علوم اعصاب پروس؛ مطالعه دستگاه عصبی

Overview

NEUROSCIENCE ENCOMPASSES A BROAD RANGE of questions about how the nervous systems of humans and other animals are organized, how they develop, and how they function to generate behavior. These questions can be explored using the tools of genetics and genomics, molecular and cell biology, anatomy, systems physiology, behavioral observation, psychophysics, and functional brain imaging. The major challenge facing students of neuroscience is to integrate the knowledge derived from these various levels and methods of analysis into a coherent understanding of brain structure and function. Many of the issues that have been explored successfully concern how the principal cells of all animal nervous systems—neurons and glia—perform their functions. Subsets of neurons and glia form ensembles called neural circuits, which are the primary components of neural systems that process different types of information. Neural systems in turn serve one of three general purposes: Sensory systems report information about the state of the organism and its environment; motor systems organize and generate actions; and associational systems provide “higher-order” brain functions such as perception, attention, memory, emotions, language, and thinking, all of which fall under the rubric of cognition. These latter abilities lie at the core of understanding human beings, their behavior, their history, and perhaps their future.

مرور کلی

علوم اعصاب طیف گسترده‌ای از سوالات در مورد چگونگی سازماندهی سیستم‌های عصبی انسان و سایر حیوانات، نحوه توسعه آنها و نحوه عملکرد آنها برای ایجاد رفتار را در بر می‌گیرد. این سوالات را می‌توان با استفاده از ابزارهای ژنتیک و ژنومیک، زیست‌شناسی مولکولی و سلولی، آناتومی، فیزیولوژی سیستم‌ها، مشاهده رفتاری، روان‌فیزیک و تصویربرداری عملکردی مغز بررسی کرد. چالش اصلی پیش روی دانشجویان علوم اعصاب، ادغام دانش حاصل از این سطوح و روش‌های مختلف تجزیه و تحلیل در درک منسجم از ساختار و عملکرد مغز است. بسیاری از مسائلی که با موفقیت بررسی شده‌اند، مربوط به چگونگی عملکرد سلول‌های اصلی همه سیستم‌های عصبی حیوانات – نورون‌ها و گلیا – است. زیرمجموعه‌هایی از نورون‌ها و گلیا، گروه‌هایی به نام مدارهای عصبی را تشکیل می‌دهند که اجزای اصلی سیستم‌های عصبی هستند که انواع مختلف اطلاعات را پردازش می‌کنند. سیستم‌های عصبی به نوبه خود یکی از سه هدف کلی را برآورده می‌کنند: سیستم‌های حسی اطلاعات مربوط به وضعیت ارگانیسم و ​​محیط آن را گزارش می‌دهند. سیستم‌های حرکتی، اعمال را سازماندهی و ایجاد می‌کنند. و سیستم‌های تداعی‌گر، عملکردهای «مرتبه بالاتر» مغز مانند ادراک، توجه، حافظه، احساسات، زبان و تفکر را فراهم می‌کنند که همگی تحت عنوان شناخت قرار می‌گیرند. این توانایی‌های اخیر در هسته درک انسان‌ها، رفتار آنها، تاریخ آنها و شاید آینده آنها قرار دارند.

Genetics and Genomics

The nervous system, like all other organs, is the product of gene expression that begins at the outset of embryogenesis. A gene comprises both coding DNA sequences (exons) that are the templates for messenger RNA (mRNA) that will ultimately be translated into a protein, and regulatory DNA sequences (promoters and introns) that control whether and in what quantities a gene is expressed in a given cell type (i.e., transcribed into mRNA and then translated into a functional protein). Genetic analysis is thus fundamental to understanding the structure, function, and development of organs and organ systems. The advent of genomics, which focuses on the analysis of complete DNA sequences (both coding and regulatory) for a species or an individual, has provided insight into how nuclear DNA helps determine the assembly and operation of the brain and the rest of the nervous system.

ژنتیک و ژنومیک

سیستم عصبی، مانند تمام اندام‌های دیگر، محصول بیان ژن است که از ابتدای جنین‌زایی آغاز می‌شود. یک ژن شامل توالی‌های DNA کدکننده (اگزون‌ها) است که الگوهایی برای RNA پیام‌رسان (mRNA) هستند که در نهایت به پروتئین ترجمه می‌شوند، و توالی‌های DNA تنظیمی (پروموتر و اینترون) که کنترل می‌کنند که آیا و به چه مقدار یک ژن در یک نوع سلول مشخص بیان شود (یعنی به mRNA رونویسی شود و سپس به یک پروتئین عملکردی ترجمه شود). بنابراین، تجزیه و تحلیل ژنتیکی برای درک ساختار، عملکرد و توسعه اندام‌ها و سیستم‌های اندامی اساسی است. ظهور ژنومیک، که بر تجزیه و تحلیل توالی‌های کامل DNA (هم کدگذاری و هم تنظیمی) برای یک گونه یا یک فرد تمرکز دارد، بینشی در مورد چگونگی کمک DNA هسته‌ای به تعیین مونتاژ و عملکرد مغز و بقیه سیستم عصبی ارائه داده است.

Based on current estimates, the human genome comprises about 20,000 genes, of which some 14,000 (approximately 70%) are expressed in the developing or mature nervous system (Figure 1.1A). Of this subset, about 8000 are expressed in all cells and tissues, including the nervous system. The remaining 6000 genes of the 14,000 total are expressed only in the nervous system. Most “nervous system-specific” genetic information for the genes whose expression is shared among several tissues resides in the introns and regulatory sequences that control timing, quantity, variability, and cellular specificity of gene expression. Thus, despite the number of genes shared by the nervous system and other tissues, individual genes are regulated differentially throughout the nervous system, as measured by the amount of mRNA expressed from region to region and from one cell type to another (Figure 1.1B). Moreover, variable messages transcribed from the same gene, called splice variants, add diversity by allowing a single gene to encode information for a variety of related protein products. All these differences play a part in the diversity and complexity of brain structure and function.

بر اساس تخمین‌های فعلی، ژنوم انسان شامل حدود 20000 ژن است که حدود 14000 ژن (تقریباً 70٪) در سیستم عصبی در حال توسعه یا بالغ بیان می‌شوند (شکل 1.1A). از این زیرمجموعه، حدود 8000 ژن در تمام سلول‌ها و بافت‌ها، از جمله سیستم عصبی، بیان می‌شوند. 6000 ژن باقی‌مانده از 14000 ژن کل، فقط در سیستم عصبی بیان می‌شوند. بیشتر اطلاعات ژنتیکی “ویژه سیستم عصبی” برای ژن‌هایی که بیان آنها بین چندین بافت مشترک است، در اینترون‌ها و توالی‌های تنظیمی قرار دارد که زمان‌بندی، مقدار، تنوع و اختصاصیت سلولی بیان ژن را کنترل می‌کنند. بنابراین، علیرغم تعداد ژن‌های مشترک بین سیستم عصبی و سایر بافت‌ها، ژن‌های منفرد به طور متفاوتی در سراسر سیستم عصبی تنظیم می‌شوند، که با مقدار mRNA بیان شده از ناحیه‌ای به ناحیه دیگر و از یک نوع سلول به نوع دیگر اندازه‌گیری می‌شود (شکل 1.1B). علاوه بر این، پیام‌های متغیر رونویسی شده از همان ژن، که انواع پیرایش نامیده می‌شوند، با اجازه دادن به یک ژن واحد برای رمزگذاری اطلاعات برای انواع محصولات پروتئینی مرتبط، تنوع ایجاد می‌کنند. همه این تفاوت‌ها در تنوع و پیچیدگی ساختار و عملکرد مغز نقش دارند.

FIGURE 1.1 Genes and the nervous system. (A) In this Venn diagram of the human genome, the blue and purple regions represent genes that are expressed selectively in the nervous system along with those that are expressed in the nervous system as well as in all other tissues. (B) The locations and levels of expression of a single gene in the human brain. Dots indicate brain regions where mRNA for this particular gene are found, while their color (blue to orange) indicates the relative level (lower to higher) of mRNA detected at each location. (C) consequence of a single-gene mutation for brain development. The gene, ASPM (Abnormal Spindle-likeccc Microcephaly-associated) , affects the function of a protein associated with mitotic spindles and results in microcephaly. In an individual carrying the ASPM mutation (left), the size of the brain is dramatically reduced and its anatomical organization is distorted compared with the brain of a typical control (right) of similar age and sex. (A data from Ramsköld et al., 2009; B courtesy of Allen Brain Atlas; C from Bond et al., 2002.)

شکل ۱.۱ ژن‌ها و سیستم عصبی. (الف) در این نمودار ون از ژنوم انسان، نواحی آبی و بنفش نشان‌دهنده ژن‌هایی هستند که به صورت انتخابی در سیستم عصبی بیان می‌شوند، همراه با ژن‌هایی که در سیستم عصبی و همچنین در تمام بافت‌های دیگر بیان می‌شوند. (ب) مکان‌ها و سطوح بیان یک ژن واحد در مغز انسان. نقاط نشان‌دهنده مناطقی از مغز هستند که mRNA برای این ژن خاص در آنها یافت می‌شود، در حالی که رنگ آنها (آبی تا نارنجی) نشان‌دهنده سطح نسبی (پایین‌تر به بالاتر) mRNA شناسایی شده در هر مکان است. (ج) پیامد یک جهش تک ژنی برای رشد مغز. ژن ASPM (میکروسفالی غیر طبیعی شبیه دوک‌های عصبی) بر عملکرد پروتئینی مرتبط با دوک‌های میتوزی تأثیر می‌گذارد و منجر به میکروسفالی می‌شود. در فردی که حامل جهش ASPM (چپ) است، اندازه مغز به طور چشمگیری کاهش می‌یابد و سازماندهی آناتومیکی آن در مقایسه با مغز یک فرد کنترل معمولی (راست) با سن و جنس مشابه، تحریف می‌شود. (داده‌های A از Ramsköld و همکاران، ۲۰۰۹؛ B با اجازه Allen Brain Atlas؛ C از Bond و همکاران، ۲۰۰۲.)

A dividend of sequencing the human genome has been the realization that altered (mutated) genes, sometimes even one or a few, can underlie neurological and psychiatric disorders. For example, mutation of a single gene that regulates mitosis can result in microcephaly, a condition in which the brain and head fail to grow and brain function is dramatically diminished (Figure 1.1C; also see Chapter 22). In addition to genes that disrupt brain development, mutant genes can either cause (or are risk factors for) degenerative disorders of the adult brain, such as Huntington’s and Parkinson’s diseases. Using genetics and genomics to understand diseases of the developing and adult nervous system permits deeper insight into the pathology, and raises the hope for gene-based therapies.

یکی از مزایای توالی‌یابی ژنوم انسان، درک این موضوع بوده است که ژن‌های تغییر یافته (جهش یافته)، گاهی اوقات حتی یک یا چند ژن، می‌توانند زمینه‌ساز اختلالات عصبی و روانی باشند. به عنوان مثال، جهش در یک ژن واحد که میتوز را تنظیم می‌کند، می‌تواند منجر به میکروسفالی شود، وضعیتی که در آن مغز و سر رشد نمی‌کنند و عملکرد مغز به طور چشمگیری کاهش می‌یابد (شکل 1.1C؛ همچنین به فصل 22 مراجعه کنید). علاوه بر ژن‌هایی که رشد مغز را مختل می‌کنند، ژن‌های جهش یافته می‌توانند باعث (یا عوامل خطر) اختلالات دژنراتیو مغز بزرگسالان، مانند بیماری‌های هانتینگتون و پارکینسون، شوند. استفاده از ژنتیک و ژنومیک برای درک بیماری‌های سیستم عصبی در حال رشد و بزرگسال، بینش عمیق‌تری را در مورد آسیب‌شناسی فراهم می‌کند و امید به درمان‌های مبتنی بر ژن را افزایش می‌دهد.

The relationship between genotype and phenotype, however, is clearly not just the result of following genetic instructions, and genomic information on its own will not explain how the brain operates, or how disease processes disrupt normal brain functions. To understand how the brain and the rest of the nervous system work in health and disease, neuroscientists and clinicians must also understand the cell biology, anatomy, and physiology of the constituent cells, the neural circuits they form, and how the structure and function of such circuits change with use across the life span. Whereas understanding the operating principles of most other organ systems has long been clear, this challenge has yet to be met for the nervous system, and in particular the human brain.

با این حال، رابطه بین ژنوتیپ و فنوتیپ، به وضوح فقط نتیجه پیروی از دستورالعمل‌های ژنتیکی نیست و اطلاعات ژنومی به خودی خود نحوه عملکرد مغز یا چگونگی اختلال در عملکردهای طبیعی مغز توسط فرآیندهای بیماری را توضیح نمی‌دهد. برای درک چگونگی عملکرد مغز و بقیه سیستم عصبی در سلامت و بیماری، دانشمندان علوم اعصاب و پزشکان باید زیست‌شناسی سلولی، آناتومی و فیزیولوژی سلول‌های تشکیل‌دهنده، مدارهای عصبی که آنها تشکیل می‌دهند و نحوه تغییر ساختار و عملکرد چنین مدارهایی را با استفاده در طول عمر نیز درک کنند. در حالی که درک اصول عملکرد اکثر سیستم‌های اندام دیگر مدت‌هاست که روشن شده است، این چالش هنوز برای سیستم عصبی و به ویژه مغز انسان برطرف نشده است.

Cellular Components of the Nervous System  

Early in the nineteenth century, the cell was recognized as the fundamental unit of all living organisms. It was not until well into the twentieth century, however, that neuroscientists agreed that nervous tissue, like all other organs, is made up of these fundamental units. The major reason for this late realization was that the first generation of “modern” neuroscientists in the nineteenth century had difficulty resolving the unitary nature of nerve cells with the microscopes and cell staining techniques then available. The extraordinarily complex shapes and extensive branches of individual nerve cells—all of which are packed together and thus difficult to distinguish from one another—further obscured their resemblance to the geometrically simpler cells of other tissues (Figure 1.2). Some biologists of that era even concluded that each nerve cell was connected to its neighbors by protoplasmic links, forming a continuous directly interconnected nerve cell network, or reticulum (Latin, “net”). The Italian pathologist Camillo Golgi articulated and championed this “reticular theory” of nerve cell communication. This mistake notwithstanding, Golgi made many important contributions to medical science, including identifying the cellular organelle eventually called the Golgi apparatus; developing the critically important cell staining technique that bears his name (see Figures 1.2 and 1.6); and contributing to the understanding of the pathophysiology of malaria. His reticular theory of the nervous system eventually fell from favor and was replaced by what came to be known as the “neuron doctrine.” The major proponents of the neuron doctrine were the Spanish neuroanatomist Santiago Ramón y Cajal  and the British physiologist Charles Sherrington.

اجزای سلولی سیستم عصبی

در اوایل قرن نوزدهم، سلول به عنوان واحد بنیادی همه موجودات زنده شناخته شد. با این حال، تا اواخر قرن بیستم طول کشید تا دانشمندان علوم اعصاب به این نتیجه برسند که بافت عصبی، مانند همه اندام‌های دیگر، از این واحدهای بنیادی تشکیل شده است. دلیل اصلی این درک دیرهنگام این بود که نسل اول دانشمندان علوم اعصاب “مدرن” در قرن نوزدهم در حل ماهیت واحد سلول‌های عصبی با میکروسکوپ‌ها و تکنیک‌های رنگ‌آمیزی سلولی که در آن زمان موجود بود، مشکل داشتند. اشکال فوق‌العاده پیچیده و شاخه‌های گسترده سلول‌های عصبی منفرد – که همگی در کنار هم قرار گرفته‌اند و بنابراین تشخیص آنها از یکدیگر دشوار است – شباهت آنها را با سلول‌های ساده‌تر هندسی سایر بافت‌ها، بیشتر مبهم می‌کرد (شکل 1.2). برخی از زیست‌شناسان آن دوران حتی به این نتیجه رسیدند که هر سلول عصبی توسط پیوندهای پروتوپلاسمی به همسایگان خود متصل می‌شود و یک شبکه سلولی عصبی یا رتیکولوم (به لاتین “net”) را تشکیل می‌دهد که به طور مستقیم به هم پیوسته است. کامیلو گلژی، آسیب‌شناس ایتالیایی، این “نظریه شبکه‌ای” ارتباط سلول‌های عصبی را بیان و از آن حمایت کرد. علیرغم این اشتباه، گلژی سهم مهمی در علم پزشکی داشت، از جمله شناسایی اندامک سلولی که در نهایت دستگاه گلژی نامیده شد؛ توسعه تکنیک بسیار مهم رنگ‌آمیزی سلولی که نام او را بر خود دارد (شکل‌های ۱.۲ و ۱.۶ را ببینید)؛ و کمک به درک پاتوفیزیولوژی مالاریا. نظریه شبکه‌ای او در مورد سیستم عصبی سرانجام از محبوبیت افتاد و با چیزی که به عنوان «دکترین نورون» شناخته می‌شود، جایگزین شد. طرفداران اصلی دکترین نورون، نوروآناتومیست اسپانیایی، سانتیاگو رامونی کاخال، و فیزیولوژیست بریتانیایی، چارلز شرینگتون، بودند.

FIGURE 1.2 Some of the diverse nerve cell morphologies in the human nervous system. These drawings are tracings of actual nerve cells stained by impregnation with silver salts (the so-called Golgi technique, used in the classic studies of Golgi and Cajal). Asterisks indicate that the axon runs on much farther than shown. Note, however, that some cells, such as the retinal bipolar cell, have very short axons, while others, such as the retinal amacrine cell, have no axon at all. The drawings are not all at the same scale.

شکل ۱.۲ برخی از مورفولوژی‌های متنوع سلول‌های عصبی در سیستم عصبی انسان. این نقاشی‌ها، ردیابی سلول‌های عصبی واقعی هستند که با آغشته‌سازی با نمک‌های نقره رنگ‌آمیزی شده‌اند (به اصطلاح تکنیک گلژی، که در مطالعات کلاسیک گلژی و کاخال استفاده می‌شود). ستاره‌ها نشان می‌دهند که آکسون بسیار دورتر از آنچه نشان داده شده است، امتداد دارد. با این حال، توجه داشته باشید که برخی از سلول‌ها، مانند سلول دوقطبی شبکیه، آکسون‌های بسیار کوتاهی دارند، در حالی که برخی دیگر، مانند سلول آماکرین شبکیه، اصلاً آکسون ندارند. نقاشی‌ها همگی در یک مقیاس نیستند.

The spirited debate occasioned by the contrasting views of Golgi and Cajal in the late nineteenth and early twentieth centuries set the course of modern neuroscience. Based on light microscopic examination of nervous tissue stained with silver salts according to Golgi’s pioneering method, Cajal argued persuasively that nerve cells are discrete entities, and that they communicate with one another by means of specialized contacts that are not sites of continuity between cells. Sherrington, who had been working on the apparent transfer of electrical signals via reflex pathways, called these specialized contacts synapses. Despite the ultimate triumph of Cajal’s view over Golgi’s, both were awarded the 1906 Nobel Prize in Physiology or Medicine for their essential contributions to understanding the organization of the nervous system, and in 1932 Sherrington was likewise recognized for his contributions.

بحث داغی که در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم، به دلیل دیدگاه‌های متضاد گلژی و کاخال، شکل گرفت، مسیر علوم اعصاب مدرن را تعیین کرد. کاخال بر اساس بررسی میکروسکوپی نوری بافت عصبی رنگ‌آمیزی شده با نمک‌های نقره طبق روش پیشگامانه گلژی، به طور قانع‌کننده‌ای استدلال کرد که سلول‌های عصبی موجوداتی گسسته هستند و از طریق تماس‌های تخصصی که محل پیوستگی بین سلول‌ها نیستند، با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. شرینگتون، که بر روی انتقال ظاهری سیگنال‌های الکتریکی از طریق مسیرهای رفلکس کار می‌کرد، این تماس‌های تخصصی را سیناپس نامید. با وجود پیروزی نهایی دیدگاه کاخال بر دیدگاه گلژی، هر دو به خاطر سهم اساسی‌شان در درک سازماندهی سیستم عصبی، جایزه نوبل فیزیولوژی یا پزشکی سال ۱۹۰۶ را دریافت کردند و در سال ۱۹۳۲، شرینگتون نیز به همین ترتیب به خاطر سهمش مورد تقدیر قرار گرفت.

The subsequent work of Sherrington and others demonstrating the transfer of electrical signals at synaptic  junctions between nerve cells provided strong support for the neuron doctrine, although occasional challenges to the autonomy of individual neurons remained. It was not until the advent of electron microscopy in the 1950s that any lingering doubts about the discreteness of neurons were resolved. The high-magnification, high-resolution images obtained with the electron microscope (Figure 1.3) clearly established that nerve cells are functionally independent units; such micrographs also identified the junctions Sherrington had named  synapses. As a belated consolation for Golgi, however, electron microscopic studies also demonstrated specialized (albeit relatively rare) intercellular continuities between some neurons. These continuities, or gap junctions, are similar to those found between cells in epithelia such as the lung and intestine. Gap junctions do indeed allow for cytoplasmic continuity and the direct transfer of electrical and chemical signals between cells in the nervous system.

کار بعدی شرینگتون و دیگران که انتقال سیگنال‌های الکتریکی در اتصالات سیناپسی بین سلول‌های عصبی را نشان می‌داد، پشتیبانی قوی از دکترین نورون را فراهم کرد، اگرچه چالش‌های گاه به گاه در مورد استقلال نورون‌های منفرد همچنان باقی ماند. تا زمان ظهور میکروسکوپ الکترونی در دهه 1950، هرگونه شک و تردید باقی مانده در مورد گسستگی نورون‌ها برطرف نشد. تصاویر با بزرگنمایی و وضوح بالا که با میکروسکوپ الکترونی (شکل 1.3) به دست آمدند، به وضوح ثابت کردند که سلول‌های عصبی واحدهای مستقل عملکردی هستند. چنین میکروگراف‌هایی همچنین اتصالاتی را که شرینگتون سیناپس نامیده بود، شناسایی کردند. با این حال، به عنوان تسلی دیرهنگام برای دستگاه گلژی، مطالعات میکروسکوپ الکترونی همچنین پیوستگی‌های بین سلولی تخصصی (هرچند نسبتاً نادر) بین برخی از نورون‌ها را نشان دادند. این پیوستگی‌ها یا اتصالات شکاف‌دار، مشابه مواردی هستند که بین سلول‌های اپیتلیال مانند ریه و روده یافت می‌شوند. اتصالات شکاف‌دار در واقع امکان پیوستگی سیتوپلاسمی و انتقال مستقیم سیگنال‌های الکتریکی و شیمیایی بین سلول‌های سیستم عصبی را فراهم می‌کنند.

FIGURE 1.3 The major features of neurons visualized with electron microscopy. (A) Diagram of nerve cells and their component parts. The circled letters correspond to the micrographs in in the figure. (B) Axon initial segment (blue) entering a myelin sheath (gold). (C) Terminal boutons (blue) loaded with synaptic vesicles (arrowheads) forming synapses (arrows) with a dendrite (purple). (D) Transverse section of axons (blue)  ensheathed by  the processes of oligodendrocytes (gold); the surrounding myelin is black. (E) Apical dendrites (purple) of cortical pyramidal cells.(F) Nerve cell bodies (purple) occupied by large round nuclei.(G) Portion of a myelinated axon (blue) illustrating the intervals that occur between adjacent segments of myelin (gold and black) referred to as nodes of Ranvier (arrows). (Micrographs from Peters et al., 1991.).

شکل ۱.۳ ویژگی‌های اصلی نورون‌ها که با میکروسکوپ الکترونی مشاهده شده‌اند. (الف) نمودار سلول‌های عصبی و اجزای تشکیل‌دهنده آنها. حروف دایره‌ای مربوط به میکروگراف‌های موجود در شکل هستند. (ب) بخش اولیه آکسون (آبی) که وارد غلاف میلین می‌شود (طلایی). (ج) دسته‌های انتهایی (آبی) که مملو از وزیکول‌های سیناپسی (نوک پیکان‌ها) هستند و سیناپس‌ها (فلش‌ها) را با یک دندریت (بنفش) تشکیل می‌دهند. (د) برش عرضی آکسون‌ها (آبی) که توسط زوائد الیگودندروسیت‌ها (طلایی) پوشیده شده‌اند؛ میلین اطراف آن سیاه است. (ه) دندریت‌های رأسی (بنفش) سلول‌های هرمی قشری. (و) اجسام سلولی عصبی (بنفش) که توسط هسته‌های گرد بزرگ اشغال شده‌اند. (ز) بخشی از یک آکسون میلین‌دار (آبی) که فواصل بین بخش‌های مجاور میلین (طلایی و سیاه) را نشان می‌دهد که به عنوان گره‌های رانویه (فلش‌ها) شناخته می‌شوند. (میکروگراف‌ها از پیترز و همکاران، ۱۹۹۱).

The histological studies of Cajal, Golgi, and a host of successors led to the consensus that the cells of the nervous system can be divided into two broad categories: nerve cells, or neurons, and supporting glial cells (also called neuroglia, or simply glia). Most, but not all, nerve cells are specialized for electrical signaling over long distances. Elucidating this process, which is the subject of Unit I, represents one of the more dramatic success stories in modern biology. In contrast to nerve cells, glial cells support the signaling functions of nerve cells rather than generating electrical signals themselves. They also serve additional functions in the developing and adult nervous system. Perhaps most important, glia are essential contributors to repairing nervous system damage, acting as stem cells in some brain areas where they promote regrowth of damaged neurons in regions where regeneration can usefully occur. In other regions, they prevent regeneration where uncontrolled regrowth might do more harm than good (see below and Unit IV).

مطالعات بافت‌شناسی کاخال، گلژی و بسیاری از جانشینان او منجر به این اجماع شد که سلول‌های سیستم عصبی را می‌توان به دو دسته کلی تقسیم کرد: سلول‌های عصبی یا نورون‌ها و سلول‌های گلیال پشتیبان (که نوروگلیا یا به طور خلاصه گلیا نیز نامیده می‌شوند). اکثر سلول‌های عصبی، اما نه همه آنها، برای سیگنال‌دهی الکتریکی در فواصل طولانی تخصص دارند. روشن کردن این فرآیند، که موضوع بخش اول است، یکی از داستان‌های موفقیت چشمگیرتر در زیست‌شناسی مدرن را نشان می‌دهد. برخلاف سلول‌های عصبی، سلول‌های گلیال به جای تولید سیگنال‌های الکتریکی توسط خودشان، از عملکردهای سیگنال‌دهی سلول‌های عصبی پشتیبانی می‌کنند. آنها همچنین عملکردهای اضافی را در سیستم عصبی در حال رشد و بالغ انجام می‌دهند. شاید مهمترین آنها این باشد که گلیاها در ترمیم آسیب‌های سیستم عصبی نقش اساسی دارند و به عنوان سلول‌های بنیادی در برخی از نواحی مغز عمل می‌کنند و در آنجا رشد مجدد نورون‌های آسیب دیده را در مناطقی که بازسازی می‌تواند به طور مفید انجام شود، تقویت می‌کنند. در مناطق دیگر، آنها از بازسازی جلوگیری می‌کنند، جایی که رشد مجدد کنترل نشده ممکن است ضرر بیشتری نسبت به فایده داشته باشد (به پایین و بخش چهارم مراجعه کنید).

Neurons and glia share the complement of organelles found in all cells, including endoplasmic reticulum, Golgi apparatus, mitochondria, and a variety of vesicular structures. In neurons and glia, however, these organelles are often more prominent in different regions of the cell. Mitochondria, for example, tend to be concentrated at synapses in neurons, while protein-synthetic organelles such as the endoplasmic reticulum are largely excluded from axons and dendrites. In addition to differing in the distribution of their organelles and subcellular components, neurons and glia differ in some measure from other cells in the specialized fibrillary or tubular proteins that constitute the cytoskeleton (see Figure 1.4). Although many of these proteins—isoforms of actin, tubulin, myosin, and several others—are found in other cells, their distinctive organization in neurons is critical for the stability and function of neuronal processes and synaptic junctions. Additional filament proteins characterize glial cells and contribute to their functions. The various filaments, tubules, subcellular motors, and scaffolding proteins of the neuronal and glial cytoskeleton orchestrate many functions, including the migration of nerve cells; the growth of axons and dendrites; the trafficking and appropriate positioning of membrane components, organelles, and vesicles; and the active processes of exocytosis and endocytosis underlying synaptic communication. Understanding the ways in which these molecular components are used to ensure the proper development and function of neurons and glia remains a primary focus of modern neurobiology.

نورون‌ها و گلیاها، اندامک‌های موجود در همه سلول‌ها، از جمله شبکه آندوپلاسمی، دستگاه گلژی، میتوکندری و انواع ساختارهای وزیکولی را به اشتراک می‌گذارند. با این حال، در نورون‌ها و گلیاها، این اندامک‌ها اغلب در مناطق مختلف سلول برجسته‌تر هستند. به عنوان مثال، میتوکندری‌ها تمایل دارند در سیناپس‌های نورون‌ها متمرکز شوند، در حالی که اندامک‌های سنتز پروتئین مانند شبکه آندوپلاسمی تا حد زیادی از آکسون‌ها و دندریت‌ها جدا شده‌اند. نورون‌ها و گلیاها علاوه بر تفاوت در توزیع اندامک‌ها و اجزای زیر سلولی خود، تا حدودی در پروتئین‌های فیبریلاری یا لوله‌ای تخصصی که اسکلت سلولی را تشکیل می‌دهند، با سایر سلول‌ها متفاوت هستند (شکل 1.4 را ببینید). اگرچه بسیاری از این پروتئین‌ها – ایزوفرم‌های اکتین، توبولین، میوزین و چندین مورد دیگر – در سلول‌های دیگر یافت می‌شوند، سازماندهی متمایز آنها در نورون‌ها برای پایداری و عملکرد فرآیندهای عصبی و اتصالات سیناپسی بسیار مهم است. پروتئین‌های رشته‌ای اضافی، سلول‌های گلیال را مشخص می‌کنند و به عملکرد آنها کمک می‌کنند. رشته‌ها، لوله‌ها، موتورهای زیرسلولی و پروتئین‌های داربستی مختلف اسکلت سلولی نورون‌ها و گلیال، عملکردهای بسیاری را هماهنگ می‌کنند، از جمله مهاجرت سلول‌های عصبی؛ رشد آکسون‌ها و دندریت‌ها؛ جابجایی و قرارگیری مناسب اجزای غشایی، اندامک‌ها و وزیکول‌ها؛ و فرآیندهای فعال اگزوسیتوز و اندوسیتوز که زیربنای ارتباط سیناپسی هستند. درک روش‌هایی که این اجزای مولکولی برای اطمینان از رشد و عملکرد مناسب نورون‌ها و گلیا استفاده می‌شوند، همچنان تمرکز اصلی نوروبیولوژی مدرن است.

Neurons

» ادامه فصل در «قسمت بعد فصل اول»