Мозг как система, контролируемая гуморальными, метаботропными, межтканевыми и межклеточными взаимодействиями

Мозг, несмотря на относительную автономность, не может не подвергаться влиянию других систем организма. Это связано, среди прочего, с состоянием газообмена, метаболического обеспечения, действием периферических гормонов и т. д. Не рассматривая экстремальные и повреждающие воздействия, попробуем описать некоторые стороны таких взаимовлияний. Как известно, далеко не все гормоны проникают в физиологических условиях через ГЭБ, и их влияния могут быть опосредованы через эндотелий, на чем мы остановимся в соответствующей главе. Но есть и гормоны, непосредственно попадающие в ткани мозга. Это трийодтиронин и тетрайодтиронин, половые стероиды, глюкокортикоиды.

Важную роль в поддержании функции мозга играют половые гормоны. (Torran-Allerand C.D. et al., 1988; Garcia-Segura L.M. et al., 1989; Olmos G. et al., 1989; Yung-Testas I. et al., 1989, 1991, 1992; Langub M.C., Watson R.E., 1992; Naftolin F. et al., 1993). В приведенных источниках показано, что стероидный фон является важным в формировании и функциональных реакциях астроцитов. В ответ на влияние эстрогенов астроциты участвуют в процессах формирования соответствующего окружения вокруг гипоталамических пептидоадренергических нейросекреторных клеток у грызунов и приматов (Garcia-Segura et al., 1989; Olmos G. et al., 1989; Langub M.C., Watson R.E., 1992; Naftolin F. et al., 1993).

Это обосновывается сведениями о том, что морфология, иммунологическая реактивность и состав ферментов астроглии подвергаются половому диморфизму как минимум в нескольких областях головного мозга и могут быть модифицированы половыми стероидными гормонами. Указывается на наличие рецепторов к эстрогенам и прогестерону у астроцитов, но при этом их содержание ограничено определенными участками ЦНС и в основном женскими половыми гормонами (Langub C., Watson E., 1992; Yung-Testas I. et al., 1992). Еще более заметно влияние половых гормонов на олигодендроглию, которая весьма чувствительна к мужским и женским половым гормонам, стимулирующим процессы миелинизации (Yung-Testas I. et al., 1989, 1991, 1992).

Глюкокортикоиды, как известно, играют роль в поддержании мозговых функций и в развитии мозга. В частности, полагают, что их роль значима в поддержании познавательных функций мозга. Показано, что у взрослых млекопитающих в мозге имеется значительное число рецепторов к данным гормонам (Miller A.H. et al., 1992; Diorio D. et al., 1993). Кортикостероиды, подобно половым стероидным гормонам, проникают через ГЭБ и также в числе клеток-мишеней включают нейроны и глиоциты. Глюкокортикоиды связаны со II типом рецепторов в ядре астроцита, а минералокортикоиды — с I типом внутриядерных рецепторов. Олигодендроциты имеют аналогичный рецептор II типа для глюкокортикоидов (Reul H.M., DeKloet E.R., 1985; Kumar S., deVellis J., 1988; Chou Y. et al., 1991; Pearce B., Wilkin G.P., 1995).

Глюкокортикоиды могут модулировать интенсивность синтеза ряда глиальных белков, включая ГФКБ, глютамат-синтазу, основной миелиновый белок, глицерол-фосфат-дегидрогеназу (Kumar S., deVellis J., 1988). У молодых астроцитов в ответ на дексаметазон возникают стойкие морфологические ответы в культуре тканей, что выражается в приобретении клетками звездчатой формы и удлинении отростков (Marchetti B. et al., 1995). Глиальные клетки в целом способны реагировать на глюкокортикоиды, уровень которых оказывает существенное влияние на миелинизацию, генезис олигодендроцитов и экспрессию глиального фибриллярного кислого белка (Aronsson M., 1988; Marchetti B. et al., 1995; Pearce B., Wilkin G.P., 1995). Их влияние во многом обусловлено реакциями нейронных ансамблей префронтальной коры, в свою очередь тесно связанную с дофаминергическими системами мозга (Miller A.H. et al., 1992; Diorio D. et al., 1993; Mizoguchi K. et al., 2004).

Нейроны и их взаимосвязи с астроцитами и эндотелием сосудов вызывают интерес и в связи с непосредственным распределением основного нутриента для мозга — глюкозы. Как известно, глюкоза — единственное вещество, которое зрелый нейрон способен эффективно утилизировать с образованием энергии. С учетом минимальной запасающей способности нервной ткани к накоплению этого вещества, значение приобретают процессы ее непрерывной поставки в мозг и механизмы распределения. В частности, по мнению некоторых авторов, астроциты играют важную роль в извлечении глюкозы через структуры гематоэнцефалического барьера. Это совпадает с нашими представлениями. Глюкоза метаболизируется еще до достижения этим нутриентом структур тел нейрона. Исследование натрийзависимых насосов глюкозы в условиях гипогликемии выявило интересные особенности in vitro, в кокультуре астроцитов с эндотелиальными клетками. Активность белков глюкозо-1 и глюкозо-натриевого насоса выявлялись тестированием люменальной поверхности эндотелиоцитов, с помощью Н3-D-глюкозы и альфа-метил-D-глюкопиранозида. Проведены также исследования in vivo в условиях окклюзии средней мозговой артерии. В ходе исследования было показано повышение активности указанных белков при гипогликемии. Исследование активности обоих видов насосов указывало на комбинированное усиление активности в данных условиях эксперимента. В то же время действие ишемии в прижизненных условиях у мышей сопровождалось отеком и усилением активности указанных каналов. Применение флоризина, как ингибитора глюкозо-натриевого насоса, значимо снижало степень отека при ишемии, что указывало на роль последнего в патогенезе отека.

Как выяснилось путем математического моделирования, в мозге имеются весьма ограниченные резервы для поддержания энергетической активности в нейронах. Однако их изучение на более тонком клеточном и тем более субклеточном уровне весьма затруднительно, в связи с выраженной гетерогенностью и сложным характером архитектоники нейропиля. В этой ситуации затруднительна трактовка даже современных иммуногистохимических и других специальных методов исследования.

Еще один интересный момент в изучении метаболических процессов в нервной системе — возможность анаэробно-гликолитических процессов в нейроне. Наличие в ней ферментных комплексов, обеспечивающих катаболизм глюкозы, предшествующих аэробному фосфорилированию, в целом указывает на возможность этих процессов, но они носят лишь вспомогательный характер и, по-видимому, явно недостаточны для восполнения энергопотребления в нейронах. Процесс выживания в условиях прекращения кровообращения осложняется и низким содержанием основного трофического субстрата — глюкозы, содержание которой исчерпывается уже спустя секунды после полного прекращения поступления ее из сосудов. Известно, что даже двухкратное снижение ее содержания в плазме крови по отношению к средним показателям сопровождается грубыми изменениями энергетического обмена в мозге с нарушением сознания, вплоть до комы. При этом математические расчеты по возможным способам поступления глюкозы к нейронам показывают, что без участия астроцитов подобные нарушения у части нейронов могли бы иметь место в условиях еще меньшего дефицита данного нутриента. Таким образом, роль астроцитов в поддержании достаточного уровня глюкозы в телах нейронов, особенно в условиях углеводного дефицита, продолжает оставаться дискуссионной и требует дальнейшего изучения.

В то же время показано, что нейроны отличаются накоплением в их телах лактатдегидрогеназы 1-го типа (сердечная форма), когда как в астроцитах обнаружена лактатдегидрогеназа 5-го типа. Если первая форма содержит изоформы, обеспечивающие аэробное фосфорилирование, то пятая форма находится в клеточных струкутрах с преобладающим анаэробно-гликолитическим метаболизмом. Это прямо указывает на существование астроцитарно-нейронного метаболического цикла, где лактат продуцируется в астроцитах, а разрушается в нейронах (Pellerin L., Magistretti P.J., 1994).

Остается открытым вопрос о возможности использования карбоновых кислот, в первую очередь лактата, в окислительных процессах в мозге (Ames A. 3rd, 2000). Эта проблема связана с тем, можно ли рассматривать лишь глюкозу как энергетический субстрат в мозге, так как возможности для ее распределения и поддержания в нужной концентрации весьма ограниченны. Если принять во внимание и летучие жирные кислоты, как возможные претенденты в поддержании энергетических процессов мозга, то их компенсаторные возможности расширяются. Этот вопрос длительное время оставался дискуссионным именно с учетом приведенных выше факторов. Однако не так давно было показано, что лактат при внутривенном введении активно потребляется тканями мозга, что было продемонстрировано с помощью [3-(13)C]лактата и указывает на его значение как энергетического субстрата для ЦНС (Bouzier A.K. et al., 2000).

В частности, крысам вводили [U-(13)C] лактат и [U-(13)C]глюкозу, с последующей их декапитацией через 15 мин. от начала эксперимента. В результате было установлено, что радиоактивная метка глюкозы локализовалась главным образом в глютамате, ГАМК, глютамине, аспартате, аланине и лактате, при этом в глютамате ее было больше, чем в глютамине. Последнее обстоятельство указывает на преимущественный нейрональный метаболизм пирувата из [U-(13)C]глюкозы. При этом выяснилось, что глюкоза на 2/3 служит для образования ацетил СоА в нейронах, тогда как на глиальные клетки приходится не более 34% этого процесса. При введении меченого лактата метаболизм был аналочичным, но значительно менее интенсивным. Плазменный анализ указывает на присутствие приблизительно равного содержания [1,2,3-(13)C]и [1,2-(13)C]глюкозы и что меченые аминокислоты могут быть связаны с метаболизмом меченого лактата, но при этом проявления биохимических реакций позволяют предполагать возможность проникновения лактата через ГЭБ и его дальнейшего метаболизма в паренхиме мозга. Кроме того, пируватгидроксилаза, как энзим глиоцитов, проявлял большую активность по отношению к глюкозе. Это показывает на то, что пируват в нейронах более активно метаболизируется из лактата, чем из глюкозы. При этом лактат образуется из глюкозы и в астроцитах, и затем транспортируется в нейроны. Нейроны неоднородны в катаболизме метаболита, в частности, глютаматергические нейроны используют эндогенный лактат более активно, чем ГАМК-ергические нейроны (Qu H. et al., 2000).

Семейство транспортных белков монокарбоксилатов (MCT) составлено семейством из девяти белков, из которых описана функция в основном первых четырех. Как полагают, они способны транспортировать пируват, лактат и кетоновые тела (Garcia C.K. et al., 1994, 1995; Yoon H., 1997; Halestrap A.P., Price N.T., 1999). В центральной нервной системе мРНК MCT1, так и MCT2, обильно представлены в неокортексе, гиппокампе, мозжечке, несколько более активно накапливаясь в нейронных популяциях (Koehler-Stec E.M. et al., 1998; Pellerin L. et al., 1998).

В пользу возможного транспорта лактата из внеклеточного матрикса указывает то, что в культуре ткани нейроны содержат мРНК, кодирующую белок, транспортирующий монокарбоксилат 2 (MCT2), в то время как белок, транспортирующий монокарбоксилат 1 (MCT1), более характерен для культур астроцитов. Это указывает на возможность переноса лактата к нейронам (Brцer S. et al., 1997). При исследовании транспортных белков монокарбоновых кислот MCT1 и MCT2 с помощью моноклональных антител в культуре кортикальных астроцитов выявлена их слабая экспрессия. Эти клетки одновременно отличались слабой экспрессией ГФКБ. Изучение мозга, однако, показало их низкий уровень. Их содержание возрастает в белом веществе мозга. Оба транспортных белка выявляются также в эндотелии микрососудов. Содержание рассмотренных белков в культуре ткани значительно выше, но тем не менее они выявляются и в целом мозге животного (Hanu R. et al., 2000).

У мышей выявляется высокий уровень мРНК MCT1 и MCT2 в гиппокампе, коре больших полушарий и мозжечка в раннем постнатальном онтогенезе, достигая высокого уровня на 15-е сутки внутриутробного развития. С 30-х суток до взрослого животного содержание этих транспортных белков снижается, особенно в эндотелиальных клетках. Таким образом, поступление лактата в мозг из паренхимы мозга наиболее развито в раннем послеродовом развитии. Ко взрослому состоянию ведущим становится потребление внутриклеточного лактата (Pellerin L. et al., 1998).

В то же время обнаруживается, что MCT2 содержался в глиальных клетках, отграничивающих эпендимоциты и нейропиль, особенно в молекулярном слое гиппокампа и мозжечка. Распределение MCT2 отличалось низким уровнем его экспрессии в эндотелии, перицитах, гладких миоцитах сосудов. Данный белок обнаруживался в грушевидных нейронах мозжечка, что указывает, наряду с астроцитами, на активный транспорт лактата и роль последнего в поддержании энергетического обмена в рассмотренных участках мозга (Gerhart D.Z. et al., 1998; Pierre K. et al., 2002).

Таким образом, выявленная активность MCT2 указывает на потребление нейронами лактата из их внеклеточного матрикса и может рассматриваться как один из механизмов поддержания энергетических процессов в мозге. Предположение о том, что астроциты способны поддерживать активность нейронов, особенно при их возбуждении, путем транспорта к ним метаболических субстратов, подтверждается некоторыми данными о том, что белки щелевидных контактов — коннексины 30 и 43 допускают межклеточный перенос глюкозы и ее метаболитов. Этот транспорт регулируется активностью глютаматергических синапсов, которые активируют межастроцитарный перенос нутриентов в зоны высокой активности межсинаптической передачи. Этот механизм мог бы являться дополнительным поставщиком глюкозы при ее недостатке в межклеточном веществе вокруг активированных нейронов (Rouach N., 2008).

Ишемический инсульт чаще всего сопровождается нарушениями структуры и функции мозга в пределах сосудистого бассейна поврежденной артерии. Несмотря на интенсивность повреждения в течение первых часов многие из нервных клеток не являются необратимо поврежденными и могут быть спасены при раннем восстановлении кровотока. Одним из вариантов компенсации и поддержания жизнедеятельности во время ишемии или после нее может явиться стимуляция астроцитов. Однако по настоящее время вопросы реакций астроцитов рассмотрены в небольшом объеме.

При исследовании мозга крыс, подвергшихся окклюзии средней мозговой артерии, были выявлены особенности реакций астроцитов. Для этого оценивался оксидативный метаболизм клеток по уровню из [1−14C]ацетата в глютамине. В стриарных элементах ишемизированного полушария мозга обнаружено достоверное снижение 14Cглютамина после 2−3-часовой ишемии, через 1 час после реперфузии. В то же время 4-часовая умеренная ишемия не сопровождалась подобными нарушениями, хоть и вела к гибели нейронов. Эти данные свидетельствуют, что большинство кортикальных астроцитов сохраняют жизнеспособность в постишемическом мозге даже при условии гибели нейронов, что во многом связывают с особенностями метаболизма астроцитов (Thoren A.E. et al., 2005).

Одним из направлений изучения роли нутриентов и газообмена в сосудистом кровотоке является моделирование изменений сосудистого снабжения мозга в молодом возрасте. В одном из экспериментов такого направления авторы сформировали группу мышей, у которых имелись точечные мутации с нехваткой некоторых существенных молекул. В частности, была выделена группа животных, в базиллярной артерии которых было снижено содержание мускариновых рецепторов к ацетилхолину (М5), что сопровождалось недостаточной способностью к расширению данного сосуда. Данный рецептор опосредует дилатацию через активацию образования оксида азота (Yamada N. et al., 2001).

При исследовании с помощью МРТ была показана важность базиллярных сосудов при ишемии и неупорядоченности регуляции кровоснабжения мозга, в зависимости от функциональной активности нейронов. Эти динамические нарушения имели сходство с возрастным церебральным склерозом артерий, но в отличие от последнего они проявлялись уже в раннем возрасте. Исследование познавательных тестов у рассматриваемых животных показало снижение способности к их выполнению, в отличие от контрольных животных. Авторами было показано нарушение структуры гиппокампа, что могло быть фактором, нарушающим мнестические функции (Araya E. et al., 2006).

Таким образом, мозг не является некой оторванной от организма системой. Наоборот, динамика мозговой деятельности находится в выраженной зависимости от динамики гомеостаза организма. Несмотря на указанный возможный резерв поддержания энергетических процессов в нейронах, представляется реальным, что именно резервные возможности для их поддержания в виде поступления нутриентов и газообмена являются теми предельно разрешающими факторами, определяющими интенсификацию активности нервных клеток. При этом возможности для поддержания их активности могут быть различны в разных нервных клетках, даже в условиях близкого топографического положения. Множество механизмов, имеющихся в мозге, поддерживают активность нейронов в условиях энергетического дефицита. Однако гетерофункциональность и способность к поддержанию активности, особенно в экстремальных условиях, может вести к необычным проявлениям межнейронных взаимодействий с возможностью образования новых связей и нетипичным характером ответов, а также сбоям в функции мозга.

Изменение гормонального статуса, поддержания уровня нутриентов и газообмена может существенно менять активность отдельных нейронов и всей системы в целом. Причем, исходя из данных наших исследований, важную роль в пограничных случаях играют крайние варианты сосудисто-трофического обеспечения с максимальным напряжением обменных процессов. Эти крайние различия могут иметь место даже в пределах одного нервного центра при кажущейся близости построения нейронных ансамблей. Возможно, именно эти различия могут лежать в основе диффузно-очаговых реакций нейронов при общих нарушениях кровообращения, изменениях гуморального статуса, общих интоксикациях животных и человека.

мозг нейрон метаболический окислительный.