Особенности организации нейроэндокринной системы Daphnia magna (Cladocera)
Особенности
организации нейроэндокринной системы Daphnia magna (Cladocera)
В.В.
Лидванов, Т.Г. Львова
Методом
световой микроскопии при использовании цитоморфологических (окрашивание
альдегид-функсином по Гомори-Габу) и функциональных критериев соответствия
стадий клеточного цикла репродуктивному состоянию животных изучена ЦНС Daphnia
magna (Cladocera, Crustacea).
Выявлены
два типа нейронов, различающихся размерами, строением и тинкториальными
свойствами. Гомори-положительные клетки II типа обладают секреторной
активностью. Полифункциональность большинства нейронов ЦНС, отсутствие
специализированных структур характеризует нейроэндокринную систему D. magna в
качестве примитивной и соответствующей уровню организации аннелид.
Изучение
строения и функционирования нейроэндокринной системы (НЭС), способов
взаимодействия ее компонентов между собой, а также с отдельными элементами
других функциональных систем организма является одним из основных направлений
современных фундаментальных исследований. Значительные успехи уже достигнуты у
позвоночных животных, тогда как у беспозвоночных эта система исследована
недостаточно, а большинство работ посвящено высокоорганизованным
представителям. Среди ракообразных эта система хорошо изучена у высших раков.
Немногочисленные сведения, касающиеся представителей низших раков,
свидетельствуют о наличии принципиальных отличий в строении их НЭС, что не
позволяет проводить обобщений и требует дальнейших исследований в этой области.
Целью
настоящей работы является исследование структурной организации НЭС D. magna. Помимо
неизученности данного вида, выбор объекта исследования обусловлен еще и широким
использованием его в эколого-физиологических и токсикологических экспериментах.
В связи с этим полученные данные могут послужить основой для изучения роли НЭС
в реакциях организма на изменение факторов окружающей среды.
Изучение
НЭС D. magna проводили на серийных гистологических срезах толщиной 7 мкм,
окрашенных альдегид-фуксином по Гомори-Габу и изготовленных из фиксированных в
жидкости Буэна животных, находящихся на разных стадиях репродуктивного цикла
(неполовозрелые самки размером 1,5 мм, половозрелые – размером 1,8 – 2,0 мм,
самки размером 2,2 – 2,6 мм с яйцами, а также эмбрионами в выводковой камере,
составившие I, II, III и IV группы соответственно).
Помимо
характера окрашивания секреторная активность нейронов выявлялась на основании
корреляции их секреторных циклов с физиологическим состоянием животных. С этой
целью из 300 нейронов мозга в каждой из указанных групп подсчитывалось
относительное количество клеток, находящихся на разных стадиях секреторного
цикла.
Полученные
результаты показали, что структурные элементы НЭС D. magna локализованы в ЦНС,
которая представлена непарным оптическим ганглием, головным мозгом и брюшной
нервной лестницей. Головной мозг располагается в клювовидном отростке под
печеночными выростами и включает три отдела с соответствующим набором
нейропилей, характерных для ракообразных. Тела нейронов распределены по
поверхности: некоторые из них лежат одиночно, другие – концентрируются в группы
(рис. 1).
На
основании окрашивания альдегид-фуксином в ЦНС выделено два типа нейронов.
Нейроны
I типа имеют округлую форму и небольшие размеры (d = 4,2 мкм; ядро – 2,7 мкм).
Цитоплазма тонким слоем окружает ядро; Гомори-отрицательна. Нередко, однако, в
перинуклеарной области выявляется узкое гомогенное Гомори-положительное кольцо,
охватывающее ядро.
Рис.
1. Схема организации мозга D. magna с прилежащим оптическим ганглием:
а;
б; в – дорсальная, центральная и вентральная
области
мозга соответственно:
1,
2 – нейропили передней и задней долей оптического ганглия; 3 – оптический
ствол;
терминально-оптический
(4) и терминально-ольфакторно-акцессорный (5) тракты;
6
– тракты дейтоцеребрума, идущие в окологлоточную коннективу; 7 – нейропиль
антенн;
8 – группа нейронов нейропиля антенн; латеральная оптическая (9)
и
медиальная оптическая (10) группы нейронов; 11 – оптический нейропиль;
антеннул;
передняя латеральная (16), латеральная ольфакторно-акцессорная (17)
и
латеральная акцессорная (18) группы нейронов; ольфакторно-ольфакторный (19),
акцессорно-акцессорный
(20), ольфакторно-акцессорный (21), антеннулярно-
акцессорный
(22), антеннулярно-антеннулярный (23) и оптико-ольфакторно-
акцессорный
(24) тракты; 25 – центральный нейропиль; 26 – вентральная группа
нейронов
центрального нейропиля; 27 – передняя вентральная группа
нейронов
дейтоцеребрума; 28 – нижний край протоцеребрума;
группы
НСК протоцеребрума (29) и дейтоцеребрума (30, 31)
Нейроны II типа округлой или грушевидной
формы, размером 5,0 ´ 3,5 мкм;
ядро – 3,0 мкм и более. Их цитоплазма содержит материал, положительно
окрашивающийся по Гомори, давая несколько вариантов окраски. Наблюдаемые от
среза к срезу цитоморфологические и тинкториальные изменения нейронов этого
типа в одних и тех же участках ЦНС свидетельствуют о том, что для них характерен
секреторный цикл (рис. 2). Цитоплазма нейронов, находящихся на стадии
накопления нейросекрета (I стадия), окрашена полностью и более или менее
гомогенно, интенсивность окраски – самая высокая. В ходе этого процесса объем
цитоплазмы увеличивается и клетка вытягивается. Появление небольшого числа
светлых вакуолей по периферии клетки (II стадия) указывает на переход ее в
стадию выведения нейросекрета, в течение которого количество вакуолей
увеличивается и секреторный материал приобретает гранулярную структуру (III
стадия). И в случае угасания секретообразования вакуоли сливаются, цитоплазма
обычно пылевидно окрашивается лишь в перинуклеарной области и у аксонного
холмика (IV стадия), выведение нейросекрета завершается. В общем, клетки III и
IV стадии секреторного цикла, как правило, отличаются бóльшими
размерами, более выраженной грушевидной формой перикариона и эксцентричным
расположением ядра.
Рис.
2. Стадии секреторного цикла нейросекреторных
клеток
протоцеребрума D. magna:
I
– накопление; II, III – выведение; IV – завершение выведения нейросекрета
Важным
является тот факт, что грань между нейронами I и II типа довольно условна,
поэтому в ходе своего функционирования одни способны превращаться в другие.
Наблюдаемые морфологические изменения позволяют считать, что нейроны I типа не
обладают секреторной активностью, но способны изменять свое функциональное
состояние и приступать к синтезу нейросекрета, вступая в секреторный цикл,
который ими же и замыкается при угасании специфического синтеза в секреторных
нейронах.
Нейроны
обоих типов равномерно распределены по отделам ЦНС. Однако количество нейронов
II типа значительно больше нейронов I типа и составляет около 70 – 80 %. Кроме
того, соотношение нейронов I и II типа изменяется в зависимости от стадии
онтогенеза, и прежде всего от состояния репродуктивной системы (рис. 3). Так, в
мозговом ганглии относительное количество клеток II типа изменяется от 62 (у
неполовозрелых самок) до 80 % (у самок с эмбрионами в выводковой камере).
в
пересчете на 300 клеток на разных стадиях онтогенеза D. magna
Таким
образом, наличие секреторного цикла у Гомори-положительных нейронов ганглиев D.
magna, а также взаимосвязь секреторной активности с состоянием репродуктивной
системы позволяют сделать вывод об их способности к секреции. Эти данные не
противоречат современным положениям нейронной теории [1]. В соответствии с ней
каждый нейрон обладает несколькими группами регуляторных веществ, и поэтому,
учитывая многообразие нейропептидов, неудивительно, что около 80 % нервных
клеток ведут их синтез. То, что секреторно неактивные нейроны способны
переключаться на синтез нейропептидов и превращаться в секреторные нейроны,
указывает на их метаболическую пластичность и подтверждает одно из положений
этой теории.
Несмотря
на это, принимать подавляющее большинство Гомори–положительных нейронов D.
magna за специализированные нейросекреторные клетки (НСК) нет никаких
оснований, потому что, во-первых, они не образуют ни ограниченных областей
выведения нейрогормона в гемолимфу, ни специализированных для этого структур,
и, во-вторых, не формируют обособленные группы. Вероятнее всего, у организмов
данного уровня организации ярко проявляется низкая специализация и связанная с
ней полифункциональность нейронов, поэтому нейроны предпочтительнее обозначать
секретирующими.
В
мозговом ганглии среди них выделяются клетки, отличающиеся рядом морфологических
особенностей и характером функционирования. Они обладают ярко выраженным
секреторным циклом, на определенных стадиях которого имеют крупные размеры и
хорошо выявляемые, часто широкие аксоны, набитые секреторным материалом. Такие
клетки располагаются группами, образуемыми не только телами, но и их аксонами.
Их морфология на разных стадиях секреторного цикла указывает на то, что
основной путь выведения нейросекрета проходит через аксон. К сожалению,
терминали аксонов обнаружить так и не удалось. Тем не менее указанное позволяет
считать данные группы клеток более специализированными к процессам секреции, в
связи с чем мы рассматриваем их как НСК.
В
головном мозге выделено три парные группы НСК: одна принадлежит протоцеребруму,
две другие – дейтоцеребруму (рис. 1).
В
медиальной оптической группе нейронов протоцеребрума локализована группа из 5 –
7 НСК грушевидной формы с округлыми ядрами, функционирующими асинхронно. В
зависимости от стадии секреторного цикла средние размеры их тел изменяются от
6,6 ´ 3,5 мк до 9,0 ´ 5,5 мк, ядер – от 3,1 до 4,3 мк
соответственно. Секреторный материал на всех стадиях – гомогенный и не образует
гранулярной структуры. Тела клеток плавно переходят в аксоны, которые сходятся
в общий пучок. В его составе они движутся вдоль нейропилярного центрального
тела, а затем расходятся, направляясь, по-видимому, к дорсальной поверхности
мозга.
Следующая
группа состоит из 3 – 4 НСК грушевидной формы и локализована в области
латеральной акцессорной группы нейронов дейтоцеребрума. Тела клеток и их аксоны
тесно примыкают друг к другу. Клетки функционируют синхронно, на стадии
накопления средние размеры тел равны 6,4 ´
4,5 мк, ядер – 3,4 мк, на последующих стадиях длина достигает 10 мк, ширина –
6,7 мк, а диаметр ядра – 4,2 мк. На стадии выведения секреторный материал имеет
крупно-гранулярную структуру. Тела клеток без резких границ переходят в длинные
и прямые аксоны, двигающиеся к медиальной линии мозга.
Третья
парная группа, состоящая из 2 – 3 НСК, лежит в непарной передней вентральной
группе нейронов дейтоцеребрума. Клетки имеют округлую форму и слегка овальное
ядро. Функционируют синхронно, и в ходе секреторного цикла размеры их тел и
ядер изменяются незначительно. Ярко выражена характерная для клеточного цикла
трансформация секреторного материала, структура которого изменяется от
гомогенного до гранулярного. Средний диаметр тел клеток равняется 7,2 мк, а
ядер – 3,4 мк. Толщина аксонов на стадии выведения достигает 1,5 мк, на
некотором расстоянии от тел клеток они делают резкий изгиб в горизонтальной
плоскости и, по-видимому, направляются книзу.
Итак,
полученные нами данные позволяют заключить, что центральные отделы НЭС D. magna
образованы неспециализированными секретирующими нейронами и более
специализированными группами НСК. Нейрогемальные структуры, обеспечивающие
выброс нейрогормонов в гемолимфу, отсутствуют, и в частности центральный
нейросекреторный комплекс Х-органа с синусной железой, характерный для высших
раков, не сформирован.
Наши
данные, касающиеся представленности периферических эндокринных желез,
находящихся под нейрогуморальным контролем, очень ограничены. Установлено лишь,
что в основании антенн располагаются образования, состоящие из 2 – 3 гигантских
клеток. Характер окрашивания цитоплазмы (пенистый вид, крупно-гранулярные
включения) указывает на их секреторную функцию и позволяет предположить, что
это – Y-орган.
Анализируя
имеющиеся в научной литературе и собственные данные, можно сделать вывод о
сходстве структурной организации НЭС D. magna и других низших раков из отряда
Anostraca. В частности, описанные Э. Е. Кулаковским [2, 3] у последних группы
НСК по локализации, морфологии и особенностям функционирования сходны с
таковыми у D. magna. Это свидетельствует о полной гомологии групп НСК Cladocera
и Anostraca, что подтверждает их близкое эволюционное родство.
Однако
в некоторых аспектах полученные нами результаты расходятся с данными указанного
автора. Прежде всего, в отношении определения доли нейронов, вовлеченных в
секреторный процесс. Признавая вслед за ним секреторную активность определенных
специализированных нейронов церебрального ганглия, мы также считаем возможным
выполнение этой функции большинством других Гомори-положительных клеток ЦНС в
связи с наличием у них секреторного цикла и изменений их функционального
состояния в соответствии с изменением уровня физиологического напряжения
организма, определяемого состоянием репродуктивной системы.
Список литературы
1.
Новожилова А.П., Бамбминдра В.П. Нейронная теория и новые концепции строения
нервной системы // Морфология. 1996. Т. 110. №4. С. 7– 16.
2.
Кулаковский Э.Е. Нейросекреторные клетки и их циклы в мозгу Artemia salina //
Зоол. журн. 1976. Т. 60. №3. С. 354 – 362.
3.
Кулаковский Э.Е. Нейросекреторная система Streptocephalus torvicornis
(Crustacea, Branchiopoda) // Зоол. журн. 1980. Т. 59. №2. С. 181 – 185.
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://elib.albertina.ru