С давних времен люди интересовались анатомией и особенно строением мозга. Еще в V веке до нашей эры греческий врач Алкмеон пришел к выводу, что мозг — это орган, вызывающий ощущения и мысли. Начиная с этого времени и до изобретения микроскопа основным методом в анатомии становится метод рассечения и препарирования. К XVII веку, ко времени изобретения микроскопа, основные мозговые макроструктуры уже были описаны. Началось изучение клеточного строения организма, результатом которого стало создание в XIX веке клеточной теории.

Изучение строения мозга 

Первые нейроны были описаны только в середине XIX века чешским ученым Яном Пуркинье. Но для того, чтобы прийти к выводу, что нервная клетка — это структурно-функциональная единица нервной системы, надо было доказать, что нейрон — это самостоятельная клетка. 

Нейрон состоит из центральной части — тела — и отходящих от тела отростков двух типов: длинных аксонов, по которым нервный импульс убегает от тела нейрона, и коротких дендритов, которые, наоборот, принимают нервный импульс, приходящий от других нейронов. В то время наиболее признанной была ретикулярная теория строения нервной системы, которая утверждала, что все нейроны соединены от аксона к дендриту в единую сеть, то есть цитоплазма одного нейрона плавно переходит в цитоплазму следующего. Другая теория — теория контакта — постулировала, что нервная ткань состоит из отдельных нейронов, между которыми существуют границы.

Откуда возникла такая идея? Нейроны крайне разнообразны по величине, форме, количеству и ветвлению отростков, которые при существующих в то время методах окраски были почти неразличимы. На срезах мозговой ткани нейроны упакованы очень плотно, они окружены многочисленными переплетающимися волокнами, и, даже если бы эти волокна прокрашивались, их было невозможно различить. Поэтому одним из самых важных достижений нейроанатомии в XIX веке было изобретение в 1873 году итальянским ученым Камилло Гольджи метода окраски солями серебра, при котором прокрашивался один из 70–100 нейронов. При хорошо сделанном окрашивании на препарате видны только несколько коричнево-черных нейронов на оранжевом фоне, причем каждый из этих нейронов прокрашен полностью. 

Новую страницу в изучении нервной системы открыл великий испанский ученый, создатель нейронной теории и основоположник нейробиологии Сантьяго Рамон-и-Кахаль. 

В 1886 году ему показали нейроны, окрашенные по Гольджи. Кахаль был поражен отличием этого препарата нервной ткани от виденных им раньше нейронов. С этого времени он посвятил свою жизнь изучению нервной системы. Он усовершенствовал метод окраски нейронов по Гольджи, а также разработал несколько собственных методов, дающих возможность более детально изучить особенности строения нервной ткани. Кахаль обладал явным талантом художника, и публикации, делавшиеся им по результатам его исследований, были чрезвычайно интересны еще и потому, что были прекрасно иллюстрированы.

Рамон-и-Кахаль изучил и зарисовал нейроны практически всех структур головного мозга, а также сенсорных систем. Он дал гораздо более точные и детальные описания нейронов, чем это удавалось сделать до него, — например, он первым описал шипики на дендритах. 

Рамон-и-Кахаль обнаружил, что, хотя многие волокна тесно прилегают друг к другу, они не сливаются и образуют в месте контакта утолщение. Он не мог с помощью светового микроскопа рассмотреть синапс во всех деталях, но предположил его существование, укрепляя тем самым позиции нейронной теории. Эти представления повлияли на работу физиолога Чарльза Шеррингтона, который в то время изучал рефлексы спинного мозга. Он увидел, что его данные можно объяснить с точки зрения передачи возбуждения через контакты между нейронами. В 1897 году Шеррингтон назвал область контакта между нейронами синапсом. Таким образом, к началу XX века общепризнанной стала нейронная теория. В 1906 году Рамон-и-Кахалю совместно с Гольджи «в знак признания трудов о строении нервной системы» была присуждена Нобелевская премия по физиологии или медицине. Началось интенсивное исследование не только анатомии, но и физиологии нервной системы.

Одной из проблем, уже тогда вставших перед исследователями, была проблема поддержания в нервной системе гомеостаза и снабжения нервной системы всем необходимым для нормальной жизнедеятельности. Изучение этих вопросов привело к появлению представлений о гематоэнцефалическом барьере.

Гематоэнцефалический барьер

ГЭБ — это сложная анатомическая, физиологическая и биохимическая система, от которой зависит, какие вещества и с какой скоростью проникают в центральную нервную систему из крови. Существование ГЭБ связано с тем, что нейроны очень чувствительны к воздействию на них различных химических соединений, а если нейрон погибает, то его уже не может заменить новая клетка.Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) — это барьер между кровью и нервной тканью. Первые свидетельства существования ГЭБ были найдены немецким ученым Паулем Эрлихом, который обнаружил, что при введении в кровь красителя он окрашивает различные ткани организма, но не проникает в ткань мозга. 

Любая клетка является открытой системой, она обменивается веществами с окружающей средой. Клетка должна получать из окружающей среды воду, кислород, питательные вещества и в то же время выделять конечные продукты обмена веществ, например углекислый газ. Большинство нужных ей веществ клетка получает из крови. Практически все ткани организма пронизаны кровеносными капиллярами, стенки которых образованы одним слоем специализированных клеток эпителия — эндотелиальными клетками, которые лежат на базальной мембране неклеточного строения. Клетки эндотелия контактируют с кровью, а на наружной стороне мембраны лежат маленькие клетки — перициты. Они тесно связаны с эндотелиоцитами и оказывают на них значительное влияние.

Существует несколько типов капилляров. Они отличаются по строению и степени проницаемости. В разных тканях капилляры разные. Самый распространенный тип капилляра имеет щели между эндотелиальными клетками, а сами клетки имеют каналы. Например, в почечных клубочках, где транспорт через капилляр крайне интенсивен, эндотелиальные клетки имеют отверстия, проходящие через всю клетку. Через эти отверстия происходит обмен между кровью и полостью клубочка. В кроветворных органах в капиллярах есть еще более крупные щелевидные поры, через которые могут проникать клетки крови.

«Любая клетка является открытой системой, она обменивается веществами с окружающей средой»

Капилляры, которые пронизывают нервную ткань, принципиально отличаются от всех остальных: в них нет щелей между клетками эндотелия, а в самих клетках нет никаких пор. Более того, края эндотелиальных клеток сшиты друг с другом специальными белковыми молекулами, образуя плотные контакты. Помимо этого, в системе мозговых сосудов гораздо больше перицитов. Они расположены в местах контакта эндотелиальных клеток и таким образом усиливают соединения эндотелиальных клеток.

В результате проницаемость таких капилляров минимальна. Свободно путем диффузии из крови в межклеточную жидкость мозга проходят только кислород, углекислый газ, вода и мочевина, и их путь из полости капилляра проходит через клетку эндотелия.

В то же время нервная ткань нуждается как в поддержании постоянства межклеточной среды, так и в поступлении к ее клеткам различных питательных веществ. Причем этот процесс должен совершаться постоянно, без перебоев, поскольку нервная ткань содержит крайне мало запасных питательных веществ: в черепной коробке слишком мало места. Транспорт большинства необходимых веществ осуществляется активно, то есть с затратой энергии, специальными транспортными белками, поэтому в эндотелии мозговых капилляров в несколько раз больше митохондрий, чем в других тканях, ведь именно в митохондриях синтезируется большая часть энергии, необходимой клетке. 

В переносе питательных веществ из крови в мозг на помощь эндотелиальным клеткам приходят и астроциты. Нервная ткань состоит не только из собственно нервных клеток — нейронов, но и из клеток вспомогательной ткани — нейроглии. Этих клеток иной раз даже больше, чем нейронов. Нейроглиоциты весьма разнообразны, они выполняют множество функций, в том числе защитную и питательную. Астроциты — это один из видов глиальных клеток, именно они главным образом осуществляют гомеостаз в нервной ткани. А кроме того, астроциты принимают непосредственное участие в работе ГЭБ. 

Астроциты имеют многочисленные выросты, придающие им вид звезды, и между капиллярами и нейронами находится слой астроцитов, которые образуют специальные выросты — ножки, обхватывающие наподобие манжеты кровеносный капилляр. Другими отростками астроцит контактирует с нейронами. В результате необходимые для питания нейрона вещества сначала поступают в клетки эндотелия, а оттуда их извлекают астроциты и передают нейронам. 

Благодаря ГЭБ проникновение химических веществ из крови в нервную ткань очень ограничено. ГЭБ не пропускает к нейронам целый ряд соединений, и в первую очередь это токсины и отходы обмена веществ. ГЭБ не пропускает и некоторые вещества, поступающие с пищей, если они могут оказывать вредное влияние на нервную систему. Он же ограничивает прохождение в мозг некоторых лечебных препаратов. В связи с этим фармакологи при разработке новых лекарств обращают специальное внимание на создание молекул, которые могли бы преодолевать ГЭБ. Есть и другой путь проникновения лекарств в мозг — введение препарата непосредственно в ликвор — жидкость, заполняющую полости нервной системы (спинномозговой канал и желудочки мозга).

Нарушения в работе ГЭБ могут привести к различным заболеваниям. Например, при повышении температуры тела нарушаются контакты между глиальными ножками и кровеносным сосудом, что повышает вероятность проникновения инфекционных агентов в мозг.

Сам термин «гематоэнцефалический барьер» был предложен физиологом Линой Соломоновной Штерн. Она родилась в 1875 году в Ковенской губернии в обеспеченной еврейской семье. Получив хорошее гимназическое образование, она очень интересовалась медициной и хотела поступить в Московский университет. Но Литва в то время входила в состав Российской империи, а в России существовали жесткие ограничения на прием евреев в вузы. Поэтому Лина уехала в Швейцарию и поступила там в Женевский университет. Уже в студенческие годы она начала активно заниматься научной деятельностью в области физиологии и опубликовала свои первые научные работы.

После того как Лина Штерн окончила университет, ее пригласили в Женеву работать на кафедре физиологии. С этого времени она начала работы по физиологической химии — так тогда называли область науки, которая в дальнейшем стала называться биохимией. Большое влияние на ее исследования оказали взгляды французского ученого Клода Бернара, который еще в XIX веке разработал учение о гомеостазе — поддержании постоянства внутренней среды организма. 

Основные работы Лины Штерн в Женеве были посвящены клеточному дыханию. Ее научные достижения были высоко оценены: в 1906 году ей присваивают звание приват-доцента, а в 1917-м специально для нее организуют кафедру физиологической химии, и Лина Соломоновна становится первой женщиной-профессором в Женевском университете.

Ее научные интересы были очень широки. В частности, она занималась и физиологией головного мозга. Она изучала влияние на организм различных веществ при введении их в кровь и непосредственно в полости головного мозга. Это приводит ее в 1920-х годах к созданию концепции гематоэнцефалического барьера. Дальнейшие исследования в этом направлении позволяют Лине Штерн расширить это понятие до более широкой концепции гистогематического барьера — барьера между кровью и всеми другими тканями.

Во время жизни в Женеве Штерн познакомилась и подружилась со многими русскими политическими эмигрантами и их семьями, в частности с Георгием Валентиновичем Плехановым и известным народовольцем и ученым Алексеем Николаевичем Бахом. Сама она не занималась революционной деятельностью, но сочувствовала революционным идеям и приветствовала революцию 1917 года.

«Кроме работы на кафедре физиологии она организовала две биохимические лаборатории, а через некоторое время стала директором Института физиологии АН СССР, а потом и первой женщиной, избранной в АН СССР»

В 1924 году Штерн получила приглашение из Москвы от Баха возглавить кафедру физиологии 2-го Московского университета. Она с энтузиазмом приняла это предложение, приехала в Россию и сразу же включилась в работу. Кроме работы на кафедре физиологии она организовала две биохимические лаборатории, а через некоторое время стала директором Института физиологии АН СССР, а потом и первой женщиной, избранной в АН СССР.

Но судьба первой женщины-академика была очень непростой. Лина Штерн была членом президиума Еврейского антифашистского комитета и в 1949 году в возрасте 74 лет была арестована по «делу ЕАК». В июле 1952 года она стала единственной из обвиняемых, кому расстрел заменили тремя с половиной годами тюрьмы с последующими пятью годами ссылки. В 1953 году Лина Соломоновна была амнистирована, и ей разрешили вернуться в Москву, хотя формально реабилитирована она была только в ноябре 1958 года. 

С 1 марта 1953 года Лина Штерн была восстановлена в звании академика и возглавила отдел физиологии в Институте биофизики Академии наук. В 1960 году Женевский университет присудил Штерн почетную степень доктора honoris causa — это была дань признания Alma mater выдающихся заслуг в науке своей выпускницы. Умерла Лина Штерн 7 марта 1968 года.