В нервной системе нейрон , нейрон или нервная клетка — это электрически возбудимая клетка , которая излучает электрические сигналы, называемые потенциалами действия, через нейронную сеть . Нейроны общаются с другими клетками через синапсы , которые представляют собой специализированные соединения, которые обычно используют незначительное количество химических нейротрансмиттеров для передачи электрического сигнала от пресинаптического нейрона к клетке-мишени через синаптическую щель.
Нейрон — основной компонент нервной ткани всех животных , кроме губок и плакозоа . Неживотные, такие как растения и грибы, не имеют нервных клеток. Молекулярные данные свидетельствуют о том, что способность генерировать электрические сигналы впервые появилась в эволюции примерно 700–800 миллионов лет назад, в тонианский период. Предшественниками нейронов были пептидергические секреторные клетки. В конечном итоге они получили новые генные модули, которые позволили клеткам создавать постсинаптические каркасы и ионные каналы, генерирующие быстрые электрические сигналы. Способность генерировать электрические сигналы была ключевым нововведением в эволюции нервной системы. [1]
Нейроны обычно делятся на три типа в зависимости от их функции. Сенсорные нейроны реагируют на раздражители , такие как прикосновение, звук или свет, которые влияют на клетки органов чувств , и посылают сигналы в спинной или головной мозг . Мотонейроны получают сигналы от головного и спинного мозга, чтобы контролировать все: от мышечных сокращений [2] до выделения желез . Интернейроны соединяют нейроны с другими нейронами в той же области головного или спинного мозга. Когда несколько нейронов функционально связаны друг с другом, они образуют так называемую нейронную цепь .
Нейроны — это особые клетки, которые состоят из некоторых структур, общих для всех других эукариотических клеток, таких как тело клетки (сома), ядро, гладкая и шероховатая эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, митохондрии и другие клеточные компоненты. [3] Кроме того, нейроны имеют другие уникальные структуры, такие как дендриты и одиночный аксон . [3] Сома представляет собой компактную структуру, а аксоны и дендриты представляют собой нити, выходящие из сомы. Дендриты обычно сильно ветвятся и простираются на несколько сотен микрометров от сомы. Аксон покидает сому в месте вздутия, называемого аксонным бугорком , и проходит расстояние до 1 метра у людей или более у других видов. Он разветвляется, но обычно сохраняет постоянный диаметр. На самом дальнем конце ветвей аксона находятся окончания аксона , где нейрон может передавать сигнал через синапс в другую клетку. Нейроны могут не иметь дендритов или аксонов. Термин «нейрит» используется для описания дендрита или аксона, особенно когда клетка недифференцирована .
Большинство нейронов получают сигналы через дендриты и сому и отправляют сигналы по аксону. В большинстве синапсов сигналы переходят от аксона одного нейрона к дендриту другого. Однако синапсы могут соединять аксон с другим аксоном или дендрит с другим дендритом.
Процесс передачи сигналов частично электрический, частично химический. Нейроны электрически возбудимы из-за поддержания градиентов напряжения на их мембранах . Если напряжение изменяется на достаточно большую величину в течение короткого интервала времени, нейрон генерирует электрохимический импульс по принципу «все или ничего», называемый потенциалом действия . Этот потенциал быстро распространяется по аксону и по мере достижения активирует синаптические связи. Синаптические сигналы могут быть возбуждающими или тормозящими , увеличивая или уменьшая суммарное напряжение, достигающее сомы.
В большинстве случаев нейроны генерируются нервными стволовыми клетками во время развития мозга и в детстве. Нейрогенез в большинстве областей мозга в значительной степени прекращается во взрослом возрасте.
Нейроны являются основными компонентами нервной системы наряду с глиальными клетками , которые обеспечивают ей структурную и метаболическую поддержку. [4] Нервная система состоит из центральной нервной системы , включающей головной и спинной мозг , и периферической нервной системы , включающей вегетативную и соматическую нервные системы . [5] У позвоночных большинство нейронов принадлежит центральной нервной системе , но некоторые из них расположены в периферических ганглиях , а многие сенсорные нейроны расположены в органах чувств, таких как сетчатка и улитка .
Аксоны могут объединяться в пучки , образующие нервы периферической нервной системы (как нити проводов составляют кабели). Пучки аксонов в центральной нервной системе называются трактами .
Нейроны узкоспециализированы для обработки и передачи клеточных сигналов. Учитывая разнообразие функций, выполняемых в разных отделах нервной системы, существует большое разнообразие их формы, размеров и электрохимических свойств. Например, сома нейрона может иметь диаметр от 4 до 100 микрометров . [6]
Принятый взгляд на нейрон приписывает его различным анатомическим компонентам определенные функции; однако дендриты и аксоны часто действуют вопреки своей так называемой основной функции. [8]
Аксоны и дендриты в центральной нервной системе обычно имеют толщину всего около одного микрометра, тогда как некоторые в периферической нервной системе намного толще. Сома обычно имеет диаметр около 10–25 микрометров и часто ненамного больше содержащегося в ней клеточного ядра. Самый длинный аксон мотонейрона человека может достигать длины более метра и достигать от основания позвоночника до пальцев ног.
Сенсорные нейроны могут иметь аксоны, идущие от пальцев ног до заднего столба спинного мозга, длина которых у взрослых составляет более 1,5 метров. У жирафов имеются одиночные аксоны длиной несколько метров, проходящие по всей длине шеи. Большая часть того, что известно о функции аксонов, получено в результате изучения гигантского аксона кальмара , идеального экспериментального препарата из-за его относительно огромного размера (толщина 0,5–1 миллиметр, длина несколько сантиметров).
Полностью дифференцированные нейроны постоянно постмитотические [9] , однако стволовые клетки, присутствующие во взрослом мозге, могут регенерировать функциональные нейроны на протяжении всей жизни организма (см. Нейрогенез ). Астроциты — глиальные клетки звездчатой формы . Было замечено, что они превращаются в нейроны благодаря своей характеристике плюрипотентности , подобной стволовым клеткам .
Как и все клетки животных, тело каждого нейрона окружено плазматической мембраной — двойным слоем липидных молекул, в который встроено множество типов белковых структур. [10] Липидный бислой является мощным электрическим изолятором , но в нейронах многие белковые структуры, встроенные в мембрану, электрически активны. К ним относятся ионные каналы, которые позволяют электрически заряженным ионам проходить через мембрану, и ионные насосы, которые химически транспортируют ионы с одной стороны мембраны на другую. Большинство ионных каналов проницаемы только для определенных типов ионов. Некоторые ионные каналы являются потенциалозависимыми , что означает, что их можно переключать между открытым и закрытым состояниями, изменяя разность потенциалов на мембране. Другие являются химически закрытыми, то есть их можно переключать между открытым и закрытым состояниями за счет взаимодействия с химическими веществами, которые диффундируют через внеклеточную жидкость. Ионные материалы включают натрий , калий , хлорид и кальций . Взаимодействие между ионными каналами и ионными насосами приводит к разнице потенциалов на мембране, обычно чуть менее 1/10 вольта в исходном состоянии. Это напряжение выполняет две функции: во-первых, оно обеспечивает источник питания для ряда зависимых от напряжения белковых механизмов, встроенных в мембрану; во-вторых, он обеспечивает основу для передачи электрического сигнала между различными частями мембраны.
Многочисленные микроскопические комки, называемые тельцами Ниссля (или веществом Ниссля), можно увидеть, когда тела нервных клеток окрашиваются базофильным («любящим основания») красителем. Эти структуры состоят из шероховатой эндоплазматической сети и связанной с ней рибосомальной РНК . Названные в честь немецкого психиатра и невропатолога Франца Ниссля (1860–1919), они участвуют в синтезе белка, и их известность можно объяснить тем фактом, что нервные клетки очень метаболически активны. Базофильные красители, такие как анилин или (слабо) гематоксилин [11] , выделяют отрицательно заряженные компоненты и таким образом связываются с фосфатным остовом рибосомальной РНК.
Тело клетки нейрона поддерживается сложной сеткой структурных белков, называемых нейрофиламентами , которые вместе с нейротрубочками (нейрональными микротрубочками) собираются в более крупные нейрофибриллы. [12] Некоторые нейроны также содержат пигментные гранулы, такие как нейромеланин (коричневато-черный пигмент, который является побочным продуктом синтеза катехоламинов ) и липофусцин (желтовато-коричневый пигмент), оба из которых накапливаются с возрастом. [13] [14] [15] Другими структурными белками, которые важны для функции нейронов, являются актин и тубулин микротрубочек . β-тубулин класса III обнаруживается почти исключительно в нейронах. Актин преимущественно обнаруживается на кончиках аксонов и дендритов во время развития нейронов. Там динамику актина можно модулировать посредством взаимодействия с микротрубочками. [16]
Аксоны и дендриты имеют разные внутренние структурные характеристики. Типичные аксоны почти никогда не содержат рибосом , за исключением некоторых в начальном сегменте. Дендриты содержат гранулярную эндоплазматическую сеть или рибосомы, количество которых уменьшается по мере увеличения расстояния от тела клетки.
Нейроны различаются по форме и размеру, и их можно классифицировать по морфологии и функциям. [18] Анатом Камилло Гольджи сгруппировал нейроны на два типа; тип I с длинными аксонами, используемый для перемещения сигналов на большие расстояния, и тип II с короткими аксонами, которые часто можно спутать с дендритами. Клетки типа I можно дополнительно классифицировать по расположению сомы. Основная морфология нейронов I типа, представленных спинальными мотонейронами , состоит из тела клетки, называемого сомой, и длинного тонкого аксона, покрытого миелиновой оболочкой . Дендритное дерево окружает тело клетки и получает сигналы от других нейронов. Конец аксона имеет ветвящиеся окончания аксона , которые высвобождают нейротрансмиттеры в щель, называемую синаптической щелью, между терминалями и дендритами следующего нейрона. [ нужна цитата ]
Большинство нейронов можно анатомически охарактеризовать как: [19]
Некоторые уникальные типы нейронов можно идентифицировать по их расположению в нервной системе и особой форме. Некоторые примеры: [ нужна ссылка ]
Афферентные и эфферентные также обычно относятся к нейронам, которые, соответственно, передают информацию в мозг или отправляют информацию из него.
Нейрон влияет на другие нейроны, высвобождая нейротрансмиттер, который связывается с химическими рецепторами . Воздействие на постсинаптический нейрон определяется типом активируемого рецептора, а не пресинаптическим нейроном или нейромедиатором. Нейромедиатор можно рассматривать как ключ, а рецептор — как замок: один и тот же нейромедиатор может активировать несколько типов рецепторов. Рецепторы можно широко классифицировать как возбуждающие (вызывающие увеличение скорости срабатывания), тормозящие (вызывающие снижение скорости срабатывания) или модуляторные (вызывающие долговременные эффекты, не связанные напрямую с частотой срабатывания). [ нужна цитата ]
Два наиболее распространенных (90%+) нейротрансмиттера в мозге, глутамат и ГАМК , имеют в значительной степени согласованное действие. Глутамат действует на несколько типов рецепторов и оказывает возбуждающее действие на ионотропные рецепторы и модулирующее действие на метаботропные рецепторы . Аналогичным образом ГАМК действует на несколько типов рецепторов, но все они обладают ингибирующим действием (по крайней мере, у взрослых животных). Из-за такой последовательности нейробиологи обычно называют клетки, выделяющие глутамат, «возбуждающими нейронами», а клетки, выделяющие ГАМК, «тормозными нейронами». Некоторые другие типы нейронов оказывают последовательное воздействие, например, «возбуждающие» мотонейроны спинного мозга, выделяющие ацетилхолин , и «тормозные» спинальные нейроны , выделяющие глицин . [ нужна цитата ]
Различие между возбуждающими и тормозными нейромедиаторами не является абсолютным. Скорее, это зависит от класса химических рецепторов, присутствующих на постсинаптическом нейроне. В принципе, один нейрон, высвобождающий один нейротрансмиттер, может оказывать возбуждающее воздействие на одни цели, тормозящее воздействие на другие и модулирующее воздействие на другие. Например, фоторецепторные клетки сетчатки постоянно выделяют нейромедиатор глутамат в отсутствие света. Так называемые OFF- биполярные клетки , как и большинство нейронов, возбуждаются высвобождаемым глутаматом. Однако соседние нейроны-мишени, называемые биполярными клетками ON, вместо этого ингибируются глутаматом, поскольку у них отсутствуют типичные ионотропные рецепторы глутамата , и вместо этого они экспрессируют класс ингибирующих метаботропных рецепторов глутамата. [20] При наличии света фоторецепторы перестают выделять глутамат, который освобождает биполярные клетки ON от торможения, активируя их; это одновременно снимает возбуждение с выключенных биполярных клеток, заставляя их замолчать. [ нужна цитата ]
Определить тип тормозящего эффекта, который пресинаптический нейрон будет оказывать на постсинаптический нейрон, можно на основе белков, которые экспрессирует пресинаптический нейрон. Нейроны, экспрессирующие парвальбумин, обычно ослабляют выходной сигнал постсинаптического нейрона в зрительной коре , тогда как нейроны, экспрессирующие соматостатин , обычно блокируют дендритные входы к постсинаптическому нейрону. [21]
Нейроны обладают внутренними электрореактивными свойствами, такими как собственные паттерны колебаний трансмембранного напряжения . [22] Итак, нейроны можно классифицировать по их электрофизиологическим характеристикам:
Нейротрансмиттеры — это химические посланники, передаваемые от одного нейрона к другому нейрону или к мышечной или железистой клетке .
С 2012 года сообщество клеточных и вычислительных нейробиологов пытается разработать универсальную классификацию нейронов, которая будет применяться ко всем нейронам мозга, а также к представителям разных видов. Это делается путем рассмотрения трех основных качеств всех нейронов: электрофизиологии, морфологии и индивидуального транскриптома клеток. Помимо универсальности, эта классификация имеет то преимущество, что позволяет также классифицировать астроциты. Метод, называемый патч-секвенированием , при котором можно измерить все три качества одновременно, широко используется Институтом наук о мозге Аллена . [26] В 2023 году в результате международного сотрудничества исследователей, использующих самые передовые подходы молекулярной биологии, был создан всеобъемлющий атлас клеток взрослого и развивающегося человеческого мозга на транскрипционном, эпигенетическом и функциональном уровнях. [27]
Нейроны общаются друг с другом через синапсы , где окончание аксона одной клетки контактирует с дендритом, сомой или, реже, аксоном другого нейрона. Нейроны, такие как клетки Пуркинье в мозжечке, могут иметь более 1000 дендритных ветвей, образующих связи с десятками тысяч других клеток; другие нейроны, например магноцеллюлярные нейроны супраоптического ядра , имеют только один или два дендрита, каждый из которых получает тысячи синапсов.
Синапсы могут быть возбуждающими или тормозящими, повышающими или понижающими активность целевого нейрона соответственно. Некоторые нейроны также общаются через электрические синапсы, которые представляют собой прямые электропроводящие соединения между клетками. [28]
Когда потенциал действия достигает окончания аксона, он открывает потенциалзависимые кальциевые каналы , позволяя ионам кальция проникать в терминаль. Кальций заставляет синаптические пузырьки , наполненные молекулами нейромедиаторов, сливаться с мембраной, высвобождая их содержимое в синаптическую щель. Нейромедиаторы диффундируют через синаптическую щель и активируют рецепторы постсинаптического нейрона. Высокий уровень цитозольного кальция в окончаниях аксонов запускает поглощение кальция митохондриями, что, в свою очередь, активирует митохондриальный энергетический метаболизм с выработкой АТФ для поддержания непрерывной нейротрансмиссии. [29]
Аутапс — это синапс , в котором аксон нейрона соединяется с собственными дендритами.
В человеческом мозге имеется около 8,6 х 10 10 (восемьдесят шесть миллиардов) нейронов. [30] [31] Каждый нейрон имеет в среднем 7000 синаптических связей с другими нейронами. Подсчитано, что мозг трехлетнего ребенка имеет около 10 15 синапсов (1 квадриллион). Это число снижается с возрастом и стабилизируется к взрослому возрасту. Оценки варьируются для взрослого человека: от 10 14 до 5 x 10 14 синапсов (от 100 до 500 триллионов). [32]
Исследования показывают, что помимо электрической и химической передачи сигналов нейроны мозга здорового человека также могут общаться посредством:
Они также могут модулироваться воздействием окружающей среды и гормонами , выделяемыми из других частей организма, [36] на которые могут более или менее непосредственно влиять нейроны. Это также относится к нейротрофинам , таким как BDNF . Микробиом кишечника также связан с мозгом. [37] Нейроны также взаимодействуют с микроглией , основными иммунными клетками мозга, через специализированные контактные площадки, называемые «соматическим соединением». Эти связи позволяют микроглии постоянно контролировать и регулировать функции нейронов и при необходимости оказывать нейропротекцию. [38]
В 1937 году Джон Закари Янг предположил, что гигантский аксон кальмара можно использовать для изучения электрических свойств нейронов. [39] Он крупнее человеческих нейронов, но похож на него, что облегчает изучение. Вставив электроды в аксоны гигантских кальмаров, были проведены точные измерения мембранного потенциала .
Клеточная мембрана аксона и сомы содержит потенциалзависимые ионные каналы, которые позволяют нейрону генерировать и распространять электрический сигнал (потенциал действия). Некоторые нейроны также генерируют подпороговые колебания мембранного потенциала . Эти сигналы генерируются и распространяются ионами , несущими заряд, включая натрий (Na + ), калий (K + ), хлорид (Cl - ) и кальций (Ca 2+ ) .
Несколько стимулов могут активировать нейрон, приводя к электрической активности, включая давление , растяжение, химические передатчики и изменения электрического потенциала на клеточной мембране. [40] Стимулы вызывают открытие определенных ионных каналов внутри клеточной мембраны, что приводит к потоку ионов через клеточную мембрану, изменяя мембранный потенциал. Нейроны должны сохранять определенные электрические свойства, определяющие их тип нейронов. [41]
Тонкие нейроны и аксоны требуют меньших метаболических затрат для производства и проведения потенциалов действия, но более толстые аксоны передают импульсы быстрее. Чтобы свести к минимуму метаболические затраты при сохранении быстрой проводимости, многие нейроны имеют изолирующую миелиновую оболочку вокруг своих аксонов. Оболочки образованы глиальными клетками: олигодендроцитами в ЦНС и шванновскими клетками в периферической нервной системе. Оболочка позволяет потенциалам действия перемещаться быстрее , чем в безмиелиновых аксонах того же диаметра, используя при этом меньше энергии. Миелиновая оболочка периферических нервов обычно проходит вдоль аксона участками длиной около 1 мм, перемежающимися непокрытыми узлами Ранвье , которые содержат высокую плотность потенциалзависимых ионных каналов. Рассеянный склероз — неврологическое заболевание, возникающее в результате демиелинизации аксонов центральной нервной системы.
Некоторые нейроны не генерируют потенциалы действия, а вместо этого генерируют градуированный электрический сигнал , который, в свою очередь, вызывает постепенное высвобождение нейромедиаторов. Такие нейроны без спайков обычно являются сенсорными нейронами или интернейронами, поскольку они не могут передавать сигналы на большие расстояния.
Нейронное кодирование связано с тем, как сенсорная и другая информация представляется в мозге нейронами. Основная цель изучения нейронного кодирования — охарактеризовать взаимосвязь между стимулом и реакциями отдельных нейронов или ансамбля , а также взаимосвязь между электрической активностью нейронов внутри ансамбля. [42] Считается, что нейроны могут кодировать как цифровую , так и аналоговую информацию. [43]
Проведение нервных импульсов является примером реакции «все или ничего» . Другими словами, если нейрон вообще реагирует, то он должен реагировать полностью. Большая интенсивность стимуляции, например более яркое изображение или более громкий звук, не создает более сильный сигнал, но может увеличить частоту импульсов. [44] : 31 Рецепторы по-разному реагируют на раздражители. Медленно адаптирующиеся или тонические рецепторы реагируют на устойчивый стимул и производят постоянную скорость срабатывания. Тонические рецепторы чаще всего реагируют на повышенную интенсивность стимула увеличением частоты срабатывания, обычно как степенную функцию стимула, отображаемую в зависимости от количества импульсов в секунду. Это можно сравнить с внутренним свойством света: для большей интенсивности определенной частоты (цвета) требуется больше фотонов, поскольку фотоны не могут стать «сильнее» для определенной частоты.
Другие типы рецепторов включают быстро адаптирующиеся или фазовые рецепторы, активность которых уменьшается или прекращается при устойчивом стимуле; примеры включают кожу , при прикосновении к которой нейроны активируются, но если объект сохраняет равномерное давление, нейроны перестают активироваться. Нейроны кожи и мышц, реагирующие на давление и вибрацию, имеют дополнительные фильтрующие структуры, которые помогают их функциям.
Одной из таких структур является тельце Пачини . Он имеет концентрические слои, подобные луковице, которые формируются вокруг окончания аксона. Когда оказывается давление и корпускула деформируется, механический стимул передается на аксон, который срабатывает. Если давление устойчиво, стимуляция прекращается; таким образом, обычно эти нейроны реагируют временной деполяризацией во время начальной деформации и снова, когда давление снимается, что заставляет корпускулу снова менять форму. Другие типы адаптации важны для расширения функции ряда других нейронов. [45]
Немецкий анатом Генрих Вильгельм Вальдейер ввел термин нейрон в 1891 году [46] на основе древнегреческого νεῦρον нейрон «сухожилие, шнур, нерв». [47]
Слово было принято во французском языке с орфографическим нейроном . Это написание также использовалось многими авторами на английском языке, [48] , но теперь оно стало редким в использовании в Америке и необычным в использовании в Великобритании. [49] [47]
Место нейрона как основной функциональной единицы нервной системы было впервые признано в конце 19 века благодаря работам испанского анатома Сантьяго Рамона-и-Кахаля . [50]
Чтобы сделать структуру отдельных нейронов видимой, Рамон-и-Кахаль усовершенствовал процесс окрашивания серебром , разработанный Камилло Гольджи . [50] Усовершенствованный процесс включает в себя метод, называемый «двойной пропиткой», и он используется до сих пор.
В 1888 году Рамон-и-Кахаль опубликовал статью о мозжечке птиц. В этой статье он заявил, что не может найти доказательств наличия анастомозов между аксонами и дендритами, и назвал каждый нервный элемент «абсолютно автономным кантоном». [50] [46] Это стало известно как доктрина нейронов , один из центральных принципов современной нейробиологии . [50]
В 1891 году немецкий анатом Генрих Вильгельм Вальдейер написал весьма влиятельный обзор доктрины нейронов, в котором ввел термин « нейрон» для описания анатомо-физиологической единицы нервной системы. [51] [52]
Окрашивание импрегнацией серебром является полезным методом для нейроанатомических исследований, поскольку по неизвестным причинам оно окрашивает лишь небольшой процент клеток в ткани, обнажая полную микроструктуру отдельных нейронов без большого перекрытия с другими клетками. [53]
Нейронная доктрина — это ныне фундаментальная идея о том, что нейроны являются основными структурными и функциональными единицами нервной системы. Теория была выдвинута Сантьяго Рамоном-и-Кахалем в конце 19 века. Он считал, что нейроны представляют собой отдельные клетки (не связанные в сеть), действующие как метаболически различные единицы.
Более поздние открытия внесли уточнения в эту доктрину. Например, глиальные клетки , которые не являются нейронами, играют важную роль в обработке информации. [54] Кроме того, электрические синапсы встречаются чаще, чем считалось ранее, [55] они включают прямые цитоплазматические связи между нейронами. На самом деле нейроны могут образовывать еще более тесные связи: гигантский аксон кальмара возникает в результате слияния нескольких аксонов. [56]
Рамон-и-Кахаль также постулировал закон динамической поляризации, который гласит, что нейрон получает сигналы от своих дендритов и тела клетки и передает их в виде потенциалов действия вдоль аксона в одном направлении: от тела клетки. [57] Закон динамической поляризации имеет важные исключения; дендриты могут служить местами синаптического вывода нейронов [58], а аксоны могут получать синаптические входы. [59]
Хотя нейроны часто называют «фундаментальными единицами» мозга, они выполняют внутренние вычисления. Нейроны интегрируют входные данные внутри дендритов, и эта сложность теряется в моделях, которые предполагают, что нейроны являются фундаментальной единицей. Дендритные ветви можно моделировать как пространственные компартменты, активность которых связана с пассивными свойствами мембраны, но также может различаться в зависимости от входных сигналов от синапсов. Компартментальное моделирование дендритов особенно полезно для понимания поведения нейронов, которые слишком малы для регистрации с помощью электродов, как в случае с Drosophila melanogaster . [60]
Число нейронов в мозге резко варьируется от вида к виду. [61] По оценкам, у человека насчитывается 10–20 миллиардов нейронов в коре головного мозга и 55–70 миллиардов нейронов в мозжечке . [62] Напротив, нематодный червь Caenorhabditis elegans имеет всего 302 нейрона, что делает его идеальным модельным организмом , поскольку ученые смогли нанести на карту все его нейроны. Плодовая мушка Drosophila melanogaster , частый объект биологических экспериментов, имеет около 100 000 нейронов и демонстрирует множество сложных моделей поведения. Многие свойства нейронов, от типа используемых нейротрансмиттеров до состава ионных каналов, сохраняются у разных видов, что позволяет ученым изучать процессы, происходящие в более сложных организмах, в гораздо более простых экспериментальных системах.
Болезнь Шарко-Мари-Тута (ШМТ) — гетерогенное наследственное заболевание нервов ( нейропатия ), которое характеризуется потерей мышечной ткани и чувствительности к прикосновению, преимущественно в стопах и ногах, на поздних стадиях распространяясь на кисти и руки. В настоящее время это неизлечимое заболевание является одним из наиболее распространенных наследственных неврологических заболеваний , которым страдают 36 из 100 000 человек. [63]
Болезнь Альцгеймера (БА), также известная как болезнь Альцгеймера , представляет собой нейродегенеративное заболевание , характеризующееся прогрессирующим ухудшением когнитивных функций , а также снижением повседневной активности и нейропсихиатрическими симптомами или поведенческими изменениями. [64] Наиболее ярким ранним симптомом является потеря кратковременной памяти ( амнезия ), которая обычно проявляется как незначительная забывчивость, которая становится все более выраженной по мере прогрессирования заболевания, при относительном сохранении старых воспоминаний. По мере прогрессирования расстройства когнитивные (интеллектуальные) нарушения распространяются на область речи ( афазия ), навыков движений ( апраксия ) и распознавания ( агнозия ), а такие функции, как принятие решений и планирование, нарушаются. [65] [66]
Болезнь Паркинсона (БП), также известная как Паркинсон , представляет собой дегенеративное заболевание центральной нервной системы, которое часто нарушает двигательные навыки и речь. [67] Болезнь Паркинсона принадлежит к группе состояний, называемых двигательными расстройствами . [68] Он характеризуется мышечной ригидностью, тремором , замедлением физических движений ( брадикинезией ) и, в крайних случаях, потерей физических движений ( акинезией ). Первичные симптомы являются результатом снижения стимуляции моторной коры со стороны базальных ганглиев , обычно вызванного недостаточным образованием и действием дофамина, который вырабатывается в дофаминергических нейронах головного мозга. Вторичные симптомы могут включать когнитивную дисфункцию высокого уровня и легкие языковые проблемы. БП бывает как хроническим, так и прогрессирующим.
Миастения гравис – нервно-мышечное заболевание , приводящее к нестабильной мышечной слабости и утомляемости при выполнении простых действий. Слабость обычно вызвана циркулирующими антителами , которые блокируют рецепторы ацетилхолина в постсинаптическом нервно-мышечном соединении, подавляя стимулирующий эффект нейромедиатора ацетилхолина. Миастению лечат иммунодепрессантами , ингибиторами холинэстеразы и, в отдельных случаях, тимэктомией .
Демиелинизация — это процесс демиелинизации или потери миелиновой оболочки, изолирующей нервы. Когда миелин разрушается, проводимость сигналов по нерву может быть нарушена или потеряна, и нерв в конечном итоге увядает. Это приводит к определенным нейродегенеративным расстройствам, таким как рассеянный склероз и хроническая воспалительная демиелинизирующая полинейропатия .
Хотя большинство реакций на травму включают приток кальция, способствующий повторному заживлению оторванных частей, повреждения аксонов первоначально приводят к острой аксональной дегенерации , которая представляет собой быстрое разделение проксимального и дистального концов, происходящее в течение 30 минут после повреждения. [69] Дегенерация сопровождается отеком аксолеммы и в конечном итоге приводит к образованию шариков. Гранулярный распад аксонального цитоскелета и внутренних органелл происходит после деградации аксолеммы. Ранние изменения включают накопление митохондрий в паранодальных областях в месте повреждения. Эндоплазматический ретикулум разрушается, митохондрии разбухают и в конечном итоге распадаются. Распад зависит от убиквитиновых и кальпаиновых протеаз (вызванных притоком ионов кальция), что позволяет предположить, что аксональная дегенерация является активным процессом, вызывающим полную фрагментацию. Этот процесс занимает около 24 часов в ПНС и дольше в ЦНС. Сигнальные пути, ведущие к дегенерации аксолеммы, неизвестны.
Нейроны рождаются в процессе нейрогенеза , при котором нервные стволовые клетки делятся, образуя дифференцированные нейроны. Как только формируются полностью дифференцированные нейроны, они больше не способны подвергаться митозу . Нейрогенез преимущественно происходит в эмбрионах большинства организмов.
Нейрогенез у взрослых может происходить, и исследования возраста нейронов человека показывают, что этот процесс происходит только для меньшинства клеток и что подавляющее большинство нейронов в неокортексе формируется до рождения и сохраняется без замены. Степень существования взрослого нейрогенеза у людей и его вклад в познание являются спорными: в 2018 году были опубликованы противоречивые отчеты [70].
В организме содержатся различные типы стволовых клеток, которые способны дифференцироваться в нейроны. Исследователи нашли способ превратить клетки кожи человека в нервные клетки с помощью трансдифференцировки , при которой «клетки вынуждены приобретать новую идентичность». [71]
Во время нейрогенеза в мозге млекопитающих клетки-предшественники и стволовые клетки переходят от пролиферативных делений к дифференциативным. Эта прогрессия приводит к нейронам и глии, которые заселяют корковые слои. Эпигенетические модификации играют ключевую роль в регуляции экспрессии генов при дифференцировке нервных стволовых клеток и имеют решающее значение для определения судьбы клеток в развивающемся и взрослом мозге млекопитающих. Эпигенетические модификации включают метилирование цитозина ДНК с образованием 5-метилцитозина и деметилирование 5-метилцитозина . [72] Эти модификации имеют решающее значение для определения судьбы клеток в мозге развивающихся и взрослых млекопитающих. Метилирование ДНК-цитозина катализируется ДНК-метилтрансферазами (DNMT) . Деметилирование метилцитозина катализируется в несколько стадий ферментами ТЕТ , которые осуществляют окислительные реакции (например, превращение 5-метилцитозина в 5-гидроксиметилцитозин ), и ферментами пути эксцизионной репарации оснований ДНК (BER). [72]
На разных стадиях развития нервной системы млекопитающих используются два процесса репарации ДНК для восстановления двухцепочечных разрывов ДНК. Этими путями являются гомологичная рекомбинационная репарация, используемая в пролиферирующих нейрональных клетках-предшественниках, и негомологичное соединение концов , используемое главным образом на более поздних стадиях развития [73].
Межклеточная связь между развивающимися нейронами и микроглией также необходима для правильного нейрогенеза и развития мозга. [74]
Периферические аксоны могут вырасти заново, если их разорвать, [75] , но один нейрон не может быть функционально заменен нейроном другого типа ( закон Ллинаса ). [22]
Пучок нервных волокон (аксонов), соединяющих соседние или отдаленные ядра ЦНС, представляет собой тракт.
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )Первая статья Рамона-и-Кахаля о пятне по Гольджи была посвящена мозжечку птиц и появилась в Revista в 1888 году. Он признал, что обнаружил, что нервные волокна очень сложны, но заявил, что не может найти никаких доказательств ни того, ни другого. аксоны или дендриты анастомозируют и образуют сети. Каждый нервный элемент он называл «абсолютно автономным кантоном».
...человек, который два года спустя напишет очень влиятельный обзор доказательств в пользу доктрины нейронов. В своей статье Вальдейер (1891)... писал, что нервные клетки свободно оканчиваются разветвлениями на концах и что «нейрон» является анатомической и физиологической единицей нервной системы. Слово «нейрон» родилось именно так.
Сегодня Вильгельма фон Вальдейера-Гарца помнят как основателя теории нейронов, придумавшего термин «нейрон» для описания клеточной функциональной единицы нервной системы, а также сформулировавшего и разъяснившего эту концепцию в 1891 году.
Преобразуя клетки человеческой кожи в работающие нервные клетки, исследователи, возможно, разработали модель заболеваний нервной системы и, возможно, даже регенеративную терапию, основанную на трансплантации клеток.
Достижение, о котором сегодня сообщается в журнале
Nature
, является последним в быстро развивающейся области, называемой трансдифференциацией, в которой клетки вынуждены приобретать новую идентичность.
В прошлом году исследователи превратили клетки соединительной ткани, обнаруженные в коже, в клетки сердца, клетки крови и клетки печени.