Клетки Пуркине

Клетки Пуркине — это крупные эфферентные нейроны коры мозжечка, являющиеся единственным источником сигналов, покидающих кору мозжечка и передающих информацию в глубокие ядра мозжечка и вестибулярные ядра. Названы в честь чешского анатома и физиолога Яна Эвангелисты Пуркине, впервые описавшего их в 1837 году. Клетки Пуркине играют ключевую роль в координации движений, регуляции мышечного тонуса, обучении двигательным навыкам и поддержании равновесия.

Анатомия и морфология

Клетки Пуркине относятся к типу ГАМК-ергических нейронов (выделяют тормозный нейромедиатор гамма-аминомасляную кислоту). Их тела имеют грушевидную форму и расположены в один слой (ганглионарный слой) между молекулярным и зернистым слоями коры мозжечка. Диаметр тела клетки составляет от 20 до 40 мкм.

Дендритное дерево

От тела клетки отходит мощное, сильно разветвлённое дендритное дерево, которое распространяется в молекулярном слое коры мозжечка. Дендриты ориентированы преимущественно в одной плоскости, перпендикулярной длинной оси извилин мозжечка (фолий). Эта плоскость позволяет клетке Пуркине получать сигналы от множества параллельных волокон (аксонов гранулярных клеток), которые пересекают её дендритное дерево под прямым углом. Дендриты покрыты многочисленными шипиками — постсинаптическими структурами, где происходит контакт с параллельными волокнами. Каждая клетка Пуркине может иметь до 150 000—200 000 шипиков.

Аксон

Аксон клетки Пуркине начинается от базальной части тела, направляется вниз через зернистый слой и уходит в белое вещество мозжечка. Он является единственным эфферентным путём из коры мозжечка. Аксоны клеток Пуркине заканчиваются на нейронах глубоких ядер мозжечка (зубчатого, пробковидного, шаровидного и ядра шатра) и вестибулярных ядер (латерального вестибулярного ядра Дейтерса). Ветвления аксона образуют коллатерали, которые могут возвращаться в кору мозжечка и оказывать тормозное влияние на соседние клетки Пуркине и другие типы нейронов.

Физиология и нейрохимия

Клетки Пуркине являются тормозными нейронами. Они выделяют ГАМК, которая, связываясь с рецепторами на постсинаптической мембране нейронов глубоких ядер, вызывает их гиперполяризацию и подавление активности.

Типы потенциалов действия

Клетки Пуркине демонстрируют два основных типа электрической активности:

• Простые спайки — одиночные потенциалы действия, генерируемые с высокой частотой (от 50 до 150 Гц) в покое. Эта активность модулируется сигналами от параллельных волокон и вставочных нейронов.
• Комплексные спайки — характерные высокочастотные разряды (до 500 Гц), состоящие из одного-трёх начальных спайков и последующей серии низкоамплитудных колебаний. Комплексные спайки возникают исключительно в ответ на возбуждение от одного мощного входа — лазающих волокон, идущих из нижней оливы. Каждая клетка Пуркине получает вход только от одного лазающего волокна, но это волокно образует с ней огромное количество синапсов (до 26 000).

Синаптическая пластичность

Клетки Пуркине обладают способностью к долговременной депрессии (ДВД) — длительному ослаблению синаптической передачи между параллельными волокнами и клеткой Пуркине. Этот механизм, открытый в 1982 году Масао Ито, считается нейронной основой двигательного обучения. ДВД возникает, когда сигнал от параллельных волокон совпадает по времени с сильным возбуждающим сигналом от лазающего волокна. В результате клетка Пуркине снижает чувствительность к слабым, неправильно скоординированным входам, что способствует точной настройке двигательных программ.

Функции

Основная функция клеток Пуркине — интеграция сенсорной и моторной информации и формирование тормозного выхода, который регулирует активность глубоких ядер мозжечка. Этот процесс лежит в основе:

• Координации движений — согласования работы мышц-агонистов и антагонистов, обеспечения плавности и точности произвольных движений.
• Регуляции мышечного тонуса — поддержания оптимального уровня напряжения мышц в покое и при движении.
• Двигательного обучения — формирования и закрепления новых двигательных навыков (например, езда на велосипеде, игра на музыкальных инструментах).
• Поддержания равновесия и позы — интеграции вестибулярной, проприоцептивной и зрительной информации.
• Когнитивных функций — современные исследования показывают, что мозжечок и его клетки Пуркине участвуют в процессах внимания, планирования, временной координации и даже речевых функциях.

Патологии, связанные с клетками Пуркине

Поражение или гибель клеток Пуркине приводит к расстройствам координации движений, известным как атаксия. Основные заболевания, связанные с дисфункцией клеток Пуркине:

• Спиноцеребеллярные атаксии — группа наследственных нейродегенеративных заболеваний, при которых происходит прогрессирующая гибель клеток Пуркине. Наиболее распространённая форма — атаксия Мачадо-Джозефа.
• Алкогольная дегенерация мозжечка — хроническое употребление алкоголя может приводить к избирательной гибели клеток Пуркине, особенно в передней доле мозжечка, что проявляется атаксией походки.
• Болезнь Крейтцфельдта-Якоба — прионное заболевание, при котором в мозжечке накапливаются патологические прионные белки, вызывающие гибель клеток Пуркине.
• Аутоиммунные заболевания — например, паранеопластическая дегенерация мозжечка, при которой антитела, вырабатываемые организмом в ответ на раковую опухоль, атакуют клетки Пуркине.
• Гипоксия и ишемия — клетки Пуркине чрезвычайно чувствительны к недостатку кислорода; их гибель наблюдается при остановке сердца, инсультах и удушении.
• Отравление тяжёлыми металлами — ртуть, свинец и другие токсины могут избирательно повреждать клетки Пуркине.

Исследования и значение

Клетки Пуркине являются одной из наиболее изученных модельных систем в нейробиологии благодаря их уникальной морфологии, строгой организации и доступности для электрофизиологических и оптических методов. Исследования на клетках Пуркине внесли значительный вклад в понимание механизмов синаптической пластичности, нейронных сетей и двигательного контроля. В 2014 году Нобелевская премия по физиологии или медицине была присуждена Джону О’Кифу, Мей-Бритт Мозер и Эдварду Мозеру за открытие клеток системы позиционирования в мозге; хотя эти клетки не являются клетками Пуркине, изучение нейронных ансамблей, включая клетки Пуркине, остаётся важной областью современной нейронауки.

Интересные факты

• Клетки Пуркине — одни из самых крупных нейронов в центральной нервной системе человека. Их дендритное дерево может занимать площадь до 0,5 мм².
• В мозжечке человека содержится около 15–20 миллионов клеток Пуркине.
• Ян Пуркине, в честь которого названы клетки, также известен открытием потовых желез, пальцевых узоров и описанием эффекта Пуркине (изменение восприятия цвета в сумерках).
• Клетки Пуркине одними из первых погибают при болезни Альцгеймера, хотя основные проявления заболевания связаны с корой больших полушарий.
• В культуре клеток Пуркине могут спонтанно генерировать ритмическую активность, что делает их удобной моделью для изучения нейронных осцилляций.

Источники

• Kandel, E. R., Schwartz, J. H., Jessell, T. M., Siegelbaum, S. A., & Hudspeth, A. J. (2013). Principles of Neural Science (5th ed.). McGraw-Hill.
• Ito, M. (2006). Cerebellar circuitry as a neuronal machine. Progress in Neurobiology, 78(3-5), 272–303.
• Purves, D., Augustine, G. J., Fitzpatrick, D., et al. (2018). Neuroscience (6th ed.). Sinauer Associates.
• Eccles, J. C., Ito, M., & Szentágothai, J. (1967). The Cerebellum as a Neuronal Machine. Springer.
• Schmahmann, J. D. (2019). The cerebellum and cognition. Neuroscience Letters, 688, 62–75.
• Voogd, J., & Glickstein, M. (1998). The anatomy of the cerebellum. Trends in Neurosciences, 21(9), 370–375.