Informace

35.1: Neurony a gliové buňky - biologie


Rozvoj dovedností

  • Seznam a popis funkcí strukturálních složek neuronu
  • Seznam a popište čtyři hlavní typy neuronů
  • Porovnejte funkce různých typů gliových buněk

Nervové systémy v celé živočišné říši se liší strukturou a složitostí, jak ukazuje rozmanitost zvířat zobrazená na obrázku ( PageIndex {1} ). Některé organismy, jako mořské houby, postrádají skutečný nervový systém. Jiní, jako medúzy, postrádají skutečný mozek a místo toho mají systém oddělených, ale spojených nervových buněk (neuronů) nazývaných „nervová síť“. Ostnokožci, jako jsou mořské hvězdy, mají nervové buňky, které jsou spojeny do vláken nazývaných nervy. Ploštěnci kmene Platyhelminthes mají jak centrální nervový systém (CNS), tvořený malým „mozkem“ a dvěma nervovými šňůrami, tak periferní nervový systém (PNS) obsahující systém nervů, které se rozprostírají po celém těle. Hmyzový nervový systém je složitější, ale také poměrně decentralizovaný. Obsahuje mozek, ventrální nervovou šňůru a ganglia (shluky spojených neuronů). Tyto ganglia mohou ovládat pohyby a chování bez vstupu z mozku. Octopi mohou mít nejsložitější nervový systém bezobratlých - mají neurony, které jsou organizovány ve specializovaných lalocích a očích, které jsou strukturálně podobné druhům obratlovců.

Ve srovnání s bezobratlými jsou nervové systémy obratlovců složitější, centralizovanější a specializovanější. Přestože mezi různými nervovými systémy obratlovců existuje velká rozmanitost, všechny sdílejí základní strukturu: CNS, který obsahuje mozek a míchu a PNS tvořený periferními senzorickými a motorickými nervy. Jedním zajímavým rozdílem mezi nervovým systémem bezobratlých a obratlovců je, že nervové šňůry mnoha bezobratlých jsou umístěny ventrálně, zatímco míchy obratlovců jsou umístěny dorzálně. Mezi evolučními biology se vede debata o tom, zda se tyto různé plány nervového systému vyvinuly odděleně, nebo zda se uspořádání plánu těla bezobratlých během evoluce obratlovců „převrátilo“.

Odkaz na učení

Podívejte se na toto video biologa Marka Kirschnera, který diskutuje o fenoménu „převrácení“ evoluce obratlovců.

Nervový systém se skládá z neuronů, specializovaných buněk, které mohou přijímat a přenášet chemické nebo elektrické signály, a glia, buněk, které poskytují podpůrné funkce neuronům tím, že hrají roli zpracování informací, která je komplementární s neurony. Neuron lze přirovnat k elektrickému vodiči - přenáší signál z jednoho místa na druhé. Glia lze přirovnat k pracovníkům v elektrické společnosti, kteří dbají na to, aby dráty vedly na správná místa, udržovaly dráty a odstraňovaly přerušené vodiče. Ačkoli byly glia srovnávány s pracovníky, nedávné důkazy naznačují, že si také uzurpují některé signální funkce neuronů.

Typy neuronů a glií, které jsou přítomny v různých částech nervového systému, jsou velmi rozmanité. Existují čtyři hlavní typy neuronů a sdílejí několik důležitých buněčných složek.

Neurony

Nervový systém společné laboratorní mouchy, Drosophila melanogaster, obsahuje přibližně 100 000 neuronů, stejný počet jako humr. Toto číslo je srovnatelné se 75 miliony u myší a 300 miliony u chobotnice. Lidský mozek obsahuje přibližně 86 miliard neuronů. Navzdory těmto velmi odlišným číslům nervový systém těchto zvířat ovládá mnoho stejných chování - od základních reflexů až po komplikovanější chování, jako je hledání jídla a námluvy. Schopnost neuronů komunikovat mezi sebou navzájem i s jinými typy buněk je základem všech těchto chování.

Většina neuronů sdílí stejné buněčné složky. Ale neurony jsou také vysoce specializované - různé typy neuronů mají různé velikosti a tvary, které souvisejí s jejich funkčními rolemi.

Části neuronu

Stejně jako ostatní buňky má každý neuron buněčné tělo (nebo soma), které obsahuje jádro, hladké a drsné endoplazmatické retikulum, Golgiho aparát, mitochondrie a další buněčné složky. Neurony také obsahují jedinečné struktury znázorněné na obrázku ( PageIndex {2} ) pro příjem a odesílání elektrických signálů, které umožňují komunikaci neuronů. Dendrity jsou stromové struktury, které se rozprostírají od těla buňky a přijímají zprávy od jiných neuronů na specializovaných křižovatkách nazývaných synapse. Ačkoli některé neurony nemají žádné dendrity, některé typy neuronů mají více dendritů. Dendrity mohou mít malé výčnělky zvané dendritické trny, které dále zvětšují povrchovou plochu pro možná synaptická spojení.

Jakmile je signál přijat dendritem, putuje pak pasivně do těla buňky. Tělo buňky obsahuje specializovanou strukturu, pahorek axonu, který integruje signály z více synapsí a slouží jako spojení mezi tělem buňky a axonem. Axon je trubkovitá struktura, která šíří integrovaný signál do specializovaných zakončení nazývaných axonové terminály. Tyto terminály jsou zase synapsí na jiné neurony, svaly nebo cílové orgány. Chemikálie uvolňované na terminálech axonů umožňují přenos signálů do těchto ostatních buněk. Neurony mají obvykle jeden nebo dva axony, ale některé neurony, jako amakrinní buňky v sítnici, neobsahují žádné axony. Některé axony jsou pokryty myelinem, který působí jako izolátor, aby minimalizoval rozptyl elektrického signálu při jeho putování po axonu, čímž se výrazně zvyšuje rychlost vedení. Tato izolace je důležitá, protože axon z lidského motorického neuronu může být dlouhý až metr - od spodní části páteře po prsty. Myelinový obal ve skutečnosti není součástí neuronu. Myelin je produkován gliovými buňkami. Podél axonu jsou v myelinové pochvě periodické mezery. Tyto mezery se nazývají Ranvierovy uzly a jsou to místa, kde se signál „dobíjí“, když cestuje podél axonu.

Je důležité si uvědomit, že jeden neuron nepůsobí sám - neuronální komunikace závisí na spojeních, která mezi sebou neurony vytvářejí (stejně jako s jinými buňkami, jako jsou svalové buňky). Dendrity z jednoho neuronu mohou dostat synaptický kontakt z mnoha dalších neuronů. Například se předpokládá, že dendrity z Purkyňových buněk v mozečku přijímají kontakt až z 200 000 dalších neuronů.

Art Connection

Které z následujících tvrzení je nepravdivé?

  1. Soma je buněčné tělo nervové buňky.
  2. Myelinový plášť poskytuje dendritům izolační vrstvu.
  3. Axony přenášejí signál ze soma do cíle.
  4. Dendritové přenášejí signál do soma.

Druhy neuronů

Existují různé typy neuronů a funkční role daného neuronu je úzce závislá na jeho struktuře. V různých částech nervového systému (a napříč druhy) existuje úžasná rozmanitost tvarů a velikostí neuronů, jak ilustrují neurony zobrazené na obrázku ( PageIndex {3} ).

I když existuje mnoho definovaných podtypů neuronových buněk, neurony jsou široce rozděleny do čtyř základních typů: unipolární, bipolární, multipolární a pseudounipolární. Obrázek ( PageIndex {4} ) ukazuje tyto čtyři základní typy neuronů. Unipolární neurony mají pouze jednu strukturu, která sahá daleko od soma. Tyto neurony se nenacházejí u obratlovců, ale nacházejí se v hmyzu, kde stimulují svaly nebo žlázy. Bipolární neuron má jeden axon a jeden dendrit vycházející ze soma. Příkladem bipolárního neuronu je sítnicová bipolární buňka, která přijímá signály z buněk fotoreceptorů, které jsou citlivé na světlo, a přenáší tyto signály do gangliových buněk, které přenášejí signál do mozku. Multipolární neurony jsou nejběžnějším typem neuronů. Každý multipolární neuron obsahuje jeden axon a více dendritů. Multipolární neurony se nacházejí v centrálním nervovém systému (mozek a mícha). Příkladem multipolárního neuronu je Purkyňova buňka v mozečku, která má mnoho větvících se dendritů, ale pouze jeden axon. Pseudounipolární buňky sdílejí vlastnosti s unipolárními i bipolárními buňkami. Pseudounipolární buňka má jeden proces, který vychází ze soma, jako unipolární buňka, ale tento proces se později rozdělí na dvě odlišné struktury, jako bipolární buňka. Většina senzorických neuronů je pseudounipolární a má axon, který se rozvětvuje na dvě rozšíření: jeden je připojen k dendritům, které přijímají smyslové informace, a druhý, který tyto informace přenáší do míchy.

Každodenní spojení: neurogeneze

Najednou vědci věřili, že se lidé narodili se všemi neurony, jaké kdy měli. Výzkum provedený během několika posledních desetiletí naznačuje, že neurogeneze, zrod nových neuronů, pokračuje až do dospělosti. Neurogeneze byla poprvé objevena u zpěvných ptáků, kteří při učení písní produkují nové neurony. U savců hrají důležitou roli při učení také nové neurony: v hippocampu (struktura mozku zapojená do učení a paměti) se každý den vyvine asi 1000 nových neuronů. Zatímco většina nových neuronů zemře, vědci zjistili, že nárůst počtu přežívajících nových neuronů v hippocampu koreloval s tím, jak dobře se krysy naučily novému úkolu. Je zajímavé, že cvičení i některá antidepresiva také podporují neurogenezi v hippocampu. Stres má opačný účinek. Zatímco neurogeneze je ve srovnání s regenerací v jiných tkáních poměrně omezená, výzkum v této oblasti může vést k nové léčbě poruch, jako je Alzheimerova choroba, mrtvice a epilepsie.

Jak vědci identifikují nové neurony? Výzkumník může do mozku zvířete vstříknout sloučeninu zvanou bromdeoxyuridin (BrdU). Zatímco všechny buňky budou vystaveny BrdU, BrdU bude začleněno pouze do DNA nově generovaných buněk, které jsou ve fázi S. K připojení fluorescenční značky k začleněnému BrdU lze použít techniku ​​zvanou imunohistochemie a výzkumník může pomocí fluorescenční mikroskopie vizualizovat přítomnost BrdU, a tedy nových neuronů, v mozkové tkáni. Obrázek ( PageIndex {5} ) je mikrofotografie, která ukazuje fluorescenčně značené neurony v hippocampu krysy.

Odkaz na učení

Tento web obsahuje více informací o neurogenezi, včetně interaktivní laboratorní simulace a videa, které vysvětluje, jak BrdU označuje nové buňky.

Zatímco glia jsou často považovány za podpůrné odlitky nervového systému, počet gliových buněk v mozku ve skutečnosti převyšuje počet neuronů desetkrát. Neurony by nebyly schopné fungovat bez životně důležitých rolí, které tyto gliové buňky plní. Glia vede vyvíjející neurony na místo určení, vyrovnávací ionty a chemikálie, které by jinak poškozovaly neurony, a poskytuje myelinové pochvy kolem axonů. Vědci nedávno zjistili, že také hrají roli v reakci na nervovou aktivitu a v modulaci komunikace mezi nervovými buňkami. Když glia nefunguje správně, může být výsledek katastrofální - většina nádorů na mozku je způsobena mutacemi v glii.

Druhy Glia

Existuje několik různých typů glia s různými funkcemi, z nichž dvě jsou znázorněny na obrázku ( PageIndex {6} ). Astrocyty zobrazené na obrázku ( PageIndex {7} ) navazují kontakt s kapilárami i neurony v CNS. Poskytují živiny a další látky neuronům, regulují koncentrace iontů a chemikálií v extracelulární tekutině a poskytují strukturální podporu synapsím. Astrocyty také tvoří hematoencefalickou bariéru-strukturu, která blokuje vstup toxických látek do mozku. Zejména astrocyty byly pomocí experimentů zobrazování vápníku prokázány, že se stanou aktivními v reakci na nervovou aktivitu, přenášejí vlny vápníku mezi astrocyty a modulují aktivitu okolních synapsí.

Satelitní glia poskytuje živiny a strukturální podporu neuronům v PNS. Mikroglie zachycuje a degraduje mrtvé buňky a chrání mozek před invazí mikroorganismů. Oligodendrocyty, zobrazené na obrázku ( PageIndex {7} ), tvoří myelinové pochvy kolem axonů v CNS. Jeden axon může být myelinizován několika oligodendrocyty a jeden oligodendrocyt může poskytnout myelin pro více neuronů. To se liší od PNS, kde jedna Schwannova buňka poskytuje myelin pouze pro jeden axon, protože celá Schwannova buňka obklopuje axon. Radiální glia slouží jako lešení pro vývoj neuronů při jejich migraci do koncových destinací. Ependymální buňky lemují tekutiny naplněné komory mozku a centrální kanál míchy. Podílejí se na produkci mozkomíšního moku, který slouží jako polštář pro mozek, pohybuje tekutinou mezi míchou a mozkem a je součástí choroidálního plexu.

Souhrn

Nervový systém se skládá z neuronů a glie. Neurony jsou specializované buňky, které jsou schopné vysílat elektrické i chemické signály. Většina neuronů obsahuje dendrity, které tyto signály přijímají, a axony, které vysílají signály do jiných neuronů nebo tkání. Existují čtyři hlavní typy neuronů: unipolární, bipolární, multipolární a pseudounipolární neurony. Glia jsou neneuronální buňky v nervovém systému, které podporují vývoj a signalizaci neuronů. Existuje několik typů glia, které plní různé funkce.

Art Connections

[odkaz] Které z následujících tvrzení je nepravdivé?

  1. Soma je buněčné tělo nervové buňky.
  2. Myelinový plášť poskytuje dendritům izolační vrstvu.
  3. Axony přenášejí signál ze soma do cíle.
  4. Dendritové přenášejí signál do soma.

[odkaz] B

Glosář

astrocyt
gliová buňka v centrálním nervovém systému, která poskytuje živiny, extracelulární pufrování a strukturální podporu neuronům; také tvoří hematoencefalickou bariéru
axon
trubicovitá struktura, která šíří signál z těla buňky neuronu do terminálů axonů
pahorek axonů
elektricky citlivá struktura neuronu na buněčném těle, která integruje signály z více neuronálních spojení
axonový terminál
struktura na konci axonu, která může tvořit synapsi s jiným neuronem
dendrit
struktura, která se rozprostírá od těla buňky a přijímá zprávy od jiných neuronů
ependymální
buňka, která lemuje tekutiny naplněné komory mozku a centrální kanál míchy; podílí se na tvorbě mozkomíšního moku
glia
(také gliové buňky) buňky, které poskytují podpůrné funkce pro neurony
mikroglie
glia, které zachycují a degradují odumřelé buňky a chrání mozek před invazí mikroorganismů
myelin
tuková látka produkovaná glií, která izoluje axony
neuron
specializovaná buňka, která může přijímat a přenášet elektrické a chemické signály
uzly Ranvier
mezery v myelinové pochvě, kde se signál dobíjí
oligodendrocyt
gliová buňka, která myelinizuje axony neuronů centrálního nervového systému
radiální glia
glia, které slouží jako lešení pro vývoj neuronů při jejich migraci do konečných destinací
satelitní glia
gliová buňka, která poskytuje živiny a strukturální podporu neuronům v periferním nervovém systému
Schwannova buňka
gliová buňka, která vytváří myelinový obal kolem axonu neuronu periferního nervového systému
synapse
křižovatka mezi dvěma neurony, kde jsou předávány neuronální signály

Mitochondriální dysfunkce v gliových buňkách: Důsledky pro neuronální homeostázu a přežití

Mitochondriální dysfunkce je ústředním bodem patogeneze neurologických poruch. Neurony spoléhají na oxidační fosforylaci, aby splnily své energetické požadavky, a proto změny mitochondriální funkce jsou spojeny s energetickým selháním a smrtí neuronálních buněk. Kromě toho se v neuronech uvádí, že dysfunkční mitochondrie zvyšují hladiny reaktivních forem kyslíku v ustáleném stavu odvozené z úniku elektronů z elektronového transportního řetězce. Výzkum zaměřený na porozumění mitochondriální dysfunkci a její roli v neurologických poruchách byl primárně zaměřen na neurony. Naproti tomu účinky mitochondriální dysfunkce na funkci gliových buněk a její důsledky pro neuronální homeostázu a mozkové funkce byly do značné míry studovány. Na rozdíl od neuronů a oligodendrocytů, astrocyty a mikroglie nedegenerují na poškození mitochondriální funkce, protože se spoléhají především na glykolýzu k výrobě energie a mají vyšší antioxidační kapacitu než neurony. Nedávné důkazy však zdůrazňují úlohu mitochondriálního metabolismu a signalizace ve funkci gliových buněk. V této práci zkoumáme funkční úlohu mitochondrií v gliových buňkách a důkazy týkající se její potenciální role regulující neuronální homeostázu a progresi onemocnění.

Klíčová slova: Astrocyty Vápník Oxidace volných mastných kyselin Glykolýza Zánět Mikroglie Mitochondrie Oligodendrocyty Redox.

Copyright © 2017 Elsevier B.V.Všechna práva vyhrazena.

Obrázky

Neuronální metabolismus, redoxní homeostáza a…

Neuronální metabolismus, redoxní homeostáza a signalizace jsou podporovány sousedními gliovými buňkami. 1.1:…

Mitochondriální metabolismus a signalizace v…

Mitochondriální metabolismus a signalizace v astrocytech. 2.1: Glukóza v astrocytech se používá pro…


Více než jen „lepidlo“

Glia má mnoho forem k provádění svých specializovaných funkcí: některé jsou podobné plášti, zatímco jiné jsou vřetenovité, husté nebo ve tvaru hvězdy. Mnoho se proplétá kolem neuronů a tvoří síť tak hustou, že jednotlivé buňky je těžké rozlišit. Některým raným pozorovatelům nevypadaly ani jako buňky - byly považovány za podpůrnou matici v lebce. To přimělo badatele z 19. století Rudolpha Virchowa k kopírování tohoto neuronového materiálu „neuroglia“, čerpajícího z řeckého slova pro lepidlo.

Na tomto zvětšeném obrazu mozkové tkáně jsou neurony (modré) obklopeny velkým počtem gliových buněk, včetně astrocytů (červená) a oligodendrocytů (zelená). Jonathan Cohen/NIH

Jedním z důvodů, proč byly glia tak krátké, bylo to, že když vědci poprvé začali barvit tkáň nervového systému, jejich metody odhalily spletité tvary neuronů, ale zobrazovaly pouze vybrané glie. Santiago Ramón y Cajal, kterému se připisuje objev neuronů a je široce považován za zakladatele neurovědy, ilustroval jeden podtyp glie, ale zbytek spojil dohromady jako „třetí prvek“. Jeho zaměření na neurony připravilo půdu pro narůstající pole neurovědy, ale strčil glii za závěsy.

Některé glie jsou navíc náročné na studium, protože jejich osudy jsou tak spjaty s neurony, že je těžké se o nich dozvědět zvlášť. Pokud se vědci pokusí dozvědět se o funkcích glia jejich vyřazením a pozorováním účinků, neurony, které podporují, zemřou spolu s nimi.

Ale revoluce v technikách buněčné biologie v posledních desetiletích vytvořila arzenál nástrojů, které nabízejí lepší přístup ke glii, řekl Shaham. Pokroky v živém zobrazování, fluorescenčním značení a genetické manipulaci odhalují šíři forem a funkcí glie.