Миелин - Myelin

Миелин
Neuron.svg
Структура упрощенного нейрона в ПНС
Нейрон с олигодендроцитами и миелиновой оболочкой.svg
Нейрон с олигодендроцитами и миелиновой оболочкой в ЦНС
Подробности
Система Нервная система
Идентификаторы
FMA 62977
Анатомическая терминология

Миелин - это богатое липидами (жировое) вещество, которое окружает аксоны нервных клеток («провода» нервной системы), чтобы изолировать их и увеличить скорость, с которой электрические импульсы (называемые потенциалами действия ) проходят по аксону. Миелинизированный аксон можно сравнить с электрическим проводом (аксоном) с изолирующим материалом (миелином) вокруг него. Однако, в отличие от пластикового покрытия электрического провода, миелин не образует единую длинную оболочку по всей длине аксона. Скорее, миелин покрывает нерв сегментами: в общем, каждый аксон покрыт множеством длинных миелинизированных участков с короткими промежутками между ними, называемыми узлами Ранвье .

Миелин образуется в центральной нервной системе (ЦНС; головной, спинной и зрительный нерв) глиальными клетками, называемыми олигодендроцитами, а в периферической нервной системе (ПНС) - глиальными клетками, называемыми шванновскими клетками . В ЦНС аксоны переносят электрические сигналы от одного тела нервной клетки к другому. В ПНС аксоны несут сигналы к мышцам и железам или от органов чувств, таких как кожа. Каждая миелиновая оболочка образована концентрическим обертыванием отростка олигодендроцитов (ЦНС) или шванновских клеток (ПНС) (конечности, отростки тела клетки) вокруг аксона . Миелин снижает емкость аксональной мембраны. На молекулярном уровне в междоузлиях увеличивается расстояние между внеклеточными и внутриклеточными ионами, уменьшая накопление зарядов. Прерывистая структура миелиновой оболочки приводит к скачкообразной проводимости , в результате чего потенциал действия «прыгает» от одного узла Ранвье по длинному миелинизированному участку аксона, называемому междоузлием, прежде чем «перезаряжаться» в следующем узле Ранвье, и т. Д. на, пока не достигнет терминала аксона . Узлы Ранвье - это короткие (около 1 мкм ) немиелинизированные области аксона между соседними длинными (около 0,2 мм -> 1 мм) миелинизированными междоузлиями. Как только он достигает конца аксона, этот электрический сигнал вызывает высвобождение химического сообщения или нейротрансмиттера, который связывается с рецепторами на соседней постсинаптической клетке (например, нервной клетке в ЦНС или мышечной клетке в ПНС) в специализированных областях, называемых синапсами. .

Эта «изолирующая» роль миелина важна для нормальной двигательной функции (т. Е. Движения, например, ходьбы), сенсорной функции (например, слуха, зрения или ощущения боли) и познания (например, получения и запоминания знаний), как демонстрируют последствия. поражающих его расстройств, таких как генетически обусловленные лейкодистрофии ; приобретенное воспалительное демиелинизирующее заболевание , рассеянный склероз ; и воспалительные демиелинизирующие периферические невропатии . Из-за своей высокой распространенности рассеянный склероз, который специфически поражает центральную нервную систему (головной, спинной и зрительный нерв), является наиболее известным заболеванием миелина.

Разработка

Процесс образования миелина называется миелинизацией или миелиногенезом . В ЦНС клетки-предшественники олигодендроцитов (OPC) дифференцируются в зрелые олигодендроциты, которые образуют миелин. У людей миелинизация начинается в начале 3-го триместра, хотя во время рождения в ЦНС или ПНС присутствует лишь небольшое количество миелина. В младенчестве миелинизация быстро прогрессирует, и все большее количество аксонов приобретает миелиновые оболочки. Это соответствует развитию когнитивных и моторных навыков, включая понимание речи, овладение речью, ползание и ходьбу. Миелинизация продолжается в подростковом и раннем взрослом возрасте, и хотя миелиновые оболочки к этому времени в основном завершены, миелиновые оболочки могут добавляться в такие области серого вещества , как кора головного мозга , на протяжении всей жизни.

Распространение видов

Миелин считается определяющей характеристикой челюстных позвоночных ( гнатостомов ), хотя аксоны у беспозвоночных заключены в оболочку типа клеток, называемых глиальными клетками. Эти глиальные оболочки сильно отличаются от компактного миелина позвоночных, образованного, как указано выше, путем концентрического обертывания отростка миелинизирующих клеток вокруг аксона несколько раз. Миелин был впервые описан в 1854 году Рудольфом Вирховым , хотя более века спустя, после развития электронной микроскопии, стало очевидным его происхождение из глиальных клеток и его ультраструктура.

У позвоночных не все аксоны миелинизированы. Например, в ПНС большая часть аксонов немиелинизирована. Вместо этого они заключены в немиелинизирующие шванновские клетки, известные как Remak SCs, и расположены в пучках Remak . В ЦНС немиелинизированные аксоны (или периодически миелинизированные аксоны, означающие аксоны с длинными немиелинизированными участками между миелинизированными сегментами) смешиваются с миелинизированными и связаны, по крайней мере частично, с отростками другого типа глиальной клетки - астроцита .

Состав

Просвечивающая электронная микрофотография поперечного сечения миелинизированного аксона ПНС, полученная в Центре электронной микроскопии в Тринити-колледже , Хартфорд, Коннектикут
Схема миелинизированного аксона в разрезе

Миелин ЦНС немного отличается по составу и конфигурации от миелина ПНС, но оба выполняют ту же «изолирующую» функцию (см. Выше). Миелин, богатый липидами, выглядит белым, отсюда и название « белое вещество » ЦНС. И тракты белого вещества ЦНС (например, зрительный нерв , кортикоспинальный тракт и мозолистое тело ), и нервы ПНС (например, седалищный нерв и слуховой нерв , которые также кажутся белыми) содержат от тысяч до миллионов аксонов, в основном расположенных параллельно. Кровеносные сосуды обеспечивают путь для кислорода и энергетических субстратов, таких как глюкоза, к этим волокнистым трактам, которые также содержат другие типы клеток, включая астроциты и микроглию в ЦНС и макрофаги в ПНС.

По общей массе миелин состоит примерно на 40% воды; сухая масса содержит от 60% до 75% липидов и от 15% до 25% белка . Содержание белка включает основной белок миелина (MBP), который в изобилии присутствует в ЦНС, где он играет критическую, неизбыточную роль в образовании компактного миелина; миелиновый олигодендроцитарный гликопротеин (MOG), специфичный для ЦНС; и протеолипидный белок (PLP), который является наиболее распространенным белком миелина ЦНС, но лишь второстепенным компонентом миелина ПНС. В PNS нулевой миелиновый белок (MPZ или P0) играет роль, аналогичную PLP в ЦНС, в том, что он участвует в удерживании вместе нескольких концентрических слоев мембраны глиальных клеток, которые составляют миелиновую оболочку. Первичный липид миелина - это гликолипид, называемый галактоцереброзидом . Переплетающиеся углеводородные цепи сфингомиелина укрепляют миелиновую оболочку. Холестерин является важным липидным компонентом миелина, без которого миелин не может образовываться.

Функция

Распространение потенциала действия в миелинизированных нейронах происходит быстрее, чем в немиелинизированных нейронах из-за сальтаторной проводимости .

Основное назначение миелина - увеличить скорость распространения электрических импульсов по миелинизированному волокну. В немиелинизированных волокнах электрические импульсы ( потенциалы действия ) распространяются как непрерывные волны, но в миелинизированных волокнах они «подпрыгивают» или распространяются за счет скачкообразной проводимости . Последний заметно быстрее, чем первый, по крайней мере, для аксонов более определенного диаметра. Миелин снижает емкость и увеличивает электрическое сопротивление аксональной мембраны ( аксолеммы ). Было высказано предположение, что миелин позволяет увеличить размер тела за счет поддержания быстрой связи между удаленными частями тела.

Миелинизированные волокна не имеют потенциал-управляемых натриевых каналов вдоль миелинизированных междоузлий, обнажая их только в узлах Ранвье . Здесь их очень много и они плотно упакованы. Положительно заряженные ионы натрия могут проникать в аксон через эти потенциалозависимые каналы, что приводит к деполяризации мембранного потенциала в узле Ранвье. Затем мембранный потенциал покоя быстро восстанавливается за счет положительно заряженных ионов калия, покидающих аксон через калиевые каналы . Затем ионы натрия внутри аксона быстро диффундируют через аксоплазму (аксональную цитоплазму ) к соседнему миелинизированному междоузлию и, в конечном итоге, к следующему ( дистальному ) узлу Ранвье, вызывая открытие потенциалзависимых натриевых каналов и проникновение ионов натрия в этот узел. сайт. Хотя ионы натрия быстро диффундируют через аксоплазму, диффузия по своей природе является декрементной, поэтому узлы Ранвье должны быть (относительно) близко расположены друг к другу, чтобы обеспечить распространение потенциала действия. Потенциал действия «перезаряжается» в последовательных узлах Ранвье, когда потенциал аксолеммальной мембраны деполяризуется примерно до +35 мВ. Вдоль миелинизированных междоузлий энергозависимые натриевые / калиевые насосы перекачивают ионы натрия обратно из аксона, а ионы калия обратно в аксон, чтобы восстановить баланс ионов между внутриклеточными (внутри клетки, в данном случае аксоном) и внеклеточными. (вне клетки) жидкости.

В то время как роль миелина как «аксонального изолятора» хорошо известна, другие функции миелинизирующих клеток менее известны или установлены только недавно. В миелинизирующих клеток «лепит» лежащие в основе аксонов пути содействия фосфорилирования в нейрофиламентах , тем самый увеличивая диаметр или толщину аксона по межузловым регионам; помогает кластеру молекулы на аксолемме (например, потенциал-управляемые натриевые каналы) в узле Ранвье; и модулирует транспорт цитоскелетных структур и органелл, таких как митохондрии , вдоль аксона. В 2012 году появились доказательства, подтверждающие роль миелинизирующих клеток в «питании» аксона. Другими словами, миелинизирующая клетка, по-видимому, действует как локальная «заправочная станция» для аксона, которая использует большое количество энергии для восстановления нормального баланса ионов между ней и окружающей средой после генерации потенциалов действия .

Когда периферическое волокно разрывается, миелиновая оболочка обеспечивает дорожку, по которой может произойти отрастание. Однако слой миелина не обеспечивает идеальной регенерации нервного волокна. Некоторые регенерированные нервные волокна не находят нужных мышечных волокон, а некоторые поврежденные двигательные нейроны периферической нервной системы умирают, не отрастая заново. Повреждение миелиновой оболочки и нервных волокон часто связано с повышенной функциональной недостаточностью.

Немиелинизированные волокна и миелинизированные аксоны центральной нервной системы млекопитающих не регенерируют.

Клиническое значение

Демиелинизация

Демиелинизация является потеря миелиновой оболочки изолирующей нервы, и является отличительным признаком некоторых нейродегенеративных аутоиммунных заболеваний, в том числе рассеянный склероз , острый рассеянный энцефаломиелит , оптиконевромиелит , поперечный миелит , хронических воспалительных демиелинизирующих полиневропатии , синдром Гийена-Барре , центральный мостовое myelinosis , наследственные демиелинизирующие заболевания, такие как лейкодистрофия и болезнь Шарко – Мари – Тута . Страдающие злокачественной анемией также могут пострадать от повреждения нервов, если заболевание не диагностируется быстро. Подострая комбинированная дегенерация спинного мозга, вторичная по отношению к злокачественной анемии, может привести к незначительному повреждению периферических нервов или серьезному повреждению центральной нервной системы, влияя на речь, равновесие и когнитивные способности . Когда миелин разлагается, передача сигналов по нерву может быть нарушена или потеряна, и нерв в конечном итоге увядает. Более серьезный случай ухудшения миелина называется болезнью Канавана .

Система иммунитета может играть определенную роль в демиелинизации , связанную с такими заболеваниями, в том числе воспаления , вызывая демиелинизации перепроизводства цитокин с помощью повышающей регуляции фактора некроза опухоли или интерферона . МРТ свидетельствует о том, что этиловый эфир докозагексаеновой кислоты DHA улучшает миелинизацию при генерализованных пероксисомальных расстройствах.

Симптомы

Демиелинизация приводит к появлению разнообразных симптомов, определяемых функциями пораженных нейронов. Он нарушает сигналы между мозгом и другими частями тела; Симптомы различаются от пациента к пациенту и проявляются по-разному при клиническом наблюдении и в лабораторных исследованиях.

Типичные симптомы включают нечеткость в центральном поле зрения, которая поражает только один глаз, может сопровождаться болью при движении глаз, двоением в глазах, потерей зрения / слуха, странными ощущениями в ногах, руках, груди или лице, такими как покалывание или онемение. ( невропатия ), слабость рук или ног, когнитивные нарушения, включая нарушение речи и потерю памяти, тепловую чувствительность (симптомы ухудшаются или снова появляются при воздействии тепла, например, под горячим душем), потеря ловкости, трудности с координацией движений или нарушение равновесия, трудности с контролем дефекации или мочеиспускания, усталость и шум в ушах.

Ремонт миелина

Исследования по восстановлению поврежденных миелиновых оболочек продолжаются. Методы включают хирургическую имплантацию клеток-предшественников олигодендроцитов в центральную нервную систему и индукцию восстановления миелина с помощью определенных антител . Хотя результаты на мышах были обнадеживающими (с помощью трансплантации стволовых клеток ), остается неизвестным, может ли этот метод быть эффективным в восполнении потери миелина у людей. Холинергические препараты , такие как ингибиторы ацетилхолинэстеразы (AChEI), могут оказывать положительное влияние на миелинизацию, восстановление миелина и целостность миелина. Усиление холинергической стимуляции также может оказывать тонкое трофическое воздействие на процессы развития мозга, особенно на олигодендроциты и поддерживаемый ими процесс миелинизации на протяжении всей жизни. Увеличение холинергической стимуляции олигодендроцитов , AChEI и другие холинергические препараты, такие как никотин , возможно, могут способствовать миелинизации во время развития и восстановлению миелина в пожилом возрасте. Было обнаружено, что ингибиторы киназы 3β гликоген-синтазы , такие как хлорид лития , способствуют миелинизации у мышей с поврежденными лицевыми нервами. Холестерин является необходимым питательным веществом для миелиновой оболочки наряду с витамином B12 .

Дисмиелинизация

Дисмиелинизация характеризуется нарушением структуры и функции миелиновых оболочек; в отличие от демиелинизации, он не вызывает повреждений . Такие дефектные оболочки часто возникают в результате генетических мутаций, влияющих на биосинтез и образование миелина. Shiverer мышь представляет одну животную модель дисмиелинизации. Заболевания человека , где была вовлечена дисмиелинизация включают Leukodystrophies ( болезнь Пелицеуса-Мерцбахер , болезнь Канавана , фенилкетонурию ) и шизофрению .

Миелин беспозвоночных

Функционально эквивалентные миелиноподобные оболочки обнаружены у нескольких таксонов беспозвоночных, включая олигохеты , пенеиды , палеемониды и каланоиды . Эти миелиноподобные оболочки имеют несколько общих структурных особенностей с оболочками, обнаруженными у позвоночных, включая множественность мембран, уплотнение мембраны и узлы. Однако узлы у позвоночных имеют кольцевую форму; т.е. они окружают аксон. Напротив, узлы, обнаруженные в оболочках беспозвоночных, либо кольцеобразные, либо окончатые; т.е. они ограничены «пятнами». Примечательно, что самая высокая зарегистрированная скорость проводимости (как у позвоночных, так и у беспозвоночных) обнаружена в заключенных в оболочку аксонах креветки Курума , беспозвоночного, в диапазоне от 90 до 200 м / с ( ср. 100–120 м / с для самого быстрого аксон миелинизированных позвоночных).

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Филдс, Р. Дуглас, «Мозг учится неожиданными способами: нейробиологи открыли набор незнакомых клеточных механизмов для создания свежих воспоминаний», Scientific American , vol. 322, нет. 3 (март 2020 г.), стр. 74–79. «Миелин, долгое время считавшийся инертной изоляцией аксонов , теперь рассматривается как вносящий вклад в обучение, контролируя скорость, с которой сигналы проходят по нейронной проводке». (стр.79).
  • Swire M, французский-Constant C (май 2018 г.). «Видеть - значит верить: динамика миелина в ЦНС взрослого» . Нейрон . 98 (4): 684–686. DOI : 10.1016 / j.neuron.2018.05.005 . PMID  29772200 .
  • Ваксман С.Г. (октябрь 1977 г.). «Проводимость в миелинизированных, немиелинизированных и демиелинизированных волокнах». Архив неврологии . 34 (10): 585–9. DOI : 10,1001 / archneur.1977.00500220019003 . PMID  907529 .

внешние ссылки