علوم اعصاب پروس؛ مطالعه دستگاه عصبی: نورون‌ و نوروگلیا

Neurons

Most neurons are distinguished by their specialization for long-distance electrical signaling and intercellular communication by means of synapses. These attributes are apparent in the overall morphology of neurons, in the organization of their membrane components, and in the structural and functional intricacies of the synaptic contacts between neurons (see Figure 1.3C). The most obvious morphological sign of neuronal specialization for communication is the extensive branching of neurons. The two most salient aspects of this branching for typical nerve cells are the presence of an axon and the elaborate arborization of dendrites that arise from the neuronal cell body in the form of dendritic branches (or dendritic processes; see Figure 1.3E). Most neurons have only one axon that extends for a relatively long distance from the location of the cell body. Axons may have branches, but in general they are not as elaborate as those made by dendrites. Dendrites are the primary targets for synaptic input from the axon terminals of other neurons and are distinguished by their high content of ribosomes, as well as by specific cytoskeletal proteins.

نورون‌ها

بیشتر نورون‌ها با تخصص خود در سیگنال‌دهی الکتریکی از راه دور و ارتباط بین سلولی از طریق سیناپس‌ها متمایز می‌شوند. این ویژگی‌ها در مورفولوژی کلی نورون‌ها، در سازماندهی اجزای غشایی آنها و در پیچیدگی‌های ساختاری و عملکردی تماس‌های سیناپسی بین نورون‌ها آشکار است (شکل 1.3C را ببینید). بارزترین نشانه مورفولوژیکی تخصص نورونی برای ارتباط، شاخه‌بندی گسترده نورون‌ها است. دو جنبه برجسته این شاخه‌بندی برای سلول‌های عصبی معمولی، وجود آکسون و درختی شدن پیچیده دندریت‌ها است که از جسم سلولی نورونی به شکل شاخه‌های دندریتیک (یا زوائد دندریتیک) ناشی می‌شوند؛ شکل 1.3E را ببینید). اکثر نورون‌ها فقط یک آکسون دارند که تا مسافت نسبتاً طولانی از محل جسم سلولی امتداد می‌یابد. آکسون‌ها ممکن است شاخه داشته باشند، اما به طور کلی به اندازه شاخه‌هایی که توسط دندریت‌ها ساخته می‌شوند، پیچیده نیستند. دندریت‌ها اهداف اصلی برای ورودی سیناپسی از پایانه‌های آکسون سایر نورون‌ها هستند و با محتوای بالای ریبوزوم‌ها و همچنین پروتئین‌های اسکلت سلولی خاص متمایز می‌شوند.

The variation in the size and branching of dendrites is enormous, and of critical importance in establishing the information-processing capacity of individual neurons. Some neurons lack dendrites altogether, while others have dendritic branches that rival the complexity of a mature tree (see Figure 1.2). The number of inputs a particular neuron receives depends on the complexity of its dendritic arbor: Neurons that lack dendrites are innervated by the axons of just one or a few other neurons, which limits their capacity to integrate information from diverse sources, thus leading to more or less faithful relay of the electrical activity generated by the synapses impinging on the neurons. Neurons with increasingly elaborate dendritic branches are innervated by a commensurately larger number of other neurons, which allows for far greater integration of information. The number of inputs to a single neuron reflects the degree of convergence, while the number of targets innervated by any one neuron represents its divergence. The number of synaptic inputs received by each nerve cell in the human nervous system varies from 1 to about 100,000. This range reflects a fundamental purpose of nerve cells: to integrate and relay information from other neurons in a neural circuit.

تنوع در اندازه و شاخه‌بندی دندریت‌ها بسیار زیاد است و از اهمیت حیاتی در تعیین ظرفیت پردازش اطلاعات نورون‌های منفرد برخوردار است. برخی از نورون‌ها به طور کامل فاقد دندریت هستند، در حالی که برخی دیگر شاخه‌های دندریتی دارند که با پیچیدگی یک درخت بالغ رقابت می‌کنند (شکل 1.2 را ببینید). تعداد ورودی‌هایی که یک نورون خاص دریافت می‌کند به پیچیدگی آرایه دندریتی آن بستگی دارد: نورون‌هایی که فاقد دندریت هستند توسط آکسون‌های فقط یک یا چند نورون دیگر عصب‌دهی می‌شوند، که ظرفیت آنها را برای ادغام اطلاعات از منابع مختلف محدود می‌کند، در نتیجه منجر به رله کم و بیش دقیق فعالیت الکتریکی تولید شده توسط سیناپس‌هایی که به نورون‌ها برخورد می‌کنند، می‌شود. نورون‌هایی که شاخه‌های دندریتی آنها به طور فزاینده‌ای پیچیده‌تر می‌شوند، توسط تعداد متناسب بیشتری از نورون‌های دیگر عصب‌دهی می‌شوند، که امکان ادغام بسیار بیشتری از اطلاعات را فراهم می‌کند. تعداد ورودی‌ها به یک نورون واحد، نشان دهنده درجه همگرایی است، در حالی که تعداد اهداف عصب‌دهی شده توسط هر نورون، نشان دهنده واگرایی آن است. تعداد ورودی‌های سیناپسی دریافت شده توسط هر سلول عصبی در سیستم عصبی انسان از 1 تا حدود 100000 متغیر است. این محدوده، هدف اساسی سلول‌های عصبی را منعکس می‌کند: ادغام و انتقال اطلاعات از سایر نورون‌ها در یک مدار عصبی.

The synaptic contacts made by axon endings on dendrites (and less frequently on neuronal cell bodies) represent a special elaboration of the secretory apparatus found in many polarized epithelial cells. Typically, the axon terminal of the presynaptic neuron is immediately adjacent to a specialized region of postsynaptic receptors on the target cell. For the majority of synapses, however, there is no physical continuity between these two elements. Instead, preand postsynaptic components communicate via the secretion of molecules from the presynaptic terminal that bind to receptors in the postsynaptic cell. These molecules, called neurotransmitters, must traverse an interval of extracellular space between preand postsynaptic elements called the synaptic cleft. The synaptic cleft is not simply an empty space, but is the site of extracellular proteins that influence the diffusion, binding, and degradation of the molecules, including neurotransmitters and other factors, secreted by the presynaptic terminal (see Chapter 5).

تماس‌های سیناپسی که توسط انتهای آکسون روی دندریت‌ها (و کمتر روی جسم سلولی نورون‌ها) ایجاد می‌شوند، نشان‌دهنده‌ی پیچیدگی خاصی از دستگاه ترشحی است که در بسیاری از سلول‌های اپیتلیال قطبی‌شده یافت می‌شود. معمولاً، پایانه‌ی آکسون نورون پیش‌سیناپسی بلافاصله در مجاورت یک ناحیه‌ی تخصصی از گیرنده‌های پس‌سیناپسی روی سلول هدف قرار دارد. با این حال، برای اکثر سیناپس‌ها، هیچ پیوستگی فیزیکی بین این دو عنصر وجود ندارد. در عوض، اجزای پیش‌سیناپسی و پس‌سیناپسی از طریق ترشح مولکول‌هایی از پایانه‌ی پیش‌سیناپسی که به گیرنده‌های سلول پس‌سیناپسی متصل می‌شوند، ارتباط برقرار می‌کنند. این مولکول‌ها، که انتقال‌دهنده‌های عصبی نامیده می‌شوند، باید از یک فاصله‌ی فضای خارج سلولی بین عناصر پیش‌سیناپسی و پس‌سیناپسی به نام شکاف سیناپسی عبور کنند. شکاف سیناپسی صرفاً یک فضای خالی نیست، بلکه محل پروتئین‌های خارج سلولی است که بر انتشار، اتصال و تخریب مولکول‌ها، از جمله انتقال‌دهنده‌های عصبی و سایر عوامل ترشح شده توسط پایانه‌ی پیش‌سیناپسی تأثیر می‌گذارند (به فصل 5 مراجعه کنید).

The information conveyed by synapses on the neuronal dendrites is integrated and generally “read out” at the origin of the axon (called the axon). The axon is the portion of the nerve cell specialized for relaying electrical signals over long distances (see Figure 1.3B). The axon is a unique extension from the neuronal cell body that may travel a few hundred micrometers or much farther, depending on the type of neuron and the size of the animal (some axons in large animals can be meters in length). The axon also has a distinct cytoskeleton whose elements are central for its functional integrity (Figure 1.4). Many nerve cells in the human brain have axons no more than a few millimeters long, and a few have no axon at all.

اطلاعات منتقل شده توسط سیناپس‌ها روی دندریت‌های نورونی در مبدا آکسون (که آکسون نامیده می‌شود) یکپارچه و عموماً “خوانده” می‌شود. آکسون بخشی از سلول عصبی است که برای انتقال سیگنال‌های الکتریکی در فواصل طولانی تخصص یافته است (شکل 1.3B را ببینید). آکسون یک امتداد منحصر به فرد از جسم سلولی نورونی است که بسته به نوع نورون و اندازه حیوان، ممکن است چند صد میکرومتر یا خیلی بیشتر حرکت کند (بعضی از آکسون‌ها در حیوانات بزرگ می‌توانند چند متر طول داشته باشند). آکسون همچنین دارای یک اسکلت سلولی مجزا است که عناصر آن برای یکپارچگی عملکردی آن مرکزی هستند (شکل 1.4). بسیاری از سلول‌های عصبی در مغز انسان آکسون‌هایی دارند که طول آنها بیش از چند میلی‌متر نیست و تعداد کمی از آنها اصلاً آکسون ندارند.

FIGURE 1.4 The diversity of cytoskeletal arrangements in neurons. (A) The cell body, the initial segment of the axon, and dendrites are distinguished by the distribution of tubulin (green). This distribution contrasts with the microtubule-binding protein tau (red), which is found in axons. (B) The localization of actin (red) to the growing tips of axonal and dendritic processes is shown here in a cultured neuron taken from the hippocampus. (C) In contrast, in a cultured epithelial cell, actin (red) is distributed in fibrils that occupy most of the cell body. (D) In astrocytes in culture, actin (red) is also seen in fibrillar bundles. (E) Tubulin (green) is found throughout the cell body and dendrites of neurons. (F) Although tubulin is a major component of dendrites, extending into small dendritic outgrowths called spines, the head of the spine is enriched in actin (red).(G) The tubulin component of the cytoskeleton in nonneuronal cells is arrayed in filamentous networks. (H–K) Synapses have a special arrangement of cytoskeletal elements, receptors, and scaffold proteins. (H) Two axons (green; tubulin) from motor neurons are seen issuing branches each to four muscle fibers. The red shows the clustering of postsynaptic receptors (in this case for the neurotransmitter acetylcholine). (I) A higher-power view of a single motor neuron synapse shows the relationship between the axon (green) and the postsynaptic receptors (red). (J) Proteins in the extracellular space between the axon and its target muscle are labeled green. (K) Scaffolding proteins (green) localize receptors (red) and link them to other cytoskeletal elements. The scaffolding protein shown here is dystrophin, whose structure and function are compromised in the many forms of muscular dystrophy.(A courtesy of Y. N. Jan; B from Kalil et al., 2000; C courtesy of D. Arneman and C. Otey; D courtesy of A. de Sousa and Cheney; E,F from Matus, 2000; G courtesy of T. Salmon; H–K courtesy of R. Sealock.)

شکل۱.۴ تنوع چیدمان اسکلت سلولی در نورون‌ها. (الف) جسم سلولی، بخش اولیه آکسون، و دندریت‌ها با توزیع توبولین (سبز) متمایز می‌شوند. این توزیع با پروتئین متصل شونده به میکروتوبول تائو (قرمز) که در آکسون‌ها یافت می‌شود، در تضاد است. (ب) محل قرارگیری اکتین (قرمز) در نوک‌های در حال رشد زوائد آکسونی و دندریتیک در اینجا در یک نورون کشت شده گرفته شده از هیپوکامپ نشان داده شده است. (ج) در مقابل، در یک سلول اپیتلیال کشت شده، اکتین (قرمز) در فیبریل‌هایی توزیع شده است که بیشتر جسم سلولی را اشغال می‌کنند. (د) در آستروسیت‌های کشت شده، اکتین (قرمز) نیز در دسته‌های فیبریلی دیده می‌شود. (ه) توبولین (سبز) در سراسر جسم سلولی و دندریت‌های نورون‌ها یافت می‌شود. (و) اگرچه توبولین جزء اصلی دندریت‌ها است و به زائده‌های دندریتیک کوچکی به نام خارها گسترش می‌یابد، اما سر خارها غنی از اکتین است (قرمز). (ز) جزء توبولین اسکلت سلولی در سلول‌های غیر نورونی به صورت شبکه‌های رشته‌ای آرایش یافته است. (ه-ک) سیناپس‌ها آرایش خاصی از عناصر اسکلت سلولی، گیرنده‌ها و پروتئین‌های داربست دارند. (ح) دو آکسون (سبز؛ توبولین) از نورون‌های حرکتی دیده می‌شوند که هر کدام به چهار فیبر عضلانی شاخه می‌دهند. رنگ قرمز خوشه‌بندی گیرنده‌های پس سیناپسی (در این مورد برای انتقال‌دهنده عصبی استیل کولین) را نشان می‌دهد. (ی) نمای با قدرت بالاتر از سیناپس یک نورون حرکتی واحد، رابطه بین آکسون (سبز) و گیرنده‌های پس سیناپسی (قرمز) را نشان می‌دهد. (ی) پروتئین‌های موجود در فضای خارج سلولی بین آکسون و عضله هدف آن با رنگ سبز مشخص شده‌اند. (ک) پروتئین‌های داربست (سبز) گیرنده‌ها (قرمز) را محلی‌سازی کرده و آنها را به سایر عناصر اسکلت سلولی متصل می‌کنند. پروتئین داربستی که در اینجا نشان داده شده است، دیستروفین است که ساختار و عملکرد آن در بسیاری از اشکال دیستروفی عضلانی مختل می‌شود. (با احترام از Y. N. Jan؛ B از Kalil و همکاران، ۲۰۰۰؛ C از D. Arneman و C. Otey؛ D از A. de Sousa و Cheney؛ E,F از Matus، ۲۰۰۰؛ G از T. Salmon؛ H-K از R. Sealock.)

Relatively short axons are a feature of local circuit neurons, or interneurons, throughout the nervous system. In contrast, the axons of projection neurons extend to distant targets. For example, the axons that run from the human spinal cord to the foot are about a meter long. The axons of both interneurons and projection neurons often branch locally, resulting in the innervation of multiple post-synaptic sites on many post-synaptic neurons.

آکسون‌های نسبتاً کوتاه، از ویژگی‌های نورون‌های مدار موضعی یا اینترنورون‌ها در سراسر سیستم عصبی هستند. در مقابل، آکسون‌های نورون‌های پروجکشن تا اهداف دوردست امتداد می‌یابند. به عنوان مثال، آکسون‌هایی که از نخاع انسان تا پا امتداد دارند، حدود یک متر طول دارند. آکسون‌های هر دو اینترنورون و نورون‌های پروجکشن اغلب به صورت موضعی شاخه می‌شوند و در نتیجه عصب‌دهی چندین مکان پس‌سیناپسی در بسیاری از نورون‌های پس‌سیناپسی انجام می‌شود.

Axons convey electrical signals over such distances by a self-regenerating wave of electrical activity called an action potential. Action potentials (also referred to as “spikes” or “units”) are all-or-nothing changes in the electrical potential (voltage) across the nerve cell membrane that conveys information from one place to another in the nervous system (see Chapter 2). The process by which the information encoded by action potentials is passed on at synaptic contacts to a target cell is called synaptic transmission, and its details are described in Chapter 5. Presynaptic terminals (also called synaptic endings, axon terminals, or terminal boutons; see Figure 1.3C) and their postsynaptic specializations are typically chemical synapses, the most abundant type of synapse in the mature nervous system. Another type, the electrical synapse (mediated by the gap junctions mentioned above), is relatively rare in the mature nervous system (but abundant in the developing CNS) and serves special functions, including the synchronization of local networks of neurons. The secretory organelles in the presynaptic terminal of chemical synapses are called synaptic vesicles and are spherical structures filled with neurotransmitters and in some cases other neuroactive molecules (see Figure 1.3C). The positioning of synaptic vesicles at the presynaptic membrane and their fusion to initiate neurotransmitter release are regulated by a variety of proteins (including several cytoskeletal proteins) either in or associated with the vesicle. The neurotransmitters released from synaptic vesicles modify the electrical properties of the target cell by binding to receptors localized primarily at postsynaptic specializations. The intricate interplay of neurotransmitters, receptors, related cytoskeletal elements, and signal transduction molecules is the basis for communication among nerve cells and between nerve cells and effector cells in muscles and glands.

آکسون‌ها سیگنال‌های الکتریکی را در چنین فواصلی توسط یک موج خودبازساز از فعالیت الکتریکی به نام پتانسیل عمل منتقل می‌کنند. پتانسیل‌های عمل (که به آنها “سنبله” یا “واحد” نیز گفته می‌شود) تغییرات همه یا هیچ در پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) در غشای سلول عصبی هستند که اطلاعات را از یک مکان به مکان دیگر در سیستم عصبی منتقل می‌کنند (به فصل 2 مراجعه کنید). فرآیندی که طی آن اطلاعات رمزگذاری شده توسط پتانسیل‌های عمل در تماس‌های سیناپسی به یک سلول هدف منتقل می‌شود، انتقال سیناپسی نامیده می‌شود و جزئیات آن در فصل 5 شرح داده شده است. پایانه‌های پیش سیناپسی (که به آنها انتهای سیناپسی، پایانه‌های آکسون یا دسته‌های ترمینال نیز گفته می‌شود؛ به شکل 1.3C مراجعه کنید) و تخصص‌های پس سیناپسی آنها معمولاً سیناپس‌های شیمیایی هستند که فراوان‌ترین نوع سیناپس در سیستم عصبی بالغ هستند. نوع دیگر، سیناپس الکتریکی (که توسط اتصالات شکافی ذکر شده در بالا واسطه‌گری می‌شود)، در سیستم عصبی بالغ نسبتاً نادر است (اما در سیستم عصبی مرکزی در حال توسعه فراوان است) و عملکردهای خاصی از جمله هماهنگ‌سازی شبکه‌های محلی نورون‌ها را انجام می‌دهد. اندامک‌های ترشحی در پایانه پیش‌سیناپسی سیناپس‌های شیمیایی، وزیکول‌های سیناپسی نامیده می‌شوند و ساختارهای کروی پر از انتقال‌دهنده‌های عصبی و در برخی موارد سایر مولکول‌های نورواکتیو هستند (شکل 1.3C را ببینید). قرارگیری وزیکول‌های سیناپسی در غشای پیش‌سیناپسی و ادغام آنها برای شروع آزادسازی انتقال‌دهنده عصبی توسط پروتئین‌های متنوعی (از جمله چندین پروتئین اسکلت سلولی) یا در داخل وزیکول یا مرتبط با آن تنظیم می‌شود. انتقال‌دهنده‌های عصبی آزاد شده از وزیکول‌های سیناپسی با اتصال به گیرنده‌هایی که عمدتاً در تخصص‌های پس‌سیناپسی قرار دارند، خواص الکتریکی سلول هدف را تغییر می‌دهند. تعامل پیچیده انتقال‌دهنده‌های عصبی، گیرنده‌ها، عناصر اسکلت سلولی مرتبط و مولکول‌های انتقال سیگنال، اساس ارتباط بین سلول‌های عصبی و بین سلول‌های عصبی و سلول‌های مؤثر در عضلات و غدد است.

Glial Cells

Glial cells—usually referred to more simply as glia—are quite different from neurons, even though they are at least as abundant. Glia do not participate directly in synaptic transmission or in electrical signaling, although their supportive functions help define synaptic contacts and maintain the signaling abilities of neurons. Like nerve cells, many glial cells have complex processes extending from their cell bodies, but these are generally less prominent and do not serve the same purposes as neuronal axons and dendrites. Cells with glial characteristics appear to be the only stem cells retained in the mature brain, and are capable of giving rise both to new glia and, in a few instances, new neurons.

سلول‌های گلیال

سلول‌های گلیال – که معمولاً به طور خلاصه گلیا نامیده می‌شوند – کاملاً با نورون‌ها متفاوت هستند، اگرچه حداقل به اندازه آنها فراوان هستند. گلیاها مستقیماً در انتقال سیناپسی یا سیگنالینگ الکتریکی شرکت نمی‌کنند، اگرچه عملکردهای حمایتی آنها به تعریف تماس‌های سیناپسی و حفظ توانایی‌های سیگنالینگ نورون‌ها کمک می‌کند. مانند سلول‌های عصبی، بسیاری از سلول‌های گلیال دارای فرآیندهای پیچیده‌ای هستند که از جسم سلولی آنها امتداد یافته‌اند، اما این فرآیندها عموماً کمتر برجسته هستند و اهداف مشابهی با آکسون‌ها و دندریت‌های نورونی ندارند. به نظر می‌رسد سلول‌هایی با ویژگی‌های گلیال تنها سلول‌های بنیادی باقی مانده در مغز بالغ هستند و قادر به ایجاد گلیاهای جدید و در موارد معدودی نورون‌های جدید هستند.

The word glia is Greek for “glue” and reflects the nineteenth-century presumption that these cells “held the nervous system together.” The term has survived despite the lack of any evidence that glial cells actually bind nerve cells together. Glial functions that are well established include maintaining the ionic milieu of nerve cells; modulating the rate of nerve signal propagation; modulating synaptic action by controlling the uptake and metabolism of neurotransmitters at or near the synaptic cleft; providing a scaffold for some aspects of neural development; aiding (or in some instances impeding) recovery from neural injury; providing an interface between the brain and the immune system; and facilitating the convective flow of interstitial fluid through the brain during sleep, a process that washes out metabolic waste.

کلمه گلیا در زبان یونانی به معنای «چسب» است و نشان‌دهنده این فرض قرن نوزدهمی است که این سلول‌ها «سیستم عصبی را در کنار هم نگه می‌دارند». این اصطلاح با وجود فقدان هیچ مدرکی مبنی بر اینکه سلول‌های گلیال واقعاً سلول‌های عصبی را به هم متصل می‌کنند، همچنان پابرجا مانده است. عملکردهای گلیال که به خوبی شناخته شده‌اند عبارتند از: حفظ محیط یونی سلول‌های عصبی؛ تعدیل سرعت انتشار سیگنال عصبی؛ تعدیل عمل سیناپسی با کنترل جذب و متابولیسم انتقال‌دهنده‌های عصبی در شکاف سیناپسی یا نزدیک آن؛ فراهم کردن داربست برای برخی از جنبه‌های رشد عصبی؛ کمک (یا در برخی موارد مانع) بهبودی از آسیب عصبی؛ فراهم کردن رابط بین مغز و سیستم ایمنی؛ و تسهیل جریان همرفتی مایع بینابینی از طریق مغز در طول خواب، فرآیندی که ضایعات متابولیک را از بین می‌برد.

There are three types of differentiated glial cells in the mature nervous system: astrocytes, oligodendrocytes, and microglial cells. Astrocytes, which are restricted to the central nervous system (i.e., the brain and spinal cord), have elaborate local processes that give these cells a starlike (“astral”) appearance (Figure 1.5A,F). A major function of astrocytes is to maintain, in a variety of ways, an appropriate chemical environment for neuronal signaling, including formation of the blood-brain barrier (see the Appendix). In addition, recent observations suggest that astrocytes secrete substances that influence the construction of new synaptic connections, and that a subset of astrocytes in the adult brain retains the characteristics of stem cells (Figure 1.5D; see below).

سه نوع سلول گلیال تمایز یافته در سیستم عصبی بالغ وجود دارد: آستروسیت‌ها، الیگودندروسیت‌ها و سلول‌های میکروگلیال. آستروسیت‌ها که محدود به سیستم عصبی مرکزی (یعنی مغز و نخاع) هستند، دارای زوائد موضعی پیچیده‌ای هستند که به این سلول‌ها ظاهری ستاره‌ای (“اختری”) می‌دهد (شکل 1.5A، F). یکی از وظایف اصلی آستروسیت‌ها، حفظ محیط شیمیایی مناسب برای سیگنالینگ عصبی، از جمله تشکیل سد خونی-مغزی، به روش‌های مختلف است (به پیوست مراجعه کنید). علاوه بر این، مشاهدات اخیر نشان می‌دهد که آستروسیت‌ها موادی ترشح می‌کنند که بر ساخت اتصالات سیناپسی جدید تأثیر می‌گذارند و زیرمجموعه‌ای از آستروسیت‌ها در مغز بزرگسالان ویژگی‌های سلول‌های بنیادی را حفظ می‌کنند (شکل 1.5D؛ به پایین مراجعه کنید).

Oligodendrocytes, which are also restricted to the central nervous system, lay down a laminated, lipid-rich wrapping called myelin around some, but not all, axons (Figure 1.5B,G,H). Myelin has important effects on the speed of the transmission of electrical signals (see Chapter 3). In the peripheral nervous system, the cells that provide myelin are called Schwann cells. In the mature nervous system, subsets of oligodendrocytes and Schwann cells retain neural stem cell properties, and can generate new oligodendrocytes and Schwann cells in response to injury or disease (Figure 1.5E).

الیگودندروسیت‌ها، که به سیستم عصبی مرکزی نیز محدود هستند، یک پوشش چندلایه و غنی از لیپید به نام میلین را در اطراف برخی، اما نه همه، آکسون‌ها قرار می‌دهند (شکل 1.5B، G، H). میلین اثرات مهمی بر سرعت انتقال سیگنال‌های الکتریکی دارد (به فصل 3 مراجعه کنید). در سیستم عصبی محیطی، سلول‌هایی که میلین را فراهم می‌کنند، سلول‌های شوان نامیده می‌شوند. در سیستم عصبی بالغ، زیرمجموعه‌هایی از الیگودندروسیت‌ها و سلول‌های شوان، خواص سلول‌های بنیادی عصبی را حفظ می‌کنند و می‌توانند در پاسخ به آسیب یا بیماری، الیگودندروسیت‌ها و سلول‌های شوان جدیدی تولید کنند (شکل 1.5E).

Microglial cells (Figure 1.5C,I) are derived primarily from hematopoietic precursor cells (although some may be derived directly from neural precursor cells). Microglia share many properties with macrophages found in other tissues: They are primarily scavenger cells that remove cellular debris from sites of injury or normal cell turnover. In addition, microglia, like their macrophage counterparts, secrete signaling molecules—particularly a wide range of cytokines that are also produced by cells of the immune system—that can modulate local inflammation and influence whether other cells survive or die. Indeed, some neurobiologists prefer to categorize microglia as a type of macrophage. Following brain damage, the number of microglia at the site of injury increases dramatically. Some of these cells proliferate from microglia resident in the brain, while others come from macrophages that migrate to the injured area and enter the brain via local disruptions in the cerebral vasculature (the blood-brain barrier).

سلول‌های میکروگلیا (شکل 1.5C، I) در درجه اول از سلول‌های پیش‌ساز خون‌ساز مشتق می‌شوند (اگرچه برخی ممکن است مستقیماً از سلول‌های پیش‌ساز عصبی مشتق شوند). میکروگلیاها خواص بسیاری را با ماکروفاژهای موجود در بافت‌های دیگر به اشتراک می‌گذارند: آنها در درجه اول سلول‌های جمع‌آوری‌کننده هستند که بقایای سلولی را از محل‌های آسیب یا گردش طبیعی سلول حذف می‌کنند. علاوه بر این، میکروگلیاها، مانند همتایان ماکروفاژ خود، مولکول‌های سیگنالینگ – به ویژه طیف وسیعی از سیتوکین‌ها که توسط سلول‌های سیستم ایمنی نیز تولید می‌شوند – ترشح می‌کنند که می‌توانند التهاب موضعی را تعدیل کرده و بر زنده ماندن یا مرگ سایر سلول‌ها تأثیر بگذارند. در واقع، برخی از نوروبیولوژیست‌ها ترجیح می‌دهند میکروگلیا را به عنوان نوعی ماکروفاژ طبقه‌بندی کنند. پس از آسیب مغزی، تعداد میکروگلیاها در محل آسیب به طور چشمگیری افزایش می‌یابد. برخی از این سلول‌ها از میکروگلیاهای ساکن در مغز تکثیر می‌شوند، در حالی که برخی دیگر از ماکروفاژهایی می‌آیند که به ناحیه آسیب‌دیده مهاجرت می‌کنند و از طریق اختلالات موضعی در عروق مغزی (سد خونی-مغزی) وارد مغز می‌شوند.

In addition to the three classes of differentiated glia, glial stem cells are also found throughout the adult brain. These cells retain the capacity to proliferate and generate additional precursors or differentiated glia, and in some cases neurons. Glial stem cells in the mature brain can be divided into two categories: a subset of astrocytes found primarily near the ventricles in a region called the subventricular zone (SVZ) or adjacent to ventricular zone blood vessels (see Figure 1.5D); and oligodendrocyte precursors scattered throughout the white matter and sometimes referred to as polydendrocytes (see Figure 1.5E). SVZ astrocytes, both in vivo and in vitro, can give rise to more stem cells, neurons, and mature astrocytes and oligodendrocytes. Thus, they have the key properties of all stem cells: proliferation, self-renewal, and the capacity to make all cell classes of a particular tissue. Oligodendrocyte precursors are more limited in their potential. They give rise primarily to mature oligodendrocytes as well as to some astrocytes, although under some conditions in vitro they can generate neurons.

علاوه بر سه دسته گلیاهای تمایز یافته، سلول‌های بنیادی گلیال نیز در سراسر مغز بزرگسالان یافت می‌شوند. این سلول‌ها ظرفیت تکثیر و تولید پیش‌سازهای اضافی یا گلیاهای تمایز یافته و در برخی موارد نورون‌ها را حفظ می‌کنند. سلول‌های بنیادی گلیال در مغز بالغ را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد: زیرمجموعه‌ای از آستروسیت‌ها که عمدتاً در نزدیکی بطن‌ها در ناحیه‌ای به نام ناحیه زیر بطنی (SVZ) یا مجاور رگ‌های خونی ناحیه بطنی یافت می‌شوند (شکل 1.5D را ببینید)؛ و پیش‌سازهای الیگودندروسیت که در سراسر ماده سفید پراکنده هستند و گاهی اوقات به عنوان پلی‌دندروسیت‌ها شناخته می‌شوند (شکل 1.5E را ببینید). آستروسیت‌های SVZ، چه در داخل بدن و چه در شرایط آزمایشگاهی، می‌توانند سلول‌های بنیادی، نورون‌ها و آستروسیت‌ها و الیگودندروسیت‌های بالغ بیشتری را ایجاد کنند. بنابراین، آن‌ها خواص کلیدی همه سلول‌های بنیادی را دارند: تکثیر، خودنوزایی و ظرفیت ساخت همه رده‌های سلولی یک بافت خاص. پیش‌سازهای الیگودندروسیت از نظر پتانسیل محدودتر هستند. آنها در درجه اول الیگودندروسیت‌های بالغ و همچنین برخی از آستروسیت‌ها را تولید می‌کنند، اگرچه تحت برخی شرایط آزمایشگاهی (in vitro) می‌توانند نورون‌ها را نیز تولید کنند.

FIGURE 1.5 Glial cell types. (A–C) Tracings of differentiated glial cells in the mature nervous system visualized using the Golgi method include an astrocyte (A), an oligodendrocyte (B), and a microglial cell (C). The three tracings are at approximately the same scale. (D) Glial stem cells in the mature nervous system include stem cells with properties of astrocytes that can give rise to neurons, astrocytes, and oligodendrocytes.(E) Another class of glial stem cell, the oligodendrocyte precursor, has a more restricted potential, giving rise primarily to differentiated oligodendrocytes. (F) Astrocytes (red) in tissue culture are labeled with an antibody  against an astrocyte-specific protein. (G) Oligodendrocytes (green) in tissue culture labeled  with an antibody against an oligodendrocyte-specific protein. (H) Peripheral axons are ensheathed by myelin (labeled red) except at nodes of Ranvier (see Figure 1.3G). The green label indicates ion channels (see Chapter 4) concentrated in the node; the blue label indicates a molecularly distinct region called the paranode. (I) Microglial cells from the spinal cord labeled with a cell type–specific antibody. Inset: Higher-magnification image of a single microglial cell labeled with a macrophage-selective marker. (A–C after Jones and Cowan, 1983; D,E, after Nishiyama et al., 2009; F,G courtesy of A.-S. LaMantia; H from Bhat et al., 2001; I courtesy of A. Light, inset courtesy of G. Matsushima.)

شکل ۱.۵ انواع سلول‌های گلیال. (A-C) ردیابی سلول‌های گلیال تمایز یافته در سیستم عصبی بالغ که با استفاده از روش گلژی قابل مشاهده است شامل یک آستروسیت (A)، یک الیگودندروسیت (B) و یک سلول میکروگلیال (C) است. هر سه ردیابی تقریباً در یک مقیاس هستند. (D) سلول‌های بنیادی گلیال در سیستم عصبی بالغ شامل سلول‌های بنیادی با خواص آستروسیت‌ها هستند که می‌توانند به نورون‌ها، آستروسیت‌ها و الیگودندروسیت‌ها تبدیل شوند. (E) دسته دیگری از سلول‌های بنیادی گلیال، پیش‌ساز الیگودندروسیت، پتانسیل محدودتری دارد و در درجه اول به الیگودندروسیت‌های تمایز یافته تبدیل می‌شود. (F) آستروسیت‌ها (قرمز) در کشت بافت با آنتی‌بادی علیه پروتئین اختصاصی آستروسیت نشاندار شده‌اند. (G) الیگودندروسیت‌ها (سبز) در کشت بافت با آنتی‌بادی علیه پروتئین اختصاصی الیگودندروسیت نشاندار شده‌اند. (ح) آکسون‌های محیطی به جز در گره‌های رانویه (به شکل 1.3G مراجعه کنید) توسط میلین (با برچسب قرمز) پوشیده شده‌اند. برچسب سبز نشان‌دهنده کانال‌های یونی (به فصل 4 مراجعه کنید) متمرکز در گره است؛ برچسب آبی نشان‌دهنده یک ناحیه مولکولی مجزا به نام پارانود است. (الف) سلول‌های میکروگلیال از نخاع که با یک آنتی‌بادی اختصاصی نوع سلول برچسب‌گذاری شده‌اند. تصویر کوچک: تصویر با بزرگنمایی بالاتر از یک سلول میکروگلیال منفرد که با یک نشانگر انتخابی ماکروفاژ برچسب‌گذاری شده است. (الف-ج پس از جونز و کوان، 1983؛ د، ای، پس از نیشیاما و همکاران، 2009؛ ف، جی با احترام از ای.-اس. لامانتیا؛ ه از بات و همکاران، 2001؛ اول با احترام از ای. لایت، تصویر کوچک با احترام از جی. ماتسوشیما.)

The significance of stem cells that retain many molecular characteristics of glia in the mature brain remains unclear. They may reflect glial identity as the “default” for any proliferative cell derived from the embryonic precursors of the nervous system, or they may reflect distinctions in the differentiated state of neurons versus glia that allow proliferation only in cells with glial characteristics.

اهمیت سلول‌های بنیادی که بسیاری از ویژگی‌های مولکولی گلیا را در مغز بالغ حفظ می‌کنند، هنوز مشخص نیست. آن‌ها ممکن است هویت گلیال را به عنوان «پیش‌فرض» برای هر سلول تکثیرشونده‌ای که از پیش‌سازهای جنینی سیستم عصبی مشتق شده است، منعکس کنند، یا ممکن است تمایزاتی را در حالت تمایز یافته نورون‌ها در مقابل گلیا که فقط در سلول‌هایی با ویژگی‌های گلیال اجازه تکثیر می‌دهند، منعکس کنند.

Cellular Diversity in the Nervous System

» ادامه مطلب در «قسمت بعد فصل اول»