УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2004, том 35, № 4, с. 11-18
УДК 612.822
НЕЙРОГЕНЕЗ В ЗРЕЛОЙ ОБОНЯТЕЛЬНОЙ ЛУКОВИЦЕ И ЕГО ВОЗМОЖНОЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПРЕДНАЗНАЧЕНИЕ
© 2004 г. Е. В. Лосева1, С. В. Карнуп2
1Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва 2University of Maryland Medical School, Baltimore, MD, USA
Обзор посвящен анализу современных данных о неонейрогенезе в мозге половозрелых животных и человека, при этом основное внимание сосредоточено на процессах обновления клеточных популяций в обонятельной луковице. Приводятся сведения о структурно-функциональных особенностях обонятельной луковицы. Анализируется литература о проникновении нейротропных вирусов и токсичной пыли через обонятельную луковицу в ЦНС. На основании литературных и собственных данных выдвинута гипотеза о защитной роли неонейрогенеза в зрелой обонятельной луковице. Предполагается, что нормальное обновление клеточных популяций в обонятельной луковице - это важный барьерный механизм, предохраняющий мозг от попадания в него небольших объемов вредоносных нейротропных агентов (вирусов, бактерий, частиц токсичной пыли), которые могут вызвать различные нейродегенеративные заболевания.
Обонятельная луковица (ОЛ) в последние годы привлекает пристальное внимание исследователей, так как оказалось, что кроме традиционной ее функции - участия в обонянии, она является одной из основных структур неонейрогенеза в зрелом мозге. В данной работе мы, на основании литературных и собственных данных, выдвигаем гипотезу о функциональном предназначении нео-нейрогенеза в зрелой ОЛ для выживаемости животных и человека.
НЕОНЕЙРОГЕНЕЗ В ЗРЕЛОЙ
ОБОНЯТЕЛЬНОЙ ЛУКОВИЦЕ
Сейчас уже не вызывает сомнения тот факт, что в ЦНС в течение всей постнатальной жизни позвоночных животных, включая человека, происходит интенсивный неонейрогенез. Этот процесс заключается в образовании и пролиферации нейральных стволовых клеток (НСК), миграции клеток-предшественников (прекурсоров) и их дифференцировке в нервные и глиальные клеточные элементы [2, 4, 6, 22, 48, 65, 90, 91]. Имеются убедительные доказательства нейрогенеза в зрелом мозге не только у всех классов позвоночных животных, но и у беспозвоночных - насекомых и ракообразных [4, обзор]. С помощью метода транссинаптического перемещения вируса и с-.оя-картирования было показано, что новорожденные нейроны во взрослом мозге функционально интегрируются в его синаптическую сеть [20].
В ряде обзоров, посвященных НСК, имеются данные о молекулярно-генетических сигналах, контролирующих нейрогенез, как в развивающейся, так и во взрослой ЦНС [4, 9, 169]. Так, на-
пример, обнаружено, что фактор транскрипции .E2.F1, который активирует ростовые факторы, контролирует пролиферацию и число нейронов в постнатальном и взрослом мозге [23], а шС024 тормозит пролиферацию, но не миграцию НСК во взрослом мозге [14]. В то же время в одной из основных пролиферативных областей мозга -субвентрикулярной зоне, активно синтезируется антиапоптотический пептид Вс1-2 [16], а фосфо-таза РТЕИ предохраняет прекурсоры от оксида-тивного стресса [54] и участвует в нейрональной дифференцировке [49]. Для нормального развития нейронов и глии очень важны нейротрофин-3 и его рецептор - ТгкС [40].
В большинстве работ, показывающих судьбу НСК в зрелом мозге, используются внутрибрю-шинные инъекции бромдезоксиуридина (Вгйи), который включается в делящиеся клетки, в сочетании с маркерами разных стадий нейрогенеза НСК, выявляемыми иммуногистохимическими методами [4, 37, 76].
Во взрослом мозге млекопитающих обнаружены две основные пролиферативные зоны: гиппокампальная субгранулярная и субвентри-кулярная. Стволовые клетки субгранулярной зоны зубчатой извилины гиппокампа дают начало клеткам-предшественникам, мигрирующим в латеральный и медиальный лимбы этой структуры, где они дифференцируются в функциональные гранулярные клетки и глиальные элементы [7, 87, 96]. Второй областью пролиферации является субвентрикулярная зона (СВЗ). Судьбу НСК из этой зоны во взрослом мозге мышей удалось проследить с помощью внутрижелудочковой инъекции ретровирусов, которые содержат ген бетта-
галактозы. Инфицированные меченым вирусом, НСК из СВЗ мигрировали из стенок латерального желудочка к ОЛ [24]. Через 6 дней после внут-рижелудочкового введения ретровирусов 60% меченых пролиферирующих в СВЗ клеток погибали, 25% мигрировали к ОЛ и 15% оставались в субэпендиме латерального желудочка, демонстрируя асимметричную пролиферацию [64].
Клетки-предшественники из СВЗ мигрируют к обонятельной луковице (ОЛ) вдоль рострального миграционного пути. В ростральном миграционном пути от СВЗ к ОЛ содержатся предшественники нейрональных и астроцитарных клеток в соотношении 4:1. Нейрональные прекурсоры и некоторые молодые постмитотические нейроны формируют потоки мигрирующих клеток из бокового желудочка к ОЛ. Эти цепочки мигрирующих клеток двигаются внутри каналов, сформированных отростками специальной субпопуляции астроцитов (^епевип-С-позитивных) [39].
Мигрирующие клетки достигают ОЛ и дифференцируются в зрелые клеточные формы (нейроны и глию) [8, 26, 39, 57, 92]. К настоящему времени стали известны детали нейрогенеза в ОЛ. Так, пик меченых Бгёи-клеток наблюдался в ОЛ через месяц после внутрибрюшинной инъекции препарата, когда все они мигрировали из СВЗ. Затем в ОЛ быстро происходил апоптоз 50% меченых клеток. Большинство оставшихся меченых клеток дифференцировалось в гранулярные клетки, а маленькая их фракция мигрировала дальше в гломерулярный слой. (Структурно-функциональные особенности ОЛ подробно описаны в следующем разделе). Дифференцировка новорожденных клеток в перигломерулярные интернейроны гломерулярного слоя проходила более медленно (больше 1 месяца), чем в гранулярные клетки гранулярного слоя. Затем их количество, как и в гранулярном слое, быстро уменьшалось, но те клетки, которые выживали в течение 3 месяцев, оставались живыми и до 19 месяцев, т.е. при нейрогенезе во взрослой ОЛ происходят перепроизводство и быстрая утилизация молодых нейронов, что напоминает динамику развития клеточной популяции в развивающемся мозге [97]. Кроме того, в экспериментах на мышах с аносмией (отсутствием обоняния) было обнаружено, что для выживания гранулярных клеток между 15 и 45 днями после их рождения наличие сенсорной афферентации является критическим [71].
Было показано, что клеток-предшественников, которые поступают в ОЛ из рострального миграционного пути, в гранулярном слое в 21 раз больше, чем в гломерулярном. Дифференцировка в нейроны происходит преимущественно в гранулярном, а в глию - в гранулярном и гломерулярном слоях. Кроме того, в самой ОЛ существу-
ют локальные стволовые клетки, но их в 28 раз меньше, чем поступает в ОЛ из рострального миграционного пути. Эти клетки проходят в ОЛ все этапы нейрогенеза и дифференцируются главным образом в глию как в гранулярном, так и в гломерулярном слоях, но могут становиться и нейронами [31]. Описаны пять стадий развития гранулярных клеток: 1) тангенциальная миграция нейробластов из СВЗ в ОЛ (дни 2-7); 2) радиальная миграция клеток-предшественников (дни 57); 3) гранулярные клетки с неветвящимися денд-ритами, которые не достигают митрального клеточного слоя (дни 11-22); 4) гранулярные клетки с дендритами, не покрытыми шипиками в поверхностном плексиморфном слое (дни 11-22); 5) зрелые гранулярные клетки (дни 15-30) [71]. При использовании комбинации авторадиографической метки (3-#-Шуш1ёте) и иммуногистохимии для нейронального маркера (еакеИшп) оказалось, что 65-77% нейронов ОЛ замещаются в течение 6 недель у взрослых грызунов [42]. Таким образом, ОЛ является одной из основных зон нейрогенеза в зрелой ЦНС.
Для того чтобы понять функциональное значение нейрогенеза в зрелой ОЛ, необходимо рассмотреть структурно-функциональные особенности этой части мозга.
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ОБОНЯТЕЛЬНОЙ ЛУКОВИЦЫ
Детали анатомии и физиологии ОЛ достаточно хорошо изучены [17, 52, 83, 84, 85, обзоры]. Обонятельная луковица является выростом переднего мозга, который специализируется на первичном кодировании информации о тех молекулярных сигналах, которые позволяют чувствовать запахи. Она получает афферентные входы от обонятельных сенсорных нейронов из носового эпителия и посылает выходные волокна прямо к обонятельной коре. Это характерно почти для всех позвоночных. Сама ОЛ - характерная слоистая структура, содержащая четко дифференцированные клеточные типы. На поперечном срезе ОЛ видны шесть главных слоев от поверхности до центра. Это слой обонятельных нервов (olfactory nerve layer - onl), гломерулярный слой (glomerular layer - gl), наружный плексиформ-ный слой (external plexiform layer - epl), слой митральных клеток (mitral cell layer - mcl), внутренний плексиформный слой (internal plexiform layer - ipl) и гранулярный клеточный слой (granule cell layer - GrL). Несколько основных клеточных типов характеризуют каждый из слоев: перигломерулярные клетки (periglomerular cells - PG) преобладают в GL, пучковые клетки (tufted cells -T) в EPL, митральные клетки (mitral cells - M) в
MCL и гранулярные клетки (granule cells - GR) в GRL.
Морфологически типы нейронов в ОЛ были охарактеризованы многими авторами [58, 74, 93]. Большие по размерам M и T клетки были также охарактеризованы в электрофизиологических экспериментах [21, 25, 38, 61, 62, 86], тогда как еще совсем недавно физиология маленьких, но чрезвычайно важных PG- и GR-клеток была неизвестна. В течение последних 4 лет проведен детальный анализ спонтанной и вызванной активности PG-клеток, а так же их мембранных характеристик, активных токов, типичных меж-нейрональных связей [27, 32, 35, 36, 41, 59, 72]. Также были изучены вызванные ответы в ОЛ на популяционном уровне [10]. Важно то, что PG- и GR-клетки генерируются в течение всей взрослой жизни, в то время как M- и T-клетки дифференцируются пренатально. Клетки-предшественники, из которых в дальнейшем разовьются PG- и GR-нейроны, как уже упоминалось выше, поступают в ОЛ по ростральному миграционному пути, идущему от латерального желудочка к центру ОЛ, содержащ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.