Однажды в тканевой культуре совместно выращивали клетки глии и нейроны. Под микроскопом можно было наблюдать, как глиальные клетки делали пульсирующие движения и наползали на нейроны своими отростками, словно щупальцами. В культуре ткани глиальные клетки прекрасно развивались и росли, так как у них есть все необходимое для нормальной жизнедеятельности. Значит, и нейроны, и глиальные клетки вполне самостоятельны. Но при более тонком их анализе выявляются такие различия между ними, которые позволяют сделать вывод об их взаимной зависимости. В процессе эволюции природа создала глиальные клетки как очень удобный механизм, и в настоящее время удалось выявить три основные его функции. Но прежде чем о них рассказать, нужно сказать несколько слов о тех методах, с помощью которых биохимики исследуют глиальные клетки.
Как можно изучать отдельно химию нейронов и химию глии, если в мозгу эти клетки тесно переплетены?
Один из методов — микроманипуляция. Специальным микроскальпелем, микроиглами или микроманипуляторами различной конструкции под стереомикроскопом из срезов нервной ткани можно иссечь тела отдельных крупных нейронов и отделить от них глиальные клетки. Существуют очень сложные и очень тонкие микрохимические методы, позволяющие определять химический состав нейрона и глии даже в столь малых объемах, как одна клетка.
Другой метод — так называемый метод обогащенных фракций. Ткань мозга продавливают через нейлоновые сита, вначале с крупными, затем со все более мелкими отверстиями. Крупные отверстия пропускают нейроны, мелкие — клетки глии. Затем с помощью центрифуги клетки глии отделяют от тех нейронов, которые «проскочили» через первое сито. Различия в весе при центрифугировании позволяют глиальным клеткам двигаться вверх, а нейронам осаждаться на дно пробирок. Таким образом удается получить довольно большую массу фракций тех и других клеток, позволяющих производить любые биохимические определения. Правда, фракции получаются все же обогащенными, с некоторым процентом примесей, и на это приходится делать скидку.
Третий метод называют методом количественной цитохимии. В нем используют микроскопическое исследование препарата не только для визуального наблюдения, но и для спектрального анализа химического состава. Однако приготовление препарата неизбежно искажает исходный химический состав клеток.
Как видим, у каждого из методов есть свои плюсы и минусы. Но все они в комплексе позволили получить верное представление о клетках глии и установить, что по химическим свойствам глия не уступает нейронам, а по интенсивности протекания в ней некоторых процессов даже их превосходит.
Например, поглощение глией аминокислот — тех кирпичиков, из которых строятся молекулы белка, — идет гораздо активнее, чем в нейронах. Зато скорость синтеза белка в нейронах значительно выше, чем в клетках глии. Тогда зачем глии такое большое количество аминокислот? На этот вопрос уже получен ответ, позволивший понять первую ее функцию — трофическую. Глия выполняет роль слуги, подносящего к хозяину (нейрону) необходимые вещества. Нейронам передается часть находящихся в ней макромолекул РНК, белков, глюкозы, органических кислот, кислорода и пр.
Прямо из крови вещества не могут попадать в нейроны, так как они непосредственно не соприкасаются с капиллярами. Многие глиальные клетки оплетают тончайшие сосуды-капилляры, снабжающие мозг кровью. Все необходимое для нормальной жизнедеятельности нейронов вначале поступает в глиальные клетки. Их можно сравнить не только со слугами, но и со сторожами. Как вахтеры в проходной, они пропускают одни, но задерживают другие, вредные вещества, способные отравить или повредить нейроны. Благодаря глии нейроны чрезвычайно устойчивы к токсическим веществам, циркулирующим в крови. Любопытно, что гормоны главным образом влияют на глиальные клетки, заставляя их перестраивать обмен так, что они становятся посредниками между гормонами и нейронами, передавая информацию последним.
Когда нейрон в рабочем состоянии, он вырабатывает электрическую активность. Для этого ему необходимо много энергии. Энергия высвобождается при окислении биологических субстратов нейрона (глюкозы, органических кислот). Ничто так эффективно не дает энергию, как глюкоза. Глия использует для окисления кроме глюкозы и другие субстраты, например уксусную кислоту. При необходимости глия отдает нейронам и часть своей глюкозы. Она может пожертвовать в их пользу и кислород, перейдя сама на бескислородное дыхание. Нейроны мозга поглощают 20–25 процентов кислорода, потребляемого всем организмом в состоянии покоя, а вес мозга составляет лишь 2,5 процента веса тела. У детей до четырех лет нейроны поглощают даже до 50 процентов кислорода. Прекращение дыхания всего на 3–5 минут приводит к необратимому поражению центральной нервной системы. Поэтому понятно, насколько важна эта функция глии — выручать при необходимости нейроны кислородом и глюкозой.
За последнее время в биохимии появилась новая глава исследований изоферменты. Это разные формы одного и того же фермента, отличающиеся различными видами белковых молекул.
В настоящее время насчитывается более 50 ферментов, у которых доказано существование изоферментов. Благодаря различиям в чувствительности к регуляторным факторам они обеспечивают более тонкую регуляцию обмена в клетке. Так, фермент лактатдегидро-геназа (ЛДГ), с помощью которого нейроны и глиальные клетки окисляют молочную кислоту, может состоять из пяти разных видов белковых молекул. Соответственно все пять его изоферментов встречаются и в нейронах, и в клетках глии. Но в нейронах преобладают те из них, которые способны окислять молочную кислоту в присутствии кислорода, а в глии — те, которые окисляют ее в бескислородной среде.
О трофической функции глии многое было известно уже в начале 70-х годов нашего века, но о других ее функциях стало известно лишь в самое последнее время.
Еще в прошлом столетии выдающийся французский физиолог Клод Бернар сделал верное наблюдение: для того чтобы хорошо приспособиться к внешней среде, организм должен иметь постоянство внутренней среды — гомеостаз. («Гомеостазис» буквально — постоянный внутренний уровень однородного состояния). Изменения внешней среды меняют параметры внутренней среды организма, но только на время. Потом снова должно наступить исходное состояние. Чем выше организовано животное, тем более совершенны механизмы, обеспечивающие гомеостаз. У низших животных температура тела меняется в зависимости от окружающей среды, у высших есть механизмы терморегуляции, бдительно за ней следящие. Стоит температуре тела у человека повыситься всего на полградуса по сравнению с нормальной, и он нездоров.
В нервной системе механизмы гомеостаза особенно важны. Поэтому раньше думали, что при изменениях функциональных состояний нервной системы химический состав клеток остается неизменным. Но оказалось, что это не так. При возбуждении или торможении нейрона изменяются и химический состав, и активность ферментов, но они быстро возвращаются к норме. В этом очень важную роль играют глиальные клетки.
За последние годы стало точно известно, что при возбуждении нейрона в нем происходит перераспределение и заряженных частиц — ионов. Ионы калия (К+) выходят из нейрона во внеклеточное пространство, а ионы натрия (Na+) входят из внеклеточного пространства внутрь его.
Ионы калия являются как бы сигналом для глиальной клетки. Как только они вышли из нейрона, глиальные клетки, расположенные поблизости, жадно их захватывают, и ионы калия тут же «запускают» в них целый ряд биохимических реакций, позволяющих поддерживать гомеостаз в нейроне. Подобно санитарам психиатрической помощи, глиальные клетки готовят для нейрона «смирительную рубашку», не дают ему разбушеваться, выйти за рамки, приводят к исходному состоянию равновесия. Само поглощение глиальной клеткой ионов калия служит спасением от переполнения этими ионами внеклеточного пространства. При их избытке во внеклеточном пространстве наступает беспорядочное возбуждение соседних нейронов, а нейрон должен посылать только узконаправленный сигнал. Наступает неадекватная реакция — генерализованное возбуждение: страх или даже паника.