Axon je výběžek nervové buňky (neuronu) sloužící jako informační výstup při přenosu informace mezi neurony nebo mezi neuronem a jinými buňkami (např. buňkami svalu). Z nervové buňky vystupuje typicky jeden axon, který se na svém konci bohatě větví. Axony se dělí na myelinizované a nemyelinizované. Myelinová pochva, která obaluje myelinizované axony je tvořena gliovými buňkami a zvyšuje rychlost a účinnost vedení vzruchu.
Axon popsal poprvé v 19. století německý anatom Otto Friedrich Karl Deiters. Funkční roli axonu v přenosu vzruchů poprvé objasnil španělský anatom Santiago Ramón y Cajal.
Struktura Axon je výběžek neuronu o délce až 100 cm a tloušťce 0,05-20 μm. Axony hlavonožců však mohou dosahovat průměru až 1 mm. Buněčná membrána axonu se nazývá axolemma a cytoplazma axonu axoplazma. Každý neuron má typicky jeden axon a několik bohatě větvených dendritů. U pseudounipolárních buněk odstupuje axon z výběžku společného s dendritem. Axon se dělí na několik částí – nejblíže buněčnému tělu je tzv. odstupový konus (někdy označovaný jako axonový hrbolek), který je následován iniciálním segmentem, což je oblast před počátkem myelinové pochvy. Iniciální segment je místem vzniku akčních potenciálů. V průběhu axonu může docházet k jeho větvení, tyto větve se nazývají kolaterály. Nejdále od buněčného těla se nachází distální konec, kde se axon většinou několikanásobně větví – vytváří terminální arborizaci (telodendron). Jednotlivé větve se na koncích rozšiřují v terminální (synaptické) butony (též označované jako synaptické knoflíky). Synaptické butony však vznikají také podél tenkých axonálních větví, kde utváří ztluštěniny nazývané varikosity.
Cytoskelet a buněčné organely V axonech se hojně vyskytují mikrotubuly (označované jako neurotubuly) a neurofilamenta. Aktinový cytoskelet je v axonu uspořádaný zvláštním způsobem (PMS – periodic membrane skeleton). Aktin v axonu tvoří kroužky pod membránou axonu v pravidelných rozestupech (180-190 nm). Aktinová vlákna jsou stabilizována adducinem, který kontroluje průměr aktinových kroužků. Kroužky jsou propojeny mezi sebou pomocí tetramerů spektrinu. Kroužky vznikají nejprve v části axonu, která je blíže u buněčného těla a během vývoje se poté dostávají i do vzdálených částí axonu. Význam tohoto speciálního uspořádání aktinového cytoskeletu je pravděpodobně mimo vlastního vyztužení a podpory plazmatické membrány také udržování pravidelného rozmístění membránových proteinů důležitých pro udržení struktury axonu a pro přenos vzruchu (např. ankyrin a sodíkové kanály).
V axoplazmě se nachází malé množství mitochondrií a ojediněle také hladké endoplazmatické retikulum. V místech synaptických butonů se nachází mitochondrie a četné synaptické vezikuly (váčky), které obsahují chemické mediátory nezbytné pro přenos vzruchu.
Synapse náhled|Schematické znázornění synapse. Presynaptická část axonu (knoflíkovitě rozšířená) naplněná synaptickými vezikulami s neuropřenašečem, který se uvolňuje do synaptické štěrbiny. Na postsynaptické membráně jsou četné molekuly receptorů pro neuropřenašeč. Na koncích axonů v místech terminálních butonů nebo v místech varikosit se nachází synapse. Synapse (neboli zápoj) je místem přenosu signálu mezi neurony či mezi neuronem a efektorovou tkání. Každý neuron má řádově tisíce synapsí. Přenosu informace na synapsi říkáme synaptická transmise (neurotransmise). Synapse se dělí na elektrické a chemické. V elektrických synapsích jsou buněčné membrány buněk v těsné blízkosti a jsou vzájemně propojeny membránovými strukturami tvořícími tzv. vodivé spoje (gap junctions tvořené proteiny konexiny), které umožní tok iontů z jedné buňky do druhé. Elektrické synapse jsou rychlejší než chemické a umožňují přenos signálu oběma směry. V lidském nervovém systému se elektrické synapse neuplatňují, najdeme je však například u ryb, obojživelníků či plazů. Chemické synapse přenášejí informace pomocí molekul – neuropřenašečů (neuromediátorů).
Synapse se dělí dle buněk, které se jich účastní, na interneuronové, neuroreceptorové a neuroefektorové. Nejčastější jsou interneuronové synapse, při kterých přechází signál od presynaptického neuronu k postsynaptickému neuronu. Nejčastějším typem synapse mezi neurony je synapse axo-dendritická, dalším typem je synapse axo-somatická a nejméně časté jsou synapse axo-axonální. Axony tvoří synapse pouze v nemyelinizovaných místech. Nejvýznamnějším typem neuroefektorové synapse je nervosvalová ploténka, kde zakončení axonu kontaktuje vlákno příčně pruhovaného svalu.
Z hlediska stavby se synapse skládá z presynaptické části, synaptické štěrbiny a postsynaptické části. Presynaptická část je nejčastěji knoflíkovitě rozšířená koncová část axonu, která obsahuje neurotubuly, neurofilamenta, mitochondrie a četné synaptické vezikuly naplněné neuropřenašečem. Synaptická štěrbina je prostor mezi membránami buněk tvořících synapsi, je široký asi 30–40 nm. Postsynaptická část obsahuje ve své membráně zejména četné receptory pro neuropřenašeče.
Synapse jsou vysoce dynamické útvary a jejich dynamické změny představují synaptickou plasticitu, což je schopnost modifikovat stavbu a činnost existujících synapsí a je to jedna z hlavních možností učení a vytváření paměti.
Myelinizace Myelinizace (neboli obalení axonů myelinovou pochvou) umožňuje rychlé a účinné vedení vzruchu a představuje tak evoluční výhodu umožňující rychlejší reakce na okolní prostředí. Existují dvě hlavní strategie pro zrychlení vedení vzruchů – zvětšení neuronů a průměru jejich axonu (u bezobratlých, např. chobotnice) a nebo myelinizace, která umožňuje rychlé saltatorní (skokové) vedení. Zvětšení průměru axonu až na 1 mm umožní rychlost vedení až kolem 25 m/s, tato varianta je nicméně prostorově i energeticky velmi náročná. Myelinizace umožňuje rychlost vedení vzruchů kolem 100 m/s.
Myelinová pochva je lipoproteinový komplex (asi 70 % tvoří lipidy, zejména galaktosfingolipidy, sfingomyelin, cholesterol) složený z řady koncentrických vrstev, které vznikají mnohočetným spirálním obtáčením plazmatické membrány gliové buňky kolem úseku axonu.
V periferní nervové soustavě (PNS) je myelinová pochva tvořena Schwannovými buňkami, kde každá Schwannova buňka vytvoří jeden myelinový plát kolem jednoho axonu. V centrální nervové soustavě (CNS) je myelinová pochva produktem oligodendrocytů, které jsou schopny vytvořit více myelinových pochev na různých axonech (1 oligodendrocyt tvoří kolem 30 myelinových pochev). Myelin na jednom axonu je tedy tvořen několika myelinovými pláty umístěnými podél axonu a každý tento plát je tvořen jinými oligodedrocyty či Schwannovými buňkami. Mezi těmito segmenty se nachází tzv. Ranvierův zářez (nodus). V této oblasti se akumulují napěťově řízené sodíkové kanály, což spolu s izolačními vlastnostmi myelinu a jeho spojení s membránou axonu, vede k saltatornímu (skokovému) vedení vzruchu.
Ne všechny axony obratlovců jsou však myelinizovány. Např. v periferní nervové soustavě nemají myelinovou pochvu post-ganglionická autonomní vlákna nebo některá vlákna pro cítění bolesti a teploty. V CNS zůstávají bez myelinizace např. paralelní vlákna v mozečku. Také nejtenčí axony nemají myelinovou pochvu a označují se jako nemyelinizovaná či šedá vlákna, která jsou v PNS obalena cytoplazmou Schwannovy buňky, zatímco v CNS zůstávají tato vlákna holá a jsou součástí tzv. neuropilu.
Myelinizace vede k organizaci axonálních proteinů do specifických domén a vedle urychlení vedení vzruchu hraje roli také v neuronální plasticitě. Myelinová pochva má význam také pro energetické potřeby axonu, které spočívají zejména v axonálním transportu na dlouhé vzdálenosti. Gliové buňky tvořící myelinovou pochvu jsou zásadní pro zásobení axonů energetickými metabolity (zejména laktátem).
Nervy Axony (neboli nervová vlákna) se sdružují ve větší útvary nazývané nervy. Axony obalené myelinovou pochvou jsou obklopeny tenkou vrstvou jemného vaziva nazývanou endoneurium. Svazek takových axonů (neboli fascikulus) je obalen plochými buňkami perineuria a několik takových svazků obklopených společně fibrózní vrstvou pojivové tkáně (epineurium) utváří periferní nerv.
Dle směru, kterým nervová vlákna přenáší informaci je dělíme na aferentní neboli sensitivní (informace od periferie do centra – centripetálně) a na eferentní (motorická vlákna k efektorovým orgánům). Kontakt obou druhů těchto vláken vytváří reflexní oblouk.
Vývoj a regenerace
Vývoj axonu Neurony vznikají diferenciací z neurálních progenitorů, které vznikají z neurálních kmenových buněk. Neurální progenitor je oválná buňka bez výrazných výběžků. Během diferenciace začnou neurony vytvářet několik tenkých výběžků zvaných neurity. Tento děj je významně ovlivňován buněčným cytoskeletem zejména mikrotubuly a aktinovými vlákny. Svazky mikrotubulů tvoří kostru vznikajících výběžků a pravděpodobně se účastní vzniku výběžků díky takzvanému “klouzání“ mikrotubulů, kdy nedochází k prodlužování stávajícího mikrotubulového vlákna, ale spíše k posouvání mikrotubulů vůči sobě, čehož se účastní molekulární motory (proteiny schopné pohybu po mikrotubulech). Posun mikrotubulového vlákna vyvíjející tlak na buněčnou membránu může spolu s přestavbami aktinového cytoskeletu pod membránou vést ke vzniku neuritu. Jeden ze vzniklých výběžků se následně stane axonem, zatímco zbývající výběžky budou utvářet dendrity. Ve výběru budoucího axonu hraje významnou roli opět cytoskelet a to zejména jeho stabilita. Výběžek s vysokým podílem stabilizovaných mikrotubulových vláken a zároveň nestabilními dynamickými aktinovými vlákny utvoří budoucí axon. Jedno z vysvětlení tohoto procesu je, že stabilizovaný mikrotubul je selektivně využíván některými molekulárními motory se specifickým nákladem, a tedy ovlivní buněčný transport, což může vést k hromadění organel a proteinů nezbytných pro vznik axonu právě ve výběžku s nejstabilnějšími mikrotubuly. Tohoto selektivního transportu se patrně účastní Kinesin-1, který se váže především na stabilní mikrotubuly a bylo popsáno, že se hromadí v budoucím axonu.
Ve chvíli, kdy vzniká axon, dochází k polarizaci neuronu. Během tohoto procesu dochází k zániku MTOC (mikrotubuly organizující centrum), z kterého mikrotubuly vychází ve většině ostatních buněk. V neuronech jsou minus konce mikrotubulů stabilizovány např. na membráně Golgiho aparátu nebo pomocí proteinu CAMSAP2 (calmodulin-regulated spectrin-associated protein 2), jehož přítomnost je potřebná pro vznik axonu.
Růstový kužel a navádění axonů Po utvoření axonu dochází ke zvětšení jeho koncové části a utvoření růstového kužele, což je dynamická struktura na konci axonu zodpovědná za růst a větvení axonu. Růstový kužel také na základě chemických (např. semaforiny) a fyzikálních podnětů z okolí řídí růst axonu do správného směru.
Růstový kužel se skládá z periferní domény, která je tvořena lamelipodii a filopodii vyplněnými aktinem (aktinové svazky utváří filopodia a větvené aktinové sítě lamelipodia). Centrální doména obsahuje mikrotubuly směrované svým dynamickým rostoucím koncem k periferní doméně. Část axonu za růstovým kuželem směrem k tělu neuronu se označuje jako axonální shaft. V této oblasti jsou mikrotubuly více stabilizovány v porovnání s dynamickým růstovým kuželem. Této stability je dosaženo pomocí posttranslačních modifikací tubulinu tvořícího mikrotubuly (detyrosinace, acetylace).
Růst axonů se rozděluje do 3 fází – v první fázi dochází k protahování filopodií a lamelipodií způsobenému polymerizací aktinu. Vlákna aktinu polymerující ve směru růstu zároveň depolymerují na opačné straně, čímž vznikne prostor pro polymerující mikrotubuly (fáze 2). Nově polymerované mikrotubuly jsou ve třetí fázi stabilizovány, čímž se utváří nový axonální shaft.