ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ, 2015, № 4, с. 393-400
ФИЗИОЛОГИЯ ЖИВОТНЫХ И ЧЕЛОВЕКА
УДК 611-08
СОКРАТИТЕЛЬНЫЙ ТОНУС И СОКРАЩЕНИЕ ЯВЛЯЮТСЯ ВАЖНЫМИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ ТЕРМИНАЛЕЙ ОТРОСТКОВ ЖИВОГО НЕЙРОНА
© 2015 г. О. С. Сотников, Н. Ю. Васягина, Л. А. Подольская
Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН, 199034 Санкт-Петербург, наб. Макарова, 6
E-mail: ossotnikov@mail.ru Поступила в редакцию 16.07.2015 г.
Предпринята попытка обобщить некоторые статичные морфологические данные об обратимых структурных процессах нервных отростков, синаптических и рецепторных терминалей, сопоставить их с механизмами реальных превращений живых нейронов и найти единый показатель их кинетики. Описаны сократительный тонус и сокращение живых отростков изолированных нейронов. Выявлена зависимость направления ретракции от места адгезии препарата. Отмечено, что ндикатор всех сокращений живых и фиксированных двигательных и сенсорных окончаний — колба ретракции. Исследован процесс превращения конусов роста в колбы ретракции. In vitro показано механическое напряжение претерминалей и межнейронных контактов. Прижизненными исследованиями определены сходство кинетики сенсорных терминалей тканевых рецепторов с конусами роста. Сопоставлена кинетика сокращения асинаптических дендритов с известной структурной изменчивостью дендритных шипиков. Приведена гипотеза о единой природе сократительного тонуса всех нервных элементов как одной из основных неэлектрофизиологических свойств нейрона.
DOI: 10.7868/S0002332915040141
Исследования подвижности нейронов имеют длительную историю. Идея о способности нервных клеток и отростков у взрослых животных к активной подвижности появилась под влиянием открытия движения амеб и их отростков (von Wiedersheim, 1890). Автору удалось наблюдать выпячивание и втягивание нервных отростков у живого прозрачного ракообразного Leptodora hialina. Это было одно из первых исследований живых нейронов in vivo на целом животном. Первые гипотезы о функциональной роли сократительной активности нейронов, идеи их "пластичности" были высказаны в это же время (Rable-Rüchard, 1890). Была сделана попытка с помощью имеющихся данных объяснить механизмы сна и ряда психических явлений. Позднее идею сокращения дендритов мозга в качестве механизма сна разрабатывала группа французских и итальянских исследователей под руководством проф. Пауля Хе-гера (Monti, 1895; Demoor, 1896; Stefanowska, 1897). Они обратили внимание на легкую изменчивость и исчезновение при этом дендритных шипиков, уменьшение длины апикальных денд-ритов, их "жемчуженное" состояние при физиологических изменениях центральной нервной системы позвоночных под влиянием морфина, хлоралгидрата и хлороформа, при усталости и сне. Движения нейронов анализировали и другие исследователи (Lepine, 1894; Duval, 1895). Такого же мнения о роли подвижности отростков нейрона в
механизме сна придерживались и другие (Догель, 1896). В результате этих исследований появилась идея о наличии сократительного тонуса синапса и о возможности отделения пресинапса от постсинапса. Было высказано предположение, что отростки нервных клеток и их концевые разветвления способны укорачиваться и удлиняться при физиологических процессах в центральной нервной системе. Противники таких представлений считали, что подобные морфологические изменения в отростках нейрона должны рассматриваться как более грубые, патологические процессы, "варикозная атрофия" (Sacerdotti, Ottolenghi, 1897; Суханов, 1899; Soukhanoff, 1898; Soukhanoff, 1900).
Обратимое уменьшение длины апикальных дендритов коры и гиппокампа мозга широко исследуется и в наше время (Valverde, 1967; Miller etal., 2012; McCall et al., 2013). Связанный с ретракцией нервных отростков обратный ток аксо-плазмы изучают многие вирусологи (Kato et al., 2011; Salegio et al., 2013). В их статьях обращается внимание и на бидирекциональный транспорт нейроплазмы в нервных волокнах. В то же время ряд авторов рассматривает укорочение длины дендритов как их разрыв или дегенерацию (Magarinos et al., 2006).
В настоящее время считается общепризнанным, что процессы роста и регенерации нервных волокон не ограничиваются только увеличением
Рис. 1. Живой изолированный униполярный нейрон моллюска с сохраненными отростками. 1 — варикоз-ности травмированного отростка, 2 — колба ретракции, 3 — тело нейрона. Прижизненная микроскопия. Фазовый контраст. 40Ph х 10.
их длины и ветвления. Удлинение нервного ствола может останавливаться, а волокно может сокращаться, т.е. естественная периодическая ретракция — часть проявления нормальной функции нейрона. Таким способом осуществляются диффе-ренцировка нейрона, формирование сложной картины эфферентных и сенсорных сплетений в онтогенезе (Luo, O'Leary, 2005; Tanaka et al., 2006; Сотников, 2008) и в филогенезе (Сотников и др., 1994). Как обязательная функция у конуса роста описан и широко исследуется ретроградный ток его актиновых микрофиламентов (Zhang et al., 2003; Al-Jahdari et al., 2008; Chan, Odde, 2008). В ретроградном движении аксоплазмы участвуют также транспортные белки и структуры цитоске-лета нейроплазмы (Lees et al., 2011; Pool et al., 2011; Baas, Mozgova, 2012; Yu et al, 2012).
Цель работы — привести экспериментальные доказательства сократимости отростков и их ак-соплазмы, т.е. важного физиологического свойства нейрона.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Опыты были проведены на 95 живых нейронах с частично сохранившимися отростками. Клетки выделяли из окологлоточных ганглиев моллюска Lymnaea stagnalis. Для этого ганглии выдерживали в растворе Рингера для моллюсков с 0.4%-ной проназой в течение 35 мин. Затем ганглии пипе-тировали и промывали раствором Рингера, очищая суспензию нейронов от остатков оболочек и погибших глиоцитов. Были выделены одиночные клетки с отростками различной длины (рис. 1). Микроскопию изолированных нейронов проводили с помощью инвертированного фазово-кон-трастного микроскопа (Биомед-ЗИ, Россия) с ви-
деокамерой DCM-300 (Китай), совмещенного с компьютером. Цейтраферную видеосъемку осуществляли покадрово через 5—10 мин в течение 2—12 ч. Одиночные кадры монтировали в форме видеофильма, измеряли время ретракции и скорость движения терминального отдела препарата.
Одиночные изолированные нейроны, лишенные отростков, помещали в культуральную микрокамеру объемом ~1 см3 в среду RPMI-1640 на 2—5 сут. Клетки росли в стерильных условиях на покровном стекле, использованном в качестве подложки. Кинетику образования конусов роста, механическое натяжение и аутоампутацию пре-терминальных контактных волокон регистрировали круглосуточно с помощью автоматической цейтраферной съемки.
Исследование претерминалей в статике проводили на фиксированных аксо-соматических синапсах, выделенных из вегетативных, одиночных, одноотросчатых нейронов ствола блуждающего нерва лягушки Rana temporaria. Для этого выделенные нервы фиксировали в 10%-ном нейтральном формалине, расщипывали и обрабатывали по методике Бильшовского—Гроса (Долго-Сабуров, 1958). С помощью этой же методики азотнокислым серебром импрегнировали и тканевые рецепторы пищевода кошки.
Сенсорные терминали исследовали у кустико-видных тканевых рецепторов стенки прозрачного мочевого пузыря лягушки R. temporaria. Выделенную и расправленную стенку пузыря прикрепляли ко дну специальной микрокамеры и исследовали непосредственно во время прижизненной окраски 0.001—0.02%-ным метиленовым синим, приготовленным на растворе Рингера для лягушек. Использовали объективы с водной иммерсией Х60ВИ. Проводили фоторегистрацию и зарисовку деталей препарата с помощью рисовального аппарата.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Сокращение нервных отростков и их окончаний. При выделении одиночных нейронов с прерванными отростками наиболее эффективно их обязательное постепенное сокращение (рис. 2). Самое раннее проявление сокращения — колбы ретракции (варикозные расширения на конце культи прерванного отростка) (рис. 1, 2). Сходные деформации часто возникают и по ходу отростков (рис. 1). В различных опытах их сокращение можно было наблюдать от 30 мин до нескольких часов, оно завершалось полным впячиванием аксоплазмы в тело нейрона, что увеличивало его диаметр на 35—40%. Это свойство нервных отростков убедительно свидетельствует об их исходном сократительном тонусе. Направление движения концов препарата зависело от того, в
Рис. 2. Постепенное сокращение прерванных нейритов живых изолированных нейронов. а—г — сокращение нервного отростка при адгезии в области тела нейрона (а — 0 мин, б — 2 ч 57 мин, в — 4 ч 23 мин, г — 5 ч 41 мин); д—ж — движение тела нейрона в сторону нервного отростка при его адгезии на конце препарата (д — 0 мин, е — 17 мин, ж — 35 мин). 1 — колбы ретракции, 2 — тела нервных клеток, 3 — случайные фрагменты изолированных клеток, служащие ориентиром при движении тела нейрона (обведены белой линией). Прижизненная видеомикроскопия. Фазовый контраст. 40РИ х 10.
какой точке нейрона происходит наибольшая его адгезия к подложке. Чаще можно было наблюдать перемещение концов препарата по направлению к соме нейрона (рис. 2а—г). При закреплении тер-минали происходило обратное движение с подтягиванием тела нейрона (рис. 2д—ж). Сокращались 82.4% выделенных волокон, причем скорость сокращения резко колебалась, но у 55% отростков она составляла 0.1—0.9 мкм/мин. При пересечении аксона однотипно сокращались обе его культи (и проксимальная, и дистальная), но в противоположные стороны. Возникновение сокращения не зависело от места пересечения волокна. Сокращались и тонкие вторичные и третичные ветви, отстоящие от сомы нейрона более чем на 1 мм, и участки в непосредственной близости от тела клетки. Получалось, что сократительным свойством обладает отросток по всей его длине, что ретракция свойственна всей аксоплазме. Естественно, возникает вопрос о возможности сокращения не только ствола, но и других отделов и терминалей нервного волокна.
Сокращение терминалей растущих нервных волокон (конусов роста). Представления о наличии ретроградного тонуса нейроплазмы и сократительной активности всех отделов нейрона подтверждают
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.