мозге, иннервируют клетки базальных ганглиев (часть мозга, вовлеченная в программирование движений, главы 14 и 22, аппендикс С). При одностороннем повреждении этого дофаминового тракта результатом было нарушение движения; в ответ на стрессовый сигнал животное поворачивалось в сторону повреждения. Эта асимметрия движений исчезала после трансплантации в базальные ганглии на стороне повреждения дофаминсодержаших эмбриональных нейронов черной субстанции135). Улътраструктурные исследования показали, что трансплантированные нейроны удлиняют аксоны, проникая в окружающие участки мозга и формируя синапсы с нейронами реципиента.

Степень функциональной компенсации в результате операции трансплантации нейронов зависит от успешности восстановления синаптических контактов. Удивительно, что полноценная интеграция нейронов в сложную нейрональную сеть мозга происходит нормально у взрослого 136). Так же хорошо у взрослых происходит восстановление после имплантации эмбриональной ткани в поврежденную кору, гиппокамп и полосатое тело133). Трансплантированная в мозг новорожденной крысы эмбриональная сетчатка способна к формированию специфических функциональных синапсов, восстанавливая таким образом соответствующие зрительные рефлексы137). Трансплантация эмбриональной энторинальной коры взрослым крысам с повреждениями энторинальной коры головного мозга может реиннервировать деафферентированные зоны гиппокампа, формировать синаптические контакты и частично восстанавливать дефицит пространственной памяти138· 139).

Ярким примером регенерации нервной системы является анатомическая и функциональная интеграция трансплантированных эмбриональных клеток Пуркинье мозжечка у взрослой мутантной мыши с дегенерацией

600	Раздел IV. Развитие нервной системы

Рис. 24.20. Реконструкция нейрональной сети мозжечка трансплантацией мозговой ткани эмбриона во взрослую мутантную мышь (pcd), y которой клетки Пуркинье дегенерируют вскоре после рождения. (А) Цельные участки мозжечковой ткани от 12-дневного эмбриона (Е12) были инъецированы в мозжечок 2-4-месячных pcd мышей. (В) К 4-5 дню после трансплантации клетки Пуркинье мигрировали от трансплантанта по линии, касательной к мозговой поверхности. Через 6-7 дней после трансплантации клетки Пуркинье начинали мигрировать в радиальном направлении внутрь ткани мозжечка по глиальным клеткам Бергмана, пронизывая молекулярный слой. (С) Донорские клетки Пуркинье, находящиеся на расстоянии не более 600 мкм от глубинных ядер мозжечка (ГЯМ) реципиента, тянут аксоны к ГЯМ и формируют синаптический контакт на специфических мишенях. Те же донорские клетки Пуркинье, которые располагаются на большем расстоянии, контактируют преимущественно с донорскими же клетками ГЯМ, попавшими сюда вместе с трансплантантом.

Fig. 24.20. Reconstruction of Cerebellar Circuits by transplantation of embryonic cerebellar tissue into an adult pcd mouse, a mutant in which Purkin je cells degenerate shortly after birth. (A) Solid pieces of cerebellar primordium from a 12-day embryo (E12) were injected into the cerebellum of a 2-to 4-month- old pcd mouse. (B) By four to five days after transplantation, Purkinje cells have migrated out of the graft tangentially along the cerebellar surface. During days six and seven after transplantation, Purkinje cells migrate radially inward along Bergmann glial cells, penetrating the host molecular layer. (C)

Donor Purkinje cells that lie within 600 /ш of the host deep cerebellar nuclei (DCN) extend axons into the DCN and make synaptic contacts on their specific targets. Donor Purkinje cells farther from the host DCN make contact with donor DCN cells in the graft remnant. (After Sotelo and Alvarado-Mallart, 1991.)

собственных клеток Пуркинье (рис. 24.20)140). Сотело и его коллеги трансплантировали диссоциированные клетки Пуркинье либо целые кусочки эмбриональной ткани в мозжечок взрослой мутантной мыши. Донорские клетки Пуркинье мигрировали из трансплантанта в зоны, где исходно располагались дегенерировавшие впоследствии клетки Пуркинье. Они продвигались вдоль глиальных клеток Бергмана, в которых была индуцирована экспрессия белков, управляющих движением донорских клеток Пуркинье141). Через 2 недели многие трансплантированные клетки формировали дендритные деревья, похожие на разветвления обычных клеток Пуркинье, лиановидные волокна образовывали синапсы сначала на клеточном теле, затем на проксимальных дендритах, а параллельные волокна иннервировали дистальные дендриты. Характерные синаптические потенциалы были зарегистрированы после стимуляции входов лиановидных и мшистых волокон. Тем не менее имплантированные клетки редко устанавливали синаптические связи с их обычны-

Глава 24. Денервация и регенерация синаптических связей

601

ми мишенями в глубоких ядрах мозжечка. Вместо этого они стремились установить связи с донорскими нейронами, перенесенными и выжившими в составе трансплантанта. Несмотря на это, проведенные эксперименты демонстрируют, что трансплантированные нервные клетки могут в значительной мере интегрироваться в нейрональную сеть взрослого организма.

Ясно, что многое нейроны ЦНС млекопитающих сохраняют даже во взрослом состоянии удивительную способность к регенерации аксонов и дендритов и восстановлению соответствующих синаптических связей. Главной причиной несостоятельности регенерации после большинства повреждений ЦНС является ингибирование врожденных регенеративных возможностей факторами, производимыми глиальными клетками и трофическими молекулами, влияющими на рост нейронов. Идентификация механизмов подавления эндогенных тормозных факторов является областью активных научных исследований, так же как и изучение нейрональных стволовых клеток, представляющих собой потенциальный источник новых глиальных клеток и нейронов, чьи свойства могут быть адаптированы методами генной инженерии (глава 23) 142). Успехи в этой области в сочетании с развитием трансплантационной техники дают надежду на восстановление функционального дефицита, возникающего в результате повреждений и нейродегенеративных заболеваний ЦНС.

Выводы

·При перерезке аксона в нервной системе позвоночных происходит дегенерация дистального отдела нерва. Аксотомированная клетка либо подвергается хроматолизу, либо погибает.

·Многие пресинаптическиетерминали, иннервирующие аксотомированные нейроны, подвергаются ретракции; оставшиеся окончания освобождают сниженное количество квантов нейротрансмиттера.

·В денервированных скелетных мышечных волокнах в экстрасинаптических участках происходит синтез и экспрессия новых АХ рецепторов, что делает мышцу гиперчувствительной к АХ. Денервированные нейроны также становятся гиперчувствительными к трансмиттерам, освобождающимся из поврежденных синаптических аксонов.

·Мышечная активность является важным фактором, определяющим количество АХ рецепторов и их распределение. Мышечная активность влияет также на скорость деградации и восстановления АХ рецепторов.

·У взрослых млекопитающих или лягушки иннервированная мышца не принимает иннервации дополнительным нервом. В отличие от этого, нервные волокна способны формировать новые синапсы на денервированных или поврежденных мышечных волокнах.

·Частично денервированные мышцы и нейроны способны вызвать рост новых разветвлений у неповрежденных близлежащих нервов и формирование новых синапсов.

·Шванновские клетки периферической нервной системы обеспечивают особое окружение нейронов, стимулирующее рост аксонов.

·Синаптический участок базальной мембраны, окружающий мышечные волокна, ассоциирован с таким фактором, как агрин, который индуцирует синаптические специализации в регенерирующих окончаниях аксонов и мышечных волокнах. Агрин является протеогликаном, синтезирующимся двигательными нейронами и освобождающимся из окончаний их аксонов. После выделения он становится ассоциированным с синаптической базальной мембраной и индуцирует формирование пре- и постсинаптических специализаций.

·Центральная нервная система взрослых млекопитающих обладает ограниченными возможностями для регенерации.

·Шванновские клетки в форме периферического нервного трансплантанта или инъецированные как клеточная суспензия в зону повреждения создают благоприятное окружение для роста аксонов нейронов ЦНС млекопитающих.

·В ЦНС эмбрионов и новорожденных млекопитающих способна происходить эффективная регенерация после повреждения.

602	Раздел IV. Развитие нервной системы

· Нейроны эмбрионов или новорожденных животных, так же как и нейроны и глиальные клетки, происходящие от нейрональных стволовых клеток, выживают и растут при трансплантации в ЦНС взро-

слого млекопитающего. Трансплантированные клетки могут быть интегрированы в существующие нейрональные сети и частично восстанавливать утерянную функцию.

Рекомендуемая литература

Обзоры

оBjôrklund, A. I99I. Neural transplantation—An experimental tool with clinical possibilities. Trends Neurosci. 14: 319-322.

оFitch, M.T., and Silver, J. 1999. Beyond the glial scar: Cellular and molecular mechanisms by which glial cells contribute to CNS regenerative failure. In M. H. Tuszynski and J. H. Kordower (eds.), CNS Regeneration: Basic Science and Clinical Advances. Academic Press, San Diego, CA, pp. 55-88.

оMartinez-Serrano, A., and Bjôrklund, A. 1997. Immortalized neural progenitor cells for CNS gene transfer and repair. Trends Neurosci. 20: 530-538.

оMillier, H.W., and Stoll, G. 1998. Nerve injury and regeneration: Basic insights and therapeutic interventions.

Curr. Opin. Neural. II: 557—562.

оNicholls, J., and Saunders, N. 1996. Regeneration of immature mammalian spinal cord after injury. Trends Neurosci. 19: 229-234.

оSanes, J. R., and Lichtman, J.W. 1999. Development of the vertebrate neuromuscular junction. Anna. Rev. Neurosci. 22: 389-442.

оSchwab, M. E., and Bartholdi, D. 1996. Degeneration and regeneration of axons in the lesioned spinal cord.

Physiol. Rev. 76: 319-370.

о von Bernhardi, R., and Muller, K.J. 1995. Repair of the central nervous system: Lessons from lesions in leeches.

J. Neurobiol. 27: 353-366.

Статьи

оBjôrklund, Α., Dunnett, S. В., Stenevi, U, Lewis, N. E., and Iversen, S. D. 1980. Reinnervation of the denervated striatum by substantia nigra transplants: Functional consequences as revealed by pharmacological and sensorimotor testing. Brain Res. 199: 307-333.

оBlackshaw, S. E., Nicholls, J. G., and Parnas, I. 1982. Expanded receptive fields of cutaneous mechanoreceptor cells after single neurone deletion in leech central nervous system. J. Physiol. 326: 261-268.

оBrown, M. C, and Ironton, R. 1977. Motor neurone sprouting induced by prolonged tetrodotox-in block of nerve action potentials. Nature 265: 459-461.

оBurden, S. J., Sargent, P. В., and McMahan, U. J. 1979. Acetylcholine receptors in regenerating muscle accumulate at original synaptic sites in the absence of the nerve. /. Cell Biol. 82: 412-425.

оDavid, S., and Aguayo, A.J. 1981. Axonal elongation into peripheral nervous system "bridges" after central nervous system injury in adult rats. Science 214: 931-933.

оDavies, S. J.A., Fitch, M. T., Memberg, S. P., Hall, A. K., Raisman, G., and Silver, J. 1997. Regeneration of adult axons in white matter tracts of the central nervous system. Nature 390:680-683.

оLemo, T., and Rosenthal, J. 1972. Control of ACh sensitivity by muscle activity in the rat. J. Physiol. 221: 493513.

оMiledi, R. 1960. The acetylcholine sensitivity of frog muscle fibers after complete or partial dener-vation. /. Physiol. 151: 1-23.

оMishina, M., Takai, T, Imoto, K., Noda, M., Takahashi, T., Numa, S., Methfessel, C-, and Sak-mann, B. 1986. Molecular distinction between fetal and adult forms of muscle acetylcholine receptor. Nature 321:406-411.

оSanes, J. R., Marshall, L. M., and McMahan, U. J. 1978. Reinnervation of muscle fiber basal lamina after removalof myofibers. J. Cell Biol. 78: 176-198.

оSaunders, N. R., Kitchener, P., Knott, G. W., Nicholls, J. G., Potter, A. and Smith, T.J. 1998. Development of walking, swimming and neuronal connections after complete spinal cord transection in the neonatal opossum, Monodelphis dornestica J. Neurosci. 18: 339-355.

оSchwab, M. E., and Caroni, P. 1988. Oligodendro-cytes and CNS myelin are nonpermissive substrates for neurite growth and fibroblast spreading in vitro. J. Neurosci. 8: 2381-2393.

оSon, Y-J., and Thompson, W.J. 1995. Nerve sprouting in muscle is induced and guided by processes extended by Schwann cells. Neuron 14: 133-141.

оWilson Horch, H. L., and Sargent, P. B. 1996. Effects of denervation on acetylcholine receptor clusters on frog cardiac ganglion neurons as revealed by quantitative laser scanning confocal microscopy. /. Neurosci. 16: 17201729.