Одним из самых драматичных эпизодов в истории нейробиологии был спор между двумя корифеями: Камилло Гольджи, считавшим, что нейроны слиты друг с другом в единую сеть (синцитий), и Сантьяго Рамоном-и-Кахалем, полагавшим, что нейроны — это отдельные клетки, передающие друг другу сигналы в специальных контактных зонах (синапсах). В течение многих десятилетий считалось твердо установленным, что Рамон-и-Кахаль был прав, а Гольджи ошибался. Однако детальное изучение нервной системы гребневика Mnemiopsis leidyi показало, что важнейшая ее часть — субэпителиальная нервная сеть — устроена «по Гольджи», а не «по Рамону-и-Кахалю». Новые данные неплохо согласуются с гипотезой о двукратном независимом появлении нервной системы у гребневиков и у общих предков книдарий и билатерий, хотя окончательные выводы делать пока рано.
Гребневики — одна из самых базальных («рано ответвившихся») групп животных. Когда-то гребневиков сближали с книдариями, но к настоящему времени можно считать доказанным, что родство гребневиков с книдариями не ближе, чем с человеком. Ученые продолжают спорить, кто базальнее — гребневики или губки, то есть какая из двух групп является сестринской по отношению ко всем остальным животным (рис. 1, А; см. «Первичность губок» опережает по очкам «первичность гребневиков», «Элементы», 12.11.2019). Независимо от исхода этого спора, положение гребневиков на эволюционном дереве недвусмысленно намекает, что нервная система, вероятно, появилась два раза независимо: один раз у гребневиков, второй раз у Eumetazoa, то есть у общих предков книдарий и билатерий (см.: Сравнительная геномика вынуждает пересмотреть место гребневиков на эволюционном древе животных, «Элементы», 18.12.2015).
С этим хорошо согласуются быстро накапливающиеся в последние годы данные о необычных особенностях нервной системы гребневиков (см.: Гипотеза о двукратном появлении нервной системы получила новые подтверждения, «Элементы», 26.05.2014). В частности, в нервной системе гребневиков не используется большинство нейромедиаторов, типичных для Eumetazoa, зато имеется множество уникальных нейропептидов. Еще одной необычной особенностью является большое разнообразие электрических синапсов и щелевых контактов.
Нервная система гребневиков устроена довольно сложно, что делает гипотезу о ее независимом возникновении еще более интересной (рис. 1, С). Она включает субэпителиальную нервную сеть (СНС), нейроны мезоглеи, нервы щупалец, чувствительный аборальный орган и множество разнообразных сенсорных клеток, разбросанных по всему телу.
Недавно европейским нейробиологам под руководством Павла Буркхардта (Pawel Burkhardt) из Бергенского университета (Норвегия) удалось при помощи новейших методов электронной микроскопии разобраться в строении нейронов СНС гребневика Mnemiopsis leidyi на стадии цидиппидной личинки (рис. 1, B). Считается, что цидиппидная личинка по своей морфологии похожа на общего предка гребневиков. Оказалось, что у этих пептидогенных (производящих нейропептиды) нейронов от тела клетки (сомы) отходят многочисленные отростки — нейриты (см. Neurite), которые не удается подразделить на аксоны и дендриты. Нейриты многократно ветвятся и сливаются, образуя сложную сеть вокруг сомы (M. Sachkova et al., 2021. Neuropeptide repertoire and 3D anatomy of the ctenophore nervous system). При этом осталось неясным, как устроены контакты между нейронами: есть ли там вообще синапсы, и если есть, то какие.
В своей новой статье, опубликованной в журнале Science, исследователи восполнили этот пробел и пришли к сенсационному выводу о полном отсутствии синапсов между нейронами СНС, которые фактически представляют собой единую многоядерную клетку — синцитий.
В новой работе использовался тот же объект — цидиппидная личинка Mnemiopsis leidyi, и еще более изощренные методы электронной микроскопии (см. Serial block face scanning electron microscopy). Это позволило создать детальные трехмерные реконструкции уже не отдельных нейронов и их окрестностей, а больших участков нервной системы с множеством нейронов. Чтобы сохранить все мельчайшие детали строения клеток, образцы замораживались под высоким давлением (S. Liu et al., 2023. High-Pressure Freezing Followed by Freeze Substitution: An Optimal Electron Microscope Technique to Study Golgi Apparatus Organization and Membrane Trafficking).
Оказалось, что нейроны СНС сливаются друг с другом своими нейритами, образуя единую сеть (рис. 2). Клеточные мембраны нигде не прерываются, и никаких синапсов между нейронами СНС нет — ни химических, ни электрических. Это самый настоящий синцитий.
Данный вывод можно считать вполне надежным, потому что в других частях нервной системы гребневика, где есть синапсы и щелевые контакты, авторы их отлично разглядели. Например, щелевые контакты есть между клетками гребных пластинок, а химические синапсы (с типичной «пресинаптической триадой»: крупной митохондрией, развитой эндоплазматической сетью и скоплением пресинаптических пузырьков) были замечены между окончаниями нейритов СНС и клетками гребных пластинок. Таким образом, СНС использует обычную синаптическую передачу сигналов для управления «эффекторными» (подконтрольными) клетками, отвечающими за движение животного, но внутри себя СНС использует иную, уникальную систему передачи информации по непрерывным цитоплазматическим мостикам.
Дополнительные эксперименты подтвердили, что нейроны СНС слиты в непрерывную сеть. Например, исследователи впрыскивали флуоресцентный краситель в одну из клеток эмбриона гребневика на той стадии, когда он состоит всего из двух клеток (бластомеров). В результате метка попадала в одну половину гребневика и не попадала в другую. За одним исключением: тела нейронов СНС окрасились все, что подтверждает синцитиальную природу СНС.
Авторы также изучили строение нейронов мезоглеи, которые находятся в теле гребневика под СНС (рис. 1, С). У этих нейронов тоже есть многочисленные отростки, которые, однако, не сливаются в сеть. Отростки нейронов мезоглеи контактируют с нейритами СНС, хотя синапсов — химических или электрических — в местах контакта обнаружить не удалось. Мембранные пузырьки, во множестве присутствующие в нейронах мезоглеи, отличаются от пузырьков, характерных для нейронов СНС, по размеру и по плотности содержимого, что говорит о каком-то ином способе химической коммуникации.
Кроме того, исследователи выяснили, что сенсорные клетки гребневика делятся на пять типов, два из которых ранее не были описаны. Эти типы клеток различаются по своей морфологии (в частности, по длине и количеству чувствительных ресничек) и по тому, каким клеткам они передают сигналы. Четыре из пяти типов используют для этого химические синапсы (рис. 3).
Сенсорные клетки первого типа передают сигналы сенсорным клеткам четвертого типа. Клетки второго типа — клеткам гребных пластинок, третьего — нейронам мезоглеи, четвертого — синцитиальной нервной сети. Пятый тип сенсорных клеток (не показанный на рис. 3) прикасается своими отростками к клеткам гребных пластинок, но синапсов в местах контакта обнаружить не удалось.
На основе новых и полученных ранее данных авторы предполагают, что сенсорные клетки типов 1 и 4 чувствительны к колебаниям воды и прикосновениям и передают соответствующие сигналы субэпитэлиальной нервной сети. Сенсорные клетки типа 2, скорее всего, отслеживают токи воды и регулируют движение гребневика, меняя частоту биений гребных пластинок. Функция сенсорных клеток типа 3, возможно, как-то связана со щупальцами и захватом пищи.
Таким образом, авторы с большой детальностью изучили нервную систему гребневика, что само по себе является важным вкладом в зоологию. Кроме того, они обнаружили крайне необычное синцитиальное устройство субэпитэлиальной нервной сети. Тут нельзя не вспомнить исторический спор между двумя великими нейробиологами, нобелевскими лауреатами Камилло Гольджи и Сантьяго Рамоном-и-Кахалем. Первый отстаивал ретикулярную (синцитиальную) теорию нервной системы, а второй доказывал, что нервная система состоит из отдельных нейронов, соединенных синапсами. С появлением электронной микроскопии всем стало окончательно ясно, что Рамон-и-Кахаль был прав, а Гольджи ошибался. И теперь вдруг выясняется, что СНС гребневика устроена «по Гольджи». Это не только в очередной раз напоминает нам, что в биологии не бывает правил без исключений (для правильной рекурсии нужно, конечно, добавить слово «почти» перед «не бывает»), но и дает новый весомый аргумент сторонникам версии о независимом происхождении нервной системы гребневиков. В ней, действительно, наблюдается удивительная смесь уникальных и общих с другими животными признаков.
Ранее уже были описаны анастомозы между нейронами у гребневиков, но только теперь синцитиальную организацию СНС можно считать твердо установленным фактом (по крайней мере у одного вида на одной стадии жизненного цикла). Дальнейшие исследования должны показать, насколько широко распространена такая организация нервной системы среди гребневиков. Пока неясно даже, сохраняется ли она у взрослых гребневиков Mnemiopsis leidyi, которые слишком велики, чтобы изучить их нервную систему с той же степенью детальности. Здесь стоит отметить, что некоторые исследователи считают цидиппидную личинку не личинкой, а особой стадией жизненного цикла, ведь как-никак она способна к половому размножению, да и поведение у нее не менее сложное, чем у большого гребневика (lobate phase на рис. 1, А).
Предстоит также выяснить, как формируется нейронный синцитий: при помощи незавершенных клеточных делений или же клетки делятся до конца, а потом сливаются отростками. Не до конца понятно и то, как работает синцитиальная нервная сеть и как она передает сигналы другим клеткам. Судя по набору ионных каналов, экспрессирующихся в СНС, она может создавать мембранные потенциалы или даже настоящие потенциалы действия, хотя авторы в этом совсем не уверены и подчеркивают необходимость экспериментальной проверки. На данный момент можно считать установленным, что СНС получает сигналы от сенсорных клеток через химические синапсы и сама передает сигналы, тоже через химические синапсы, клеткам гребных пластинок. Мембранные пузырьки с нейропептидами встречаются не только в пресинаптических окончаниях СНС, но и повсюду в нейритах (рис. 2). Это значит, что нейриты СНС, скорее всего, выделяют нейропептиды не только в синапсах. Возможно, они общаются с нейронами мезоглеи при помощи внесинаптической диффузии нейропептидов.
В принципе не исключено, что у других примитивных животных тоже иногда встречаются синцитиальные нервные сети. Нечто похожее было описано у парусника Velella, представителя книдарий. Впрочем, синцитиальная природа нервной сети Velella пока не подтверждена современными методами и остается гипотетической (G. Mackie et al., 1988. On the nervous system of Velella (Hydrozoa: Chondrophora)).
Можно вспомнить и трихоплакса (см. Placozoa) — еще одно примитивное животное, изучение которого, по мнению специалистов, может пролить свет на происхождение нервной системы (см. Передача сигналов у трихоплакса происходит при помощи молекул, аналогичных нейромедиаторам, «Элементы», 10.05.2023). У трихоплакса нет нейронов. Однако у него между двумя слоями эпителия есть внутренний слой клеток с отростками, напоминающий сеть. И есть подозрение (нуждающееся в проверке), что он имеет синцитиальную организацию (K. Buchholz, A. Ruthmann, 1995. The Mesenchyme-Like Layer of the Fiber Cells of Trichoplax adhaerens (Placozoa), a Syncytium). В принципе даже не исключено, что по своим функциям этот слой аналогичен нервной системе других примитивных животных.
В общем, у ученых, пытающихся разгадать тайну происхождения нервной системы, сейчас появилось много интересных зацепок, из которых в ближайшем будущем, наверное, сложится целостная картина.
Источник: Pawel Burkhardt, Jeffrey Colgren, Astrid Medhus, Leonid Digel, Benjamin Naumann, Joan J. Soto-Angel, Eva-Lena Nordmann, Maria Y. Sachkova, Maike Kittelmann. Syncytial nerve net in a ctenophore adds insights on the evolution of nervous systems // Science. 2023. DOI: 10.1126/science.ade5645.
См. также:
1) Геном гребневиков говорит в пользу двукратного возникновения нервной системы у животных, «Элементы», 19.12.2013.
2) Гипотеза о двукратном появлении нервной системы получила новые подтверждения, «Элементы», 26.05.2014.
3) Сравнительная геномика вынуждает пересмотреть место гребневиков на эволюционном древе животных, «Элементы», 18.12.2015.
4) Могли ли нейротрансмиттеры создать нервную систему в качестве эволюционного ответа на повреждение?, «Элементы», 13.07.2021.
5) У губок найдены вероятные эволюционные предшественники нейронов и миоцитов, «Элементы», 08.11.2021.
6) Передача сигналов у трихоплакса происходит при помощи молекул, аналогичных нейромедиаторам, «Элементы», 10.05.2023.
Свежие комментарии