Зрение наcтроили по звёздам

Астроциты способны быстро реагировать на зрительные стимулы

На зрительные сигналы способны быстро реагировать не только нейроны, но и астроциты — звёздчатые клетки мозга, регулирующие активность кровотока. Получается, что именно работу последних регистрирует фМРТ, ставшая для неврологов «золотой жилой». Стоит ли пересматривать результаты доброй сотни работ, пока неизвестно. Зато в понимании физиологов «поддерживающие» клетки стали куда более активными .

Сложность и совершенство архитектуры мозга с трудом поддается изучению. На смену топической диагностике, микроэлектродам, вскрытиям и скрупулезному анализу активности отдельных клеток пришла томография. Конечно, ..цать лет пришлось подождать, пока уровень техники сможет поравняться с самой идеей, но зато за последние десять магнитно-резонансную томографию довели до совершенства.

Магнитно-резонансная томография

ЯМР – общепризнанное сокращение словосочетания «ядерный магнитный резонанс». ЯМР – томография (или МРТ) – это относительно новый вид получения изображения внутренних органов, который начал входить в медицинскую практику в 80-х годах прошлого столетия. Явление ЯМР было открыто Е.К.Завойским в 1944 году в форме парамагнитного резонанса и независимо открытого Блохом и Парселлом в 1946 году в виде резонансного явления магнитных моментов атомных ядер.

Несмотря на схожий с рентгеновской компьютерной томографией метод компьютерной обработки (называемый томографическим принципом), МРТ существенно отличается.

Первое преимущество – замена рентгеновских лучей радиоволнами. Это позволяет устранить ограничения на контингент обследуемых (детей, беременных), т.к. снимается понятие лучевой нагрузки на пациента и врача. Кроме того, отпадает необходимость в проведении специальных мероприятий по защите персонала и окружающей среды от рентгеновского излучения.

Второе преимущество – чувствительность метода к отдельным жизненно важным изотопам и особенно к водороду, одному из самых распространенных элементов мягких тканей. При этом контрастность изображения на томограмме обеспечивается за счет разности в концентрациях водорода в различных участках органов и тканей. При этом исследованию не мешает фон от костных тканей, ведь концентрация водорода в них даже ниже, чем в окружающих тканях.

Третье преимущество заключается в чувствительности к различным химическим связям у различным молекул, что повышает контрастность картинки.

Четвертое преимущество кроется в изображении сосудистого русла без дополнительного контрастирования и даже с определением параметров кровотока, получивших развитие в фМРТ, визуализирующей скорость с помощью различных цветов.

Пятое преимущество заключается в большей на сегодня разрешающей способности исследования – можно увидеть объекты размером в доли миллиметра.

И, наконец, шестое – МРТ позволяет легко получать не только изображения поперечных срезов, но и продольных.

Механизм достаточно прост. Ядерным магнитным резонансом называется избирательное поглощение электромагнитных волн веществом (в данном случае телом человека), находящимся в магнитном поле, что возможно благодаря наличию ядер с ненулевым магнитным моментом. Во внешнем магнитном поле протоны и нейтроны этих ядер как маленькие магниты ориентируются строго определенным образом и меняют по этой причине свое энергетическое состояние. Расстояние между этими уровнями энергии столь мало, что переходы между ними способно вызвать даже радиоизлучение. Энергия радиоволн в миллиарды раз меньше, чем у рентгеновского излучения, поэтому они не могут вызвать какие-либо повреждения молекул.

Итак, сначала происходит поглощение радиоволн. Затем происходит испускание радиоволн ядрами и переход их на более низкие энергетические уровни. И тот, и другой процесс можно зафиксировать, изучая спектры поглощения и излучения ядер. Эти спектры зависят от множества факторов и прежде всего – от величины магнитного поля. Для получения пространственного изображения в ЯМР-томографе, в отличие от КТ нет необходимости в механическом сканировании системой источник-детектор (антенна передатчик и приемник в случае ЯМР). Эта задача решается изменением напряженности магнитного поля в различных точках. Ведь при этом будет изменяться частота (длина волны), на которой происходит передача и прием сигнала. Если мы знаем величину напряженности поля в данной точке, то можем точно связать с ней передаваемый и принимаемый радиосигнал. Т.е. благодаря созданию неоднородного магнитного поля можно настраивать антенну на строго определенный участок органа или ткани без ее механического перемещения и снимать показания с этих точек, лишь меняя частоту приема волны.

Следующий этап – обработка информации от всех просканированных точек и формирование изображения. В результате компьютерной обработки информации получаются изображения органов и систем в «срезах», сосудистых структур в различных плоскостях, формируются трехмерные конструкции органов и тканей с высокой разрешающей способностью.

Венец современной медицинской техники – функциональный магнитно-резонансный томограф, способный оценивать скорость и объём кровотока через отдельные области головного мозга. Именно таким образом были подтверждены старые, а главное – найдены новые участки, «отвечающие» за ту или иную функцию. Десятки подобных работ основаны в первую очередь на гипотезе, что нейроны обладают возможностью контролировать работу сосудов, увеличивая приток крови при повышенной активности.

Мриганка Шур и его коллеги из Массачусетского технологического института выяснили, что работу сосудов регулируют отнюдь не нейроны, а астроциты – звездчатые клетки нервной системы.

Они относятся к глиальным элементам – «поддерживающим» клеткам нервной системы, которые обеспечивают изоляцию, питание, деление «стволовых» элементов и рост, а как недавно выяснилось, даже частично берут на себя функции нейронов.

Астроциты

— клетки нейроглии. Совокупность астроцитов называется астроглией. Астроциты делятся на фиброзные (волокнистые) и плазматические. Фиброзные астроциты располагаются между телом нейрона и кровеносным сосудом, а плазматические — между нервными волокнами.

Их функции многообразны:

* Опорная и разграничительная функция — поддерживают нейроны и разделяют их своими телами на группы (компартменты). Эту функцию позволяет выполнять наличие плотных пучков микротрубочек в цитоплазме астроцитов.
* Трофическая функция — регулирование состава межклеточной жидкости, запас питательных веществ (гликоген). Астроциты также обеспечивают перемещение веществ от стенки капилляра до цитолеммы нейронов.
* Участие в росте нервной ткани-астроциты способны выделять вещества, распределение которых задает направление роста нейронов в период эмбрионального развития. Рост нейронов возможен как редкое исключение и во взрослом организме в обонятельном эпителии, где нервные клетки обновляются раз в 40 дней.
* Гомеостатическая функция — обратный захват медиаторов и ионов калия.Извлечение глутамата и ионов калия из синаптической щели после передачи сигнала между нейронами.
* Гематоэнцефалический барьер — защита нервной ткани от вредных веществ, способных проникнуть от кровеносной системы. Астроциты служат специфическим «шлюзом» между кровеносным руслом и нервной тканью, не допуская их прямого контакта.
* Модуляция кровотока и диаметра кровеносных сосудов — астроциты способны к генерации кальциевых сигналов в ответ на нейрональную активность. Астроглия участвует в контроле кровотока, регулирует высвобождение некоторых специфических веществ,
* Регуляция активности нейронов- астроглия способна высвобождать нейропередатчики.

В ответ на активацию нейронов астроциты способны выделять вазоактивные вещества(вещества способные расширять либо сокращать кровеносные сосуды) простогландины, оксид азота(NO), циклоксигеназу COX1 и другие. Механизм выделения этих веществ различен.

В течении длительного времени астроциты считались опорными клетками нейронов, обеспечивающими их питание и физическую поддержку. Последние исследования привели к созданию модели трехстороннего синапса (пресинаптический нейрон, астроцит, постсинаптический нейрон). Астроциты способны выделять нейромедиаторы АТФ, ГАБА, Серин и другие. Это позволяет им напрямую учавтвовать в процессе передачи и обработке информации в нервной ткани.

В частности – регулируют активность синапсов, по которым сигнал передаётся от одного нейрона к другому, отвечают за привыкание к морфину и опиатам, и, что немаловажно в «средней полосе», отвыкание от алкоголя.

Как отметил Джеймс Шуммерс, один из соавторов опубликованной в Science работы, астроциты электрически неактивны, поэтому от них просто не ожидали какой-либо быстрой реакции, характерной для нейронов. Двухфотонная микроскопия показала обратное.

Ученые исследовали активность зрительных нейронов в головном мозге хорька. Непосредственным объектом для изучения стали ионы кальция, выполняющие роль универсального переносчика сигналов внутри различных клеток: мышечных, нервных, обычных фибробластов кожи и железистого эпителия. Для этого ученые пометили тысячи клеток зеленым флуоресцирующим индикатором, яркость свечения которого существенно возрастает при увеличении концентрации кальция в клетках. А затем начали наблюдать, но уже через микроскоп.

В отличие от фМРТ, микроскопия отражает известные физические величины

,в данном случае – интенсивность и локализацию флуоресценции. В результате Шуммерс и Шур показали, что в ответ на зрительный стимул астроциты «активируются» не хуже, а главное – не намного медленней нейронов. Если пик концентрации кальция в последних приходился на 3 секунды, то в соседних астроцитах – на 7 секунд после сигнала. Авторы объясняют эту задержку временем, необходимым для выделения нейромедиатора или других ионов из нейронов и связывания их с рецепторами на звездчатых клетках.

Ученые не ограничились однотипным «засвечиванием», а использовали разнообразные зрительные сигналы, вызывающие возбуждение нейронов в разных участках коры. Во всех случаях рядом с серыми клеточками активировались астроциты.

Более того, звездчатые клетки даже превзошли нейроны в способности «подстраиваться» к сигналу, изменяя активность в ответ на стимул.

Поскольку умение регулировать, а иногда даже кардинально изменять реакцию нейронов уже доказано, то Шур не сомневается в том, что астроциты участвуют и в формировании изображения.

Тем более что в головном мозге их гораздо больше, чем самих нейронов – до 50% от общего количества клеток. Их сеть по распространённости не уступает серым клеточкам с такими же многочисленными межклеточными контактами, кроме того – слияниями и объединениями с формированием многоклеточных комплексов. В таком случае им вовсе не нужно электрическое поле для быстрого распространения сигнала – внутри клетки или комплекса с помощью «мессенджеров», один из которых – ионы кальция, информация распространяется не намного медленнее, чем по «нейронным проводам».

Учёным пока не удалось зарегистрировать сигнал активации астроцитов в других областях мозга, то есть неизвестно, передают ли они его по своим сетям независимо от нейронов.

Таким вот оригинальным образом получил развитие вопрос «Что может и чего не может фМРТ», поднятый Никосом Логотетисом из Университетов Манчестера и Тюбингена.

Вопрос «стоит ли пересматривать результаты сотни работ, сделанных с помощью фМРТ?» Шур теперь интересует меньше всего. Во-первых, из солидарности с коллегами. А кроме того, ему с Шуммерсом удалось сделать куда более важное уточнение — найти «тайных кардиналов», контролирующих действия управляющих клеточек мозга. Шур надеется продолжить эксперименты, и ещё глубже проникнуть в тайны этой сети – «второй половины мозга».