Введение

Жирное вещество, окружающее аксоны нервных клеток для их изоляции и увеличения скорости передачи. Миелин (Myelin) – это богатый липидами материал, окружающий аксоны нервных клеток (электрические провода нервной системы) для их изоляции и увеличения скорости, с которой электрические импульсы (называемые потенциалами действия) проходят вдоль аксона. Миелинизированный аксон можно сравнить с электрическим проводом (аксоном), покрытым изоляционным материалом (миелином). Однако, в отличие от пластиковой оболочки электрического провода, миелин не образует единую длинную оболочку по всей длине аксона. Скорее, миелин покрывает аксон сегментарно: как правило, каждый аксон окружен несколькими длинными оболочками с короткими промежутками между ними, называемыми перехватами Ранвье. В перехватах Ранвье, длина которых составляет примерно одну тысячную миллиметра, мембрана аксона лишена миелина. Наиболее известная функция миелина – увеличение скорости передачи информации, закодированной в виде электрических зарядов, вдоль аксона. Миелин достигает этого, обеспечивая сальтаторную проводимость. Сальтаторная проводимость означает, что электрические импульсы «перескакивают» вдоль аксона, через длинные миелиновые оболочки, от одного перехвата Ранвье к другому. Таким образом, информация передается примерно в 100 раз быстрее по миелинизированному аксону, чем по немиелинизированному. На молекулярном уровне миелиновая оболочка увеличивает расстояние между внеклеточными и внутриклеточными ионами, уменьшая накопление электрических зарядов. Прерывистая структура миелиновой оболочки приводит к тому, что потенциал действия «перескакивает» из одного перехвата Ранвье на длинный (около 0,1 мм – >1 мм, или 100–1000 микрон) миелинизированный участок аксона, называемый интернодальным сегментом или «интернодом», прежде чем «перезарядиться» в следующем перехвате Ранвье. Этот «перескок» продолжается до тех пор, пока потенциал действия не достигнет окончания аксона. Попав туда, электрический сигнал вызывает высвобождение химических нейротрансмиттеров в синапс, которые связываются с рецепторами на постсинаптической клетке (например, другом нейроне, миоците или секреторной клетке). Миелин синтезируется глиальными клетками – ненейронными клетками, обеспечивающими питательную и гомеостатическую поддержку аксонов. Это связано с тем, что аксоны, будучи удлиненными структурами, находятся слишком далеко от тела клетки, чтобы поддерживаться самими нейронами. В центральной нервной системе (мозг, спинной мозг и зрительные нервы) миелинизацию формируют специализированные глиальные клетки, называемые олигодендроцитами, каждая из которых отправляет отростки (подобные конечностям расширения от тела клетки) для миелинизации нескольких близлежащих аксонов; в то время как в периферической нервной системе миелин образуется нейролеммоцитами (клетками Шванна), которые миелинизируют только участок одного аксона. В ЦНС аксоны передают электрические сигналы от одного тела нервной клетки к другому. «Изолирующая» функция миелина необходима для эффективной двигательной функции (например, движения, такого как ходьба), сенсорной функции (например, зрения, слуха, обоняния, ощущения прикосновения или боли) и когнитивных функций (например, приобретения и воспроизведения знаний), что подтверждается последствиями заболеваний, влияющих на миелинизацию, таких как генетически обусловленные лейкодистрофии; приобретенное воспалительное демиелинизирующее заболевание – рассеянный склероз; и воспалительные демиелинизирующие периферические нейропатии. В силу своей высокой распространенности, рассеянный склероз, который особенно поражает центральную нервную систему (мозг, спинной мозг и зрительный нерв), является наиболее известным заболеванием миелина.

Разработка

Процесс образования миелина называется миелинизацией или миелиногенезом. В ЦНС клетки-предшественники олигодендроцитов (OPC) дифференцируются в зрелые олигодендроциты, которые формируют миелин. У человека миелинизация начинается в начале 3-го триместра беременности, хотя к моменту рождения в ЦНС или ПНС присутствует лишь небольшое количество миелина. В период младенчества миелинизация быстро прогрессирует, и все большее число аксонов покрываются миелиновыми оболочками. Это соответствует развитию когнитивных и двигательных навыков, включая понимание речи, развитие речи, ползание и ходьбу. Миелинизация продолжается в подростковом возрасте и ранней взрослости, и хотя к этому времени она в основном завершается, миелиновые оболочки могут формироваться в областях серого вещества, таких как кора головного мозга, на протяжении всей жизни.

Позвоночные

Миелин считается определяющей характеристикой челюстных позвоночных (гнатостомов), хотя аксоны окружены типом клеток, называемых глиальными клетками, у беспозвоночных. Однако его глиальное происхождение и ультраструктура стали очевидны лишь более чем через столетие, после развития электронной микроскопии. У позвоночных не все аксоны миелинизированы. Например, в периферической нервной системе (ПНС) большая часть аксонов не имеет миелиновой оболочки. Вместо этого они окружены немиелинизирующими клетками Швана, известными как клетки Ремака (Remak SCs), и организованы в пучки Ремака. В центральной нервной системе (ЦНС) немиелинизированные аксоны (или прерывисто миелинизированные аксоны, то есть аксоны с длинными немиелинизированными участками между миелинизированными сегментами) перемешаны с миелинизированными и частично оплетены отростками другого типа глиальных клеток – астроцитов.

Беспозвоночные

Функционально эквивалентные миелиноподобные оболочки обнаружены у нескольких таксонов беспозвоночных, включая олигохетных кольчатых червей и ракообразных, таких как пенаеиды, палемоноиды и каланоиды. Эти миелиноподобные оболочки разделяют ряд структурных особенностей с оболочками, встречающимися у позвоночных, включая множественность мембран, уплотнение мембран и наличие перехватов (узлов). (Например, скорость проведения импульса по самому быстрому миелинизированному аксону позвоночных составляет 100–120 м/с).

Состав

Миелин ЦНС незначительно отличается по составу и конфигурации от миелина ПНС, но оба выполняют одну и ту же "изолирующую" функцию (см. выше). Благодаря высокому содержанию липидов, миелин имеет белый цвет, отсюда и название "белое вещество" ЦНС. Как тракты белого вещества ЦНС (например, зрительный нерв, кортикоспинальный тракт и мозолистое тело) так и нервы ПНС (например, седалищный нерв и слуховой нерв, которые также выглядят белыми) содержат от тысяч до миллионов аксонов, преимущественно выстроенных параллельно. Кровеносные сосуды обеспечивают поступление кислорода и энергетических субстратов, таких как глюкоза, к этим волокнам, которые также содержат другие типы клеток, включая астроциты и микроглию в ЦНС и макрофаги в ПНС. В общем объеме миелин состоит примерно из 40% воды; сухая масса содержит от 60% до 75% липидов и от 15% до 25% белков. Белковый состав включает основной миелиновый белок (MBP), который в большом количестве присутствует в ЦНС, где он играет критически важную, незаменимую роль в формировании компактного миелина; миелиновый олигодендроцитарный гликопротеин (MOG), специфичный для ЦНС; и протеолипидный белок (PLP), являющийся наиболее распространенным белком в миелине ЦНС, но лишь незначительным компонентом миелина ПНС. В ПНС нулевой миелиновый белок (MPZ или P0) выполняет аналогичную PLP в ЦНС функцию, участвуя в удержании множественных концентрических слоев мембран глиальных клеток, составляющих миелиновую оболочку. Основным липидом миелина является гликолипид – галактоцереброзид. Переплетенные углеводородные цепи сфингомиелина укрепляют миелиновую оболочку. Холестерин – незаменимый липидный компонент миелина, без которого формирование миелина невозможно.

Функция

Основная цель миелина – увеличить скорость, с которой электрические импульсы (известные как потенциалы действия) распространяются вдоль миелинизированного волокна. В немиелинизированных волокнах потенциалы действия распространяются как непрерывные волны, но в миелинизированных волокнах они "перескакивают" или распространяются посредством сальтаторной проводимости. Последняя значительно быстрее первой, по крайней мере для аксонов определенного диаметра. Миелин уменьшает емкость и увеличивает электрическое сопротивление аксональной мембраны (аксолеммы). Предполагается, что миелин позволяет увеличить размер тела, поддерживая быструю связь между удаленными частями тела. Миелинизированные волокна лишены вольтаж-зависимых натриевых каналов вдоль миелинизированных интернодов, обнажая их только в перехватах Ранвье. Здесь они обильно представлены и плотно упакованы. Положительно заряженные ионы натрия могут проникать в аксон через эти вольтаж-зависимые каналы, что приводит к деполяризации потенциала мембраны в перехвате Ранвье. Потенциал мембраны покоя затем быстро восстанавливается за счет выхода положительно заряженных ионов калия из аксона через калиевые каналы. Ионы натрия внутри аксона затем быстро диффундируют через аксоплазму (аксональную цитоплазму) к соседнему миелинизированному интерноду и, в конечном итоге, к следующему (дистальному) перехвату Ранвье, вызывая открытие вольтаж-зависимых натриевых каналов и вход ионов натрия в этом месте. Хотя ионы натрия быстро диффундируют через аксоплазму, диффузия по своей природе убывающая, поэтому перехваты Ранвье должны быть расположены (относительно) близко друг к другу, чтобы обеспечить распространение потенциала действия. Потенциал действия "перезаряжается" на последовательных перехватах Ранвье, поскольку потенциал аксолеммальной мембраны деполяризуется примерно до +35 мВ и модулирует транспорт цитоскелетных структур и органелл, таких как митохондрии, вдоль аксона. В 2012 году появились данные, подтверждающие роль миелинизирующей клетки в "питании" аксона. Другими словами, миелинизирующая клетка, по-видимому, действует как местная "заправочная станция" для аксона, который использует большое количество энергии для восстановления нормального баланса ионов между ним и окружающей средой после генерации потенциалов действия. Когда периферическое волокно перерезается, миелиновая оболочка обеспечивает тракт, по которому может происходить регенерация. Однако миелиновый слой не обеспечивает идеальную регенерацию нервного волокна. Некоторые регенерированные нервные волокна не находят правильные мышечные волокна, а некоторые поврежденные двигательные нейроны периферической нервной системы погибают без регенерации. Повреждение миелиновой оболочки и нервных волокон часто связано с повышенной функциональной недостаточностью. Немиелинизированные волокна и миелинизированные аксоны центральной нервной системы млекопитающих не регенерируют.

Демиелинизация

Демиелинизация – это потеря миелиновой оболочки, изолирующей нервы, и является характерным признаком некоторых нейродегенеративных аутоиммунных заболеваний, включая рассеянный склероз, острый диссеминированный энцефаломиелит, нейромиелит зрительного нерва, поперечный миелит, хроническую воспалительную демиелинизирующую полиневропатию, синдром Гийена-Барре, центральный понтинный миелиноз, наследственные демиелинизирующие заболевания, такие как лейкодистрофия и болезнь Шарко-Мари-Тут. У людей со злокачественной анемией также может развиться повреждение нервов, если заболевание не диагностировано своевременно. Субакутная комбинированная дегенерация спинного мозга, вторичная по отношению к злокачественной анемии, может приводить к незначительному повреждению периферических нервов и серьезному повреждению центральной нервной системы, влияя на речь, равновесие и когнитивные функции. При разрушении миелина проведение сигналов по нерву может быть нарушено или утрачено, и нерв в конечном итоге атрофируется. Более тяжелая форма дегенерации миелина называется болезнью Канавана. Иммунная система может играть роль в демиелинизации, связанной с этими заболеваниями, включая воспаление, вызывающее демиелинизацию из-за чрезмерной продукции цитокинов посредством повышения регуляции фактора некроза опухоли или интерферона. Данные МРТ свидетельствуют о том, что этиловый эфир докозагексаеновой кислоты (ДГК) улучшает миелинизацию при генерализованных пероксисомальных нарушениях.

Симптомы

Демиелинизация приводит к разнообразным симптомам, определяемым функциями пораженных нейронов. Она нарушает передачу сигналов между головным мозгом и другими частями тела; симптомы варьируются от пациента к пациенту и проявляются по-разному при клиническом обследовании и в лабораторных исследованиях. Типичные симптомы включают нечеткость центрального поля зрения, затрагивающую только один глаз, которая может сопровождаться болью при движении глаз, двоение в глазах, потерю зрения/слуха, необычные ощущения в ногах, руках, груди или лице, такие как покалывание или онемение (невропатия), слабость в руках или ногах, когнитивные нарушения, включая нарушение речи и потерю памяти, чувствительность к теплу (симптомы ухудшаются или возвращаются при воздействии тепла, например, при принятии горячего душа), потерю ловкости, трудности с координацией движений или нарушение равновесия, недержание кала или мочи, усталость и шум в ушах.

Ремонт миелина

Продолжаются исследования по восстановлению поврежденных миелиновых оболочек. Методы включают хирургическую имплантацию клеток-предшественников олигодендроцитов в центральную нервную систему и стимуляцию восстановления миелина с помощью определенных антител. Хотя результаты, полученные на мышах, были обнадеживающими (путем трансплантации стволовых клеток), пока неясно, сможет ли этот метод эффективно восполнять потерю миелина у людей. Холинергические методы лечения, такие как ингибиторы ацетилхолинестеразы (AChEIs), могут оказывать положительное влияние на миелинизацию, восстановление миелина и его целостность. Усиление холинергической стимуляции также может оказывать слабо выраженное трофическое воздействие на процессы развития мозга, особенно на олигодендроциты и поддерживаемый ими процесс миелинизации на протяжении всей жизни. Усиление холинергической стимуляции олигодендроцитов, применение AChEIs и других холинергических препаратов, таких как никотин, потенциально могут способствовать миелинизации в период развития и восстановлению миелина в более старшем возрасте. Ингибиторы гликогенсинтаза киназы 3β, такие как хлорид лития, показали способность стимулировать миелинизацию у мышей с поврежденными лицевыми нервами. Холестерин, наряду с витамином B12, является необходимым питательным веществом для миелиновой оболочки.

Дисмиелинизация

Дисмиелинизация характеризуется дефектной структурой и функцией миелиновых оболочек; в отличие от демиелинизации, она не приводит к образованию очагов поражения. Такие дефектные оболочки часто возникают вследствие генетических мутаций, влияющих на биосинтез и формирование миелина. Мышь-шиверер является одной из животных моделей дисмиелинизации. К заболеваниям человека, при которых была выявлена дисмиелинизация, относятся лейкодистрофии (болезнь Пелизеуса — Мерцбахера, болезнь Канавана, фенилкетонурия) и шизофрения.