Физиолог Вячеслав Дубынин о работе нейромедиаторов, активности мозга и химических принципах работы синапсов.
Источник ПостНаука
Соответственно, поодиночке нейроны не функционируют. Они функционируют, собираясь в цепи и сети. Для того чтобы такая сеть сформировалась, нужно, чтобы аксон дотянулся до следующей клетки и создал контакт. Эти контакты и называются синапсы, что по-гречески означает ‘соединение’. И синапсы — это функциональная и структурная единица нервной системы. То есть, по сути, элементарной единицей работы мозга является не нейрон, а синапс. Именно в синапсе происходят базовые информационные процессы и передаются сигналы. Соответственно, пока информация движется по нервной клетке, она движется в виде электрических импульсов. Эти импульсы называются потенциалы действия, и потенциал действия — это короткая вспышка электрического тока, обращенная вверх, то, что называется позитивность. И длится потенциал действия где-то одну тысячную секунды. И этот потенциал действия бежит по мембране нервной клетки, по мембране аксона, добегает до синапса, и дальше электрический принцип передачи сигнала сменяется химическим принципом. То есть вместо того, чтобы импульс перескакивал напрямую на следующую нервную клетку, из окончания аксона выделяется химическое вещество, и это вещество уже влияет на следующую клетку.
Таким образом, внутри нейронов информация передается в электрической форме, а между нейронами — в химической. И это вещество, которое передает сигнал от нейрона к следующей клетке, играет колоссальную роль в работе мозга, в работе нашего организма. Вещества этой категории называются медиаторы. Слово «медиатор» обозначает ‘посредник’. То есть это вещество — посредник между нейроном и какой-то следующей клеткой. Соответственно, сама идея, что существуют синапсы, контакты между нейронами и следующими клетками, появилась в самом конце XIX века и в начале XX века очень активно обсуждалась. Были два величайших гистолога — Сантьяго Рамон-и-Кахаль, испанец, и Камилло Гольджи, итальянец. Они устроили очень жаркую дискуссию. Гольджи считал, что нейрон напрямую соединяется с нейроном, дальше получается система, как если у вас есть штекер, вы его вставили в гнездо, сигнал непрерывно передается. А Кахаль считал, что есть все-таки некий промежуток между нервными клетками, и в итоге он оказался прав. Хотя увидели синапсы только в середине XX века, когда изобрели электронный микроскоп.
В этот же момент появилась идея, что сигналы в синапсах передаются в химической форме — в форме медиатора, и опять-таки есть два великих ученых-физиолога, два великих имени — это Отто Леви и Генри Дейл, которые получили Нобелевскую премию за изучение химических принципов работы синапсов. Сейчас мы функционирование синапса представляем уже достаточно детально, и все действительно начинается с того, что электрический импульс «прибегает» в окончание аксона. Это окончание называется пресинаптическое окончание. В этом окончании уже наготове находится медиатор, который упакован в специальные мембранные пузырьки. Эти пузырьки называются везикулы. Для того чтобы он туда попал, его, конечно, нужно сначала синтезировать. Поэтому первым этапом того, что называется жизненным циклом медиатора, является синтез. То есть нужно медиатор сделать. Как правило, медиатор возникает, синтезируется прямо в пресинаптических окончаниях, в этих окончаниях аксона, и для того, чтобы он возник, нужно, во-первых, вещество-предшественник и, во-вторых, некий фермент, который будет это вещество превращать в молекулу медиатора.
Возник медиатор, дальше просто так в пузырек везикулы он не может попасть, потому что мембрана, которая окружает везикулу, хоть и тоненькая (там два слоя липидов), но довольно плотная. И для того, чтобы вещество попало внутрь везикулы, нужен специальный транспортный белок. Белки такой группы называются белки-насосы. И вот белок-насос берет из цитоплазмы пресинаптического окончания медиатор и переносит внутрь везикулы. Везикулы можно сравнить с такой упаковкой для хранения и потом выделения медиаторов. Причем эта упаковка имеет достаточно стандартный размер, то есть везикулы в каждом пресинаптическом окончании, как правило, имеют более-менее фиксированный диаметр, и в каждой находится в среднем 7–8, может быть, 10 тысяч молекул медиатора. Накопили эти везикулы, и они находятся в пресинаптическом окончании наготове, для того чтобы передавать сигнал, если придет потенциал действия. Приходит потенциал действия, и нужно дальше электрический феномен, движение электрического импульса превратить в движение медиатора.
Посредником в этом процессе служат ионы кальция. Когда приходит потенциал действия, на мембране пресинаптического окончания открываются специальные кальциевые каналы. Это еще одна категория белков — белки-каналы. Каналы выглядят как такие цилиндрические белковые молекулы с проходом внутри. И этот проход, эта дверь внутрь пресинаптического окончания открывается в момент прихода потенциала действия. Там есть специальная створка, она открывается, и некоторое количество ионов кальция входит в пресинаптическое окончание, соединяется со специальными двигателями-белками, которые обеспечивают перемещение везикул. Везикулы смещаются к окончанию аксона и лопаются, и медиатор оказывается в очень узком межклеточном пространстве между аксоном и следующей клеткой. Это узкое пространство называется синаптическая щель.
Оно очень невелико, потому что медиатор должен максимально быстро достичь следующей клетки, чтобы максимально быстро передавать информацию. Потому что любая пустяшная мысль, которая возникает у нас в мозгу, — это последовательность срабатывания десятков синапсов. И представьте себе, если бы каждый синапс работал долго, долго передавал сигнал. Тогда мы бы думали еще медленнее, чем мы думаем сейчас, поэтому скорость во всех этих процессах очень важна. И важен кальций. Кстати, один из способов активировать работу мозга — добавить кальций в межклеточную среду. Поэтому, наверное, многие знают, что чуть больше кальция в пище — это полезно для самых разных систем нашего организма: и для иммунитета, и для сердца, и для нервной системы, и для работы мозга. А вот, например, магний в этой системе кальцию мешает, поэтому соли магния, скажем магнезия, наоборот, тормозят работу мозга и оказывают на функционирование синапсов явное подавляющее действие.
Итак, медиатор выделился из окончания аксона, из пресинаптического окончания, дальше он достигает следующей клетки, мембраны следующей клетки. Эта мембрана называется постсинаптическая мембрана. Это вторая часть синапса. Аксон, синаптическая щель, постсинаптическая мембрана. На этой постсинаптической мембране главное действующее лицо — белки-рецепторы. Это специальные чувствительные белки, которые настроены на молекулы медиатора. То есть это еще одна категория белков. Вообще белки крайне важны для работы мозга, для работы синапса. Я уже упомянул белки-насосы, белки-каналы, а вот еще белки-рецепторы. Соответственно, белок-рецептор — это такой молекулярный клубок, у которого в 3D-структуре есть ямка. Эту ямку называют активным центром, и медиатор входит в этот активный центр, как ключ в замок. Это так и называют — «ключ — замок — взаимодействие».
Соответственно, когда медиатор входит в активный центр рецептора, он включает рецептор, и дальше рецептор обеспечивает передачу сигнала уже на следующую клетку. Как правило, это происходит за счет синтеза дополнительной молекулы. Эта молекула называется вторичным посредником, еще один игрок в этой системе. Почему вторичный? Потому что первичным посредником является сам медиатор. А вторичный посредник — это молекула, возникающая уже в постсинаптической клетке со стороны цитоплазмы. И она внутри цитоплазмы постсинаптической клетки продолжает передачу сигнала. Вторичные посредники очень важны: они могут передавать сигнал на ферменты, даже на ДНК. Но с точки зрения работы синапса важно, что они передают сигнал на белки-каналы, причем на каналы уже не для кальция, а, например, для натрия. Есть аксон, он прикасается к следующей клетке, передает сигнал, сработали рецепторы, и открылись вокруг синапса каналы для натрия.
Через эти каналы входит натрий, благодаря входу натрия постсинаптическая клетка возбуждается, и уже на ней возникает электрический импульс, и сигнал может передаваться дальше. Это самый благоприятный исход. Если какой-нибудь бит информации благополучно миновал синапс и будет передаваться дальше, как правило, его возникновение связано как раз со входом натрия. Тогда мы говорим, что следующая клетка возбудилась, мы называем этот синапс возбуждающим, и медиатор, который вызывает открывание натриевых каналов, мы тоже называем возбуждающим медиатором. Но это только один из двух возможных исходов. Дело в том, что в нервной системе важно проводить информацию, но не менее важно не проводить лишней информации. Поэтому примерно половина нейронов и половина синапсов использует не возбуждающие медиаторы, а тормозные.
Это медиаторы, которые, наоборот, заставляют клетку терять заряд и снижают вероятность генерации потенциала действия, генерации электрического импульса. Для того чтобы это делать, рецептор, на который подействовал медиатор, открывает в своих окрестностях либо каналы для калия, либо каналы для хлора. Через каналы для калия калий выходит из цитоплазмы, клетка теряет положительный заряд, в итоге в целом в ней заряд оказывается меньше, вероятность генерации импульсов падает, то есть лишние сигналы не проводятся. Через каналы для хлора входят ионы хлора, они отрицательно заряжены, опять-таки клетка теряет заряд, и вероятность возникновения импульса тоже падает. Как правило, к каждой нервной клетке подходит не один аксон, а сотни и даже тысячи, и соседние аксоны могут работать с использованием возбуждающих и тормозных медиаторов. Как правило, каждый конкретный аксон, каждый конкретный синапс либо возбуждающий, либо тормозной. И соответственно, передача информации идет за счет постоянной конкуренции возбуждающих и тормозных входов. Оказывается, что нейрон — это уже сложная вычислительная машина, которая сопоставляет сигналы, поступающие по сотням и тысячам каналов.
И наконец, последний этап работы медиатора. После того как медиатор подействовал на белок-рецептор, его нужно оттуда удалить. Иначе сигнал будет передаваться слишком долго и сильно. Для того чтобы это происходило, есть специальные системы, они называются системы инактивации медиатора, и они удаляют медиатор с рецептора. Два основных варианта: либо это делает специальный белок-фермент, который буквально «выкусывает» медиатор с рецептора, либо есть белки-насосы, возвращающие медиатор в пресинаптическое окончание, тогда медиатор может повторно загружаться в везикулы и повторно использоваться. И получается, что система инактивации — это система, выключающая передачу сигналов в синапсе, и если мы ее с помощью, например, каких-то препаратов сломаем, то у нас синапс будет работать активнее, и это тоже один из очень важных фармакологических подходов. Вообще изучение синапса позволяет подбирать препараты, которые заставляют конкретные отделы мозга передавать информацию сильнее, передавать информацию слабее, именно поэтому исследование синапсов — это основа современной психофармакологии.