Neuroni și celule gliale

Conspect al capitolului ”Neurons and glia”, de Bear, Connors și Paradiso, publicat în ”Neuroscience. Exploring the Brain”, în 2016.

Toate țesuturile și organele din corp sunt formate din celule. Modul în care celulele funcționează și interacționează le determină funcția. În ceea ce privește creierul, este foarte importantă distincția între neuroni și celule gliale. Neuronii sunt cei înregistrează schimbările în mediu, pe care le comunică către alți neuroni, și comandă răspunsurile organismului. Celulele gliale contribuie la funcționarea creierului prin izolare, suport și hrănire a neuronilor.

Neuronii

În studiul neuronilor, oamenii de știință au întâmpinat o serie de probleme. În primul rând, neuronii sunt extrem de mici, între 0.01 și 0.05 milimetri ca diametru. Astfel, celulele din creier nu au putut fi observate până la inventarea microscopului. Dar și atunci, trebuiau utilizate felii foarte subțiri de creier, aproximativ de aceeași dimensiune ca și diametrul neuronilor. Datorită consistenței creierului, asemănătoare cu cea a unui jeleu, feliile nu puteau fi suficient de subțiri.

La începutul secolului 19, cercetătorii au descoperit cum să întărească creierul, imersându-l în formaldehidă. Apoi, folosind un microtom, puteau tăia feliile suficient de subțiri. Astfel, a apărut domeniul histologiei, care se ocupă cu studiul structurii țesuturilor.

Însă a apărut o nouă problemă – culoarea creierului este bej uniform, astfel încât nu pot fi cercetate celulele în mod individual. Franz Nissl a arătat cum, o clasă de vopsele de bază, pot colora nucleul tuturor celulelor și materialul din jurul nucleului. Această metodă prezintă două avantaje majore. În primul rând, distinge între neuroni şi celule gliale. În al doilea rând, face posibilă studierea citoarhitecturii neuronilor din diferite părţi ale creierului.

Pata Golgi

Camillo Golgi a descoperit metoda Golgi, îmbibând ţesutul din creier într-o soluție de cromat de argint. Această metodă arată că neuronii au cel puțin două părți distincte – o regiune centrală și numeroase tuburi subțiri care radiază din aceasta. Aceste tuburi pot fi de două feluri – axoni sau dendrite.

De obicei, de la celulă pleacă un singur axon. Acesta poate fi foarte lung, chiar și de un metru, ducând informația de la neuron. Dendritele au rareori mai mult de 2 milimetri. Dintr-o celulă pleacă un număr ridicat de dendrite. Acestea vin în contact cu mulți axoni de la alți neuroni, având rolul de a duce semnal spre neuroni.

Contribuția lui Cajal

Santiago Ramon y Cajal  a utilizat metoda Golgi pentru a înțelege circuitul unor regiuni din creier. Cajal și Golgi au ajuns la concluzii diferite despre neuroni. Golgi considera că nevritele de la diferite celule fuzionează pentru a forma o rețea, similar arterelor și venelor. Astfel, celulele din creier sunt o excepție de la teoria celulei, conform căreia fiecare celulă este o unitate elementară funcțională.

Cajal considera că nevritele diferiților neuroni comunică prin contact, nu prin continuitate. Ideea că teoria celulei se aplică și neuronilor poartă numele de doctrina neuronală.

Această teorie a fost susținută pentru 50 de ani, dar dovada finală a fost disponibilă odată cu apariția microscopului electronic. Ochiul uman poate distinge două puncte ca separate dacă între ele este o distanță de cel puțin 100 de micrometri. Microscopul pe bază de lumină, limita ajungea la un micrometru, datorită limitelor impuse de lumină și lentile. Microscopul electronic folosește o rază electronică, având ca limită 0.1 nanometri. Astăzi se folosesc microscoape cu laser. În neuroni sunt incluse molecule fosforescente în lumina laserului. Fluorescența este înregistrată de detectori și computerul analizează datele, oferind o imagine reconstruită a neuronului.

Neuronul prototipic

Neuronul este format din mai multe părți – soma, dendritele și axonul. Interiorul neuronului este separat de exterior cu ajutorul unei membrane neuronale.

Soma

Soma reprezintă partea sferică centrală din interiorul neuronului. Corpul celulei are aproximativ 20 de micrometri. Fluidul din interior este numit citosol, o soluție sărată, bogată în potasiu. În somă se află structuri numite organite. Cele mai importante organite sunt nucleul, reticulul endoplasmatic rugos, reticulul endoplasmatic neted, aparatul Golgi și mitocondria. Tot ceea ce se află în limitele membranei, cu excepția nucleului, se numește citoplasmă.

Nucleul

Nucleul se află în interiorul unei membrane duble, cu pori la fiecare 0.1 micrometri. În nucleu se află cromozomii, care conțin material genetic, ADN. Aici are loc expresia genelor, din care rezultă molecule numite proteine. Sinteza proteinelor are loc în citoplasmă.

Deoarece ADN-ul nu iese din nucleu, există un intermediar care duce materialul genetic în citoplasmă. Această funcție este derulată de mARN, acid ribonucleic mesager. Acesta conține patru tipuri de acizi nucleici organizați în diferite secvențe, formând un lanț. Secvența detaliată a acizilor nucleici din lanț reprezintă informația din gene.

Procesul de asamblare a ARN-ului mesager care conține informația se numește transcripție. Între genele care codează proteine există bucăți lungi de ADN ale căror funcții rămân necunoscute. Totuși, pentru unele dintre ele, se cunosc rolurile. Astfel, la finalul unei gene se află un promoter. De această regiune se leagă enzima de sinteză a ARN-ului pentru a iniția transcripția. La celălalt capăt al secvenței de ADN se află secvența de stop, care este recunoscută pentru a încheia transcripția.

Mai există și alte fâșii de ADN chiar în genă, care nu pot coda proteine. Aceste regiuni se numesc introni, iar secvențele care codează proteine se numesc exoni. Transcripția inițială conține atât introni, cât și exoni. Apoi, printr-un proces numit splicing, intronii sunt îndepărtați. În unele cazuri, exoni specifici sunt eliminați de asemenea, ei encodează un tip diferit de proteină.

ARN-ul mesager iese din nucleu prin pori și merg spre locații de sinteză a proteinelor. Proteina este asamblată asemenei ARN-ului mesager – mai multe molecule, numite aminoacizi, sunt unite într-un lanț. Asamblarea proteinelor poartă numele de translație.

Studiul procesului începând de la ADN-ul din nucleu până la sinteza proteinelor poartă numele de biologie moleculară.

Neuronii diferă de celelalte celule de organism prin genele specifice pe care le exprimă. Datorită proiectului genomul uman descoperim ce gene sunt exprimate exclusiv în neuroni. Aceste cunoștințe au făcut posibilă înțelegerea bazelor genetice ale anumitor tulburări ale sistemului nervos. De exemplu, în unele lipsesc anumite secvențe de ADN, iar în altele secvența de ADN se dublează, ceea ce rezultă în producerea mai multor proteine. Astfel de afecțiuni se numesc variații ale numărului de copii genetice.

Alte tipuri de tulburări se datorează mutațiilor în gene sau în regiunile care reglează expresia genelor. De exemplu, în unele cazuri, o proteină poate avea o structură anormală sau chiar să lipsească.  Multe dintre genele noastre conțin mutații minore, numite polimorfism uninucleotid. Majoritatea dintre acestea nu au efecte negative, alteori pot afecta funcționarea proteinei. 

Recent a apărut domeniul ingineriei genetice. Acesta identifică moduri prin care organismul poate fi schimbat prin modificarea genetică. De cele mai multe ori, studiile dina cest domeniu sunt făcute pe șoareci, deoarece se reproduc foarte rapid și au un sistem nervos asemănător cu al oamenilor. În unele studii, o genă este îndepărtată, cu scopul de a vindeca anumite afecțiuni, precum sindromul X fragil. Alteori, genele sunt introduse și supraexprimate sau o genă înnăscută este înlocuită.

Reticulul endoplasmatic rugos

Neuronii utilizează informația din gene pentru a sintetiza proteine. Sinteza apare în structuri globulare dense numite ribozomi. Acesta translatează instrucțiunile primite de la ARN-ul mesager pentru a asambla proteinele.

În neuroni, mulți ribozomi sunt atașați de o membrană numită reticul endoplasmatic rugos. Nu toți ribozomii sunt atașați de acest reticul, mulți dintre ei fiind numiți ribozomi liberi. Câțiva ribozomi liberi par a fi atașați de un filament, fiind numiți poliribozomi. Filamentul reprezintă o fâșie de ARN mesager, iar ribozomii asociați creează copii multiple ale aceleiași proteine.

Diferența dintre proteinele sintetizate de reticulul endoplasmatic rugos și cei liberi depinde de scop. Dacă proteina este destinată să aparțină citosolului din neuron, atunci ARN-ul mesager gravitează spre ribozomii liberi. Dacă proteina urmează să intre în membrana celulei sau organite, atunci este sintetizată în reticulul endoplasmatic rugos.

Reticulul endoplasmatic neted

Restul citosolului din somă este umplut cu organite care seamănă cu reticulul endoplasmatic rugos, dar fără ribozomi. Acesta se numește reticul endoplasmatic neted și îndeplinește o multitudine de funcții în diferite locații. O parte din acesta este o continuare a reticulului endoplasmatic rugos, având rolul de a împături proteinele. Astfel, ele capătă aspectul tridimensional. Alte roluluri sunt reglarea concentrației de substanțe, precum calciul.

Cel mai departe de nucleu se află aparatul golgi, unde are loc procesarea proteinelor după translație. Acesta sortează anumite proteine destinate pentru diferite părți ale neuronului.

Mitocondria

Mitocondria este spațiul în care are loc respirația celulară. Atunci când mitocondria inhalează, trage înăuntru acid piruvic și oxigen. Acidul piruvic trece printr-o serie de reacții biochimice, numite ciclul Krebs. Produsele biochimice oferă energie care, printr-o altă reacție în cadrul cristelor, numite lanțul transportor de electroni, rezultă adenozin trifostat, sursa de energie a celulei.

Atunci când mitocrondria expiră, 17 molecule de  adenozin trifosfat pentru fiecare moleculă de acid piruvic inhalat sunt eliberate.

Membrana neuronală

Membrana neuronală reprezintă o barieră ce încastrează citoplasma în interiorul neuronului și exclude accesul unpr substanțe în care plutește neuronul. Aceasta este plină cu proteine, iar unele dintre ele pompează substanțe din-afară în neuron. Alte proteine formează pori care reglează substanțele ce au acces la interiorul neuronului. Compoziția membranei depinde de existența celulei în somă, dendrite sau axon.

Citoscheletul

Citoscheletul îi oferă neuronului forma caracteristică. În „oasele” acestuia se găsesc microtubuli, micorfilamente și neurofilamente.

Microtubulii sunt localizați longitudinal, de-a lungul nevritelor. Peretele acestora este compus din filamente împletite, formate din proteina tubulină. Filamentul este format din mai multe molecule de tubulină unite printr-un proces numit polimerizare.

Fenomenele de polimerizare și depolimerizare sunt reglate de semnalele de la neuroni. O clasă de proteine care îndeplinește acest rol este cea de proteine asociate microtubulilor (MAP). De exemplu, proteinele MAP leagă microtubulii unul de altul și de alte părți de neuron. Schimbări patologice în MAP din axon sunt asociate cu demența.

Microfilamentele sunt numeroase în nevrite. Acestea reprezintă două filamente de polimeri ai proteinei actină, împletite. Actina are rol în schimbarea formei celulei. Pe lângă prezența în nevrite, microfilamentele se află și în proximitatea membranei.

Neurofilamentele se aseamănă cu oasele și ligamentele din schelet. Un neurofilament este format din mai multe subunități, unite sub forma unei frânghii.

Axonul

Axonul se diferențiază de somă prin faptul că reticulul endoplasmatic rugos nu se extinde până la axon și există foarte puțini ribozomi liberi. De asemenea, compoziția proteică a membranei axonului este fundamental diferită de cea a membranei somei.

Axonii se pot întinde de la un milimetru, până la un metru. Deseori, aceștia conțin ramificații, numite axoni colaterali, care comunică cu diferite părți ale sistemului nervos. Uneori, un axon colateral se întoarce pentru a comunica cu aceeași celulă sau cu dendrite apropiat. Acești axoni se numesc colaterali recurenți.

Diametrul unui axon variază de la 1 micrometru la 25 de micrometri. Viteza cu care impulsul electric circulă depinde de acest diametru.

Fiecare axon are un terminal, asemănător cu un disc. Acesta este punctul în care axonul intră în contact cu alt neuron, punct denumit sinapsă. Axonii pot avea mai multe ramificări scurte, care formează sinapse diferite. Uneori, axonii formează sinapse cu regiuni umflate din lungimea lor și, apoi, continuă pentru a se termina în altă locație. Acestea zone umflate se numesc boutons en passant. În oricare dintre cazuri, atunci când un neuron face sinapsă cu o altă celulă, are loc inervarea acesteia.

Citoplasma terminalului diferă de citoplasma axonului din mai multe puncte de vedere. Microtubulii nu se extind în terminal, terminalul conține numeroase bule de membrană, numite vezicule sinaptice, suprafața internă a membranei care ajunge în contact cu sinapsa este densă în proteine și citoplasma din axonul terminal conține numeroase mitocondrii.

Sinapsa este formată din două părți – presinapsă și postsinapsă. Partea presinaptică include axonul terminal, iar cea postsinaptică poate fi o dendrită sau un neuron. Spațiul dintre cele două se numește fantă sinaptică. Transferul informației de la sinapsa unui neuron la alt neuron se numește transmisie sinaptică.

În majoritatea sinapselor, informația traversează axonul și, în terminal, este transformată în semnal chimic. În membrana postsinaptică, semnalul chimic este transformat iar în semnal electric. Semnalul chimic se numește neurotransmițător.

Deoarece în axoni nu se întâlnesc ribozomi, proteinele trebuie să fie sintetizate în somă și transmise către axon, proces numit transport axoplasmatic. Însă acest proces ar face ca sinapsele depărtate să primească proteinele după un an.

A fost descoperit transportul axoplasmatic rapid, cu o viteză de 1000 de milimetri pe zi. Transportul se face pe baza unei proteine numite kinezină, iar procesul este alimentat de ATP. Kinezina transportă materialul de la somă la terminal, mișcare numită transport anterograd.

Însă există și un mecanism pentru transportarea materialului până la somă, proces numit transport retrograd. Acesta are rolul de a semnaliza somei schimbări în nevoile metabolice ale axonului. În acest proces, substanța transportoare se numește dienină.

Dendritele

Dendritele unui neuron poartă numele de arbore dendritic. Arborii dendritici prezintă o varietate de forme și mărimi, folosite pentru a clasifica diferite tipuri de neuroni. Întrucât dendritele funcționează ca niște antene ale neuronului, sunt acoperite în sinapse. Membrana postsinaptică include molecule de proteine specializate, numite receptori, care detectează neurotransmițătorii din fanta sinaptică.

Dendritele unor neuroni sunt acoperite cu spini sinaptici, care primesc input sinpatic. Se consideră că aceștia izolează anumite reacții chimice care sunt declanșate de activarea sinaptică. Citoplasma din dendrite este asemănătoare cu cea din axoni. Ceea ce este interesant este că aceasta conține și ribozomi.

Clasificarea neuronilor

Clasificarea bazată pe structura neuronilor

În funcție de numărul de nevrite, neuronii pot fi clasificați în neuroni unipolari, bipolari sau multipolari. Neuronii unipolari au o singură nevrită, cei bipolari au două și cei multipolari au mai multe.

O altă clasificare poate fi făcută în funcție de caracteristicile dendritelor. Dacă acestea au spini, neuronii sunt numiți neuroni cu spini, iar dacă nu au, sunt numiți neuroni fără spini.

În funcție de conexiunile pe care le fac sinapsele, neuronii pot fi senzoriali primari, motori sau interneuroni. Neuronii senzoriali primari fac sinapse cu suprafețe senzoriale ale organismului. Cei motori, fac sinapse cu mușchii, iar cei interneuronali cu alți neuroni.

În funcție de lungimea axonilor, putem diferenția între neuroni Golgi 1 și neuroni Golgi 2. Neuronii Golgi 1 sunt cei care au axoni lungi, în timp ce neuronii Golgi 2 au axoni scurți, locali.  

Clasificare bazată pe expresia genelor

Odată ce o diferență genetică este identificată, informația poate fi folosită pentru a crea șoareci transgenici, care permit investigarea neuronilor. De exemplu, o genă străină ce codează o proteină fluorescentă poate fi introdusă în șoareci și plasată sub controlul promoterului specific.

O diferență importantă ține de neurotransmițătorii utilizați. Aceste diferențe apar din cauza diferențelor de expresie a proteinelor implicate în sinteza, stocarea și utilizarea transportorului. De exemplu, toți neuronii motori eliberează acetilcolină, fiind clasificați drept neuroni colinergici.

Celulele gliale

Astrocitele

Cele mai multe celule gliale din creier se numesc astrocite. Acestea pot influența măsura în care o nevrită poate crește. Un rol esențial al astrocitelor este reglarea conținutului chimic al spațiului extracelular. În plus, ele conțin proteine speciale în membrană, care au rolul de a elimina neurotransmițătorii din fanta sinaptică. Mai mut, membrana astrocitelor conține receptori pentru neurotransmițători care pot declanșa evenimente electrice sau biochimice.

Oligodendrogliile și celulele Schwann

Funcția primară a oligodendrogliilor și a celulelor Schwann, este de a izola axonii. Axonii sunt înveliți într-o teacă de mielină. Aceasta este întreruptă periodic, existând regiuni numite nodul lui Ranvier, în care membrana axonului este expusă.

Există anumite diferențe între oligodendroglii și celulele Schwann la nivel de locație și caracteristici. De exemplu, o oligodendroglie mielinizează mai mulți axoni, în timp ce fiecare celulă Schwann mielinizează doar un axon.

Alte celule

Pe lângă neuroni, astrocite și oligodendroglii, mai există și alte celule în creier. De exemplu, celulele ependimare. Acestea aliniază ventriculi plini cu fluid în creier, având rol în migrația neuronală din dezvoltarea creierului.

Alte celule importante sunt microgliile, care funcționează drept fagocite care curăță rezidurile rămase de la neuroni și celule gliale moarte sau degenerate. Microgliile pot migra din creier în sânge.

În final, creierul este și foarte vascularizat, conținând vene, artere și capilare, care distribuie oxigen și nutrienți.