Ученые проследили, как нервные клетки справляются с опасными воздействиями
Группа российских ученых, в которую вошли сотрудники Сеченовского Университета, исследовала, как нервные клетки адаптируются к опасным для них условиям: изменению концентрации веществ в окружающей среде, избытку нейромедиаторов и нарушению формирования цитоскелета. Исследование поможет лучше понять патологические процессы, меняющие свойства нейронов. Статья с результатами работы опубликована в Biophysical Journal.
Нарушения мозгового кровообращения при инсульте и травмах головы ежегодно уносят множество человеческих жизней и являются одной из основных причин инвалидности. Для эффективного оказания помощи и уменьшения тяжести последствий важно разобраться с процессами, протекающими на клеточном уровне в нервной ткани, – в частности, установить параметры, влияющие на способность нейронов к выживанию при подобных патологических процессах.
При нарушении кровообращения и локальном повреждении клеток происходит изменение состава внеклеточной среды, а также неконтролируемое высвобождение нейромедиаторов (в том числе глутамата). Изменение состава внеклеточной среды, например снижение концентрации растворенных веществ (солей, белков и т. д.), ведет к осмотическим эффектам. За счет диффузии больше воды проникает в клетку, чем выходит из нее, и клетка увеличивается в размере – это явление называется осмотическим стрессом и может приводить к повреждению и разрыву клеточной мембраны. А избыточное высвобождение нейромедиаторов приводит к гибели нейронов в ходе процесса, известного как эксайтотоксичность (от англ. to excite – «возбуждать, активировать» и «токсичность»).
Многие физиологические и патологические процессы связаны с изменением механических свойств клеток, в том числе размеров, упругости, вязкоупругих параметров. Нейроны значительно мягче большинства типов клеток, и это осложняет их изучение. При этом в некоторых условиях нейроны ведут себя не так, как клетки других типов, и требуют отдельных экспериментов. Лишь несколько лет назад метод атомно-силовой микроскопии, используемый для измерения механических свойств биологических образцов, стал пригоден для изучения таких клеток.
В экспериментах авторы работы использовали нейроны коры головного мозга крыс и, для сравнения, их же фибробласты – клетки соединительной ткани. С помощью атомно-силового микроскопа ученые измеряли, насколько легко деформируются клетки и как быстро они восстанавливают свойства в ситуациях, моделирующих патологические процессы в нервной ткани, – в условиях гипо- и гиперосмотического стресса, эксайтотоксичности, а также при разрушении цитоскелета, ответственного за жесткость клеток.
На осмотический стресс нейроны реагировали быстро, сильно, но и восстанавливались почти полностью за 5-10 минут; фибробласты на него реагировали немного слабее. В обоих случаях было показано, что механические свойства клеток (модуль упругости) изменяются сильнее, чем их объем, и, по-видимому, эти параметры связаны между собой. Увеличение объема клеток при гипоосмотическом стрессе вело к падению их жесткости, при гиперосмотическом стрессе наблюдались обратные эффекты. В то же время нейроны оказались более устойчивы к разрушению цитоскелета, чем фибробласты. Избыток нейромедиаторов приводил к увеличению объема нервных клеток, связанных со входом в клетку ионов натрия, кальция и воды, и уменьшению их упругости, причем после такого воздействия в нормальное состояние нейроны уже не возвращались. Таким образом, эксайтотоксичность имела эффект, подобный гипоосмотическому стрессу, но необратимый.
Авторы представили схему, связывающую механические свойства клетки, ее объем и структуру цитоскелета, и способную объяснить наблюдаемые зависимости. Уменьшение жесткости нейронов в ходе эксайтотоксичности может выступать дополнительным побочным эффектом, повышающим степень повреждения клеток при патологии.
«Патологические процессы при инсульте и травмах головного мозга вызывают различные изменения на клеточном уровне. В нашей работе на модельной системе, нейронах коры головного мозга крыс, мы показали, что такие изменения происходят и в механических свойствах нейронов. К нашему удивлению, такие изменения были очень существенными, и в некоторых случаях сильнее, чем в других типах клеток. Мы описали модель, которая предсказывает изменение механических свойств нейронов в различных условиях, и надеемся, что она будет полезной при разработке терапии, направленной на лечение патологий», – рассказал первый автор статьи,
В работе приняли участие ученые из Сеченовского Университета, Научно-исследовательского института общей патологии и патофизиологии, Национального медицинского исследовательского центра здоровья детей и Федерального научно-исследовательского центра «Кристаллография и фотоника» РАН. Работа поддержана Российским научным фондом (РНФ), грант №19-79-00354.
Нервные клетки — это… Что такое Нервные клетки?
- Не следует путать с нейтроном.
Нейрон (нервная клетка) – это структурно-функциональная единица нервной системы. Эта клетка имеет сложное строение, высоко специализирована и по структуре содержит ядро, тело клетки и отростки. В организме человека насчитывается более ста миллиардов нейронов.
Обзор
Сложность и многообразие нервной системы зависит от взаимодействия между нейронами, которые, в свою очередь, представляют собой набор различных сигналов, передаваемых в рамках взаимодействия нейронов с другими нейронами или мышцами и железами. Сигналы испускаются и распространяются с помощью ионов, генерирующих электрический заряд, который движется вдоль нейрона.
Строение
Тело клетки
Нейрон состоит из тела диаметром от 3 до 100 мкм, содержащего ядро (с большим количеством ядерных пор) и другие органеллы (в том числе сильно развитый шероховатый ЭПР с активными рибосомами, аппарат Гольджи), и отростков. Выделяют два вида отростков: дендриты и аксон. Нейрон имеет развитый цитоскелет, проникающий в его отростки. Цитоскелет поддерживает форму клетки, его нити служат «рельсами» для транспорта органелл и упакованных в мембранные пузырьки веществ (например, нейромедиаторов). В теле нейрона выявляется развитый синтетический аппарат, гранулярная ЭПС нейрона окрашивается базофильно и известна под названием «тигроид». Тигроид проникает в начальные отделы дендритов, но располагается на заметном расстоянии от начала аксона, что служит гистологическим признаком аксона.
Различается антероградный (от тела) и ретроградный (к телу) аксонный транспорт.
Дендриты и аксон
Схема строения нейрона
Аксон обычно — длинный отросток, приспособленный для проведения возбуждения от тела нейрона. Дендриты — как правило, короткие и сильно разветвлённые отростки, служащие главным местом образования влияющих на нейрон возбуждающих и тормозных синапсов (разные нейроны имеют различное соотношение длины аксона и дендритов). Нейрон может иметь несколько дендритов и обычно только один аксон. Один нейрон может иметь связи со многими (до 20-и тысяч) другими нейронами.
Дендриты делятся дихотомически, аксоны же дают коллатерали. В узлах ветвления обычно сосредоточены митохондрии.
Дендриты не имеют миелиновой оболочки, аксоны же могут её иметь. Местом генерации возбуждения у большинства нейронов является аксонный холмик — образование в месте отхождения аксона от тела. У всех нейронов эта зона называется триггерной.
Cинапс
Си́напс — место контакта между двумя нейронами или между нейроном и получающей сигнал эффекторной клеткой. Служит для передачи нервного импульса между двумя клетками, причём в ходе синаптической передачи амплитуда и частота сигнала могут регулироваться. Одни синапсы вызывают деполяризацию нейрона, другие — гиперполяризацию; первые являются возбуждающими, вторые — тормозящими. Обычно для возбуждения нейрона необходимо раздражение от нескольких возбуждающих синапсов.
Классификация
Структурная классификация
На основании числа и расположения дейндритов и аксона нейроны делятся на безаксонные, униполярные нейроны, псевдоуниполярные нейроны, биполярные нейроны и мультиполярные (много дендритных стволов, обычно эфферентные) нейроны.
Безаксонные нейроны — небольшие клетки, сгруппированы вблизи спинного мозга в межпозвоночных ганглиях, не имеющие анатомических признаков разделения отростков на дендриты и аксоны. Все отростки у клетки очень похожи. Функциональное назначение безаксонных нейронов слабо изучено.
Униполярные нейроны — нейроны с одним отростком, присутствуют, например в сенсорном ядре тройничного нерва в среднем мозге.
Биполярные нейроны — нейроны, имеющие один аксон и один дендрит, расположенные в специализированных сенсорных органах — сетчатке глаза, обонятельном эпителии и луковице, слуховом и вестибулярном ганглиях;
Мультиполярные нейроны — Нейроны с одним аксоном и несколькими дендритами. Данный вид нервных клеток преобладает в центральной нервной системе
Псевдоуниполярные нейроны — являются уникальными в своём роде. От тела отходит один остросток, который сразу же Т-образно делится. Весь этот единый тракт покрыт миелиновой оболочкой и структурно представляет собой аксон, хотя по одной из ветвей возбуждение идёт не от, а к телу нейрона. Структурно дендритами являются разветвления на конце этого (периферического) отростка. Триггерной зоной является начало этого разветвления (т. е. находится вне тела клетки).
Функциональная классификация
По положению в рефлекторной дуге различают афферентные нейроны (чувствительные нейроны), эфферентные нейроны (часть из них называется двигательными нейронами, иногда это не очень точное название распространяется на всю группу эфферентов) и интернейроны (вставочные нейроны).
Афферентные нейроны (чувствительный, сенсорный или рецепторный). К нейронам данного типа относятся первичные клетки органов чувств и псевдоуниполярные клетки, у которых дендриты имеют свободные окончания.
Эфферентные нейроны (эффекторный, двигательный или моторный). К нейронам данного типа относятся конечные нейроны — ультиматные и предпоследние – неультиматные.
Ассоциативные нейроны (вставочные или интернейроны) — эта группа нейронов осуществляет связь между эфферентными и афферентными, их делят на комисуральные и проекционные (головной мозг).
Морфологическая классификация
Нервные клетки бывают звездчатые и веретенообразные, пирамидальные, зернистые, грушевидные и т.д.
Развитие и рост нейрона
Нейрон развивается из небольшой клетки — предшественницы, которая перестаёт делиться ещё до того, как выпустит свои отростки. (Однако, вопрос о делении нейронов в настоящее время остаётся дискуссионным. [1](рус.)) Как правило, первым начинает расти аксон, а дендриты образуются позже. На конце развивающегося отростка нервной клетки появляется утолщение неправильной формы, которое, видимо, и прокладывает путь через окружающую ткань. Это утолщение называется конусом роста нервной клетки. Он состоит из уплощенной части отростка нервной клетки с множеством тонких шипиков. Микрошипики имеют толщину от 0,1 до 0,2 мкм и могут достигать 50 мкм в длину, широкая и плоская область конуса роста имеет ширину и длину около 5 мкм, хотя форма её может изменяться. Промежутки между микрошипиками конуса роста покрыты складчатой мембраной. Микрошипики находятся в постоянном движении — некоторые втягиваются в конус роста, другие удлиняются, отклоняются в разные стороны, прикасаются к субстрату и могут прилипать к нему.
Конус роста заполнен мелкими, иногда соединёнными друг с другом, мембранными пузырьками неправильной формы. Непосредственно под складчатыми участками мембраны и в шипиках находится плотная масса перепутанных актиновых филаментов. Конус роста содержит также митохондрии, микротрубочки и нейрофиламенты, имеющиеся в теле нейрона.
Вероятно, микротрубочки и нейрофиламенты удлиняются главным образом за счёт добавления вновь синтезированных субъединиц у основания отростка нейрона. Они продвигаются со скоростью около миллиметра в сутки, что соответствует скорости медленного аксонного транспорта в зрелом нейроне. Поскольку примерно такова и средняя скорость продвижения конуса роста, возможно, что во время роста отростка нейрона в его дальнем конце не происходит ни сборки, ни разрушения микротрубочек и нейрофиламентов. Новый мембранный материал добавляется, видимо, у окончания. Конус роста — это область быстрого экзоцитоза и эндоцитоза, о чём свидетельствует множество находящихся здесь пузырьков. Мелкие мембранные пузырьки переносятся по отростку нейрона от тела клетки к конусу роста с потоком быстрого аксонного транспорта. Мембранный материал, видимо, синтезируется в теле нейрона, переносится к конусу роста в виде пузырьков и включается здесь в плазматическую мембрану путём экзоцитоза, удлиняя таким образом отросток нервной клетки.
Росту аксонов и дендритов обычно предшествует фаза миграции нейронов, когда незрелые нейроны расселяются и находят себе постоянное место.
См. также
| Гистология: Нервная ткань | |
|---|---|
| Нейроны (Серое вещество) | Сома · Аксон (Аксонный холмик, Терминаль аксона, Аксоплазма, Аксолемма, Нейрофиламенты) Дендрит (Вещество Ниссля, Дендритный шипик, Апикальный дендрит, Базальный дендрит) типы: Биполярные нейроны · Псевдополярные нейроны · Мультиполярные нейроны · Пирамидальные клетки · Клетки Пуркинье · Зернистые клетки |
| Афферентный нерв/ Сенсорный нерв/ Сенсорный нейрон | · GVA · SSA · SVA · Нервные волокна (Мышечные веретёна (Ia), Нервно-сухожильное веретено, II or Aβ, Aδ-волокна, C-волокна) |
| Эфферентный нерв/ Моторный нерв/ Моторный нейрон | GSE · GVE · SVE · Верхний моторный нейрон · Нижний моторный нейрон (α мотонейроны, γ мотонейроны) |
| Синапс | Нейропиль · Синаптический пузырек · Нервно-мышечный синапс · Электрический синапс · Интернейрон (Клетки Реншоу) |
| Сенсорный рецептор | Чувствительное тельце Мейснера · Нервное окончание Меркеля · Тельца Пачини · Окончание Руффини · Нервномышечное веретено · Свободное нервное окончание · Обонятельный нейрон · Фоторецепторные клетки · Волосковые клетки · Вкусовая луковица |
| Нейроглия | Астроциты (Радиальная глия) · Олигодендроглиоциты · Клетки эпендимы (Танициты) · Микроглия |
| Миелин (Белое вещество) | CNS: Олигодендроцит |
| Соединительная ткань | Эпиневрий · Периневрий · Эндоневрий · Нервные пучки · Оболочки мозга |
Wikimedia Foundation. 2010.
Восстанавливаются ли нервные клетки
Дата публикации: 21-12-2019 Дата обновления: 05-10-2021
Выражение “нервные клетки не восстанавливаются” уже устоялось, многим известно, что нервные клетки погибают из-за стресса, поэтому люди пытаются избежать стресса, будучи убежденными в этом, но это выражение не совсем верно. Дело в том, что нервные клетки подлежат восстановлению, но для этого нужны особые условия. Нервные клетки образуются в гиппокампе – так называется часть головного мозга, отвечающая за память. Результаты исследований полностью опровергли убеждения того, что нервные клетки не подлежат восстановлению.
Фармацевтика – одна из самых прибыльных направлений деятельности в России; выпускается множество различных препаратов от несуществующих болезней. Особо популярные в России лекарства актовегин, кортексин, церебролизин абсолютно неизвестны нигде в мире, но тем не менее производители утверждают, что это эти лекарства помогают нейрогенезу.
Были проведены исследования на мышах, в ходе которых одну часть мышей поместили в клетку с кормом, водой и подстилкой из соломы, а в другую – мышей, где для них были различные лабиринты, колесо и игрушки. Через какое-то время было выявлено, что мозг мышей из первой клетки не изменился, а вот у другой части мышей стали образовываться новые нейроны
.
Образование, путешествия, поездки, любимая деятельность, интеллектуальная активность, развитие – все это способствует образованию новых нейронов. Конечно же, важно учитывать наличие заболеваний нервной системы, которые должен лечить хороший невролог в Строгино, а если каких-либо патологий не выявлено, то для нейрогенеза нужно ни что иное, как движение, спорт и работа интеллекта.
Ученые подчеркивают, что увеличить количество нервных клеток в головном мозге можно с помощью тренировки памяти и интеллекта. Нервные клетки погибают не только от стресса, но и от неиспользования всех ресурсов головного мозга. Познавание и применение новой информации помогает выживать нейронам, но чтобы запустить образование новых нервных клеток человеку нужно использовать полученную информацию и свои знания.
Исследования также показали, что нервные клетки образуются у тех пациентов, которые принимают антидепрессанты: научные исследования показали, что причиной депрессии является гибель нервных клеток, и по мере выздоровления человека увеличивается их объем в гиппокампе.
В медицинском центре “НАТАЛИ-МЕД” помогают пациентам также справиться с депрессивными состояниями, симптомами старческой деменции, стрессами. Можно сказать, что секрет счастливой и здоровой жизни заключается в избегании стрессов, развитии интеллекта, практическом применении знаний и навыков, здоровом образе жизни и физической активности.
Как восстановить нервные клетки: способ американских ученых :: Здоровье :: РБК Стиль
© Robina Weermeijer/Unsplash
Автор РБК Стиль
20 мая 2020
Новое исследование американских ученых показало: нервные клетки поддаются восстановлению. И для этого не требуются большие вложения или специальные навыки. По словам неврологов, достаточно развивать моторику.
Исследователи из Медицинской школы Университета Колорадо нашли механизм, благодаря которому клетки центральной нервной системы восстанавливаются после повреждений. Процесс регенерации можно запустить с помощью специально подобранной двигательной активности, сообщается в новом выпуске журнала Nature Neuroscience.
В качестве подопытных неврологи использовали мышей с рассеянным склерозом. Особое внимание они уделили изучению зрелых олигодендроцитов, которые отвечают за здоровые неврологические функции. Именно эти клетки восстанавливают нашу нервную ткань посредством создания новых миелиновых оболочек. В свою очередь, последние опоясывают нервные волокна и ускоряют передачу нервных импульсов между мозгом и другими органами.
После окончания эксперимента гипотеза американских исследователей была полностью подтверждена. Двигательные тренировки помогли восстановить нервную систему грызунов.
Теперь неврологи надеются, что обнаруженная ими роль олигодендроцитов в процессе восстановления нервных клеток поможет многим пациентам. Например, тем, кто перенес инсульт или болеет рассеянным склерозом.
Ученые из Гарварда назвали самый полезный продукт для сердца.
Они восстанавливаются. Как нейробиологи-«революционеры» опровергали догму, гласившую, что нервные клетки не восстанавливаются
Исследователи применили метод, основанный на радиоуглеродном анализе, который позволил им ретроспективно изучить клетки мозга умерших людей. Они измерили уровни радиоактивного изотопа углерода, углерода-14, в клетках мозга людей, живших в 1955—1963 годах. Почему именно в этот период? В это время СССР и США проводили активные испытания ядерного оружия, и в результате этих испытаний количество радиоактивного углерода-14 в атмосфере резко возросло. Сначала этот изотоп накапливали растения и животные, поедавшие эти растения, а затем вместе с пищей он попадал и в организм людей. И дальше встраивался в ДНК вновь появлявшихся клеток, становясь своеобразной меткой, по которой можно было определить время встраивания. Когда ученые обследовали клетки мозга людей, живших в 1955—1963 гг., то концентрация углерода-14 в них прямо показывала, что эти клетки образовались уже во взрослом возрасте. Так было получено еще одно подтверждение нейрогенеза. Но это, можно сказать, почти самый конец истории.
А началось все на рубеже XIX и XX столетий, когда только зарождалась нейробиология. Тогда нобелевский лауреат Сантьяго Рамон-и-Кахаль сформулировал известную догму, эхо которой мы слышим и по сей день: нервные клетки во взрослом мозге не восстанавливаются. В 1913 году он писал: «Центры взрослого мозга представляют собой нечто установленное, законченное и неизменное. Все может умереть, ничто не может быть восстановлено. Призвание науки будущего — в том, чтобы изменить сей суровый приговор, если это возможно». Понадобились много лет и значительные усилия энтузиастов-исследователей, рисковавших своей научной репутацией, чтобы сломать твердо укоренившийся стереотип и продемонстрировать: Рамон-и-Кахаль мог не надеяться на будущее, а просто присмотреться внимательнее — природа его проблему уже решила.
Первым, кто смог частично пошатнуть мнение о невозможности обновления нервных клеток, стал американский биолог Джозеф Альтман. В 1962 году в журнале Science он опубликовал первую из своих новаторских работ. Альтман вводил крысам меченый тритием нуклеотид, тимидин. В организме крыс тимидин благодаря своим свойствам встраивался в синтезирующуюся ДНК. После Альтман обследовал мозг крыс и выяснил, что именно в ДНК клеток мозга обнаруживается радиоактивный тритий, которым был помечен тимидин. А так как этот нуклеотид мог встраиваться лишь в новую ДНК, образующуюся при делении клеток, исследователь вынужден был сделать сенсационный вывод: новые нервные клетки появляются во взрослом мозге! Получив ощутимый удар, центральная догма нейробиологии пошатнулась, но так быстро не сдалась.
Как это часто бывает при ломке стереотипов, коллеги-ученые приняли результаты Альтмана в штыки, списав полученные им данные на технические погрешности. Из-за такого отношения ученому пришлось свернуть свои исследования, так как спонсоры лишили его финансирования. Вслед за Альтманом за нервные клетки на свой страх и риск взялся еще один энтузиаст, американский биолог Майкл Каплан. В 1977 году он опубликовал результаты своих исследований нейронов мозга крыс. Как и Альтману, ему удалось обнаружить радиоактивно меченный тимидин в ДНК клеток мозга. Но кроме этого, Каплан смог в электронный микроскоп разглядеть характерные признаки новорожденных нейронов — синаптические контакты с другими нейронами в мозге. После этих работ ученый провел еще серию исследований, уже с мозгом макак, но так и не смог добиться признания коллег, хотя его работы публиковали самые авторитетные научные издания. Догма нейробиологии трещала по всем швам, но силой веры продолжала держаться.
Прошло еще два десятилетия, прежде чем эти работы получили новое подтверждение. И получено оно было в Рокфеллеровском университете довольно неожиданным образом. Профессор этого университета, Фернандо Ноттебом, долгое время изучал биологию певчих птиц. Заинтересовавшись тем, что именно происходит с канарейками Serinus canaria, когда они учатся новым песням, Ноттебом предположил, что без изменений в мозге птиц здесь не обходится. И оказался прав: он обнаружил, что весной, в период спаривания в мозге самцов канареек, а именно в его структурах, ответственных за пение и обучение (т.н. вокальном центре), число нейронов возрастало! «Это было реальным шоком, потому что нас учили, будто взрослый мозг сохраняет тот же самый размер, те же самые клетки навсегда. Это было неоспоримым фактом о мозге. Как он мог стать больше? Это противоречило всему, что я когда-либо изучал», — вспоминал потом ученый.
Serinus canaria, нейрогенез у которой обнаружил Фернандо Ноттебом. Juan Emilio Flickr CC BY-SA 2.0Укоренившееся мнение о стабильности нервных клеток стало рушиться. В конце 90-х годов, после опытов с грызунами, птицами и обезьянами, рождение новых нейронов было подтверждено и в человеческом мозге. Догма была окончательно повержена в 1998 году шведскими нейробиологами из Института неврологии Гетеборга. Профессор Питер Эрикссон и его коллеги исследовали посмертные ткани мозга больных, согласившихся ради науки принимать синтетический аналог тимидина, бромдезоксиуридин. Этот нуклеотид, так же как и тимидин, способен встраиваться в ДНК вновь образующихся клеток. Шведские исследователи смогли увидеть, что новые нейроны достоверно появлялись в зубчатой извилине гиппокампа. Из этого следовало, что гиппокамп человека сохраняет свою способность генерировать нейроны на протяжении всей жизни. Нейрогенез в мозге человека был окончательно доказан. Так, почти через век после того, как Рамон-и-Кахаль сформулировал свой догматический «запрет» на восстановление нервных клеток, эпическая битва между «революционерами» и «консерваторами» завершилась победой первых.
Теперь предстояло выяснить все детали все-таки открытого явления. Каковы масштабы нейрогенеза во взрослом мозге млекопитающих и в каких отделах мозга он происходит? Какова его физиологическая функция? И один из самых важных вопросов, вставших перед биологами, мог иметь большое практическое значение: влияют ли внешние факторы на процессы нейрогенеза и можно ли его усилить. Сегодня мы уже можем более или менее достоверно ответить на все эти вопросы.
Основная функция нейрогенеза в организме заключается в восполнении нейронов мозга, утраченных естественным образом (в процессе старения) или из-за болезней и травм. Также оказалось, что нейрогенез играет важную роль в обучении и формировании памяти. Появление новых клеток в мозге происходит в несколько этапов. Вначале происходит фаза экспансии, деления нейрональных стволовых клеток мозга: стволовая клетка делится на две, из которых одна превращается в клетку-предшественника (делящегося нервного предшественника), также способную к делению. Эта самая короткая фаза: ее время составляет чуть более суток. Следующий этап занимает около 10 суток: происходит деление клеток-предшественников и миграция образовавшихся из них клеток к своему финальному «месту прописки». И на заключительном этапе мигрировавшая клетка, добравшись до места своего назначения, превращается в новый нейрон или в клетку его обеспечения — астроцит и олигодендроцит.
Конфокальная микрофотография GFP-позитивных нервных клеток-предшественников (зеленые) обонятельной луковицы мыши. Фото: Oleg Tsupykov Wikimedia commons CC BY-SA 4.0Но это еще не конец. Чтобы вновь образовавшаяся нервная клетка выжила, она должна обрасти синаптическими контактами с другими клетками, то есть органично встроиться в структуру мозга, влиться в клеточный коллектив. А новые связи между нейронами появляются, когда человек усваивает какую-либо информацию — вот почему для процесса нейрогенеза так важно, чтобы мозг активно работал. Клетки, не создавшие с соседними таких связей, становятся лишними и погибают. Весь цикл нейрогенеза от начала до конца занимает по времени около семи недель. Считается установленным, что в сутки в гиппокампе человека рождается около 700 новых нейронов.
Здесь надо отметить тот факт, что с количеством и обновлением самих стволовых клеток мозга ученым пока не все до конца ясно. В 2011 году две группы исследователей из лаборатории Колд Спринг Харбор и Университета Джона Хопкинса представили научному сообществу две прямо противоположные гипотезы на этот счет. Первые учёные, которых немецкий нейробиолог Герд Кемперманн назвал «пессимистами», озвучили модель, согласно которой число стволовых клеток в мозге закладывается в утробе матери и затем они в течение жизни не возобновляются, а лишь исчерпываются. При таком положении дел попытки ученых и медиков искусственно стимулировать нейрогенез (у пожилых или нездоровых людей) могут обернуться неожиданной стороной и вместо пользы принести вред. Искусственно стимулированные стволовые клетки закончатся раньше времени, и человек останется беззащитным без их необходимого запаса.
Согласно более оптимистичному сценарию, который описали Майкл Уиллер и его коллеги из Университета Джона Хопкинса, во взрослом мозге набор стволовых клеток постоянно обновляется и стимуляция нейрогенеза приносит пользу здоровью. Поделившись, стволовая клетка превращается в две, одна из которых (дочерняя) станет новым нейроном, а вторая останется стволовой, еще много раз давая новые нейроны. Хочется верить, что правы «оптимисты». Подтверждение их словам мы, казалось бы, можем каждый день видеть своими глазами: жизнерадостные, успешные и занимающиеся спортом люди, как правило, живут дольше и имеют более крепкое здоровье. А физкультура и положительные эмоции, как уже достоверно известно, прямо стимулируют нейрогенез. Но об этом — чуть ниже.
Считается установленным, что нейрогенез у млекопитающих проходит в основном в двух областях мозга: в обонятельной луковице и зубчатой извилине гиппокампа. Время от времени в печати появляются сообщения об обнаружении новых нервных клеток и в других мозговых структурах, но после проверок все они оказываются недостаточно убедительными и пока отвергаются большинством ученых. Но и того, в чем мы уверены сегодня, не так уж и мало.
Гиппокамп мыши. Синяя зона — граница между зубчатой извилиной и зоной СА3. Фото: Raunak Basu, University of Utah, Salt Lake City flickr CC BY-NC 2.0Для обонятельной луковицы мозга человека появление новых клеток нехарактерно, и если происходит, то в очень незначительных количествах. Связано это с нашей особенностью слабо пользоваться своим обонянием. У многих животных, напротив, хороший нюх иногда стоит на первом месте из всех имеющихся органов чувств. По техническим причинам нейрогенез в целом и в обонятельной луковице в частности лучше всего исследован у подопытных грызунов. Уже известно, что новые нейроны появляются у крыс в этой зоне в период спаривания и во время беременности: по запаху крысы ищут себе партнеров и затем распознают своих детенышей. Проводились эксперименты, когда мышам затыкали их носовые проходы, делая невозможным работу обоняния. На такие «фокусы» мышиный мозг тут же реагировал резким уменьшением объема обонятельных луковиц — количество нейронов в них падало. А при восстановлении обоняния эти области мозга мышей быстро набирали прежнюю форму.
Также известно, что исключительное влияние на обновление нервных клеток оказывает среда обитания. Новые впечатления, комфортные и удобные условия жизни стимулируют нейрогенез. Самые ранние работы, позволившие обнаружить этот феномен, были проведены в конце 90-х годов прошлого столетия. Профессор Фред Гейдж со своими коллегами поставил опыты с грызунами, которые были разделены на две группы. Группа «счастливых» мышей жила в миниатюрном городке, состоящем из множества лабиринтов. Хорошая кормежка, постоянное движение и поиск выходов из лабиринта привели к тому, что ученые смогли зафиксировать в гиппокампе мышей повышенную нейрогенетическую активность. Во второй же группе грызунов, неотлучно содержавшихся в виварии и живших скучной, однообразной жизнью, новых нейронов не обнаруживалось. Впоследствии эти опыты неоднократно подтверждались, и сегодня влияние «обогащенной среды» на нейрогенез считается твердо установленным.
Не в последнюю очередь рождение новых нейронов под воздействием комфортной «обогащенной среды» связано с «гормонами счастья» — дофамином и серотонином. Уже доказано, что эти два гормона оказывают очень важное и позитивное воздействие на обновление нервных клеток. Поэтому для работы мозга так важен позитивный настрой. Так, было выявлено, что, когда во время депрессии в мозге падает уровень серотонина, сразу же замедляется и нейрогенез. Так как одновременно с этим ухудшается и функция памяти, можно предположить в этом существование некоторого защитного механизма, помогающего человеку забыть прошлые неприятности, вызвавшие депрессию. Прием антидепрессантов, направленный на повышение серотонина в мозге, одновременно повышает и нейрогенез.
Противоположным серотонину действием обладают гормоны стресса, глюкокортикоиды, прочно и наверняка блокирующие рождение нервных клеток. Поэтому стресс и хорошая работа мозга плохо совместимы. Также оказались плохо совместимы с нейрогенезом почти все пагубные привычки современного человека: курение, употребление спиртного, а также малоподвижность и обжорство. Совсем свежее исследование показало, что алкоголь очень негативно и целенаправленно влияет на нейрональные стволовые клетки. Причем женский организм оказался более уязвим для пагубного воздействия спиртного, чем мужской.
Любители гамбургеров, газировки и сладких булочек также не случайно попали в группу риска по нейрогенезу. Оказалось, что лишний вес может очень негативно влиять на обновление нейронов. Жир вокруг талии, скапливаясь в большом количестве, стимулирует воспаление в организме, выделяя в кровь вещества воспалительного процесса, цитокины. И эти цитокины, добравшись до мозга, будут мешать рождению новых клеток. Кроме этого, лишние жировые отложения вызывают в организме окислительный стресс, в результате которого активируется ядерный фактор транскрипции NF-kB, также блокирующий нейрогенез. Вот почему рацион играет такую большую роль в работе мозга.
Вообще, как выяснили ученые, нейрогенез оказался чрезвычайно «пуглив», и почти любое отклонение в организме подавляет рождение нервных клеток. Но вместе с этим есть и хорошие новости! Человек, соблюдающий диету и занимающийся спортом, имеет все шансы сохранить нормальную работу мозга до самой старости. Многочисленные эксперименты нейробиологов наглядно продемонстрировали, как физические нагрузки благотворно влияют на работу мозга и обновление его клеток. К примеру, под воздействием продолжительного бега достоверно повышается уровень двух веществ, стимулирующих нейрогенез, — BDNF и VGF. Так что можно уверенно сказать, что бегая, плавая и крутя педали, человек укрепляет не только свои мышцы и кровеносную систему, но и мозг.
Алексей Ржешевский
Ученые выяснили, зачем мозгу нужны новые нервные клетки
«Все типы информации, которые мы получаем в течение дня — временной, пространственной, обонятельной, осязательной, эмоциональной и другой — проходят через гиппокамп, где «упаковываются» соответствующим образом, после чего отравляются обратно в отделы коры головного мозга, где и хранятся», — сказал ведущий автор исследования, профессор Фред Гейдж (Fred Gage), слова которого приводит пресс-служба Института имени Солка в США.
Ученым было известно, что на «входе» в гиппокамп информация проходит через так называемую зубчатую извилину, где поток данных разделяется между отдельными каналами, образованными десятикратным избытком нервных клеток по сравнению с их количеством перед этой извилиной. Это разделение, по мнению ученых, помогает мозгу воспринимать события, формирующие то или иное воспоминание, по отдельности.
«Так как производство новых нервных клеток происходит и в зубчатой извилине, то мы считали, что они каким-то образом принимают участие в этом процессе «расчленения воспоминаний», называемым «разделением образов», — говорит Гейдж.
Проверить гипотезу удалось Клэр Клиллэнд (Claire Clelland), совмещающей работу в Кембриджском университете Великобритании и Институте биологических исследований имени Солка в США. В своем эксперименте Клиллэнд и ее коллеги использовали мышей, у которых генерация новых нервных клеток в зубчатой извилине была подавлена с помощью небольшой дозы рентгеновского излучения.
После этого мыши помещались в клетку с восемью радиальными ответвлениями, в одном из которых их ждало вознаграждение пищей, а остальные были закрыты. После того, как мыши запоминали местоположение пищи, авторы исследования открывали дополнительное ответвление и наблюдали за тем, могут ли мыши вспомнить, в каком из двух ответвлений их ждет вознаграждение. Эксперимент был организован таким образом, что мыши не могли воспользоваться своим обонянием для выбора правильного направления.
«Мыши с «отключенной» функцией регенерации нервных клеток, как и контрольная группа животных, прекрасно ориентировались в пространстве и отличали нишу с пищей от пустого ответвления до тех пор, пока эти части клетки были удалены. Однако, когда мы открывали соседние ответвления, эта группа мышей сделать выбор уже оказывалась не в состоянии», — сказала Клиллэнд.
По мнению авторов публикации, их эксперимент наглядно показывает важность новых нервных клеток, которые помогают в формировании воспоминаний, связанных с местоположениями и ориентированием в пространстве.
Ученые полагают, что это не единственная функция новых нервных клеток, и намерены в будущем изучить их роль в формировании воспоминаний о событиях, разделенных небольшими промежутками времени или разными жизненными обстоятельствами.
Коронавирус может проникать в головной мозг, нарушать работу нервной системы и вызывать другие осложнения
- Николай Воронин
- Корреспондент по вопросам науки
Автор фото, Getty Images
Заражение Covid-19 не ограничивается инфекцией дыхательных органов. Как показывают практические исследования, у значительного числа пациентов вирус поражает и нервную систему.
Механизм его воздействия на нервные клетки пока не изучен, однако ученые не сомневаются в том, что какая-то связь есть: временная пропажа вкуса или обоняния были признаны специфическими симптомами Covid-19 еще в середине марта.
Кроме того, из носоглотки вирус способен проникать напрямую в головной мозг, а это в свою очередь может спровоцировать целый ряд осложнений, нарушив нормальную работу практически любого органа.
Список возможных сопутствующих заболеваний огромен: от проблем с пищеварением и закупорки сосудов — до сердечной недостаточности и энцефалита.
Многоликий вирус
Спустя четыре месяца с начала эпидемии ученым по-прежнему очень мало известно о вызывающем болезнь вирусе SARS-CoV-2 и его действии на организм человека.
Общая картина инфекции складывается по крупицам, из сотен статей в научных журналах, где врачи со всего мира делятся опытом лечения коронавирусных пациентов.
В результате продолжает расширяться список возможных симптомов Covid-19 (их уже больше десятка), а вместе с ним — и наши представления о том, какие еще органы способен поражать вирус и какими осложнениями может обернуться болезнь, помимо пневмонии.
Автор фото, Getty Images
Чаще всего медики описывают нарушения работы нервной системы. Сразу два исследования — во Франции и в Китае — пришли к выводу, что неврологические симптомы в той или иной форме испытывают более трети зараженных.
Однако в целом новая инфекция отличается куда более разносторонним и даже индивидуальным подходом.
Но и нервную систему вирус может поражать очень по-разному — речь далеко не только о временном отказе чувств.
В частности, в качестве побочных проявлений Covid-19 описаны несколько случаев энцефалита (воспаления мозга), а также синдрома Гийена-Барре: иммунная система пациента начинает атаковать собственные нервные клетки, что приводит к мышечной слабости, а в тяжелых случаях — к параличу.
Американские медики встревожены сообщениями о том, что только в Нью-Йорке за две недели у коронавирусных пациентов было зафиксировано пять случаев обширного инсульта — причем у относительно молодых людей (до 50 лет), без других ярко выраженных симптомов Covid-19.
По предварительным данным, в качестве побочного эффекта воспаления коронавирус спровоцировал у них образование тромбов в крупных сосудах — что в итоге и привело к острому нарушению мозгового кровообращения.
Однако в основном неврологические расстройства наблюдаются все-таки у тяжелых больных. В таких случаях эти симптомы иногда остаются даже после выздоровления пациентов от Covid-19.
Автор фото, Getty Images
Почему осложнения такие разные?
Нарушить работу нервной системы вирус может как косвенно, путем чрезмерной активизации иммунной системы (так называемый цитокиновый шторм), так и напрямую. Это выяснилось в результате вскрытия тел погибших от Covid-19.
Вирусные частицы у жертв были обнаружены в том числе и в головном мозге. Есть версия, что инфекция попадает туда из дыхательных путей через обонятельные рецепторы в носу.
Это не какая-то уникальная способность нового коронавируса. Аналогичную инфекцию мозга могут вызывать и некоторые другие вирусы, в том числе гриппа и кори — что также иногда приводит к неврологическим заболеваниям, хоть и довольно редко.
Правда, в случае с Covid-19 дело обстоит чуть сложнее. Во-первых, число зараженных уже превысило 3 млн — а значит, даже редких случаев в совокупности оказывается немало. А во-вторых, если вирус все же попал в мозг, дальнейшее заражение почти неизбежно: на поверхности мозговых клеток присутствует тот самый мембранный рецептор ACE2, через который вирус легко проникает внутрь, вызывая воспаление.
Этот же рецептор есть и у клеток, выстилающих внутреннюю поверхность кровеносных сосудов — поэтому в тяжелых случаях вирус прорывается из дыхательных органов в общий кровоток. В результате тромботические осложнения возникают почти у каждого третьего больного коронавирусной пневмонией.
С кровью вирус может попасть уже в любые органы, в том числе и в мозг. Однако, по последним данным, почти половина всех инфицированных переносят Covid-19 вообще без всяких симптомов.
Пытаясь понять, почему у одних людей болезнь протекает совершенно незаметно, а у других приводит к столь тяжелым последствиям, в Британии провели исследования нескольких тысяч пар идентичных близнецов.
Согласно предварительным данным, тяжесть инфекции, многие ее симптомы, а возможно, и сама вероятность заражения довольно сильно зависят от генетических факторов, то есть наследственности.
Нервная клетка (нейрон) — Клиника Мэйо
Основной единицей коммуникации в нервной системе является нервная клетка (нейрон). Каждая нервная клетка состоит из тела клетки, которое включает ядро, главное ветвящееся волокно (аксон) и многочисленные более мелкие ветвящиеся волокна (дендриты). Миелиновая оболочка — это жировой материал, который покрывает, изолирует и защищает нервы головного и спинного мозга.
Получите самые свежие советы по здоровью от клиники Мэйо. в ваш почтовый ящик.
Зарегистрируйтесь бесплатно и будьте в курсе новостей достижения, советы по здоровью и актуальные темы здоровья, например, COVID-19, плюс советы экспертов по поддержанию здоровья.
Узнайте больше о нашем использовании данныхЧтобы предоставить вам наиболее актуальную и полезную информацию и понять, какие Информация выгодно, мы можем объединить вашу электронную почту и информацию об использовании веб-сайта с другими информация, которая у нас есть о вас.Если вы пациент клиники Мэйо, это может включать защищенную медицинскую информацию (PHI). Если мы объединим эту информацию с вашей PHI, мы будем рассматривать всю эту информацию как PHI, и будет использовать или раскрывать эту информацию только в соответствии с нашим уведомлением о конфиденциальности. практики. Вы можете отказаться от рассылки по электронной почте. в любое время, нажав ссылку «Отказаться от подписки» в электронном письме.
Подписывайся!
Спасибо за подписку
Наша электронная рассылка Housecall будет держать вас в курсе на последней информации о здоровье.
Сожалеем! Наша система не работает. Пожалуйста, попробуйте еще раз.
Что-то пошло не так на нашей стороне, попробуйте еще раз.
Пожалуйста, попробуйте еще раз
.
Нервные клетки — Неврология — Книжная полка NCBI
Несмотря на специфические молекулярные, морфологические и функциональные особенности любого определенного типа нервных клеток, основная структура нейронов напоминает структуру других клетки.Таким образом, каждая нервная клетка имеет клеточное тело, содержащее ядро, эндоплазматическое. ретикулум, рибосомы, аппарат Гольджи, митохондрии и другие органеллы, которые необходимо для работы всех ячеек (). Эти особенности лучше всего распознаются при большом увеличении и разрешение, обеспечиваемое электронным микроскопом. Отличительная черта нервные клетки — это их специализация для межклеточной коммуникации. Этот атрибут проявляется в их общей морфологии, в специализации их мембран. для электрических сигналов, а также в структурных и функциональных тонкостях синаптические контакты между ними.
Рисунок 1.3
(A) Схема нервных клеток и их составных частей. (B) Аксон начальный сегмент (синий), входящий в миелиновую оболочку (золотой). (C) Терминальные бутоны (синий) загружен синаптическими пузырьками (наконечники стрелок), образующими синапсы (стрелки) с дендритом (фиолетовый). (D) Поперечный (подробнее …)
Особенно заметной морфологической особенностью большинства нервных клеток является сложная ветвление дендритов (также называемых дендритными ветвями или дендритными ветвями). процессы), которые возникают из тела нейрональной клетки.Спектр нейрональных геометрия варьируется от небольшого количества клеток, в которых полностью отсутствуют дендриты, до нейроны с дендритными ветвями, которые по сложности не уступают зрелому дереву (см. ). Количество входов, которые конкретный нейрон получает в зависимости от сложности его дендритной ветви: нерв клетки, в которых отсутствуют дендриты, иннервируются только одной или несколькими другими нервными клетками, в то время как те, у кого дендриты становятся все более сложными, иннервируются соразмерно большее количество других нейронов.
Дендриты (вместе с телом клетки) обеспечивают основное место для синаптических терминалы сделаны аксональными окончаниями других нервных клеток. Синаптический сам контакт — это особая разработка секреторного аппарата, обнаруженного в большинстве поляризованные эпителиальные клетки. Обычно пресинаптический терминал является непосредственно примыкает к постсинаптической специализации опрошенных клетка. Для подавляющего большинства синапсов нет физической непрерывности между эти пре- и постсинаптические элементы.Вместо этого пре- и постсинаптические компоненты общаются через секрецию молекул из пресинаптического терминала, которые связываются с рецепторы постсинаптической специализации. Эти молекулы должны пройти через внеклеточное пространство между пре- и постсинаптическими элементами; это прерывание называется синаптической щелью. Количество синаптических входов, полученных каждой нервной клеткой в нервной системе человека колеблется от 1 до примерно 100000. Этот диапазон входов отражает фундаментальную цель нервных клеток, а именно интегрировать информацию из другие нейроны.Таким образом, количество входов в любую конкретную ячейку особенно важная детерминанта нейрональной функции.
Информация из входов, которые сталкиваются с нейронными дендритами, интегрирована и «считывать» в начале аксона, часть нервная клетка, специализирующаяся на передаче сигнала к следующему участку синапса. взаимодействие (см. и). Аксон является уникальным продолжением тело нейрональной клетки, которое может перемещаться на несколько сотен микрометров или намного дальше, в зависимости от типа нейрона и размера вида.Многие нервные клетки в человеческий мозг имеет аксоны длиной не более нескольких миллиметров, а у некоторых нет аксонов вообще (см., например, амакриновую клетку сетчатки в; на самом деле, амакрин означает «Отсутствие длительного процесса»). Эти короткие аксоны являются определяющими особенность нейронов локальной цепи или интернейронов по всему мозгу. Множество аксонов, однако распространяться на более далекие цели. Например, аксоны, идущие от спинной мозг человека до стопы около метра в длину. Аксональный механизм, который переносит сигналы на такие расстояния, называется потенциалом действия, самовосстанавливающаяся волна электрической активности, распространяющаяся от точки инициация в теле клетки (называемом бугорком аксона) до конца аксона.В конце аксона устанавливается еще один набор синаптических контактов с другими клетками. В клетки-мишени нейронов включают другие нервные клетки в головном, спинном мозге и вегетативные ганглии, а также клетки мышц и желез по всему телу.
Процесс, посредством которого информация, закодированная с помощью потенциалов действия, передается в синаптические контакты со следующей клеткой пути называются синаптическими контактами . коробка передач . Пресинаптические окончания (также называемые синаптическими окончаниями, аксон терминалы или терминальные бутоны) и их постсинаптическая специализация, как правило, химические синапсы, самый распространенный тип синапсов в нервной системе (еще один тип, называемый электрическим синапсом, описан в главе 5).Секреторные органеллы в пресинаптической терминалы химических синапсов называются синаптическими пузырьками, которые заполнены молекулы нейротрансмиттеров. Нейромедиаторы высвобождаются из синаптических пузырьков изменить электрические свойства целевой клетки путем привязки к рецепторов нейротрансмиттеров , которые локализуются преимущественно в постсинаптическая специализация. Нейротрансмиттеры, рецепторы и связанные с ними молекулы трансдукции — это механизм, который позволяет нервным клеткам общаться с друг друга, а также с эффекторными клетками в мышцах и железах.
13.18: Нервные клетки — Биология LibreTexts
Паутина крупным планом? Какие-то экзотические бактерии? Как вы думаете, это что?
На самом деле это нервная клетка, клетка нервной системы. Эта клетка посылает электрические «искры», которые передают сигналы по всему телу.
Нервная система
Маленький ребенок метается перед вашим велосипедом, когда вы мчитесь по улице. Вы видите ребенка и сразу же реагируете. Вы нажимаете на тормоз, уклоняетесь от ребенка и выкрикиваете предупреждение — и все это всего за долю секунды.Как ты так быстро отвечаешь? Такие быстрые реакции контролируются вашей нервной системой. Нервная система представляет собой сложную сеть нервной ткани, которая передает электрические сообщения по всему телу. Он включает головной и спинной мозг, центральную нервную систему и нервы, которые проходят по всему телу, периферическую нервную систему (см. рис. ниже). Чтобы понять, как нервные сообщения могут передаваться так быстро, вам нужно больше узнать о нервных клетках.
Нервная система человека включает головной и спинной мозг (центральная нервная система) и нервы, которые проходят по всему телу (периферическая нервная система).
Нервные клетки
Хотя нервная система очень сложна, нервная ткань состоит всего из двух основных типов нервных клеток: нейронов и глиальных клеток. Нейроны — структурные и функциональные единицы нервной системы. Они передают электрические сигналы, называемые нервными импульсами. Глиальные клетки обеспечивают поддержку нейронов. Например, они снабжают нейроны питательными веществами и другими материалами.
Структура нейрона
Как показано на рисунке ниже, нейрон состоит из трех основных частей: тела клетки, дендритов и аксона.
- Тело клетки содержит ядро и другие органеллы клетки.
- Дендриты отходят от тела клетки и получают нервные импульсы от других нейронов.
- Аксон — это длинное продолжение тела клетки, которое передает нервные импульсы другим клеткам. Аксон разветвляется на конце, образуя окончаний аксона . Это точки, в которых нейрон взаимодействует с другими клетками.
Структура нейрона позволяет ему быстро передавать нервные импульсы другим клеткам.
Аксон многих нейронов имеет внешний слой, называемый миелиновой оболочкой (см. рис. выше). Миелин — это липид, продуцируемый глиальной клеткой, известной как шванновская клетка . Миелиновая оболочка действует как слой изоляции, похожий на пластик, покрывающий электрический шнур. Регулярно расположенные узлы или промежутки в миелиновой оболочке позволяют нервным импульсам очень быстро проходить вдоль аксона.
Типы нейронов
Нейроны классифицируются в зависимости от направления, в котором они переносят нервные импульсы.
- Сенсорные нейроны переносят нервные импульсы от тканей и органов к спинному и головному мозгу.
- Моторные нейроны переносят нервные импульсы от головного и спинного мозга к мышцам и железам (см. Рисунок ниже).
- Интернейроны переносят нервные импульсы вперед и назад между сенсорными и двигательными нейронами.
Этот аксон является частью двигательного нейрона. Он передает нервные импульсы скелетной мышце, заставляя ее сокращаться.
Резюме
- Нейроны — структурные и функциональные единицы нервной системы.Они состоят из тела клетки, дендритов и аксона.
- Нейроны передают нервные импульсы другим клеткам.
- Типы нейронов включают сенсорные нейроны, двигательные нейроны и интернейроны.
Обзор
- Каковы две основные части нервной системы?
- Перечислить и описать части нейрона.
- Что делают мотонейроны?
- Что такое миелин и миелиновая оболочка?
Новое определение неоднородности периферических нервных клеток в отношении здоровья и аутоиммунитета
Клеточный состав периферической нервной системы (ПНС) кажется простым.Нейрональные клетки отсутствуют, и только их специализированные клеточные выступы, называемые аксонами, проходят в ПНС. Вместо этого клетки ПНС в основном состоят из глиальных клеток, которые называются шванновскими клетками (SC) и морфологически классифицируются как миелинизирующие (mySC) или немиелинизирующие (nmSC). Эти SC обеспечивают трофическую поддержку и электрическую изоляцию аксонов частично за счет образования миелиновой оболочки (1). Миелин представляет собой выступ клеточной мембраны из SC, который охватывает аксоны в несколько слоев и необходим для быстрой передачи аксонов потенциалов действия (2).
В то время как mySCs были изучены достаточно подробно, фенотип nmSCs и других типов клеток, не относящихся к SC, таких как фибробласты и эндотелий сосудов в PNS, однако, остается плохо определенным. Связанные с нервом фибробласты в основном определялись морфологическими характеристиками в ПНС, но их функция и происхождение остаются спорными (3). Кроме того, хотя лейкоциты явно имеют отношение к воспалительным и травматическим поражениям ПНС (4, 5), их точный состав и фенотип в стационарных условиях остаются неизвестными.Секвенирование одноклеточной РНК (scRNA-seq) позволяет объективно определять клеточный состав сложных тканей. Однако не сообщалось о единичной клеточной характеристике здоровой ПНС, и изучалась только транскрипционная реакция на повреждение нерва (6). Кроме того, остается неизвестным клеточный ответ паренхиматозных клеток ПНС на местные аутоиммунные реакции (4, 5).
Здесь мы создали объективную клеточную карту здоровой PNS с разрешением одной клетки.Мы идентифицировали известные и другие маркеры mySC и охарактеризовали состав и маркерные гены nmSC и нервно-ассоциированных фибробластов. Мы также определили особый состав лейкоцитов в ПНС, включая два подмножества резидентных в ткани гомеостатических макрофагов. На мышиной модели хронической воспалительной нейропатии мы обнаружили, что эндоневральные лимфоциты преимущественно разрастаются, а паренхимные клетки ПНС и их межклеточные коммуникационные сети широко реагируют на повреждение аутоиммунной ткани.Мы обнаружили, что эта реакция на аутоиммунитет частично разделялась между глиальными клетками периферической и центральной нервной системы, что указывает на потенциально консервативные механизмы ответа.
Результаты
Транскриптомика одиночных клеток рассекает клеточный состав периферических нервов.
Мы стремились лучше охарактеризовать клеточный состав PNS. Во-первых, мы оптимизировали экстракцию клеток из PNS и достигли наивысшего выхода и жизнеспособности клеток путем комбинирования ферментативного расщепления ( SI Приложение , рис.S1 A ) с истощением миелина и сортировкой на основе проточной цитометрии для жизнеспособных клеток ( Методы ) ( SI Приложение , рис. S1 B и C ). Таким образом, мы получили в среднем 1,520 ± 453 SD жизнеспособных клеток из комбинированного плечевого сплетения и седалищного нерва одной мыши. Затем мы объединили клетки от нескольких мышей ( n = 12 на партию) и трех биологических повторностей ( SI, приложение , рис. S1 D ) в качестве входных данных для scRNA-seq. После удаления низкокачественных клеток ( Методы ) это вернуло транскрипционную информацию о 5400 полных высококачественных клетках PNS, с 596 ± 202 SD средних генов, обнаруженных на клетку ( SI Приложение , Таблица S1).После нормализации ( Методы ) мы идентифицировали всего 12 кластеров ячеек PNS (рис. 1 A ).
Рис. 1.Транскриптомика одиночных клеток определяет клеточные фенотипы в ПНС мыши. ( A ) После многоступенчатой очистки периферических нервных клеток было получено 5400 транскриптомов единичных клеток (sc) у взрослых самок мышей C57BL / 6, ранее не имевших отношения к жизни (три биологических повтора, n = 12 мышей каждая, n = 36 всего мышей), используя микрофлюидное секвенирование scRNA.Транскриптомы sc были сгруппированы (методы , ) и вручную аннотированы для типов клеток на основе экспрессии маркерного гена. Каждая точка указывает на одну ячейку, а кластеры имеют цветовую кодировку. ( B ) Отображается доля ячеек в каждом кластере. ( C ) Характерные графики выбранных маркерных генов линии SC. Интенсивность красного цвета указывает на уровень экспрессии. ( D ) Точечная диаграмма выбранных маркерных генов, сгруппированных по кластерам. Средний уровень экспрессии гена на кластер обозначен цветом, а размер круга представляет процент клеток, экспрессирующих ген.Пороговое значение было установлено как минимум 10% клеток в кластере, экспрессирующих ген. ( E ) Характерные графики генов, экспрессируемых кластерами nmSC и фибро.
В целом, 65% транскриптомов отдельных клеток были отнесены к типам клеток SC и фибробластов, 20% — к сосудистым и 15% — к типам гематопоэтических клеток (рис. 1 B ). Неожиданно высокая численность гемопоэтических клеток по сравнению с морфологической количественной оценкой (7), вероятно, отражает их более легкую экстракцию и наблюдалась ранее (6).Один кластер экспрессировал маркеры паншванновских клеток (например, Erbb3 и S100b ), а также коэкспрессировал гены белка миелина (например, Mbp и Plp1 ), в то время как другой кластер не экспрессировал гены белка миелина, но Рецептор SC ( Ngfr / p75) (Рис.1 C и SI Приложение , Таблица S3). Мы назвали эти кластеры mySCs и nmSCs соответственно (рис. 1 A ). Дополнительный кластер экспрессировал маркеры фибробластов (fibro; Fn1 , Fgfr1 , Col1a и Col3a ) (8).Обнаружение маркерных генов только в части клеток кластера (рис. 1 D ) является неотъемлемой частью метода (9). Сосудистые кластеры экспрессировали канонические маркеры гладкомышечных клеток сосудов (vSMCs; Acta2 , Tagln и Tpm2 ), перицитов (ПК; Rgs5 и Pdgrfb ), лимфатических лимфатических эндотелиальных клеток (лимфатических лимфоцитов; лимфатических эндотелиальных клеток; и Prox1 ), а также эндотелиальных клеток сосудов (EC1s; Cldn5 , Egfl7 и Pecam1 ) (10) (рис.1 D и SI Приложение , Таблица S2). ПК окружают эндотелиальные клетки в стенке сосудов микроциркуляции (11). Дополнительный кластер эндотелиальных клеток экспрессировал гены, связанные с гемато-нервным барьером (EC2s; Cldn1 и Slc16a1 ) (12). Дополнительные транскрипты в кластере EC2 были либо новыми для эндотелиальных клеток ( Moxd1 и Ntng1 ), либо были описаны в субпопуляциях эндотелиальных клеток головного мозга или легких (например, Lypd2 , Krt19 и Dleu7 ), хотя EC2s были транскрипционно отличны от ЭК мозга / легких (10).Таким образом, мы идентифицируем уникальный транскрипционный фенотип субнабора эндотелиальных клеток ПНС.
Четыре дополнительных кластера экспрессировали пангематопоэтические маркеры (например, Ptprc / CD45) и, в частности, маркеры линии миелоидных клеток (MC; Lyz2 ), макрофаги (MP; Cd68 ), Т-клетки (TCs; ). Cd3e ) и B-клетки (BC; Cd79 ) (рис.1 D и SI Приложение , таблица S2) (9). Загрязнение крови маловероятно, поскольку у мышей была внутрисердечная перфузия, а эритроциты (экспрессирующие Hba и Hbb ) отсутствовали.Таким образом, мы определяем неоднородность и проводим перепись ячеек PNS.
Чтобы связать наш набор данных с человеческими заболеваниями, мы построили график средней экспрессии генов, связанных с наследственными невропатиями, против кластеров клеток ( SI Приложение , рис. S2 A ). Мы обнаружили, что — за исключением генов белка миелина — большинство генов нейропатии преимущественно экспрессировалось в типах клеток, не относящихся к SC ( SI Приложение , рис. S2 A ), что указывает на потенциальную значимость типов неглийных клеток для наследственных расстройств ПНС.Примечательно, что нейрональные клетки не включены в наш набор данных, что может преувеличивать роль этих генов в неглиевых клетках.
Подробная транскриптомная характеристика кластеров шванновских клеток и фибробластов.
Далее мы более подробно охарактеризовали выбранные кластеры. Кластер mySC экспрессировал гены, кодирующие белки миелина PNS ( Plp1 , Mpz и Mpz ), ключевой фактор транскрипции линии SC ( Sox10 ) и другие регуляторы миелинизации (например,g., Ptn и Cryab ) (13) (рис.1 C и D ). Кроме того, гены, высоко экспрессируемые в mySC, были связаны с метаболизмом липидов (например, Apoe и Dbi1 ) (14) и STAT3 ( Socs3 ) (15) сигнальными путями ( SI Приложение , таблицы S2 и S3) . Экспрессия генов пути JNK ( Fos и Junb ) (16) в mySC ( SI Приложение , рис. S3 A ) была описана (17), но может представлять немедленную раннюю экспрессию генов в результате переваривания.Анализ обогащения набора генов (GSEA) воспроизводил обогащение сигнальных путей (например, TGFβ / SMAD), ранее связанных с функцией шванновских клеток ( SI Приложение , Таблица S5). Затем мы проверили транскрипты, ранее не описанные в mySCs или миелинизации PNS ( SI, приложение , таблица S4). Такие транскрипты «new-in-mySC» включали металлотионеины ( Mt1 и Mt2 ) и ген ферритиновой цепи ( Fth2 ) с функциями транспорта металлов и антиоксидантной функцией и неизвестной значимостью в PNS (18).Кроме того, фактор транскрипции Btg2 ранее не был описан в mySC. Таким образом, мы идентифицировали гены-кандидаты в mySC ( SI Приложение , рис. S3 A ).
Далее мы проанализировали кластер nmSC. Он высоко транскрибировал ген липопротеина ( Apod ) (рис. 1 D и E и SI, приложение , таблица S2), который, как известно, экспрессируется в ПНС (19) в шванновских клетках (20). с функциями в связи SC-макрофаги и способствуя регенерации аксонов (21, 22).Кластер nmSC также экспрессировал церулоплазмин ( Cp ), участвующий в метаболизме меди и описанный как потенциальный маркер pan-SC (23). Когда мы сосредоточились на рецепторах (класс Panther: PC00197), мы обнаружили, что экспрессия генов Matn2 , Myoc , Hspg2 / Perlecan, Col6a и Lama2 в НМСК соответствовала их известной экспрессии и / или функция в PNS (24⇓⇓ – 27) ( SI Приложение , рис. S3 B ). Среди факторов транскрипции (TF) (класс Panther: PC00218) экспрессия и / или функция Tcf4 , Spry2 и Cebpd были описаны в SC (28-30) ( SI Приложение , рис.S3 B ). В целом, это поддерживает отнесение кластера nmSC к линии SC.
Коэкспрессия Ngfr / p75, Cspg4 / NG2 и Pdgfr / PDGFRβ была ранее описана в новых перицитоподобных клетках в PNS (7). Мы обнаружили коэкспрессию Ngfr / Cspg4 / Pdgfr как в кластерах nmSC, так и в PC ( SI Приложение , рис. S3 C ).
В дополнение к этим известным транскриптам мы идентифицировали профиль кластера nmSC, который отличался от mySC и включал специфические молекулы клеточной поверхности (например,g., Ccl11 , вовлеченный в миелинизацию центральной нервной системы [ЦНС]) (31), протеазы ( Mmp2 ) и TF Osr2 , ранее не обнаруженный в клетках глии ( SI Приложение , рис. S3 B и Таблица S3). Osr2 регулирует дифференцировку эмбриональных мезенхимальных клеток (32). GSEA маркерных генов nmSC идентифицировал пути, связанные с формированием костей (например, WP1270 WikiPathway) и формированием нервного гребня ( Tcf4 и Sox9 ) ( SI Приложение , Таблица S6).Примечательно, что некоторые ТФ, которые участвовали в миелинизации ( Tcf4 , Spry2 и Ebf1 ) (33, 34), были экспрессированы в нмСК на более высоком уровне, чем в mySC ( SI Приложение , рис. S3 ). В ).
Фиброкластер экспрессировал различные компоненты внеклеточного матрикса (ECM) ( Dpt и Gsn ), включая специфические гены коллагена ( Col1a1 , Col1a2 , Col3a1 и Col14a1 ) (рис.1 D и SI Приложение , Таблица S2). GSEA соответственно идентифицировал пути, связанные с образованием ECM ( SI Приложение , Таблица S7). Кластер также экспрессировал гены-маркеры ( Pi16 , Clec3b и Cygb ) и TF ( Prrx1 и Aebp1 ) (рис.1 E и SI приложение , таблица S2), которые были ранее идентифицированы в матричных фибробластах (8). Это подтверждает идею о том, что фиброкластер представляет собой нервно-ассоциированные фибробласты (3) со специфическим фенотипом матричных фибробластов.В этом кластере мы недавно идентифицировали Sfrp4 — известный регулятор пути передачи сигналов Wnt (35) (рис. 1 D и E и SI Приложение , таблица S2) — и несколько членов пути передачи сигналов IGF. ( Igfbp6 , Igfbp4 и Igfbp5 ) и один компонент комплемента ( C3 ), который, как известно, ингибирует разрастание аксонов (36). Это говорит о том, что связанные с нервом фибробласты могут регулировать рост аксонов.
В заключение, мы идентифицируем ранее неизвестную сигнатуру транскрипции и кандидатов в регуляторы нмСК и нервно-ассоциированных фибробластов.
Подтверждение присвоения происхождения и экспрессии маркеров nmSC.
Далее мы стремились подтвердить и локализовать маркеры клеточного типа, сочетающие иммуногистохимию (IHC) и гибридизацию РНК in situ (ISH). Из верхних генов, идентифицированных в кластере клеток nmSC ( SI, приложение , таблица S2), мы выбрали транскрипты с высокой и специфической экспрессией в кластере nmSC ( Apod и Smoc2 ) (рис.1 D и E ) и окрашивали их с помощью ISH. Mbp использовали в качестве положительного контроля mySC и продемонстрировали широко распространенную эндоневральную экспрессию (фиг. 2 A ). Как и ожидалось, картина окрашивания белка Mbp и Mbp РНК различается (фиг. 2 A по сравнению с фиг. 2 C и E ). Сигнал ISH Apod локализован исключительно эндоневрально либо в крупных перинуклеарных агрегатах (4,4% всех эндоневриальных ядер), либо в небольших цитозольных участках (16,9% всех ядер) (рис. 2 A ). Smoc2 в основном локализовался эндоневрально со сходной агрегированной морфологией (50.9% всех ядер) (рис.2 A ). Частичное эпиневральное окрашивание Smoc2 (фиг. 2 A ) не было воспроизведено при расчете стоимости (фиг. 2 B ) и, таким образом, вероятно, неспецифично. Клетки, экспрессирующие любой из двух маркеров, оказались морфологически отличными от mySC, а также не экспрессировали Mbp (фиг. 2 A и C ).
Рис. 2.Локализация и клонирование маркерных генов в ПНС. ( A ) Криосрезы фиксированных параформальдегидом (PFA) седалищных нервов наивных взрослых мышей C57BL / 6 окрашивали на Mbp с использованием РНК ISH.Соответствующие окрашивания ISH Apod , Smoc2 и Sfrp4 показаны с обзорными ( слева, ) и увеличенными ( справа, ) изображениями для каждого окрашивания. Mbp и Apod были обнаружены с помощью набора ViewRNA ISH Tissue Assay Kit (1-plex) (Thermo Fisher). Smoc2 и Sfrp4 были обнаружены с помощью набора реагентов для обнаружения BaseScope-RED (ACDbiotech). ( B ) Свежезамороженные срезы седалищных нервов наивных взрослых мышей C57BL / 6 окрашивали на Apod , Smoc2 вместе с маркерами клеток Шванна Ngfr , S100b и Sox10 с помощью мультиплексного представления. Набор для клеточного анализа. SI Приложение , рис. S1 – S3 показывают дополнительные соответствующие окрашивания. Нервы мышей Gfap GFP были оценены для Apod и Smoc2 с ISH. ( C ) Фиксированные PFA залитые парафином седалищные нервы наивных взрослых мышей C57BL / 6 окрашивали на Smoc2 с помощью набора реагентов для обнаружения BaseScope-RED вместе с антителом против Mbp. ( D ) Разделы, как в B , были рассчитаны для Sfrp4 и Pi16 и для Sfrp4 с Sox10 , чтобы показать отсутствие промежуточного звена.Нервы мышей-репортеров PDGFRα GFP оценивали для Pi16 с помощью набора для анализа мультиплексных клеток ViewRNA. SI Приложение , рис. S4 – S6 показывают другие соответствующие окрашивания. ( E ) Срезы, как в C , окрашивали на Sfrp4 с помощью набора реагентов для обнаружения BaseScope-RED вместе с антителом против Mbp. Белой пунктирной линией показана граница эпиневрия седалищного нерва. Ядра окрашивали DAPI. (Масштабные линейки: 50 мкм, слева, ; 20 мкм, , справа, ; и 10 мкм, увеличение.Обратите внимание, что каждая точка представляет собой одну молекулу РНК. Стрелки указывают стоимость всех маркеров, звездочки указывают стоимость идентифицированного маркера с известным маркером происхождения, а стрелки указывают индивидуальное окрашивание.
Далее мы стремились установить идентичность происхождения кластера nmSC. Поэтому мы оценили маркеры кластера nmSC ( Apod и Smoc2 ) с тремя известными маркерами линии SC ( Ngfr , S100b и Sox10 ) (рис.2 B и SI Приложение , рис. S4 – S6). Как и ожидалось для мРНК (фиг.1 C и D ), только часть Apod + и Apod + Smoc2 + клеток имела положительную окраску для Ngfr (36,1 ± 9,5%), S100b (57,6 ± 8,5%) или Sox10 (53,9 ± 5,4%) (Рис.2 B и SI Приложение , Рис. S3 D ). Мы также использовали репортерную линию мышей для идентификации маркера глиальных клеток Gfap на уровне белка ( Methods ).И Apod , и Smoc2 были связаны с четырьмя вышеупомянутыми маркерами происхождения (Рис. 2 B и SI Приложение , Рис. S4 – S6), но не с маркером mySC Mbp (Рис. 2 C ) , а также не с фибромаркерами Vim ( SI приложение , рис. S7 A ) и Pdgfra ( SI приложение , рис. S7 B ). Это подтверждает идею о том, что клетки, экспрессирующие Apod / Smoc2 , на самом деле представляют собой нмСК.
Подтверждение происхождения и экспрессии маркеров фибробластов.
Далее мы стремились подтвердить и локализовать выбранные маркерные гены фиброкластеров (рис. 1 E ). РНК ISH Sfrp4 показала экспрессию в некоторых крупных эпиневриальных клетках с пятнистым рисунком цитозольного окрашивания (фиг. 2 A ). Кроме того, Sfrp4 экспрессировался небольшими эндоневриальными клетками (5,7% всех ядер). Это подтверждает идею о том, что фиброзный кластер представляет собой эндо- и эпиневриальные фибробласты.
Затем мы сначала провели определение стоимости маркеров фиброкластера Sfrp4 и Pi16 и обнаружили, что оба транскрипта совместно локализовались в отдельные клетки (рис.2 D и SI Приложение , Рис. S7 C ). Чтобы проверить принадлежность клонов фиброкластера, мы объединили окрашивание Pi16 и Sfrp4 с репортерной мышью ( методы ) и обнаружили совместную локализацию Pi16 и Sfrp4 с зеленым флуоресцентным белком (GFP), управляемым Pdgfra. epineurium (рис.2 D и SI Приложение , рис. S8 A и B ). Напротив, транскрипт Sfrp4 не соответствовал ни Sox10 , ни Мбит / с (рис.2 D и E ). Это подтверждает идею о том, что фиброкластер действительно представляет собой нервно-ассоциированные фибробласты и отличается от nmSCs и mySCs.
Лейкоциты PNS — это особые и уникальные гомеостатические макрофаги.
Обилие (15%) резидентных лейкоцитов ПНС у здоровых мышей было неожиданным, и поэтому мы охарактеризовали их более подробно. Кластеры лейкоцитов, разделенные на кластеры клонов T / NK-клеток (TC), B-клеток (BC), макрофагов (MP) и миелоидных клеток (MC) (рис.3 А ). Кластер TC ( Cd3e и Cd3d ) экспрессировал маркеры как вспомогательных Т-клеток ( Il7r ), так и цитотоксических ( Cd8a и Cd8b1 ) подгрупп (фиг. 3 B ). Подмножества Т-клеток и естественные клетки-киллеры (NK) ( Klrd1 , Klrg1 и Nkg7 ) не разделялись на подкластеры из-за их низкого общего числа клеток (рис. 3 B ). Кластер BC ( Cd79a и Ms4a1 / Cd20) экспрессировал маркеры наивных, неклассифицированных В-клеток ( Ighd , отрицательный для: Xbp1 , Sdc1 / Cd138) и гены, связанные с презентацией антигена (e .g., h3-Aa ) (рис.3 B ). Проточная цитометрия подтвердила этот общий состав лейкоцитов в ПНС мыши и указала на присутствие клеток миелоидного клона с различными уровнями экспрессии MHC класса II (два пика на фиг. 3 C ). Это согласуется с двумя разными тканевыми резидентными популяциями макрофагов, которые различаются на основе их экспрессии MHC класса II (37).
Рис. 3.Состав и фенотип лейкоцитов ПНС уникальны и содержат определенные популяции макрофагов.( A ) Области скрытого пространства кластеров клеток, идентифицированных как гематопоэтические клетки на фиг. 1, изображены на графике UMAP с большим увеличением. Отображается доля подмножеств лейкоцитов. ( B ) Изображены характерные участки маркеров ключевой подгруппы лейкоцитов. Вставки показывают большее увеличение меньших интересующих групп. Adgre1 кодирует F4 / 80. Интенсивность красного цвета указывает на уровень экспрессии. ( C ) Периферические нервные клетки очищали от двух самок мышей C57BL / 6, объединяли и анализировали проточной цитометрией после окрашивания на маркеры лейкоцитов.Указана стратегия стробирования. Количественно определяли долю жизнеспособных CD45 + CD11b + F4 / 80 + макрофагов, экспрессирующих MHC класса II. Показан один представитель из трех независимых экспериментов. ( D ) Фиксированные параформальдегидом криосрезы седалищных нервов наивных взрослых самок мышей C57BL / 6 окрашивали на Pf4 с использованием РНК ISH. Ткань окрашивали с помощью набора для анализа тканей 1-plex ViewRNA ISH Tissue Assay Kit (Thermo Fisher). (Масштаб: 50 мкм, слева, и 10 мкм, справа, .( E ) Периферические нервные клетки, очищенные от n = 10 самок крыс Lewis, обогащали лейкоцитами с помощью градиентного центрифугирования ( Methods ) и обрабатывали scRNA-seq. Полученные в результате 12500 транскриптомов крысиного sc были сгруппированы, и показан соответствующий график UMAP. Кластеры негематопоэтических клеток ( Ptprc / CD45 отрицательные) окрашены в серый цвет для уменьшения. ( F ) Графики признаков, показывающие выбранные маркеры лейкоцитов в латентном пространстве, как в E .Интенсивность красного цвета указывает на уровень экспрессии. ( G ) Точечная диаграмма выбранных маркерных генов кластеров лейкоцитов. Средний уровень экспрессии на кластер обозначен цветом, а размер круга представляет процент клеток, экспрессирующих ген. Пороговое значение было установлено как минимум 10% клеток в кластере, экспрессирующих ген. ( H ) Седалищные нервы мышей-репортеров CX3CR1-GFP обрабатывали, как в D , и окрашивали на Cxcl4, Cd68 и DAPI с использованием IHC. (Масштаб: 50 мкм, слева, и 20 мкм, увеличение.) SI Приложение , рис. S11 показывает дополнительные соответствующие окрашивания. ( I ) Срезы, как в D , окрашивали на F4 / 80 и Cd169 ( верхний ) или SIGNR1 и Cd11b ( низ ) с использованием IHC. (Масштабные линейки: 50 мкм, , слева, и 20 мкм, увеличение.) Стрелки указывают расположение всех маркеров, звездочка указывает расположение интересующего маркера с известным миелоидным маркером, а стрелки указывают индивидуальное окрашивание.
Затем мы проверили, могут ли наши выводы быть подтверждены на людях.Поэтому мы окрашивали биопсии икроножного нерва пациентов без признаков патологии ПНС ( SI Приложение , рис. S9 A ). SOX10 ( SI Приложение , рис. S9 B ) и белок MBP ( SI Приложение , рис. S9 C ) служили маркерами SC и mySC, соответственно, в то время как CD34 и ACTA2 являются установленными маркерами для фибробластов и vSMC / ПК (приложение SI , рис. S9, D и E ). Окрашивание на CD45 использовалось, чтобы показать наличие лейкоцитов ( SI Приложение , рис.S9 F ), в то время как CD68, специфически окрашенный на макрофаги ( SI Приложение , рис. S9 G ) и CD4 / CD8 для подмножеств Т-клеток ( SI Приложение , рис. S9 H и I ) . Эндоневральные Т-клетки и макрофаги были редкими, но четко идентифицируемыми, что соответствовало результатам на наивных мышах. Нам не удалось обнаружить БК в здоровой ПНС человека. Общий состав эндоневральных лейкоцитов, таким образом, сохраняется в человеческом PNS.
Далее мы стремились лучше понять потенциальную гетерогенность клеток миелоидного клона в мышиной ПНС.В наших данных по транскрипции мы идентифицировали два миелоидных кластера ( Lyz1 и Lyz2 ), которые мы назвали MC и MP (рис. 3 A ). Кластер MC экспрессировал маркеры неклассических моноцитов ( Fcgr3 / CD16) и гены, связанные с долгоживущей микроглией ЦНС ( Cx3cr1 ) (38), активацией ( Csf1r ), фагоцитозом ( Cd300a ) и распознаванием паттернов. ( Clec4e ) ( SI, приложение , таблица S2).
Кластер MP ( Adgre1 / F4 / 80) экспрессировал маркеры классических моноцитов ( Cd14 ), резидентных макрофагов нервной системы ( Aif1 / Iba1) и уникальных хемокинов (например,g., Ccl6 , Ccl9 и Ccl4 ) ( SI Приложение , Таблица S2). Кроме того, кластер MP экспрессировал Pf4 / Cxcl4 (фиг. 3 B ), ранее описанный в мегакариоцитах крови (9) и некоторых тканевых макрофагах (39). Лейкоциты ПНС не напоминали мегакариоциты в цитоспинах ( SI, приложение , фиг. S10, A ) и не экспрессировали маркеры мегакариоцитов с помощью проточной цитометрии ( SI, приложение , фиг. S10 B ).Вместо этого мы обнаружили, что редкие мелкие эндоневральные клетки экспрессировали Pf4 посредством ISH (фиг. 3 D ). Cx3cr1 и Pf4 / Cxcl4, таким образом, идентифицируют два различных подмножества нервно-ассоциированных миелоидных клеток, но не мегакариоцитов.
Обогащение лейкоцитов подтверждает наличие двух разных популяций макрофагов, ассоциированных с нервами.
Низкое количество клеток не позволяет более детально изучить нервно-ассоциированные лейкоциты. Поэтому мы использовали обогащение лейкоцитов и крыс в качестве животных-доноров ( Methods ) перед тем, как подвергнуть клетки scRNA-seq.Таким образом, мы получили 12500 транскриптомов единичных клеток из ПНС крысы ( SI Приложение , таблица S1), из которых 35,3% экспрессировали гематопоэтические маркеры ( Ptprc / Cd45) (фиг. 3 E ). Идентификация типа клеток снова была основана на экспрессии маркерного гена ( SI, приложение , таблица S8). Набор данных содержал остаточные нелейкоцитарные клетки, которые мы удалили из дальнейшего анализа (окрашены в серый цвет на рис. 3 E ). Транскриптомы лейкоцитов разделены на TC ( Cd3e и Cd2 ), BC ( Cd79a и Ighm ) и небольшой кластер тучных клеток ( Cma1 и Mcpt8 ) (рис.3 F и G ). Обильные клетки миелоидного клона ( Lyz2 ) разделились на два очевидных кластера (фиг. 3 F и G ). Один кластер (MP) выражал черты классических моноцитов ( Cd14 и Ms4a7 ), тканевых макрофагов, включая маркеры, которые мы идентифицировали у мышей ( Pf4 / Cxcl4 и Adgre1 / F4 / 80), компоненты комплемента (например, , C1qb ) и специфические хемокины ( Ccl4 , Ccl3 и Cxcl2 ) ( SI Приложение , рис.S10 C ). Второй кластер (MC) экспрессировал высокие уровни антиген-презентирующих молекул (например, RT1-Bb ) и альтернативных транспортных молекул ( Ccl17 , Ccl6 и Alcam ) ( SI Приложение , рис. S10 С ). Экспрессия Cx3cr1 была едва детектируемой ( SI Приложение , фиг. S10 C ). Это еще раз подтверждает, что ПНС населена двумя подмножествами нервно-ассоциированных гомеостатических миелоидных клеток.
Состав, происхождение и фенотип нервно-ассоциированных миелоидных клеток уникальны.
Затем мы изучали нервно-ассоциированные миелоидные клетки с использованием ИГХ и репортерных мышей. Один кластер миелоидных клонов (названный MC) экспрессировал Cx3cr1 у мышей. Для подтверждения этой популяции мы использовали репортерных мышей CX3CR1-GFP. Мы обнаружили, что GFP, управляемый Cx3cr1, экспрессируется частью эндоневральных мононуклеарных клеток (фиг. 3 H и SI, приложение , фиг. S11). Эта популяция коэкспрессировала Cd68, в то время как он не соответствовал Cxcl4 (кодируется Pf4 ) по IHC.Это указывает на то, что один из двух различных подмножеств ассоциированных с нервом макрофагов может быть идентифицирован по Cx3cr1 и отсутствию Cxcl4 (Fig. 3 H и SI Appendix , Fig. S11).
Напротив, мы обнаружили, что другая популяция эндоневральных клеток коэкспрессирует белок Cxcl4 (кодируемый Pf4 ; кластер MP) и миелоидный маркер Cd68 (рис. 3 H и SI, приложение , рис. S11). Cxcl4-положительные клетки располагались в непосредственной близости от макрофагов F4 / 80 + и Cd169 + , но не коэкспрессировали эти маркеры (рис.3 I , Верх ). Когда мы окрашивали более специфические маркеры, мы обнаружили, что клетки, экспрессирующие Cxcl4, были положительными по Cd11b и SIGNR1; оба были связаны с распознаванием патогенов и фагоцитозом в макрофагах (40) (Рис. 3 I , Bottom ). Это предполагает, что кластер MP, экспрессирующий Cxcl4, представляет собой фагоцитирующие макрофаги, ассоциированные с нервом. Примечательно, что макрофаги, экспрессирующие Cxcl4, были недавно идентифицированы в связанных с ЦНС пограничных компартментах здоровых мышей (41).Таким образом, мы идентифицировали транскрипционный профиль двух субнаборов нервно-ассоциированных миелоидных клеток, характеризующихся экспрессией Cx3cr1 (MC-кластер) и Pf4, / Cxcl4 (MP-кластер), соответственно.
Затем мы сначала обратились к онтогенетическому происхождению нервно-ассоциированных миелоидных клеток. У мыши-переключателя-репортера, управляемой Flt3Cre, клетки, происходящие из гематопоэза желточного мешка (например, микроглии), экспрессируют tdTomato (tdT), в то время как гематопоэтические клоны, происходящие из печени и костного мозга плода, экспрессируют GFP (42) ( SI Приложение , рис.S12 A ). Как и ожидалось, миелоидные клетки в головном мозге были в основном tdT + (89,75%; т. Е. Микроглия, полученная из желточного мешка), а в других органах -> 80% GFP + (костный мозг 87,1% и селезенка 81,9%; SI. Приложение , рис. S12 B ). Напротив, ПНС содержала ~ 35% миелоидных клеток tdT + (36,75%; SI Приложение , рис. S12 C и D ), что указывает на частично поздние эмбриональные или костномозговые гемопоэтические стволовые клетки (HSC) — производное происхождение и поддерживая гетерогенность миелоидных клеток ПНС.
Аутоиммунитет вызывает специфические композиционные и фенотипические изменения в клетках ПНС.
Далее мы стремились понять, как аутоиммунитет влияет на состав и фенотип клеток ПНС. Поэтому мы извлекли нервные клетки из мышиной модели спонтанного хронического периферического неврита (43). Таким образом, мы сгенерировали транскриптомы одиночных клеток из клеток ПНС молодых и клинически здоровых мышей ICAM-1 — / — мышей без ожирения (NOD) (5250 клеток, n = 12 самок мышей), у которых гистологически не выявлено воспаление ПНС ( SI Приложение , рис.S13 A ) и контрольных мышей с предиабетом NOD (5400 клеток, n = 24 самки мышей). Хотя кластеризация по типу клеток четко повторно идентифицировала кластеры клеток ПНС, которые мы идентифицировали у здоровых мышей (Рис. увеличенные кластеры лейкоцитов, в то время как паренхимные клетки и клетки миелоидного клона (кластеры MC / MP) были недостаточно представлены по сравнению с контрольными мышами NOD (рис.4 A и B ). Из-за их недопредставленности транскрипционно похожие кластеры vSMC / PC и MC / MP больше не разделялись на отдельные кластеры, в то время как плазмацитоидные дендритные клетки (pDC) были идентифицированы в обоих генотипах (рис. 4 A и B ), что привело к Всего 11 кластеров ячеек. Присутствие pDC не было обнаружено в других наборах данных и, таким образом, может быть специфичным для генетического фона NOD.
Рис. 4.Неврит вызывает приток лимфоцитов и частично общий модуль аутоиммунитета в миелинизирующих шванновских клетках.( A ) Периферические нервные клетки были очищены от самок контрольных мышей NOD с предиабетом ( слева , n, = 24 мыши, две биологические копии) и ICAM-1 — / — мышей NOD ( справа , n = 12 мышей, одна биологическая повторность) и обработаны scRNA-seq. Полученные в результате контрольные транскриптомы NOD ( n = 5400) и ICAM-1 — / — NOD ( n = 5250) sc были сгруппированы и показаны на графиках UMAP. ( B ) Процент ячеек в каждом кластере в контрольных выборках NOD и ICAM-1 — / — NOD изображен на точечной диаграмме с размером круга, представляющим долю ячеек в каждом кластере.( C ) Периферические нервные клетки были очищены от бессимптомных самок мышей ICAM-1 — / — NOD ( n = 5) и охарактеризованы с помощью проточной цитометрии. Количественно определяли соотношение CD8 + цитотоксических Т-клеток ( вверху справа, ) и NK1.1 + / NCR1 + NK-клеток ( вверху, посередине ). B220 + B-клетки ( нижний средний левый ), B220 + Ly6C + Ccr9 + CD137 + плазмоцитоидные дендритные клетки ( нижний средний правый угол ) и CD11b + F + CD14 — макрофагов ( нижний крайний правый угол ) были определены количественно.Показан один из двух независимых экспериментов. ( D — F ) Графики вулкана, изображающие гены DE между ICAM-1 — / — NOD по сравнению с контрольными образцами NOD в эндотелиальных клетках (EC1) ( D ), нмСК ( E ) и mySC ( F ). На графике нанесены только гены DE со средним (средним) логарифмическим изменением (FC)> ± 0,25. Гены со средним логарифмическим коэффициентом FC выше ± 0,5 и значениями P <0,001 отмечены красным, и указаны названия генов. Оси y представляют собой отрицательный логарифм 10 скорректированного значения P .( G ) Диаграмма Венна, показывающая гены DE в ICAM-1 — / — NOD по сравнению с мышами NOD в mySC по сравнению с генами DE в олигодендроцитах (олиго) в EAE по сравнению с контрольными образцами в доступном наборе данных (48). EC1: кластер 1 эндотелиальных клеток, EC2: кластер 2 эндотелиальных клеток, TC (CD4): T-хелперные клетки CD4, TC (CD8): цитотоксические T-клетки CD8 и естественные клетки-киллеры, NS: не значимо, P: скорректированное значение P , pct: выраженный процент.
Расширенные кластеры были в основном CD4-экспрессирующими Т-клетками с фенотипом памяти, который ранее был описан для резидентных ТК памяти (CD4; Vps37b , Cxcr6 , Tnfaip3 и Rora ) (44) и БК с активированным фенотипом ( h3-DMb2 / MHC class II, Ms4a1 / Cd20, Cd83 и Cd74 ).Кроме того, нервы ICAM-1 — / — NOD содержали расширенные кластеры цитотоксических ТС CD8 (CD8; Cd8a , Klrc1 и Nkg7 ) и pDC ( Flt3 и Siglech ). SI Приложение , Рис. S13 B и Таблица S9). Клетки миелоидной линии ( Adgre1 / F4 / 80 и Pf4 / Cxcl4) численно не увеличивались, но демонстрировали более активированный фенотип с повышенной экспрессией Cx3cr1 и костимулирующими молекулами, такими как Cd86 (кластер MC) ( SI Приложение , рис.S13 B и Таблица S9). Мы подтвердили этот уникальный фенотип клеток, инфильтрирующих ПНС, включая присутствие pDC с помощью проточной цитометрии (рис. 4 C ). Аутоиммунитет ПНС в ICAM-1 — / — NOD, таким образом, вызывает локальное накопление определенных популяций лейкоцитов, включая память, цитотоксические Т-клетки и pDC, в то время как гомеостатические макрофаги, связанные с нервом, представлены недостаточно.
Далее мы стремились построить комплексное представление о том, как неиммунные типы клеток реагируют на разрушение аутоиммунной ткани.Сначала мы сосредоточились на сосудистых клетках и идентифицировали набор дифференциально экспрессируемых (DE) генов в эндотелиальных клетках сосудов в ICAM-1 — / — NOD по сравнению с контрольными клетками NOD (Рис.4 D и SI Приложение , таблица S10). Гены DE характеризовались индукцией хемокина ( Ccl5 ), антигенпрезентирующих молекул ( B2m и h3-D1 ) и признаками клеточного стресса ( mt-Co2 ) ( SI Приложение , Таблица S10). Специфический для неврита транскриптом в НМСК (рис.4 кластера E и SI, приложение , таблица S11) и mySC (рис. h3-D1 и B2m ) и субъединицы иммунопротеасомы ( Psmb8, и Psmb10 ) в соответствии с известной условной антигенпрезентирующей функцией шванновских клеток (45) (приложение SI , рис. S13 C ). Как nmSC, так и mySC также подавляли некоторые из своих кластер-определяющих транскриптов, включая коллаген ( Col1a1 ) (рис.4 E ) и миелиновые белки ( Pmp22 и Mpz ) (рис. 4 F ) соответственно. Напротив, mySC от мышей ICAM-1 — / — NOD активировали Sostdc1 и Zeb2 ( SI Приложение , таблица S12) — два транскрипта, ранее идентифицированные для корегуляции посттравматической дифференцировки шванновских клеток и регенерации нервов (46 , 47). Таким образом, аутоиммунитет вызывает индукцию связанных с иммунитетом транскриптов, потерю структурных компонентов паренхимы и признаки дедифференцировки клеток в ПНС.
Затем мы проанализировали, была ли реакция ткани ПНС на аутоиммунитет аналогичной или отличной от реакции ЦНС. Поэтому мы сравнили гены DE в кластере mySC в условиях неврита с генами DE в олигодендроцитах (олигонуклеотиды; миелинизирующая глия ЦНС) в экспериментальной животной модели аутоиммунного энцефаломиелита (EAE) рассеянного склероза (MS) человека (48). Используя аналогичный порог значимости ( Methods ), мы обнаружили, что 32 (15,4%) из 208 генов DE в mySC также были DE в олигонуклеотидах при EAE (рис.4 G и SI Приложение , Таблица S13). Примечательно, что 30 (94%) из этих 32 генов были каноническими генами IFN-ответа ( SI Приложение , рис. S14). Таким образом, транскрипционный ответ миелинизирующей глии на аутоиммунитет частично сохраняется между олигонуклеотидами и mySC и имитирует IFN-зависимый противовирусный ответ.
Аутоиммунитет разнообразит межклеточную коммуникацию в периферическом нерве.
Далее мы стремились идентифицировать механизмы, управляющие межклеточной связью в PNS.Поэтому мы систематически предсказывали межклеточную передачу сигналов, адаптируя недавно описанный человеческий инструмент (49) для данных мыши ( Methods ). В этих предсказанных сетях типы клеток определены как узлы (кружки), а пары лиганд-рецептор, предсказанные на основе данных экспрессии, определены как направленные края (стрелки) ( SI Приложение , рис. S15, A и C ). Сеть здоровых нервов NOD показала высокую связанность кластеров лейкоцитов (MC, BC, pDC), а также кластеров фибро- и nmSC ( SI Приложение , рис.S15 A и B ), о чем свидетельствует большое количество ребер ( SI, приложение , таблица S14). Множественные взаимодействия были направлены от EC1 к кластерам фибро- и nmSC ( SI Приложение , фиг. S15 A и B ). Меньшее количество краев происходит из кластера mySC, что указывает на низкую межклеточную связность mySC в неповрежденном периферическом нерве.
Мы также применили сетевой анализ к невриту и, как и ожидалось, обнаружили, что кластеры лейкоцитов увеличились в размере, а общее количество межклеточных взаимодействий увеличилось в нервах ICAM-1 — / — NOD (количество краев в SI Приложение , Инжир.S15 C и D и Таблица S14). Удивительно, но «промежуточная центральность» как мера степени контроля, который один узел оказывает над взаимодействиями других узлов (49), не увеличилась для большинства кластеров лейкоцитов (MC, pDC, BC), а вместо этого изменилась для фиброзных и Кластеры vSMC / PC (приложение SI, приложение , таблица S14). Это указывает на то, что кластеры fibro и vSMC / PC получают больший контроль над локальным межклеточным взаимодействием при аутоиммунитете. Таким образом, сравнительный сетевой анализ может помочь определить приоритетность сигнальных путей-кандидатов при заболевании.
Обсуждение
В этом исследовании мы создали объективную карту клеточного состава и транскрипционного фенотипа клеток PNS в состоянии здоровья и аутоиммунитета. Мы идентифицировали и подтвердили маркеры немиелинизирующих СК и нервно-ассоциированных фибробластов. Такие специфичные для клеточного типа маркеры, вероятно, будут способствовать лучшей характеристике этих типов клеток. Мы также обнаружили неожиданно разнообразный и уникальный репертуар лейкоцитов в ПНС с двумя подмножествами нервно-ассоциированных гомеостатических миелоидных клеток, идентифицированных с помощью определенных наборов генов.А хронический аутоиммунный неврит вызвал увеличение лимфоцитов, что изменило локальные сигнальные цепи клеток. Примечательно, что ответ транскрипционной ткани на аутоиммунитет частично разделялся между глиальными клетками периферической и центральной нервной системы и напоминал ответ IFN. Это свидетельствует о некоторой степени стереотипности реакции глиальных клеток на аутоиммунитет.
Мы использовали специальный протокол экстракции, который был сбалансирован для оптимальной жизнеспособности клеток при максимальном выходе и позволяет идентифицировать все ожидаемые типы клеток PNS.Этот подход полезен для скрининга подмножеств клеток ПНС, но не позволяет количественно оценить абсолютное и относительное количество клеток в ПНС, как наблюдалось ранее (6) в отличие от морфологических подходов (7). Например, СК, вероятно, труднее извлечь, чем лейкоциты, и поэтому они представлены недостаточно.
Мы обнаружили значительные различия в транскрипции между mySC и nmSC. Хотя nmSC четко экспрессировали маркеры клонов SC с помощью транскриптомики, ISH и IHC (рис.1 D и 2 B и C ), этот кластер экспрессировал несколько транскриптов (например, Ccl11 ), включая специфический фактор транскрипции ( Osr2 ), который ранее не был связан с клетками глии ПНС. Интересно, что мы также идентифицировали ряд генов, которые ранее были связаны с миелинизацией, но показали самую высокую экспрессию в нмСК, а не в mySC (например, Tcf4 , Spry2 и Ebf1 ). Эти транскрипты в нмСК могут косвенно влиять на миелинизацию в mySC.В целом, наши данные свидетельствуют о том, что ранее нмСК недооценивались в ПНС как численно, так и функционально. По сравнению с недавним исследованием поврежденного периферического нерва (6) мы профилируем в четыре раза большее количество клеток, проверяем маркерные гены и сосредотачиваемся на нервно-ассоциированных лейкоцитах.
В частности, мы идентифицируем два различных подмножества нервно-ассоциированных миелоидных клеток, в то время как лимфоциты увеличиваются при аутоиммунном неврите (рис. 4). Макрофаги, ассоциированные с нервом, были хорошо задокументированы (например,г., исх. 50) и может способствовать потере миелина при некоторых генетически обусловленных и возрастных невропатиях (51, 52). Однако их точный фенотип и функция в ПНС неизвестны (53). Они частично пополняются из крови в течение месяцев, а частично являются долгоживущими и резидентными в тканях (54) и размножаются локально в ответ на различные типы повреждений (55–57). Эндоневральные макрофаги изучались при травматическом повреждении нерва (58), и их рекрутирование в ПНС происходит рано после перерезки нерва у немлекопитающих (59).Мы предполагаем, что эндоневральные макрофаги, экспрессирующие Pf4 , по сравнению с макрофагами, экспрессирующими Cx3cr1 , составляют ПНС-резидентные клетки миелоидной линии разного происхождения и онтогенетического происхождения.
За исключением Aif1 / Iba1, мы не обнаружили каких-либо недавно установленных маркеров микроглии (например, P2ry12 , Tmem119 , Sparc и Olfm3 ) (41, 60) в макрофагах, полученных из PNS. ( SI Приложение , Рис. S12 D и Таблица S2).Следовательно, связанные с нервами макрофаги, вероятно, транскрипционно отличны от микроглии. В отличие от известного происхождения микроглии из желточного мешка, связанные с нервами макрофаги также, по-видимому, имеют смешанное происхождение с гематопоэтическими предшественниками костного мозга, которые частично вносят вклад в эту популяцию. В заключение, наше исследование открывает различные возможности для лучшего понимания PNS.
Методы
Животные.
C57BL / 6J, Icam1 tm1Jcgr1 NOD (для простоты назван ICAM-1 — / — NOD), NOD / ShiLtJ, CX3CR1-GFP, hGFAP-GFPT, PDGFRɑ-EGGFP, PDGFRɑ-EGGFP и использовали мышей и крыс Lewis.У мышей не было признаков нейропатии (ICAM-1 — / — NOD) или диабета (NOD / ShiLtJ).
Извлечение и очистка клеток.
Седалищные нервы и плечевое нервное сплетение отделяли от животных, перфузированных внутрисердечным фосфатным буфером (PBS), и мелко нарезали. Ферментативное расщепление было оптимизировано ( SI Приложение , SI Материалы и методы ) и адаптировано из предыдущего исследования (61). Миелин истощали с помощью антимиелиновых шариков (Miltenyi Biotec).Затем отдельные клетки были отсортированы (BD FACSAria III) на интактные жизнеспособные клетки с использованием трех маркеров жизнеспособности: Zombi NIR APC Cy7, Calcein-AM FITC и DAPI (Biolegend) ( SI, приложение , рис. S1).
Секвенирование и анализ РНК одиночных клеток.
Секвенирование РНК одной клетки выполняли с использованием набора Chromium Single Cell 3 ‘с химией v2 (10 × Genomics) в соответствии с инструкциями производителя. Секвенирование выполнялось либо на местном Illumina Nextseq500 (High-Out 75 Cycle Kit) с установкой чтения 26-8-0-57, либо коммерчески на NovaSeq6000 (300 Cycle Kit) с парной установкой чтения конца 150.Подробная информация представлена в приложении SI , таблица S1.
Обработка необработанных данных секвенирования выполнялась с помощью конвейера cellranger v3.0.2. Последующие этапы анализа были выполнены с R-package Seurat v3.0.0 (62) с использованием R v3.6.0 в соответствии с рекомендациями. Данные уникального молекулярного идентификатора (UMI) были нормализованы с использованием подхода с регуляризованной отрицательной биномиальной регрессией (63). Снижение размерности было выполнено с помощью аппроксимации и проекции единого многообразия (UMAP) с параметрами по умолчанию.Гены DE были идентифицированы с помощью функции «FindMarkers» в Сёра. Порог был установлен на 0,25 среднего логарифмического изменения и с использованием критерия суммы рангов Вилкоксона, если не указано иное. Чтобы аннотировать кластеры, гены, дифференциально экспрессируемые при сравнении одного кластера со всеми, были запрошены на предмет известной экспрессии в литературном поиске и нанесены на характерные графики.
DE генов были идентифицированы между ICAM-1 — / — NOD и условиями NOD после выравнивания с использованием Harmony (64). Взаимодействия между клетками были предсказаны с использованием CellPhoneDB (49) с нормализованными и отфильтрованными scRNA-seq и преобразованием ID мышиного ансамбля в человеческий с использованием biomaRt.Статистическая значимость клеточных взаимодействий рассчитывалась, как описано (49). Взаимодействия между кластерами были визуализированы на тепловой карте и сгруппированы с полной связью и измерением евклидова расстояния с использованием пакета R pheatmap . Визуализация сети выполнялась с помощью Cytoscape v.3.7.1 и GSEA с помощью инструмента Enrichr .
Сравнение с опубликованными наборами данных.
Мы сравнили гены DE в ICAM-1 — / — NOD и контрольных мышей NOD в определенных кластерах с опубликованным набором данных генов DE в EAE vs.контрольные мыши (48). Чтобы улучшить сопоставимость, гены DE в нашем наборе данных были идентифицированы с использованием MAST вместо критерия суммы рангов Вилкоксона с более низким средним логарифмическим изменением 0,095. Все гены DE с скорректированным значением P более 0,05 были удалены. Гены DE с максимальной активностью и подавлением в наборе данных Falcao (48) (экспрессия гена отсечения> | 4 |) сравнивали с нашими главными генами DE с использованием пакета VennDiagram ) ( SI Приложение , Таблица S13). Затем пересекающиеся гены анализировали с использованием базы данных «Интерфером».
Иммуногистохимия.
Фиксированные замороженные слайды использовались для гистологических методов. Слайды окрашивали Cd68, F4 / 80, Cxcl4, Cd169, Cd11b и SIGNR1. Использовали вторичные антитела, конъюгированные с Alexa Fluor (AF). Слайды помещали во Fluoromount G с DAPI (Invitrogen). Изображения были получены с использованием трех лазерных флуоресцентных микроскопов (микроскоп Biorevo BZ-900 с программным обеспечением BZII Viewer, Keyence) и обработаны в ImageJ.
Всего пять образцов от человека были отобраны из-за отсутствия патологических данных при биопсии икроножного нерва.Исследование получило этическое одобрение этического совета Университетской клиники Лейпцига, Германия. Окрашивание проводили на автоматическом иммуноокрашивателе Benchmark XT (Roche). Были использованы следующие антитела: CD45, CD68, CD8, CD4, CD34, SMA / ACTA2, SOX10 и MBP.
Гибридизация РНК in situ. ISH
РНК выполняли на фиксированных / свежезамороженных и залитых в парафин срезах седалищных нервов мышей C57BL / 6, перфузированных с помощью PBS, мышей hGFAP-GFP и мышей PDGFRɑ-EGFP. В соответствии с протоколом производителя использовали три различных набора ISH.Набор для анализа тканей ISH Thermo Fisher ViewRNA (1-plex) использовали для обнаружения Mm- Mbp , Mm- Apod , Mm- Smoc2 , Mm- Sfrp4 и Mm- Pf4 в виде отдельных красителей. . Набор Thermo Fisher ViewRNA Cell Assay Kit (мультиплексный) использовался в сочетании с первыми этапами ранее упомянутого набора для анализа тканей для обнаружения Mm- Apod , Mm- Smoc2 , Mm- Ngfr , Mm- S100b , Mm- Sox10 , Mm- Sfrp4 и Mm- Pi16 в различных одиночных и дополнительных настройках.Набор реагентов для обнаружения ACDbio BaseScope-RED (1-plex) использовали для обнаружения Mm- Smoc2 и Mm- Sfrp4 в костаине с антителами к Mbp. Все изображения были получены с помощью Axio Observer Z1 (Zeiss) и обработаны в AxioVision и ImageJ.
Проточная цитометрия лейкоцитов.
Анализ проточной цитометрии был выполнен на изолированных клетках PNS. Использовали следующий краситель жизнеспособности и мышиные антитела: Zombie NIR, CD45, CD11b, B220, CD3, CD4, CD8, NK1.1, NKG2AB6, NKp46, F4 / 80, CD14, Ly6C, CD317, CCR9, CD11c и MHCII.Образцы были измерены на Gallios (10 цветов, 3 лазера, Beckman Coulter) и проанализированы с помощью FlowJo_V10.
Нервная ткань | Безграничная анатомия и физиология
Характеристики нервной ткани
Нервная ткань — это главный компонент нервной системы, в которую входят головной, спинной мозг и нервы.
Цели обучения
Опишите характеристики нервной ткани
Основные выводы
Ключевые моменты
- Нервная ткань — это один из четырех основных классов тканей, из которых состоит центральная нервная система и периферическая нервная система.
- Интеграция и общение — две основные функции нервной ткани.
- Нервная ткань содержит две категории клеток — нейроны и нейроглию.
- Нейроны — это узкоспециализированные нервные клетки, которые генерируют и проводят нервные импульсы.
- Нейроглия — это поддерживающие клетки, которые обеспечивают занятия спортом, удаляют мусор и обеспечивают электрическую изоляцию.
Ключевые термины
- миелин : вещество, вырабатываемое клетками нейроглии, которое увеличивает скорость импульсов вдоль аксона нейронального волокна.
- нервная ткань : Основная составляющая центральной и периферической нервной системы, состоящая из нейронов и клеток нейроглии.
- мозг : Центр управления центральной нервной системой, расположенный в черепе.
Нервная ткань
Нервная ткань — один из четырех основных классов тканей. Это специализированная ткань, обнаруженная в центральной нервной системе и периферической нервной системе. Он состоит из нейронов и поддерживающих клеток, называемых нейроглией.
Нервная система отвечает за управление телом и связь между его частями. Нервная ткань содержит две категории клеток — нейроны и нейроглию.
Нейроны
Нейроны — это узкоспециализированные нервные клетки, которые генерируют и проводят нервные импульсы. Типичный нейрон состоит из дендритов, тела клетки и аксона.
Дендриты
Дендриты отвечают за раздражители; они получают входящие сигналы к телу клетки.Аксоны отвечают за передачу импульсов на большие расстояния от тела клетки. Тело клетки похоже на фабрику нейрона. Он производит все белки и содержит специализированные органеллы, такие как ядро, гранулы и тельца Ниссля.
Нейрон : Это изображение иллюстрирует части нейрона. Дендриты получают входящие сигналы, в то время как аксоны распространяют сигналы от тела нейронной клетки. Миелиновая оболочка окружает и изолирует аксон.
Дендрит
Аксон окружен белесым жировым слоем, который называется миелиновой оболочкой.За пределами миелиновой оболочки находится клеточный слой, называемый нейрилеммой.
Schwann Cells
В периферической нервной системе шванновские клетки представляют собой клетки нейроглии, которые поддерживают функцию нейронов, увеличивая скорость распространения импульсов. Клетки Шванна подстилаются костномозговой оболочкой. Медуллярная оболочка периодически прерывается узлами Ранвье.
Иллюстрация шванновских клеток и миелиновой оболочки : Просвечивающая электронная микрофотография миелинизированного аксона.Слой миелина (концентрический) окружает аксон нейрона, показывая шванновские клетки.
Типы нервной ткани
Нервная система состоит из нервной ткани, которая состоит из двух основных типов клеток, называемых нейроном и нейроглией.
Цели обучения
Опишите основные клетки, составляющие нервную ткань
Основные выводы
Ключевые моменты
- Нервная ткань состоит из нейронов и поддерживающих клеток, называемых нейроглией, или «глиальными клетками».”
- Существует шесть типов нейроглии. Четыре из них находятся в центральной нервной системе, а два — в периферической нервной системе.
- Четыре типа нейроглии, обнаруженные в центральной нервной системе, — это астроциты, микроглиальные клетки, эпендимные клетки и олигодендроциты.
- Два типа нейроглии, обнаруженные в периферической нервной системе, — это сателлитные клетки и шванновские клетки.
- Нейроны — это еще один другой тип клеток, составляющих нервную ткань.Нейроны имеют клеточные тела, дендриты и аксоны.
Ключевые термины
- нейрон : основной тип клеток нервной ткани.
- нейроглия : поддерживающие клетки нервной ткани.
Нервная ткань, один из четырех основных типов тканей, состоит из нейронов и поддерживающих клеток, называемых нейроглией. Нейроглию также называют «глиальными клетками».
Нейроглия
Существует шесть типов нейроглии — четыре в центральной нервной системе и два в ПНС.Эти глиальные клетки участвуют во многих специализированных функциях, помимо поддержки нейронов. Нейроглия в ЦНС включает астроциты, микроглиальные клетки, эпендимные клетки и олигодендроциты. В ПНС сателлитные клетки и шванновские клетки представляют собой два типа нейроглии.
Астроциты
Астроциты имеют форму звезды и являются наиболее многочисленными глиальными клетками ЦНС. У них есть множество излучающих отростков, которые помогают цепляться за нейроны и капилляры. Они поддерживают и скрепляют нейроны и прикрепляют их к линиям снабжения питательными веществами.Они также помогают управлять миграцией молодых нейронов. Астроциты контролируют химическую среду вокруг нейронов.
Клетки микроглии
Клетки микроглии мелкие, яйцевидные, неправильной формы с шипами. Они находятся в ЦНС. Когда присутствуют вторгшиеся микроорганизмы или мертвые нейроны, микроглиальные клетки могут трансформироваться в фагоцитарные макрофаги и помогать в очистке нейронного мусора.
Эпендимальные клетки
Эпендимные клетки покрыты ресничками и выстилают центральные полости головного и спинного мозга, где они образуют довольно проницаемый барьер между спинномозговой жидкостью, заполняющей эти полости, и тканевыми клетками ЦНС.
Олигодендроциты
Олигодендроциты выстраиваются вдоль нервов и образуют изолирующую оболочку, называемую миелиновой оболочкой. Они находятся в ЦНС.
Спутниковые соты
Клетки-сателлиты окружают тела нейронных клеток в периферической нервной системе (ПНС). Они аналогичны астроцитам в ЦНС.
Schwann Cells
Шванновские клетки окружают все нервные волокна в периферической нервной системе и образуют миелиновые оболочки вокруг нервных волокон.Они находятся в ПНС. Их функция аналогична олигодендроцитам.
Нейроны
Нейроны состоят из тела клетки и одного или нескольких тонких отростков. Тело нейрональной клетки состоит из ядра и грубого эндоплазматического ретикулума или тел Ниссля. Тело клетки является основным биосинтетическим центром нейрона и содержит обычные органеллы для синтеза белков и других химических веществ. Рукоподобные отростки простираются от тела клетки ко всем нейронам.
Два типа нейронных отростков называются дендритами и аксонами.Дендриты — это короткие двигательные нейроны с большой площадью поверхности для приема сигналов от других нейронов. Дендриты передают входящие сообщения к телу клетки и поэтому называются рецептивной входной областью.
Аксон возникает из конической части тела клетки, называемой бугорком аксона. Функционально аксон является проводящей областью нейрона и отвечает за генерацию и передачу импульсов, обычно вдали от тела клетки. Один аксон направляет нервный импульс от тела клетки к другому нейрону или эффекторному органу.У аксона может быть много терминальных ветвей, поэтому каждый раз, когда нерв срабатывает, он может стимулировать более одной клетки.
Мышечные волокна сокращаются под действием актина и миозина, проходящих мимо друг друга. Сигнал к началу сокращения исходит от мозга как части соматической нервной системы. На иллюстрации ниже схематично представлен процесс от поступления нервного сигнала к концевому пучку нервного аксона до сокращения мышечного волокна.Стимуляция мышечной деятельности связана с химическим нейромедиатором ацетилхолином. Когда нервный сигнал от соматической нервной системы достигает мышечной клетки, потенциалзависимые кальциевые ворота открываются, позволяя кальцию проникать в терминал аксона. Этот кальций заставляет мышей, содержащих ацетилхолин, сливаться с пресинаптической мембраной и высвобождать ацетилхолин в синапс, где он связывается рецепторами ацетилхолина на постсинаптической поверхности. Рецепторы ацетилхолина являются примерами ионных каналов, управляемых лигандами: после связывания молекулы ацетилхолина они открывают канал для ионов натрия и калия, чтобы проникнуть в клетку.В этом случае ацетилхолин является «лигандом», который открывает ворота для натрия. Когда открытие Na-каналов вызывает выброс натрия в клетку, который, если он достаточно сильный, заставляет близлежащие управляемые по напряжению Na-каналы открываться и создает потенциал действия. Этот потенциал действия присутствует не в нервной клетке, а в мышечной клетке. Структура мышечных волокон состоит из множества трубок, называемых Т-канальцами или поперечными канальцами. Когда потенциал действия распространяется по этим канальцам, он в конечном итоге запускает чувствительные к напряжению белки, которые связаны с кальциевыми каналами в структуре, называемой саркоплазматической сетью (Wiki), которая окружает нервные волокна.Эта окруженная мембраной структура имеет сходство с эндоплазматическим ретикулумом в других клетках. В состоянии покоя саркоплазматический ретикулум будет иметь резервный запас кальция, потому что в его стенках есть много кальциевых насосов, которые используют энергию АТФ для хранения кальция. Со стимулом потенциала действия кальций устремляется в клетку и взаимодействует с актином. С актином связаны тропониновый комплекс и цепь тропомиозина, которые блокируют связывание миозина. Поставляемые ионы кальция связываются с тропонином и оттягивают «охраняющую» цепь тропонина и тропомиозина от места, где миозин может связываться. Для связывания с актином миоцин должен иметь запас энергии, который он получает от АТФ. Поглотив энергию АТФ, единица миозинового волокна будет в напряженном или высокоэнергетическом состоянии, как растянутая пружина. Благодаря действию кальция, которое выводит тропонин и тропомиозин, структура миозина может связывать и использовать энергию, чтобы тянуть актиновое волокно, укорачивая или сокращая мышечное волокно. Хотя сокращение мышцы можно повторить, выполнив указанные выше действия, должен быть путь обратно в состояние покоя, поскольку вы не хотите, чтобы ваши мышцы находились в постоянно сокращенном состоянии.Предусмотрены механизмы возврата к отдыху. Первоначальный стимул двигательного нерва, который запустил процесс, находится под сознательным контролем, поэтому вы можете решить расслабить мышцу. Свободный ацетилхолин в синаптической щели удаляется другой молекулой, ацетилхолинэстеразой. Кальциевые насосы в саркоплазматическом ретикулуме работают, чтобы восстановить кальций, и после удаления кальция из рецепторов на мышцах тропонин и тропомиоцин «бодигоурд» возвращаются в свои позиции блокировки.Волокна миозина и актина возвращаются в расслабленное состояние. | Index Bioelectricty Tuzynski & Dixon Нейральная стимуляция, обучение просвету Frontera & Ochala Ацетилхолиновый рецептор, Britannica BioNinja |
Самовосстанавливающиеся нервные клетки
Регенерация нервных клеток включает восстановление или замену поврежденных нервных клеток. В то время как низшие организмы обладают обширной способностью к регенерации нервов, высшие организмы, включая человека, имеют ограниченную способность к регенерации нервных клеток.
Изображение предоставлено: Андрей Водолажский / Shutterstock.com
У человека аксоны периферической нервной системы (ПНС) способны к регенерации, тогда как аксоны центральной нервной системы (ЦНС) в настоящее время считаются неспособными к регенерации.
Эта неспособность ЦНС к регенерации создает серьезные проблемы для лечения травм и заболеваний нервной системы.
Почему аксоны ПНС регенерируют, а аксоны ЦНС не регенерируют?
У высших животных, таких как млекопитающие, аксоны ПНС регенерируют после повреждения периферических нервов спонтанно, тогда как аксоны ЦНС не регенерируются после повреждения.
Это различие в регенеративной способности объясняется различными типами глиальных клеток, присутствующими в этих двух системах: в ПНС шванновские клетки (SC) способствуют возобновлению роста аксонов, тогда как в ЦНС возобновление роста ингибируется олигодендроцитами и образованием глиальных клеток. шрамы.
Глиальные рубцы препятствуют регенерации нервов, что значительно приводит к потере функции. Различные молекулы, такие как трансформирующие факторы роста β-1 и β-2, интерлейкины и цитокины, высвобождаются, способствуя образованию глиальных рубцов.
Факторы, ответственные за регенерацию аксонов
Расчистка от завалов
В ПНС после повреждения периферического нерва дистальная часть аксона распадается из сомы в течение двух дней на мелкие фрагменты, образуя маленькие сферы белков, называемых сферами актина, которые разбивают их на более мелкие части.
Эти более мелкие фрагменты затем удаляются шванновскими клетками, а затем и макрофагами. Этот процесс позволяет быстро очищать аксоны и создает благоприятную среду для возобновления роста аксонов.В ПНС аксональный мусор эффективно очищается в течение 2-3 недель.
В ЦНС после травмы олигодендроциты либо умирают, либо остаются невосприимчивыми, они не разрушают поврежденные аксоны в центральной нервной системе. Они не экспрессируют рецептор 1 фактора роста эндотелия сосудов (VEGFR1), как клетки Шванна.
Однако генетическая модификация олигодендроцитов может быть использована для индукции экспрессии VEGFR1. Недавнее исследование показало, что олигодендроциты могут быть созданы для производства актиновых структур и дезинтеграции сломанных фрагментов аксонов, таких как шванновские клетки.
Повышение регуляции генов, связанных с регенерацией (RAG)
Повышенная регуляция генов, связанных с регенерацией (RAG), в нейронах ПНС наблюдалась после аксотомии. Показано, что некоторые из этих RAG играют важную роль в росте и регенерации нейритов.
К ним относятся c-Jun, активирующий фактор транскрипции-3 (ATF-3), ген 11, содержащий SRY-бокс (Sox11), белок с малым пролиновым повтором 1A (SPRR1A), протеин, связанный с ростом-43 (GAP-43) и КАП-23.
нейроны ЦНС не могут активировать гены, связанные с ростом; таким образом, даже в отсутствие ингибиторов они демонстрируют ограниченную способность к регенерации.
Разница во внеклеточном матриксе
Еще одно различие между ЦНС и ПНС — базальная пластинка. Клетки Шванна секретируют базальную пластинку, состоящую из ламинина, коллагена IV типа и протеогликанов сульфата гепарина (HSPG), вещества, необходимого для миелинизации.
Обилие базальной пластинки в ПНС и активация прорегенеративных молекул внеклеточного матрикса шванновскими клетками способствуют регенерации ПНС. Таким образом, взаимодействие интегрин-ламинин активирует ферменты киназы, запускает внутриклеточные сигнальные пути и способствует перестройке цитоскелета, ведущей к росту аксонов.
Напротив, олигодендроциты не секретируют базальную пластинку, и эти молекулы в основном отсутствуют в здоровой ЦНС, за исключением нескольких мест, таких как пиальная поверхность.
Однако некоторые данные свидетельствуют о том, что астроциты могут активировать стимулирующие рост компоненты внеклеточного матрикса, такие как фибронектин и ламинин, после травмы. Тем не менее, это затмевается повышением активности протеогликанов хондроитинсульфата, которое тормозит отрастание аксонов.
Наличие ингибиторов центральной нервной системы
В месте повреждения образуются реактивные астроциты, и происходит активация ингибирующих молекул.Эти ингибирующие молекулы подавляют рост нейритов и способствуют нарушению нейродегенерации в ЦНС.
Аксоны нервов покрыты миелином, а поврежденный миелин является ключом к регенерации аксона. Миелин вокруг аксона помогает нервным сигналам быстро проходить.
Изображение предоставлено: Хуан Гертнер / Shutterstock.com
Миелин необходим для функционирования всей нервной системы. Тем не менее, в случае повреждения это препятствует процессу восстановления из-за присутствия связанных интегринов миелина (MAI), компонента миелина ЦНС, экспрессируемого олигодендроцитами.
Использование специфических пептидов или антител, которые блокируют молекулы, ингибирующие миелин, и их рецепторы, может улучшить регенерацию аксонов и функциональное восстановление.
Хондроитинсульфат протеогликаны
Хондроитинсульфат протеогликаны (CSPG) ингибируют взаимодействия нейронального интегрина (компонента, способствующего росту) с ламинином. Молекула адгезии нейрональных клеток (N-CAM) облегчает ингибирующие эффекты химиопульсивного Sema5a, ограничивает доступность кальция для нервных молекул и напрямую взаимодействует с функциональными рецепторами CSPG на поверхности нейронов.
Ученые продемонстрировали, что регенерацию можно стимулировать либо путем усиления стимуляции роста гепаринсульфат протеогликанами (HSPG), либо с помощью хондроитиназы, которая переваривает CSPG.
Аксональный механизм
Аксоны связываются с окружающей средой через адгезию на клеточной поверхности, рецепторы, каналы и механочувствительные молекулы. Молекулы адгезии на клеточной поверхности позволяют растущим аксонам оказывать давление на окружающую среду и передавать сигнал через мембрану.Кроме того, рецептор фактора роста также управляет сигнальными путями аксонов.
Регенерирующие аксоны проникают во внеклеточный матрикс, а интегрин связывает гликопротеины внеклеточного матрикса, вызывая пролиферацию клеток и разрастание аксонов, что приводит к регенерации. Таким образом, подавление интегринов или его лигандов приводит к ингибированию роста аксонов.
В ПНС интегрины, необходимые для роста аксонов, активируются во время регенерации, тогда как в ЦНС экспрессия интегринов снижается по мере созревания или становится выборочно исключаемой из аксонов.
Таким образом, в ЦНС интегрины либо находятся на недостаточном уровне, либо отсутствуют. Кроме того, ингибирующие молекулы, такие как NogoA и CSPG, присутствующие в ЦНС, инактивируют интегрины, что приводит к недоступности соответствующим образом активированных интегринов, обеспечивающих регенерацию аксонов.
В заключение можно сказать, что в периферической нервной системе возможно самовосстановление нерва, но в настоящее время не найдено средств для восстановления центральной нервной системы после травмы.
Попытки возобновления роста нервов через переход ПНС-ЦНС на сегодняшний день не увенчались успехом.
Источники
- Huebner, E.A., et al.