Введение
Разрывы между миелиновыми оболочками на аксоне нейрона. В нейробиологии и анатомии узлы Ранвье (произносится /ˈrænviː/ Ранви́), также известные как пробелы в миелиновой оболочке, расположены вдоль миелинизированного аксона, где аксолемма контактирует с внеклеточным пространством. Узлы Ранвье не изолированы и содержат высокую концентрацию ионных каналов, что позволяет им участвовать в обмене ионами, необходимом для восстановления потенциала действия. Передача нервного импульса в миелинизированных аксонах называется скачкообразной проводимостью, поскольку потенциал действия как бы "перескакивает" от одного узла Ранвье к другому вдоль аксона. Это обеспечивает более быструю передачу потенциала действия.
In neuroscience and anatomy, nodes of Ranvier ('/r//ɑː//n//v//i//eɪ/ RAHNveeay), also known as myelin sheath gaps, occur along a myelinated axon where the axolemma is exposed to the extracellular space. Nodes of Ranvier are uninsulated and highly enriched in ion channels, allowing them to participate in the exchange of ions required to regenerate the action potential. Nerve conduction in myelinated axons is referred to as saltatory conduction due to the manner in which the action potential seems to "jump" from one node to the next along the axon. This results in faster conduction of the action potential.
Обзор
Многие аксоны позвоночных окружены миелиновой оболочкой, обеспечивающей быстрое и эффективное скачкообразное распространение потенциалов действия. Контакты между нейронами и глиальными клетками демонстрируют очень высокий уровень пространственной и временной организации в миелинизированных волокнах. Миелинизирующие глиальные клетки – олигодендроциты в центральной нервной системе (ЦНС) и клетки Швана в периферической нервной системе (ПНС) – оборачиваются вокруг аксона, оставляя аксолемму относительно непокрытой в регулярно расположенных узлах Ранвье. Интернодальные глиальные мембраны сливаются, формируя компактный миелин, в то время как заполненные цитоплазмой паранодальные петли миелинизирующих клеток спирально обвиваются вокруг аксона с обеих сторон узлов. Эта организация требует строгого контроля развития и формирования разнообразных специализированных зон контакта между различными участками миелинизирующей клеточной мембраны. Каждый узел Ранвье фланкирован паранодальными областями, где геликоидально обернутые глиальные петли прикреплены к аксональной мембране посредством септальных, похожих на соединения, структур. Сегмент между узлами Ранвье называется интернодом, а его самая внешняя часть, контактирующая с паранодами, именуется юкстапаранодальной областью. Узлы заключены в микроворсинки, исходящие из наружного аспекта мембраны клеток Швана в ПНС, или в перинодальные отростки астроцитов в ЦНС.
Структура
Интерноды – это миелиновые сегменты, а промежутки между ними называются узлами (или перехватами Ранвье). Размер и расстояние между интернодами варьируются в зависимости от диаметра волокна по нелинейной зависимости, оптимизированной для максимальной скорости проведения импульса. Размер узлов составляет от 1 до 2 мкм, в то время как длина интернодов может достигать (и иногда даже превышать) 1,5 мм, в зависимости от диаметра аксона и типа волокна. Структура узла и прилегающих паранодальных областей отличается от структуры интернодов под компактной миелиновой оболочкой, но в центральной и периферической нервной системе она очень похожа. Аксон подвергается воздействию внеклеточной среды в узле и сужается в диаметре. Уменьшение размера аксона отражает более высокую плотность упаковки нейрофиламентов в этой области, которые менее интенсивно фосфорилированы и транспортируются медленнее. В узлах также увеличено количество везикул и других органелл, что указывает на наличие "узкого места" для аксонального транспорта в обоих направлениях, а также на локальную аксональную глиальную сигнализацию. При изготовлении продольного среза через миелинизирующую клетку Швана в области узла выделяются три отчетливых сегмента: типичный интернод, паранодальная область и сам узел. В интернодальной области клетка Швана имеет внешний цитоплазматический "воротник", компактную миелиновую оболочку, внутренний цитоплазматический "воротник" и аксолемму. В паранодальных областях цитоплазма паранодальных петель контактирует с утолщениями аксолеммы, формируя септаподобные соединения. Только в узле аксолемма контактирует с несколькими микроворсинками клетки Швана и содержит плотную цитоскелетную подложку.
Различия в центральной и периферической нервной системах
Хотя исследования методом скалывания при замораживании показали, что узелковая аксолема как в ЦНС, так и в ПНС обогащена внутримембранными частицами (IMP) по сравнению с интернодом, существуют некоторые структурные различия, отражающие их клеточный состав. Внеклеточная область β-субъединиц может ассоциировать с собой и другими белками, такими как тенасцин R и молекулы клеточной адгезии нейрофасцин и контактин. Контактин также присутствует в узлах ЦНС, и взаимодействие с этой молекулой усиливает поверхностное выражение Na+-каналов. Анкирин был обнаружен связанным с βIV-спектрином, изоформой спектрина, обогащенной в узлах Ранвье и начальных сегментах аксона. Узлы ПНС окружены микроворсинками клеток Шванна, которые содержат ERM и EBP50, что может обеспечивать связь с актиновыми микрофиламентами. В узлах Ранвье обогащены несколько белков внеклеточного матрикса, включая тенасцин R, Bral 1 и протеогликан NG2, а также фосфакан и версикан V2. В узлах ЦНС аксональные белки также включают контактин; однако микроворсинки клеток Шванна заменяются перинодальными отростками астроцитов.
Молекулярная организация
Молекулярная организация узлов соответствует их специализированной функции в проведении импульсов. Соотношение натриевых каналов в узле и интерноде позволяет предположить, что количество импульсных токов (ИПТ) соответствует числу натриевых каналов. Калийные каналы практически отсутствуют в узловой аксолемме, в то время как они высоко концентрированы в паранодальной аксолемме и мембранах клеток Шванна в области узла. Филаментозная сеть, расположенная под узловой мембраной, содержит цитоскелетные белки, такие как спектрин и анкирин. Высокая плотность анкирина в узлах может иметь функциональное значение, поскольку многие белки, локализованные в узлах, обладают способностью связываться с анкирином с исключительно высокой аффинностью. Все эти белки, включая анкирин, обогащены в начальном сегменте аксонов, что указывает на функциональную взаимосвязь. Механизм влияния этих молекулярных компонентов на кластеризацию натриевых каналов в узлах до сих пор не установлен. Хотя о присутствии некоторых молекул клеточной адгезии в узлах сообщалось непостоянно, известно, что множество других молекул в высокой концентрации присутствуют в глиальных мембранах паранодальных областей, где они способствуют их организации и структурной целостности.
Миелинизация нервных волокон
Многие исследователи наблюдали и изучали сложные изменения, происходящие в клетке Шванна в процессе миелинизации периферических нервных волокон. Первичное обволакивание аксона происходит непрерывно по всей длине клетки Шванна. Затем следует впячивание поверхности клетки Шванна, в результате чего формируется двойная мембрана из противоположных сторон впячивающейся поверхности. Эта мембрана растягивается и спирально оборачивается вокруг аксона снова и снова по мере продолжения впячивания поверхности клетки Шванна. В результате легко установить увеличение толщины миелиновой оболочки в ее поперечном сечении. Также очевидно, что каждый последующий виток спирали увеличивается в размере вдоль длины аксона с увеличением числа витков. Однако неясно, можно ли объяснить увеличение длины миелиновой оболочки исключительно увеличением длины аксона, покрываемого каждым последующим витком спирали, как было описано ранее. В месте соединения двух клеток Шванна вдоль аксона направления ламеллярного наложения миелиновых окончаний направлены в противоположные стороны. Этот стык, примыкающий к клеткам Шванна, образует область, известную как перехват Ранвье.
Ранние стадии
Исследователи доказали, что в развивающейся ЦНС Nav1.2 изначально экспрессируется во всех формирующихся узлах Ранвье. По мере созревания экспрессия Nav1.2 в узлах снижается и заменяется на Nav1.6. Nav1.2 также экспрессируется при формировании узлов ПНС, что позволяет предположить, что переключение подтипов Nav-каналов – это общее явление как в ЦНС, так и в ПНС. В том же исследовании было показано, что Nav1.6 и Nav1.2 ко-локализуются во многих узлах Ранвье на ранних стадиях миелинизации. Это привело к предположению, что ранние скопления каналов Nav1.2 и Nav1.6 впоследствии формируют узлы Ранвье. Нейрофасцин также является одним из первых белков, накапливающихся в новообразующихся узлах Ранвье, и служит местом нуклеации для прикрепления анкирина G, Nav-каналов и других белков. Недавнее установление белка глиомедина микровилли клеток Швана в качестве вероятного связывающего партнера аксонального нейрофасцина предоставляет веские доказательства важности этого белка в привлечении Nav-каналов к узлам Ранвье. Более того, данные, представленные Lambert et al. и Eshed et al., указывают на то, что нейрофасцин накапливается раньше Nav-каналов и, вероятно, играет ключевую роль на самых ранних этапах формирования узлов Ранвье. Таким образом, существует множество механизмов, которые могут работать синергически, способствуя кластеризации Nav-каналов в узлах Ранвье.
Нодальная формация
Первым событием, по-видимому, является накопление клеточных адгезионных молекул, таких как NF186 или NrCAM. Внутриклеточные домены этих клеточных адгезионных молекул взаимодействуют с анкирином G, который служит якорем для натриевых каналов. Одновременно с этим периаксональное расширение глиальной клетки оборачивается вокруг аксона, формируя паранодальные области. Это перемещение вдоль аксона существенно способствует общему формированию узлов Ранвье, позволяя геминодам, образованным на краях соседних глиальных клеток, сливаться в полноценные узлы. Септаподобные соединения формируются в паранодах с обогащением NF155 в глиальных паранодальных петлях. Сразу после ранней дифференцировки узловых и паранодальных областей калиевые каналы, Caspr2 и TAG1 накапливаются в юкстапаранодальных областях. Это накопление напрямую совпадает с формированием компактного миелина. В зрелых узловых областях взаимодействие с внутриклеточными белками представляется жизненно важным для стабильности всех узловых областей. В ЦНС олигодендроциты не имеют микроворсинок, но, по-видимому, способны инициировать кластеризацию некоторых аксональных белков посредством секретируемых факторов. Комбинированное действие этих факторов и последующие движения, возникающие при обертывании периаксонального отростка олигодендроцитов, может объяснить организацию узлов Ранвье в ЦНС.
Потенциал действий
Акционный потенциал – это кратковременное изменение электрического потенциала мембраны клетки, вызванное последовательной ионной поляризацией и деполяризацией. Формирование и проведение акционных потенциалов является фундаментальным механизмом передачи информации в нервной системе. Акционные потенциалы представляют собой быстрые изменения напряжения на плазматической мембране аксонов. Эти быстрые изменения опосредованы вольтаж-зависимыми ионными каналами, расположенными в плазматической мембране. Акционный потенциал распространяется от одного участка клетки к другому, однако ионный поток через мембрану происходит только в перехватах Ранвье. В результате сигнал акционного потенциала "перескакивает" вдоль аксона, от перехвата к перехвату, а не распространяется непрерывно, как в аксонах, лишенных миелиновой оболочки. Концентрация вольтаж-зависимых натриевых и калиевых ионных каналов в перехватах обеспечивает такое поведение.
Соляная проводимость
Поскольку аксон может быть немиелинизированным или миелинизированным, потенциал действия имеет два способа распространения по аксону. Эти способы называются непрерывной проводимостью для немиелинизированных аксонов и скачкообразной проводимостью для миелинизированных аксонов. Скачкообразная проводимость определяется как перемещение потенциала действия дискретными скачками по миелинизированному аксону. Этот процесс заключается в пассивном распространении заряда к следующему перехвату Ранвье для деполяризации до порогового значения, что затем вызывает потенциал действия в этой области, который, в свою очередь, пассивно распространяется к следующему перехвату и так далее. Скачкообразная проводимость дает одно преимущество перед проводимостью, происходящей вдоль аксона без миелиновой оболочки: повышенная скорость, обеспечиваемая этим способом проводимости, обеспечивает более быстрое взаимодействие между нейронами. С другой стороны, в зависимости от средней частоты возбуждения нейрона, расчеты показывают, что энергетические затраты на поддержание потенциала покоя олигодендроцитов могут превысить экономию энергии, достигаемую за счет потенциалов действия. Таким образом, миелинизация аксона не обязательно приводит к экономии энергии.
Регуляция паранод через накопление митохондрий
Митохондрии и другие мембранные органеллы обычно концентрируются в области PNP периферических миелинизированных аксонов, особенно аксонов большого диаметра. Фактическая физиологическая роль этого накопления и факторы, его регулирующие, остаются неясными; однако известно, что митохондрии обычно присутствуют в областях клетки с высокой потребностью в энергии. В этих же областях также располагаются конусы роста, синаптические терминали и места инициации и регенерации потенциала действия, такие как узлы Ранвье. В синаптических терминалях митохондрии производят АТФ, необходимый для мобилизации везикул при нейротрансмиссии. В узлах Ранвье митохондрии играют важную роль в проведении импульсов, обеспечивая АТФ, необходимый для поддержания активности энергозависимых ионных насосов. Подтверждая это, в аксоплазме PNP крупных периферических аксонов содержится примерно в пять раз больше митохондрий, чем в соответствующих интернодальных участках этих волокон. Также установлено, что αII-спектрин в аксональном цитоскелете абсолютно необходим для стабилизации кластеров натриевых каналов и организации зрелого узла Ранвье.
Возможность регулирования посредством молекулы распознавания OMgp
Ранее было показано, что OMgp (олигодендроцитарный миелиновый гликопротеин) скапливается в узлах Ранвье и может регулировать паранодальную архитектуру, длину узла и аксональное прорастание в узлах. Однако, последующее исследование выявило, что антитело, ранее использованное для идентификации OMgp в узлах, даёт перекрестную реакцию с другим компонентом, обогащенным в узлах – версиканом V2, и что OMgp не является необходимым для поддержания целостности узлов и паранод. Это ставит под сомнение ранее сообщенную локализацию OMgp в узлах и предложенные функции этого белка.
Клиническое значение
Белки в этих возбудимых доменах нейрона при повреждении могут вызывать когнитивные нарушения и разнообразные невропатические заболевания.
История
Миелиновая оболочка длинных нервов была обнаружена и названа немецким патологоанатомом Рудольфом Вирхоу в 1854 году. Позднее французский патолог и анатом Луи Антуан Ранвье открыл перехваты, или разрывы, в миелиновой оболочке, которые впоследствии были названы перехватами Ранвье. Родившийся в Лионе, Ранвье был одним из наиболее выдающихся гистологов конца XIX века. В 1867 году Ранвье оставил патологические исследования и стал ассистентом физиолога Клода Бернара. В 1875 году он возглавил кафедру общей анатомии в Коллеж де Франс. Его усовершенствованные гистологические методики и работы как с поврежденными, так и с нормальными нервными волокнами получили всемирное признание. Его наблюдения за перехватами волокон и дегенерацией и регенерацией перерезанных волокон оказали значительное влияние на парижскую неврологию в больнице Сальпетриер. Вскоре после этого он обнаружил разрывы в оболочках нервных волокон, которые позже стали называться перехватами Ранвье. Это открытие впоследствии побудило Ранвье к тщательному гистологическому изучению миелиновых оболочек и клеток Шванна.