Изображение поперечного сечения нервных волокон (аксонов) зрительного нерва под электронным микроскопом. Аксоны окружены специальными глиальными клетками, олигодендроцитами, которые в несколько слоев окружают аксоны. Между аксонами расположены отростки астроцитов, другого типа глиальных клеток. © К.-А.Неф / MPI f. Экспериментальная медицина
Около 100 миллиардов нейронов в человеческом мозгу позволяют нам думать, чувствовать и действовать. Они передают электрические импульсы в отдаленные части мозга и тела через длинные нервные волокна, известные как аксоны. Это общение требует огромного количества энергии, которую нейроны, как считается, генерируют из сахара. Аксоны тесно связаны с глиальными клетками, которые, с одной стороны, окружают их электрически изолирующей миелиновой оболочкой, а с другой стороны, поддерживают их долгосрочную функцию. Клаус Армин и его исследовательская группа из Института экспериментальной медицины Макса Планка в Геттингене открыли возможные механизмы, с помощью которых глиальные клетки мозга могут поддерживать связанные с ними аксоны и поддерживать их жизнь в долгосрочной перспективе.
Олигодендроциты – это группа высокоспециализированных глиальных клеток центральной нервной системы. Они несут ответственность за формирование богатой жирами миелиновой оболочки, которая окружает нервные волокна в качестве изолирующего слоя. Сравнение с покрытием на электрических кабелях очевидное; однако миелин может делать гораздо больше, чем действовать как изолирующий слой на электрических кабелях: он увеличивает скорость передачи аксонов, а также снижает текущее потребление энергии. Чрезвычайное значение миелина для функционирования нервной системы подтверждается заболеваниями, возникающими из-за дефекта изоляционного слоя, такими как рассеянный склероз
Интересно, что функция олигодендроцитов выходит далеко за рамки простого обеспечения миелином. Клаус-Армин Наве и его команда из Института Макса Планка в Геттингене уже много лет назад продемонстрировали, что здоровые глиальные клетки также необходимы для долгосрочного функционирования и выживания самих аксонов, независимо от миелинизации. «Способ, которым олигодендроциты функционально поддерживают свои ассоциированные аксоны, до сих пор не был ясен нам», говорит Неф. В новом исследовании ученые смогли показать, что глиальные клетки участвуют, среди прочего, в восполнении энергии нервных волокон. ?? Их можно было бы описать как заправочные станции на магистрали передачи данных аксонов, ?? говорит Нейв, объясняя результаты.
Но как работает дозаправка? Есть ли метаболическая связь между олигодендроцитами и аксонами?? Чтобы выяснить это, Урсула Фюнфшиллинг создала генетически модифицированных мышей: функция митохондрий в олигодендроцитах была намеренно нарушена из-за инактивации гена Cox10. Это влияет на заключительные стадии расщепления сахара, происходящие в митохондриях, где используется энергия ?? процесс, известный как дыхательная цепь. Если звено в этой цепи отсутствует, в данном случае цитохромоксидаза, которая функционирует только тогда, когда клетки имеют фермент Cox10, глиальные клетки постепенно теряют способность к клеточному дыханию в своих митохондриях. «Без самостоятельного дыхания манипулируемые глиальные клетки нервной системы должны были бы умереть», объясняет ученый. То есть, если только низкий уровень энергии, получаемой от расщепления глюкозы с образованием пирувата или молочной кислоты, для них достаточно процесса, известного как гликолиз.
И это именно то, что ученые наблюдали у своих мышей: животных ?? миелин изначально образовался нормальным путем. Потеря митохондриальной дыхательной цепи, которая началась в этот момент, по-видимому, не повлияла на глиальные клетки в центральной нервной системе. Даже год спустя нейродегенеративных изменений в головном мозге не наблюдалось. Ученые предполагают, что в первые недели жизни ?? фаза, характеризующаяся максимальным потреблением энергии ?? мутировавшие олигодендроциты по-прежнему полагаются на многие интактные митохондрии. Позже оказывается, что все более зрелые олигодендроциты снижают митохондриальное дыхание и заставляют его генерировать энергию за счет увеличения гликолиза. Это имеет то преимущество для здоровых глиальных клеток, что продукты метаболизма, возникающие при расщеплении глюкозы, могут использоваться в качестве компонентов для синтеза миелина. Кроме того, молочная кислота, которая образуется в олигодендроцитах, может поступать в аксоны, где она может использоваться для производства энергии с помощью собственных митохондрий аксона.
«Полная потеря дыхательной цепи в преднамеренно модифицированных олигодендроцитах, вероятно, повышает естественный этап развития, который разворачивается естественным образом», объясняет Нейв. Таким образом, потеря глиальных митохондрий не приводит к ухудшению подачи энергии к аксонам, а, наоборот, к избытку используемой молочной кислоты. Сами пораженные нервные пути не имеют проблем с метаболизмом молочной кислоты из олигодендроцитов. Транспортные белки обеспечивают быстрый перенос молочной кислоты между олигодендроцитами и их миелинизированными аксонами.
Это открытие обеспечивает новое понимание роли олигодендроцитов: помимо их известного значения для миелинизации, они могут напрямую обеспечивать аксоны продуктами глюкозы, которые могут использоваться в качестве топлива с помощью митохондрий аксонов в периоды высокой активности. Это соединение глиальных клеток может объяснить, среди прочего, почему при многих заболеваниях миелина, например при рассеянном склерозе, пораженные демиелинизированные аксоны часто страдают необратимыми повреждениями.