Мозг является иммунопривилегированной областью организма, поэтому трансплантированная в него нервная ткань не отторгается и продолжает дифференцировку. Нервные клетки достигают зрелого состояния, их аксонные и дендритные отростки проникают в ткань мозга реципиента и формируют функциональные синаптические связи. Благодаря этому, метод нейротрансплантации используется не только в экспериментальных исследованиях для изучения фундаментальных проблем биологии и медицины, но и в клинической практике для компенсации нарушенных функций центральной нервной системы. Вместе с тем существуют противоречивые мнения о структурной специфичности таких взаимодействий. Ранее мы показали, что при отсутствии адекватных мишеней трансплантированные нейроны могут формировать функциональные взаимодействия с несвойственными им в норме отделами мозга [2, 16]. Однако молекулярные и субклеточные механизмы, способствующие регенеративным процессам и сопровождающиеся установлением эктопических синаптических связей, неизвестны. В настоящем исследовании изучались особенности ультраструктурной организации синаптических контактов, сформированных между гетеротопическими трансплантатами зубчатой фасции гиппокамповой формации и нейронами соматосенсорной области неокортекса.
Материалы и методы: Опыты проведены на крысах породы Вистар с соблюдением правил работы с лабораторными животными (приказ МЗ РФ № 755). В качестве донорского материала использовали закладку зубчатой фасции
20-дневных плодов. Аллотрансплантацию в соматосенсорную область неокортекса производили взрослым самцам (n = 5). Следует отметить, что указанные структуры в нативном мозге ни анатомически, ни функционально не контактируют. Все процедуры проводили под нембуталовым наркозом. Для электронно-микроскопи-ческого изучения использовали трансплантаты через 5 месяцев после операции. Фиксацию производили с помощью перфузии 2.5% раствора глутарового альдегида через восходящую аорту сердца. Затем из оперированного полушария выделяли область неокортекса с трансплантатом зубчатой фасции и из интактного полушария гиппокамповую формацию для контроля. Срезы мозга толщиной 500 мкм, содержащие необходимый материал, дофиксировали погружением в 1% раствор четырехокиси осмия. Более полно методика проведения операции и последующей обработки материала описана нами ранее [1, 16]. Прилежащий к трансплантату неокортекс был исследован электронно-микроскопически на глубину до 500 мкм. Синаптические окончания идентифицировали по известным ультраструктурным признакам [6]. Для количественного анализа использовали по 100 случайно выбранных микрофото гигантских синапсов, полученных из экспериментальных и контрольных образцов. Достоверность результатов по подсчету числа синаптических везикул и протяженности адгезионных соединений определяли по критерию Стьюдента.
Результаты исследований и их обсуждение: Трансплантаты были обнаружены у всех оперированных животных. Признаков отторжения ткани или дегенерации клеточных элементов не было выявлено. Нейроны, большинство которых располагалось в виде плотно упакованного слоя, имели микроскопические и ультраструктурные характеристики типичных клеток-зерен зубчатой фасции. Хорошо дифференцированные аксонные и дендритные отростки внутри трансплантатов формировали многочисленные синаптические контакты. Между трансплантатом и мозгом реципиента прослеживались реципрокные функциональные связи в виде мощных пучков нервных и глиальных отростков. В прилежащем к трансплантату неокортексе были обнаружены тонкие немиелинизированные аксоны, заканчивающиеся крупными (до 4 – 5 мкм в сечении) синаптическими окончаниями. Такие размеры терминалей не типичны для неокортекса, но соизмеримы с гигантскими синапсами мшистых волокон гиппокамповой формации. Как и в нормальном гиппокампе, они формировали асимметричные активные зоны с дендритными шипиками и симметричные адгезионные десмосомоподобные соединения со стволами дендритов (рис.). Некоторые дендритные шипики, хотя и принадлежали нейронам неокортекса, имели разветвленные головки. По-видимому, врастающие из трансплантата в неокортекс реципиента мшистые волокна индуцировали характерные для их постсинаптических мишеней в норме дополнительные ветвления шипиков. Пресинаптические отделы гигантских синапсов были заполнены массой малых (около 40 нм в диаметре) синаптических пузырьков и относительно небольшим количеством больших электронно-плотных везикул, размер которых варьировал от 60 до 120 нм (рис.). Известно, что в малых везикулах содержится основной нейромедиатор синапсов мшистых волокон – глутамат, оказывающий возбуждающее действие на нейроны [7]. Большие гранулярные везикулы являются вместилищем нейропептидных котрансмиттеров, которые обычно выделяются экстрасинаптически в межклеточное пространство и модулируют нейропередачу [4, 5].
При сравнении морфологии гигантских синапсов, сформированных на несвойственных им нейронных мишенях в неокортексе, с таковыми в контрольном гиппокампе выявились значительные различия в количестве и распределении больших гранулярных везикул. Если в гиппокампе in situ наличие пептид-содержащих гранул относительно общего числа пузырьков составляло 3.3 ± 0.6%, то в синапсах на атипичных мишенях в неокортексе оно достигало 5.8 ± 0.6% (различия достоверны при p <0.01). В норме гранулярные везикулы, как правило, были распределены равномерно по синаптоплазме или располагались вдали от синаптических активных зон. В экспериментальных условиях нейропептидные гранулы имели тенденцию скапливаться в области синаптических контактов. Около некоторых активных зон обнаруживалось до 10-15 гранул. Иногда наблюдалось непосредственное слияние гранулярных везикул с пресинаптической мембраной. Подсчет синаптических активных зон, в состав которых входили большие гранулярные везикулы с электронно-плотным центром, показал, что в экспериментальном материале они встречались в 7.9 раз чаще, чем в норме (соответственно 62.3 ± 3.4% и 7.9 ±1.6%; p<0.001). Некоторые везикулы с внешней стороны имели дополнительное окружение игольчатыми частицами. Известно, что такие опушенные электронно-плотным материалом гранулярные везикулы транспортируют из перикарионов макромолекулярные комплексы, предназначенные для строительства активных зон [12]. Значительное увеличение количества активных зон, имеющих в своем составе большие гранулярные пузырьки, свидетельствует об активном воздействии последних на постсинаптический нейрон через синаптические контакты. В литературе описано увеличение количества нейропептидных гранул, усиление их подвижности и секреции в межклеточное пространство при долговременной посттетанической потенциации и развитии эпилептических разрядов [3, 11, 14]. В условиях трансплантации нейропептиды, по-видимому, участвуют в адаптации синаптического аппарата к новому, не типичному для них тканевому микроокружению.
Cхема строения гигантского синаптического окончания аксона гранулярной клетки, формирующего два типа функциональных контактов:
1 - синаптические активные зоны с головками разветвленного дендритного шипика,
2 - адгезионные соединения с поверхностью дендрита. 3 - место ответвления дендритного шипика от родительского дендрита, 4 - большие пузырьки с электронно-плотным центром, содержащие нейропептидный котрансмиттер, 5 - митохондрии, 6 - цистерны эндоплазматического ретикулума в постсинаптической части синапса
Сравнение ультраструктуры и морфометрических характеристик гигантских синаптических окончаний в норме и эктопических синапсов в неокортексе, показало, что в процесс установления и сохранения функциональных связей при трансплантации вовлекаются также адгезионные десмосомоподобные соединения, формирующиеся между гигантской терминалью и стволом дендрита. По сравнению с нормальным гиппокампом в условиях гетеротопической трансплантации адгезионные соединения синаптической терминали с дендритом были более многочисленны и интенсивны. В среднем в неокортексе реципиента зоны адгезии занимали 20-30% общей области прилегания гигантских бутонов к поверхности постсинаптических дендритов, в то время как в контроле они составляли только 7-8%. В области таких соединений со стороны терминали отсутствовали синаптические везикулы, но почти всегда обнаруживались митохондрии, а с противоположной, дендритной стороны часто располагались цистерны гранулярного и агранулярного эндоплазматического ретикулума. Кроме того, в экспериментальном материале мы иногда наблюдали транслокацию адгезионных соединений на ножки дендритных шипиков и даже их пространственное слияние с синаптическими активными зонами.
До недавнего времени адгезионные соединения гигантских синапсов гиппокампа по аналогии с таковыми в эпителиальных клетках рассматривали как зоны механического скрепления аксонной терминали и постсинаптического дендрита. Однако результаты последних лет свидетельствуют о том, что они имеют и другие, более важные функции. Показано, что в молекулярной архитектуре симметричных адгезионных соединений гигантских терминалей гиппокампа присутствуют белки, которые ранее обнаруживались лишь в составе синаптических контактов. Так, на обеих сторонах таких соединений найдена синаптическая адгезионная молекула, обычно входящая в молекулярный каркас незрелых синаптических контактов [15]. Обнаружены также и другие химические компоненты пресинаптических и постсинаптических комплексов, которые участвуют в структурном моделировании дендритов и их шипиков [9, 13]. В аналогичных адгезионных соединениях, скрепляющих синаптические гломерулы в мозжечке, обнаружены NMDA-рецепторы [10]. Наши наблюдения также подтверждают синаптогенную роль десмосомоподобных соединений гигантских синаптических окончаний. Возможно, они являются начальными, незрелыми формами эктопических аксо-шипиковых синаптических контактов между мшистыми волокнами и несвойственными им в норме нейронными мишенями в мозге реципиента.
Таким образом, электронно-микроскопическое исследование показало, что гетеротопически трансплантированная эмбриональная ткань зубчатой фасции гиппокампа крысы успешно интегрируется с помощью синаптических связей с мозгом взрослого животного-реципиента. Пресинаптическими компонентами таких химерных связей являются аксональные отростки трансплантированных нейронов, а постсинаптическими мишенями – клеточные элементы мозга реципиента. В регенеративные процессы активно вовлекаются нейропептидные котрансмиттеры мшистых волокон зубчатой фасции и молекулы клеточной адгезии, содержащиеся в десмосомоподобных адгезионных соединениях аксонных терминалей с поверхностью дендритов неокортекса.
Работа поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований (№ 09-04-01136) и грантами Министерства образования и науки РФ
(№ 2.1.1/2280 и № 2.1.1/3876).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Журавлева З.Н. // Онтогенез. 1998. Т.29. № 2. С.85.
2. Журавлева З.Н. // Онтогенез. 2002. Т.33. № 3. С.230.
3. Мокрушин А.А. // Известия АН. Серия биол. 2002. №1. С.74.
4. Chavkin C. // Prog. Brain Res. 2000. V.125. P.363.
5. Commons K.G., Milner T.A. // Brain Res. 1996. V.758. P.181.
6. Hamlyn L.H. // J. Anat. (Lond). 1962. V.96. P.112.
7. Henze D.A., Urban N.N.,
Barrionuevo G. // Neurosci. 2000. V.98. No.3. P.407.
8. Mazarati A.M. // Neuropeptides. 2004. V.38. No.6. P.331.
9. Mizoguchi A., Nakanishi H., Kimura K., et al. // J. Cell Biol. 2002. V.156. No.3. P.555.
10. Petralia R., Wang Y-X., Wenthold R. // Eur. J. Neurosci. 2002. V. 15. P.583.
11. Shakiryanova D., Tully A., Hewes R., et al. // Nature Neurosci. 2005. V.8. No.2. P.173.
12. Shapira M., Zhai R., Dresbach T., et al. // Neuron. 2003. V.38. P.237.
13. Togashi H., Abe K., Mizoguchi A., et al. // Neuron. 2002. V.35. P.77.
14. Torrealba F., Carrasco M.A. // Brain Res. Rev. 2004. V.47. P.5.
15. Yamada A., Irie K., Deguchi-Tawarada M., et al. // Genes Cells. 2003. V.8. P.985.
16. Zhuravleva Z.N., Vinogradova O.S. // J. Neural Transpl. Plasticity. 1994. V. 5. No.3. P.169.
Библиографическая ссылка
Журавлева З.Н., Журавлев Г.И., Ермаков А.А. УЛЬТРАСТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СИНАПТИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ МЕЖДУ НЕЙРОНАМИ ТРАНСПЛАНТАТА И МОЗГОМ РЕЦИПИЕНТА // Современные проблемы науки и образования. – 2010. – № 1. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=1275 (дата обращения: 24.04.2024).