Животные могут двигаться благодаря сокращению скелетных мышц, которые управляются моторными нейронами. Тело такого нейрона располагается в спинном мозге, а длинный аксон в составе нервного волокна тянется в управляемую мышцу. Крупными мышцами и мышцами, от которых требуется высокая точность движений, управляют группы из десятков или даже сотен моторных нейронов. Состав таких групп и особенности нейронов в них соответствуют «подконтрольным» мышцам, однако механизм этого соответствия пока непонятен. Недавнее исследование европейских нейробиологов позволяет лучше разобраться в этом вопросе. Они оперировали крыс, пересаживая им нервы из мышцы кисти в бицепс. Почти все операции прошли успешно — через три месяца после них мышцы восстановились и развивали такое же усилие, как до операции. При этом обнаружился неожиданный эффект: структура мышечных волокон изменилась и стала соответствовать структуре мышц-доноров. Ученые считают, что полученные результаты и дальнейшие исследования в этом направлении через несколько лет приведут к прорыву в нейротрансплантологии и биопротезировании.
Рис. 1. Пример трансформации типа мышечных волокон после пересадки нерва. А — срез участка непрооперированной латеральной головки бицепса крысы, в котором преобладают мышечные волокна типа IIb (красные). B — срез участка бицепса, к которому присоединили локтевой нерв: ниже пунктирной линии — латеральная головка трицепса, в которой стало больше нервных волокон типов I (желтые) и IIa (зеленые), выше пунктирной линии — средняя головка трицепса, структура которой осталась неизменной. C — срез червеобразной мышцы кисти крысы. Окрашено при помощи иммуногистохимических методов.
Если несколько упростить, то можно считать, что всем разнообразием наших движений мы обязаны мышцам. Да, без нервов, которые управляют ими, или скелета, который служит опорой организма, такие сложно устроенные животные, как люди, вряд ли могли бы выполнять разные быстрые и точные движения с необходимыми для этого усилиями. Но многие животные прекрасно обходятся без костей, а некоторые губки могут двигаться, хотя у них нет нервной системы.
Мышечная ткань млекопитающих делится на три типа:
- Гладкая, состоящая из одноядерных веретенообразных клеток (миоцитов) длиной 15–500 мкм. Из нее сложены стенки внутренних органов, включая кровеносные и лимфатические сосуды. Гладкая мышечная ткань сокращается и расслабляется медленно, причем происходит это автоматически, не по нашей воле.
- Поперечнополосатая скелетная, которая состоит из длинных (длиной до нескольких см) миоцитов, у которых множество ядер и «полосатая» (под микроскопом) цитоплазма. Из нее сложены в основном скелетные мышцы, которые и позволяют нам двигаться.
- Поперечнополосатая сердечная, миоциты (кардиомиоциты) которой имеют длину до 150 мкм и разветвленную форму и срастаются друг с другом переплетенными отростками, сливаясь цитолазмой (тоже «полосатой»).
Поперечные полоски, характерные для последних двух типов мышечной ткани, создаются чередованием в ее клетках толстых нитей (миофибрилл) белка миозина и тонких нитей белка актина. Движение нитей этих белков друг относительно друга и позволяет мышце сокращаться. Молекула миозина скелетной мышцы состоит из шести полипептидных цепей — двух тяжелых (Myosin heavy chain, MHC) и четырех легких (Myosin light chain).
Огромные длинные многоядерные клетки скелетной мышечной ткани (каждая из которых образована множеством слившихся одноядерных миоцитов) — это и есть волокна, из которых мышца состоит. Эти волокна бывают трех типов, и каждому типу соответствует своя изоформа миозина, отличающаяся строением MHC. Оксилительные (медленные, красные) волокна богаты митохондриями с высокой активностью окислительных ферментов и работают на получаемой ими энергии. Сила и скорость сокращений этих волокон относительно невелики, но и устают они тоже медленнее. В этих волокнах присутствует изоформа миозина MHC-I. В гликолитических (белых) волокнах с изоформой миозина MHC-IIb вдобавок к окислительным очень активны ферменты гликолиза (расщепления сахаров), которые дают этим волокнам дополнительную энергию. Эти волокна могут сокращаться быстрее и сильнее, но и устают тоже быстрее. Есть также промежуточный тип волокон с изоформой миозина MHC-IIa, средний по характеристикам между первым и вторым.
У каждой мышцы свое соотношение волокон разных типов, позволяющее ей оптимально выполнять свою задачу. Медленные «окислительные» волокна типа I преобладают в мышцах, которые предназначены для небольших, но частых усилий (например, стабилизирующие мышцы корпуса и позвоночника или внутренние мышцы живота). Там же, где нужны менее частые, но большие усилия (скажем, в мышцах-сгибателях конечностей) преобладает миозин «быстрого» второго типа.
С точки зрения структурной организации и управления со стороны нервной системы скелетные мышцы подразделяются на моторные единицы (МЕ). Каждая моторная единица — это группа волокон вместе с иннервирующим их мотонейроном. Тела мотонейронов находятся в передних рогах спинного мозга (парных частях его серого вещества, см. рассказ В. Дубынина про спинной мозг), а их аксоны в составе нервов доходят до иннервируемых мышц, например передних конечностей.
Рис. 2. Строение моторных единиц скелетных мышц. Слева — два аксона нервных клеток (красный и синий) из передних рогов спинного мозга иннервируют две разных моторных единицы, состоящие из мышечных волокон. Справа — микрофотография, на которой видно, как отростки разветвляющегося на конце аксона соединяются с отдельными мышечными волокнами с помощью нейромышечных синапсов.
Группа нейронов, иннервирующих одну мышцу, формирует в переднем роге спинного мозга мотонейронный пул. В пуле есть нейроны разного размера: крупные входят в большие МЕ с множеством волокон, мелкие — в МЕ поменьше. Маленькие МЕ (включающие десятки волокон) встречаются там, где требуется тонкий контроль движений (например, в пальцах или мышцах глаза). Крупные же МЕ (с сотнями волокон) встречаются в мышцах, где тонкий контроль усилия не нужен (например, в икроножной мышце). Моторные единицы, в зависимости от входящих в них мышечных волокон, тоже делятся на описанные выше три типа. При увеличении нагрузки на мышцу последовательно включаются в работу МЕ первого, второго и третьего типов. Это позволяет гибко регулировать развиваемую силу.
Понятно, что структура пула нейронов, иннервирующих мышцу, — их количество, размер и «специализация» — должна соответствовать структуре самой мышцы. Однако какие механизмы обеспечивают это соответствие? Разобраться в этом, по крайней мере отчасти, смогла группа ученых из Австрии, Канады и Великобритании, чья работа была недавно опубликована в журнале Science Advances.
Авторы статьи, ставя опыты на лабораторных крысах, хирургическим путем отделяли мышечно-кожный нерв (входит в плечевое нервное сплетение) от латеральной головки бицепса передней конечности. Вместо него в то же место подсаживался локтевой нерв, который в норме иннервирует червеобразные мышцы кисти (рис. 3). У каждой крысы так оперировали только одну из передних лап, вторая оставалась в качестве контрольной. Всего в эксперименте участвовало 66 зверьков.
Рис. 3. Схема эксперимента. Слева — контрольная ситуация: локтевой нерв иннервирует червеобразные мышцы кисти грызуна (как и должен в норме). Справа — тот же нерв пересажен к латеральной головке бицепса. В центре показаны пулы мотонейронов в передних рогах спинного мозга (красные соответствуют мышечнокожному нерву, синие — локтевому нерву).
Донорский нерв содержал заметно больше аксонов, чем исходный, поэтому в месте соединения на нем сначала образовывалась опухоль — неврома (это нормально при нарушении целостности нерва — именно так организм крысы и «воспринимал» операцию). Неврома формируется из тончайших волоконцев — нейрофибрилл, которые пронизывают нервную клетку во всех направлениях, формируя ее скелет и проводящую систему. Во время роста аксона и его отростков (или их врастания в новую мышцу, как в данном случае) нейрофибриллы формируют на их концах «колбы роста», которые образуют синапсы, передающие сигнал другой нервной клетке или мышечному волокну. Обычно неврома приносит сильную боль, но ни один из прооперированных зверьков не проявлял ее признаков.
В среднем через 12 недель после операции донорский нерв приживался в прооперированной части мышцы, врастая в нее так же, как это делал старый (см. рис. 3). При этом количество ME в прооперированной латеральной головке бицепса вырастало в среднем в 1,7 раза (с примерно 30 в контрольных мышцах до 50 в прооперированных мышцах, речь также о средних значениях). Всего в донорском локтевом нерве было в среднем 280 отростков мотонейронов, но иннервировать латеральную головку бицепса стали, таким образом, только около одной шестой части из них. Увеличение количества аксонов привело к тому, что средний размер МЕ уменьшился.
Каждый аксон мотонейрона заработал в составе своей МЕ. Только у одного из зверьков были зафиксированы полииннервация и денервация — нарушения, при которых одна МЕ иннервируется несколькими аксонами, а другие — ни одним (рис. 4). Всего было изучено 2120 нейромышечных соединений.
Рис. 4. A, B — образование невромы в прооперированных мышцах. C — полииннервация и денервация в одной из прооперированных мышц. D — нормальное ветвление донорского нерва в мышце и образование нейромышечных соединений. Отростки нейрона флюоресцентно окрашены зеленым, нейромышечные синапсы — светло-красным.
Структура прооперированной мышцы при этом изменилась, став похожей на структуру мышцы-донора, которую нерв иннервировал изначально (рис. 1). В норме в латеральной головке бицепса значительно преобладают быстрые гликолитические волокна подтипа IIb. А после пересадки в нее локтевого нерва в ней в значительном количестве появились медленные окислительные волокна типа I и промежуточные типа IIa, которых много и в червеобразных мышцах кисти. Эта трансформация произошла за счет изменения экспрессии MHC в мышечных клетках: аксоны нового нерва фактически «заставили» синтезировать тяжелые цепи миозина новых типов. Ранее в других исследованиях уже было показана способность мотонейронов управлять этим процессом в мышечных клетках.
При этом сила, которую способен развивать бицепс крысы, восстановилась практически до начального уровня всего за 12 недель, чего обычно не наблюдается при восстановлении после невротмезиса (разрыва нерва), который вполне сравним с произведенной операцией. Авторы статьи полагают, что это связано с тем, что в «новом» нерве было больше аксонов, способных к реиннервации мышечных единиц.
Остается надеяться, что обнаруженные эффекты, которые проявились при аккуратной пересадке нервных волокон в другую мышцу, в будущем найдут практическое применение в нейрохирургии и трансплантологии. Авторы обсуждаемой работы выражают уверенность, что дальнейшие исследования в этом направлении воплотятся в новых медицинских технологиях, которые помогут пациентам, восстанавливающимся после тяжелых травм с потерей мобильности конечностей, заново обретать радость движения. Ученые также считают, что их работа уже в ближайшие годы приведет к появлению новых систем управления и передачи нервных импульсов, благодаря которым биопротезы почти сравняются по своим возможностям с настоящими конечностями.
Источник: ЭЛЕМЕНТЫ БОЛЬШОЙ НАУКИ
