Информация. Научные статьи. Мозг. SCIENTIFIC AMERICAN September 1979.

Сигналы передаются от нейрона к нейрону разными химическими медиаторами. Эти химические системы, наложенные на нейронные цепи головного мозга, добавляют к его функции еще одно измерение

Нейроны ^[1] имеют биохимический аппарат, общий со всеми остальными живыми клетками, в том числе способность генерировать химическую энергию путем окисления пищевых веществ, а также восстанавливать и сохранять свою целостность. Нейроны обладают, кроме того, специфическими свойствами, которых лишены другие клетки и которые связаны с особой функцией нейронов как передатчиков нервных импульсов; сюда относятся необходимость в поддержании ионных градиентов, что требует большой затраты энергии, и свойства, связанные со способностью нейронов производить и выделять набор химических передатчиков, называемых нейромедиаторами. В синапсах – микроскопических участках, где тесно соприкасаются окончание одного нейрона и воспринимающая поверхность другого, приход импульса вызывает внезапное выделение молекул медиатора из, окончания. Затем эти молекулы диффундируют через заполненную жидкостью щель между двумя клетками и воздействуют на специфические рецепторы ^[2] постсинаптической мембраны, изменяя при этом электрическую активность воспринимающего нейрона.

Нейроны, содержащие норадреналин – химический медиатор в головном мозгу, – ярко светятся на этом срезе мозга крысы под флуоресцентным микроскопом. Такие клетки, расположенные в участке мозга, именуемом locus coeruleus, стали видны под воздействием глиоксиловой кислоты, которая превращает норадреналин в его флуоресцирующее производное. В этом поле находятся еще тысячи других нейронов, но в них содержатся другие медиаторы и поэтому они не видны. Норадреналиновые нейроны в locus coeruleus посылают свои аксоны во многие отделы мозга, в том числе в мозжечок и передний мозг. Как полагают, они имеют отношение к регуляции сна ^[3], настроения, а также к системе поощрения. Микрофотография получена Ф. Блумом (F. Bloom), Г. Джонсом (G. Jones) и Ж. Мак-Джинти (J. McGinty) из Института Солка.

Химическая передача через синапс – узкую щель между двумя нейронами – в головном мозгу состоит из сложной последовательности молекулярных процессов. На рисунке дана схема процесса передачи в норадреналиновом синапсе. Сначала в три стадии происходит синтез норадреналина из аминокислоты тирозина, причем каждая стадия катализируется особым ферментом. Затем медиатор в сочетании с белками накапливается в пузырьках, примыкающих к мембране. Приходящий в аксонное окончание нервный импульс запускает приток ионов кальция, который вызывает высвобождение норадреналина из пузырьков в синаптическую щель. Молекулы медиатора связываются со специфическими рецепторными белками, включенными в постсинаптическую мембрану, запуская серию реакций, которая заканчивается кратковременными (электрическими) и долговременными воздействиями на воспринимающий нейрон. После этого действие норадреналина прекращается различными способами, в том числе быстрым возвращением медиатора в аксонное окончание и разрушением его ферментами. Выход некоторого количества норадреналина в синаптическую щель активирует пресинаптические рецепторы на аксонном окончании, вызывая выработку циклического АМФ, который активирует белковую киназу, стимулируя тем самым новую выработку норадреналина.

Известно около 30 разных веществ, относительно которых доказано или подозревается, что они играют роль медиаторов в головном мозгу, и каждое из них оказывает на нейроны характерный возбуждающий или тормозный эффект. Медиаторы распределены в мозгу не в случайном порядке, а локализованы в особых группах нейронов, аксоны которых идут к другим высокоспециализированным областям мозга. Наложение этих разнообразных химически закодированных систем на нейронные сети наделяет головной мозг еще одним измерением модуляции и специфичности.

За последние годы достигнуты значительные успехи в изучении различных медиаторных веществ (хотя многие из них, несомненно, еще не открыты), в составлении карт их распределения по мозгу и в выяснении молекулярных процессов синаптической передачи. Такими исследованиями установлено, что действие многих лекарственных веществ и нейротоксинов на поведение ^[4] основано на их способности прерывать или модифицировать химическую передачу от нейрона к нейрону. В них есть также указания на то, что причинами психических болезней, возможно, окажутся в конечном счете нарушения функции специфических медиаторных систем мозга.

Что касается общего энергетического обмена, то из всех органов тела головной мозг является самым активным потребителем энергии, что отражается в его обильном кровоснабжении и интенсивном потреблении кислорода. Мозг настолько интенсивно использует кислород (50 миллилитров в минуту), что, составляя всего 2% общего веса тела, поглощает примерно 20% поступающего в организм кислорода.Такое огромное потребление энергии, как полагают, объясняется необходимостью поддерживать ионные градиенты по обе стороны нейронной мембраны, от чего зависит проведение импульсов в миллиардах нейронов мозга. Кроме того, это потребление энергии идет непрерывно: интенсивность метаболизма в мозгу относительно постоянна днем и ночью и иногда даже несколько возрастает во время фазы сна ^[5] со сновидениями ^[6]. Однако, чтобы не создалось ошибочного представления, следует сказать, что весь энергетический эквивалент метаболизма мозга составляет всего около 20 ватт.

Синапсы на типичном нейроне в головном мозгу являются либо возбуждающими, либо тормозными, в зависимости от типа выделяющегося в них медиатора. Они различаются морфологически под электронным микроскопом: для возбуждающих синапсов характерны сферические пузырьки и сплошное утолщение постсинаптической мембраны, а для тормозных — уплощенные пузырьки и несплошное утолщение мембраны. Синапсы можно также классифицировать по их положению на поверхности воспринимающего нейрона — на теле клетки, на стволе или «шипике» дендрита, или на аксоне.

Важным шагом вперед в исследовании энергетического обмена мозга является метод, разработанный Л. Соколовым (L. Sokoloff) с сотрудниками в Национальном институте охраны психического здоровья. Этот метод позволяет визуально определять интенсивность энергетического обмена в клетках мозга. Нейроны приспосабливают потребление глюкозы к удовлетворению своих метаболических потребностей ^[7] в данный момент. Следовательно, в активном состоянии они поглощают ее быстрее, чем в покое. Поглощенная глюкоза обычно претерпевает быстрые превращения; ее химический аналог, 2-дезоксиглюкоза, поглощается клетками точно так же, но не подвергается метаболизму. Если ввести в кровь дезоксиглюкозу с радиоактивной меткой, то она накопится в нейронах, и скорость накопления послужит показателем метаболической активности клетки. Накопление радиоактивной дезоксиглюкозы можно установить и измерить, накладывая тонкие срезы замороженного мозга на радиочувствительную пленку. На проявленной пленке выявляются участки, богатые меченым веществом. Эта методика открыла совершенно новую область исследований мозга, поскольку она позволяет установить, какие клетки в головном мозгу были активны во время данного эксперимента. Например, воздействуя световым стимулом (вспышка) на правый или левый глаз, можно определить, какие именно области мозга получают зрительную афферентацию от того или другого глаза.

В отличие от других органов тела, способных использовать разные виды «топлива» (сахара, жиры и аминокислоты), нейроны используют только глюкозу крови. Кроме того, в отличие от таких тканей, как мышцы, способных кратковременно функционировать в отсутствие кислорода, головной мозг полностью зависит от окислительного метаболизма. Если приток окисленной крови к мозгу прекратится, то через 10 секунд наступит потеря сознания, а затем появятся стойкие нарушения. Подобный же эффект вызывает любое состояние, сопровождающееся понижением содержания глюкозы в крови, например гипогликемия у больного диабетом, вызванная передозировкой инсулина. Хотя тонкие регуляционные механизмы обеспечивают постоянство кровяного давления и постоянный уровень кислорода и глюкозы в крови, очевидно, что чрезвычайная гибкость поведения, ставшая возможной благодаря большим размерам и емкости головного мозга млекопитающих, приобретена в процессе эволюции ценой высоких метаболических затрат.

Что касается клеток, то нейроны чрезвычайно чувствительны: их активность нарушается токсическими веществами, попавшими в кровоток, а также мелкими молекулами, обычно присутствующими в крови, например аминокислотами. Такая чувствительность, возможно, служит причиной того, почему головной мозг отделен от общего кровообращения избирательной фильтрационной системой, называемой гематоэнцефалическим барьером. Эффективность этого барьера объясняется относительной непроницаемостью кровеносных сосудов головного мозга и наличием плотного слоя глиальных клеток (опорных мозговых клеток) вокруг них. Хотя такие мелкие молекулы, как молекулы кислорода, легко проникают сквозь барьер, большинство более крупных молекул, необходимых клеткам мозга, например молекулы глюкозы, должны захватываться активно с помощью специальных транспортных механизмов. О гематоэнцефалическом барьере следует помнить при создании лекарственных средств, действующих непосредственно на мозг: для того чтобы такие вещества проходили через барьер, они должны состоять из очень малых молекул или быть легко растворимыми в жировых мембранах глиальных клеток. Несколько участков мозга не защищены тематоэнцефалическим барьером; к ним относятся такие структуры, которые специфически реактивны в отношении содержащихся в крови гормонов, и такие, функция которых состоит в регуляции химического состава крови.

Внутри отдельных нейронов существуют свои транспортные проблемы, связанные с тем, что клетка частично состоит из длинных, тонких волокон. Длина аксона, проводящего нервный импульс от тела нейрона, может исчисляться в миллиметрах или сантиметрах. Нейроны в мозгу взрослого животного незаменяемы, сохраняются на протяжении всей жизни; поэтому должны существовать механизмы возобновления всех их компонентов. Для выполнения этого требования клетка должна синтезировать ферменты и другие сложные молекулы, а такой синтез возможен только в районе клеточного ядра, т. е. в теле нейрона. Поэтому для возобновления своих компонентов аксону необходимо средство транспортировки их внутри клетки на значительные расстояния. И действительно, от тела клетки по всей длине аксона непрерывно движутся белки и другие составные части.

Феномен аксонного транспорта был открыт более 30 лет назад П. Вейсом (P. Weiss) и его сотрудниками из Чикагского университета. До этого все считали, что аксоплазма – желеобразная жидкость внутри аксона – служит лишь неподвижной механической опорой для возбудимой мембраны, по которой распространяется нервный импульс. Но когда Вейс пережал аксон в определенной точке, он отметил, что через несколько дней волокно разбухло около места сжатия со стороны тела клетки и сузилось с противоположной стороны. Когда же он устранил сжатие, задержанная аксоплазма возобновила свое течение.

Аксонный транспорт обеспечивает передвижение компонентов клетки, таких, как пузырьки и ферменты, от места их образования в теле нейрона к окончанию аксона на расстояние в несколько миллиметров или сантиметров. В обратном направлении – от окончаний аксона к телу клетки-переносятся вещества, нужные для поддержания нормального состояния нейрона. Аксонный транспорт можно использовать, чтобы проследить ход проводящих путей, наблюдая за движением вдоль аксонов меченных изотопами молекул или таких ферментов, как пероксидаза хрена.

Известно, что аксоплазма служит артерией для оживленного движения молекул в обе стороны между телом нервной клетки и окончаниями ее аксона. В этом принимают участие несколько разных систем, в том числе система медленного транспорта, когда вещество течет от тела клетки со скоростью около одного миллиметра в сутки, и система быстрого транспорта, когда вещество движется в обе стороны со скоростью от 10 до 20 сантиметров в сутки. Система медленного транспорта – это течение основной массы аксоплазмы с переносом компонентов, играющих важную роль в росте и регенерации аксона; система быстрого транспорта охватывает движение более специализированных компонентов клетки, к которым относится ряд ферментов, участвующих в выработке медиаторов.

Пока еще не ясно, как достигаются эти разные скорости транспорта, но, по-видимому, и в медленном и в быстром механизмах участвуют многочисленные фибриллярные белки аксона, видимые на электронных микрофотографиях. Прослеживая транспорт белков с радиоактивной меткой вдоль аксона, удалось точно установить анатомические связи между нейронами в головном мозгу. При помощи фермента пероксидазы хрена, который обладает особым свойством быстро передвигаться по аксону в ретроградном направлении, можно составить карту связей между окончаниями нейрона в одном участке мозга и телом клетки — в другом.

Исследовать функциональный химизм головного мозга чрезвычайно трудно. Дело не только в том, что медиаторные вещества содержатся в нем в ничтожно малых количествах, но и в том, что ткань мозга структурно и химически очень сложна, и выделить для исследования определенную медиаторную систему не легко. Однако для преодоления этих устрашающих препятствий разработаны новые методики. Большой шаг вперед был сделан в начале 1960-х годов благодаря открытию В. Уиттейкера (V. Whittaker) из Кембриджского университета и Э. де Робертиса (Е. de Robertis) из Университета в Буэнос-Айресе. Оно заключается в том, что при осторожном разрушении ткани мозга путем гомогенизации в растворе сахарозы многие нервные окончания отрываются от своих аксонов и образуют особые замкнутые частицы, названные «синаптосомами». Синаптосомы содержат механизмы синтеза, хранения, высвобождения и инактивации медиатора, связанные с нервным окончанием; центрифугированием их можно очистить от других компонентов нейрона. Эта методика дала нейрохимикам возможность изучать механизмы синаптической передачи в пробирке.

Пожалуй, самым плодотворным методическим достижением явилась разработка приемов, позволяющих избирательно окрашивать нейроны, содержащие определенный медиатор. Один из подходов к этому состоит в том, что естественный медиатор преобразуется в его флуоресцирующее производное, которое светится в ультрафиолетовых лучах флуоресцентного микроскопа. Другой подход состоит в том, что в головной мозг подопытного животного вводят молекулы медиатора с радиоактивной меткой, которые избирательно захватываются нейронными окончаниями, выделяющими этот медиатор; такие содержащие метку окончания можно затем обнаружить, поместив тонкие срезы ткани на чувствительную пленку. Третий подход использует высокую специфичность антител. Фермент, участвующий в синтезе данного медиа-гора, выделяют из ткани мозга и вводят в организм животного, где он вызывает образование антител, способных специфически реагировать с данным ферментом. Затем антитела подвергают очистке, метят флуоресцирующим красителем или используют какую-либо другую метку и применяют для избирательного окрашивания нейронов, содержащих данный фермент.

Эти методики избирательного окрашивания позволили получить поток сведений о детальном анатомическом распределении отдельных медиаторов в сложных нейронных цепях головного мозга. Они показали, что медиаторы распределены не диффузно по всей ткани мозга, а в высшей степени локально в ограниченных центрах и путях. Из всех медиаторов наиболее полно составлены карты для моноаминов – норадреналина, дофамина и серотонина (названных так. потому что все они содержат по одной аминогруппе). Б. Фальк (В. Falck) из Лундского университета и Н. Хжлларп (N. Hillarp) из Каролинского института в Швеции впервые показали, что воздействуя формальдегидом или глиоксиловой кислотой, можно превратить эти медиаторы в их флуоресцирующие производные, и тогда нейроны, содержащие моноамины, дают зеленую или желтую флуоресценцию. Такие работы показали, что многие содержащие норадреналин клетки мозга сосредоточены в стволе и образуют скопление, известное как locus coeruleus. Аксоны этих нейронов сильно ветвятся и проецируются в различные области — гипоталамус, мозжечок и передний мозг. Норадреналиновые нейроны оказались причастными к поддержанию бодрствования, к системе поощрения (центр удовольствия), к сновидениям и к регуляции настроения.

Нейроны, содержащие моноамин дофамин, сосредоточены в областях среднего мозга ^[8], известных под названиями substantia nigra и вентральной покрышки. Многие содержащие дофамин нейроны посылают свои аксоны в передний мозг, где, как предполагают, участвуют в регуляции эмоциональных реакций. Другие дофаминовые волокна оканчиваются в головном мозгу, в области полосатого тела. Здесь дофамин, очевидно, играет решающую роль в регуляции сложных движений. Дегенерация приходящих в эту область дофаминовых волокон приводит к ригидности мышц и тремору, столь характерным для болезни Паркинсона.

Моноаминовый медиатор серотонин сосредоточен в области ствола мозга, где находятся так называемые «ядра шва». Нейроны этого центра проецируются в гипоталамус, таламус и многие другие области мозга. Как полагают, серотонин участвует в терморегуляции, сенсорном восприятии и засыпании.

Идентифицировано еще много других медиаторов, часть из них считаются «предполагаемыми», поскольку их причастность к синаптической передаче в мозгу еще не доказана. Так, например, некоторые аминокислоты – блоки, из которых построены белки, – по-видимому, действуют как медиаторы. Обычно содержащиеся в организме в большом количестве аминокислоты – глутаминовая и аспарагиновая – оказывают сильное возбуждающее действие на большинство нейронов, и весьма возможно, что они являются наиболее распространенными возбудительными медиаторами в синапсах головного мозга. Известно, что самая простая из всех аминокислот, глицин, служит тормозным медиатором в спинном мозгу.

Медиаторы представляют собой вещества, молекулы которых имеют небольшой размер и положительно заряженный атом азота. Каждое такое вещество оказывает характерное либо возбуждающее, либо тормозное действие на нейроны; правда, есть медиаторы, которые действуют как возбуждающие в одной области мозга и как тормозные в другой. Принадлежность гистамина и таурина к медиаторам точно не доказана. Согласно принципу Дэйла, на всех окончаниях одного аксона выделяется один и тот же медиатор. Однако недавно обнаружены исключения из этого правила.

Дофаминовые проводящие пути показаны на рисунке схематически. Тела нейронов, содержащих дофамин, образуют скопления в двух небольших участках среднего мозга – substantia nigra и покрышке. От этих нейронов отходят широко ветвящиеся волокна, которые оканчиваются в полосатом теле, регулирующем двигательную активность, и в лимбической системе переднего мозга, связанной с эмоциями ^[9]. Небольшая группа дофаминовых нейронов в гипоталамусе регулирует также секрецию гормонов гипофизом. Дофамин связывают с двумя заболеваниями: дефицит медиатора в полосатом теле создает ригидность и тремор, характерные для болезни Паркинсона, а избыток дофамина в лимбической системе переднего мозга, возможно, причастен к шизофрении.

К обычным тормозным медиаторам головного мозга относится гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), которая не входит в состав белков. ГАМК занимает среди кислот особое место — она вырабатывается почти исключительно в головном и спинном мозгу. Вычислено, что не менее трети синапсов головного мозга используют в качестве медиатора ГАМК. Содержащие ее нейроны можно идентифицировать двумя способами: пометив их либо радиоактивной ГАМК, либо с помощью антител, специфичных в отношении глутаматдекарбоксилазы – фермента, который катализирует синтез ГАМК. Интересно отметить, что глутаминовая кислота считается кандидатом в возбудительные медиаторы, тогда как ГАМК, которая отличается от нее лишь на одну химическую группу, служит тормозным медиатором. Ясно, что небольшие различия в молекулярном строении медиаторов могут давать совершенно разные физиологические эффекты.

Исследование механизмов действия ГАМК в головном мозгу было стимулировано в последние годы открытием, сделанным недавно Т. Перри (Т. Perry) из Университета Британской Колумбии. Оно состоит в том, что для хореи Гентингтона – наследственного неврологического синдрома — характерен специфический дефицит ГАМК в мозгу. Возникающие при этой болезни непроизвольные движения связаны с наступающим в среднем возрасте постепенным разрушением полосатого тела. Посмертные исследования показали, что поражение мозга состоит в гибели тормозных нейронов, которые в норме содержат ГАМК; можно предположить, что в основе болезни лежит дефицит этого медиатора. К сожалению, попытка лечить больных заменой недостающей ГАМК пока неосуществима, поскольку еще не созданы аналоги ГАМК, способные проходить сквозь гематоэныефалический барьер.

Недавно было высказано предположение, что на ГАМК направлено действие таких транквилизаторов, как диазепам и другие производные бензодиазепина. Из всех психотропных препаратов врачи предпочитают прописывать бензодиазепины, но механизм их действия до сих пор неизвестен. Имеющиеся данные позволяют думать, что эти препараты повышают эффективность ГАМК на уровне ее рецепторов в головном мозгу. Хотя в мозгу идентифицированы специфические центры связывания диазепама, явно отличные от рецепторов ГАМК, оба типа рецепторов, по-видимому, взаимодействуют друг с другом. Заманчиво предположить, что в головном мозгу содержится некое еще не открытое вещество, которое в норме действует на рецепторы диазепама; возможно, это естественное соединение, вызывающее или ослабляющее состояние тревоги.

Нейрохимики не только выяснили молекулярную структуру и анатомическое распределение разных медиаторов, но и достигли больших успехов в понимании точной последовательности биохимических явлений, участвующих в синаптической передаче. Процесс химической передачи проходит через ряд этапов: синтез медиатора, его накопление, высвобождение, взаимодействие с рецептором и прекращение действия медиатора. Каждый из этих этапов детально охарактеризован, и найдены препараты, которые избирательно усиливают или блокируют конкретный этап. Эти исследования позволили проникнуть в механизм действия психотропных лекарственных средств, а также выявить связь некоторых нервных и психических болезней со специфическими нарушениями синаптических механизмов.

Первым этапом химической передачи является синтез молекул медиатора в нервных окончаниях. Каждый нейрон обычно обладает только таким биохимическим аппаратом, какой ему нужен для синтеза медиатора одного типа, который выделяется из всех окончаний его аксона. Молекулы медиатора не синтезируются de novo, а изготовляются путем переработки предшественника — обычно аминокислоты — в результате ряда ферментативных реакций.

Создание медиатора требует или одного этапа ферментативного катализа (как в случае ацетилхолина), или до трех этапов (как адреналина). При синтезе норадреналина исходным веществом служит аминокислота тирозин, которая поступает в нервное окончание из крови. Тирозин сначала превращается в промежуточное соединение L-ДОФА; затем второй фермент превращает L-ДОФА в дофамин («полноправный» медиатор); а третий фермент превращает дофамин в норадреналин.

После выработки молекул медиатора они хранятся в окончании аксона в маленьких связанных с мембраной мешочках, называемых синаптическими пузырьками. В одном окончании могут быть тысячи синаптических пузырьков, а каждый пузырек содержит от 10000 до 100000 молекул медиатора. Пузырьки защищают их от разрушения ферментами внутри окончания.

Приход нервного импульса в окончание аксона вызывает высвобождение множества молекул медиатора из окончания в синаптическую щель. Механизм такого выделения остается спорным: одни исследователи полагают, что синаптические пузырьки прямо сливаются с пресинаптической мембраной и выбрасывают свое содержимое в синаптическую щель; другие утверждают, что подвижное скопление молекул медиатора выходит через специальные каналы. Но в любом случае известно, что нервный импульс запускает выход медиатора, повышая проницаемость нервного окончания для ионов кальция, которые устремляются в него и активируют механизм высвобождения молекул.

Вышедшие молекулы медиатора быстро проходят через наполненную жидкостью щель между окончанием аксона и мембраной воспринимающего нейрона. Здесь они взаимодействуют со специфическими рецепторами постсинаптической мембраны. Рецепторы фактически представляют собой крупные белковые молекулы, погруженные в полужидкую матрицу клеточной мембраны: части их торчат над и под мембраной подобно айсбергам. Выходящий на поверхность участок рецепторного белка и молекула медиатора имеют одинаковые очертания; они соответствуют друг другу наподобие ключа и замка.

Взаимодействие медиатора с его рецептором меняет трехмерную форму рецепторного белка, инициируя этим определенную последовательность событий. Это взаимодействие может вызвать возбуждение ^[10] или торможение нейрона, сокращение мышечной клетки, а также образование и выделение гормона клеткой железы. Во всех этих случаях рецептор переводит сообщение, закодированное в молекулярной структуре медиатора, в специфическую физиологическую реакцию. Одни реакции, например сокращение произвольной мышцы, происходят за долю секунды; другие, например секреция гормона, занимают минуты, а иногда часы.

Многие рецепторы медиаторов имеют два функциональных компонента: центр связывания молекулы медиатора и пору, пронизывающую мембрану, избирательно проницаемую для определенных ионов. Связываясь с рецептором, медиатор меняет его форму так, что пора открывается и ионы, находящиеся внутри и снаружи клеточной мембраны, перемещаются вдоль градиента концентрации, оказывая этим возбуждающий или тормозный эффект на частоту импульсации нейрона. Будет ли электрический потенциал, создаваемый медиатором, возбудительным или тормозным, зависит от того, какие именно ионы перемещаются, и от направления их движения. Ацетилхолин является возбуждающим медиатором в синапсе между нервом и мышцей, потому что он заставляет положительно заряженные ионы натрия входить в клетку и понижать ее отрицательный потенциал покоя. ГАМК, напротив, соответствует рецептор, у которого пора избирательно проницаема для отрицательно заряженных ионов хлора. Когда эти ионы входят через открытые поры в воспринимающую клетку, они повышают трансмембранный потенциал и на время инактивируют клетку.

Другие медиаторы, например дофамин и норадреналин, по-видимому, действуют посредством более тонкого механизма. В середине 50-х годов И. Сьюзерленд мл. (Е. Sutherland, Jr.) и его коллеги по Университету Кейса Западной резервной территории показали, что эти и другие медиаторы повышают или снижают концентрацию «второго посредника» в воспринимающих клетках. Затем второй посредник передает электрические или биохимические эффекты медиатора, или «первого посредника». Позднее в работе, которая в 1971 г. принесла Сьюзерленду Нобелевскую премию по физиологии и медицине, он установил, что второй посредник представляет собой небольшую молекулу циклического аденозинмонофосфата (цАМФ).

Согласно гипотезе Сьюзерленда, белковый рецептор норадреналина (и многих других медиаторов) соединяется в мембране клетки-мишени с ферментом аденилатциклазой, которая катализирует превращение в клетке богатой энергией молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) в цАМФ. Аденилатциклаза обычно неактивна, но, когда норадреналин связывается с постсинаптическим рецептором, фермент автоматически включается и внутри клетки начинается быстрое превращение АТФ в цАМФ. Затем цАМФ действует на биохимический аппарат клетки, вызывая физиологическую реакцию, характерную для данного медиатора.

Система второго посредника сходна поэтому с эстафетой, в которой медиатор передает свое сообщение циклическому АМФ в мембране клетки. Разумеется, сигнал передается не одной, а многим тысячам молекул цАМФ, которые генерируются активированной аденилатциклазой, связанной с каждым занятым рецептором. В результате очень слабый сигнал, создаваемый взаимодействием медиатора с рецептором, усиливается внутри клетки в несколько тысяч раз благодаря интенсивному образованию цАМФ.

Приложение теории Сьюзерленда о втором посреднике к функции головного мозга является одной из самых увлекательных областей современной биохимии. В 1971 г. Ф. Блум (F. Bloom) с сотрудниками в Национальных институтах здравоохранения показали, что цАМФ способен влиять на генерацию сигналов в нейронах. Позднее П. Грингард (P. Greengard) и его группа в Медицинской школе Йельского университета пришли к заключению, что цАМФ участвует в синаптическом действии нескольких медиаторов, в том числе норадреналина, дофамина, серотонина и гистамина. Грингард предложил обобщающую гипотезу, согласно которой цАМФ активирует специфические ферменты в постсинаптической клетке, именуемые белковыми киназами; затем эти ферменты катализируют внедрение фосфатных групп в специальные белки в мембране нейрона, изменяя проницаемость мембраны для ионов и тем самым изменяя уровень возбудимости клетки-мишени. Поскольку система второго посредника работает сравнительно медленно по шкале времени нейронных событий, она больше всего пригодна для участия в более длительных эффектах медиаторов мозга, таких, как медленные сдвиги мембранного потенциала и, возможно, образовании следов долговременной памяти ^[11]. Как только цАМФ передал свое сообщение дальше, он инактивируется в клетке под действием фермента фосфодиэстеразы. Поэтому препараты, ингибирующие этот фермент, повышают уровень цАМФ в постсинаптических клетках и усиливают действие медиатора.

Итак, по-видимому, существуют два основных типа медиаторных рецепторов: быстро действующие рецепторы, которые осуществляют передачу информации, регулируя проницаемость ионной поры, и медленно действующие рецепторы, которые вызывают образование второго посредника; последний в свою очередь опосредует эффекты, производимые медиатором в постсинаптическом нейроне. Для многих медиаторов имеется по два и более типов рецепторов. Например, реакция на ацетилхолин в синапсе между мотонейроном и мышечной клеткой осуществляется простым током ионов натрия через мембрану. Но в головном мозгу эффекты ацетилхолина в большинстве своем опосредуются, по-видимому, молекулой еще одного второго посредника, циклического гуанозинмонофосфата, или цГМФ. Точно так же недавно полученные данные позволяют думать, что дофамин действует на уровне двух разных типов рецепторов в головном мозгу: рецептора D1, который связан с системой второго посредника цАМФ, и рецептора D2, который с ней не связан.

Как только молекула медиатора свяжется со своим рецептором, она должна быть быстро инактивирована во избежание слишком длительного ее действия и нарушения точного контроля передачи. Нервные волокна способны проводить несколько сот импульсов в секунду только при условии, что постсинаптическая мембрана восстанавливает свой потенциал покоя за долю миллисекунды. Некоторые медиаторы инактивируются ферментами, находящимися в синаптической щели. Ацетилхолин, например, разрушается ферментом ацетилхолинэстеразой, которая за секунду расщепляет 25000 молекул медиатора. Норадреналин инактивируется в синапсе по совсем иному механизму.

Ю. Аксельрод (J. Axelrod) с сотрудниками из Национальных институтов здравоохранения установили, что выделившийся из аксонного окончания норадреналин снова быстро всасывается в окончание. Затем поглощенные молекулы норадреналина либо разрушаются ферментами – катехол-О-метилтрансферазой (КОМТ) и моноаминоксидазой (МАО), которые содержатся в нервном окончании, либо возвращаются обратно в синаптические пузырьки. Позднее такие же механизмы возврата были найдены и для других медиаторов — дофамина, серотонина и ГАМК. Возврат имеет то очевидное преимущество перед разрушением фермента, что молекулы медиатора сохраняются в течение нескольких циклов выделения и поглощения.

Выяснение этапов синаптической передачи пролило свет на способ действия психотропных препаратов. Некоторые из них действуют, либо усиливая, либо ослабляя высвобождение данного медиатора из аксонных окончаний. Например, под действием сильного стимулятора амфетамина в мозгу из нервных окончаний выделяется дофамин – медиатор, связанный с системами бодрствования и удовольствия. Чрезмерное применение амфетамина может привести к расстройствам мышления, галлюцинациям и мании преследования, т.е. к симптомам, очень сходным с теми, какие возникают при некоторых формах шизофрении. Эти и другие данные послужили основанием для предположения о том, что в основе симптомов шизофрении, возможно, лежит повышенная активность дофаминовых систем мозга.

Вызывает интерес также тот факт, что разнообразные лекарственные средства, созданные для лечения шизофрении, например хлорпромазин (торазин) и галоперидол (галдол), обладают общим свойством — они тесно связываются с дофаминовыми рецепторами головного мозга, тем самым мешая естественному медиатору активировать их. Это открытие оказалось одним из самых многообещающих в современном исследовании шизофрении. Последние данные позволяют думать, что шизофрения связана с избыточным образованием дофамина или с чрезмерной реактивностью в отношении медиатора в определенных участках головного мозга. Работами моей лаборатории в Отделе нейрохимической фармакологии Британского совета медицинских исследований и работами Т. Кроу (Т. Crow) в Центре клинических исследований Британского совета медицинских исследований в Лондоне, а также исследованиями Ф. Симена (Ph. Seeman) из Торонтского университета обнаружены необычно высокие концентрации дофамина в дофаминовых рецепторах в головном мозгу умерших больных шизофренией; это особенно относится к лимбической системе, т. е. тем областям мозга, которые ответственны за эмоциональное поведение. Поэтому возможно, что главной мишенью антипсихотических препаратов служат прежде всего пути дофамина в этих областях.

Многие психотропные препараты, возможно, действуют на уровне постсинаптических рецепторов, имитируя естественные медиаторы. Например, многие галлюциногены сходны по своей структуре с истинными медиаторами: мескалин похож на норадреналин и дофамин, a LSD и псилоцибин сходны с серотонином. Поэтому возможно, что перечисленные препараты действуют на моноаминовые механизмы, хотя способ их действия точно еще неизвестен. LSD выделяется своей необычайно высокой активностью: всего 75 микрограммов (едва видимой пылинки) достаточно чтобы вызвать галлюцинации.

Производные метилксантина кофеин и теофиллин, как полагают, действуют через систему второго посредника. Они специфически ингибируют фермент фосфодиэстеразу, который разрушает цАМФ, и таким образом в конечном счете увеличивают количество цАМФ, образующегося в ответ на действие медиатора. В результате эти препараты оказывают на головной мозг общее мягкое стимулирующее действие. Кофеин является главным действующим началом кофе и чая; более слабый стимулятор теофиллин содержится преимущественно в чае. Ежегодное потребление кофе и чая составляет миллиарды фунтов в год, так что метилксантины являются самыми широко потребляемыми препаратами.

Наконец, некоторые препараты потенцируют действие медиатора, блокируя его разрушение в синапсе. Одна из таких групп препаратов представлена ипрониазидом (марсилидом) и другими соединениями, ингибирующими фермент моноаминоксидазу, который разрушает норадреналин, дофамин и серотонин. Вследствие блокады этого фермента эффекты перечисленных моноаминов усиливаются, чем объясняется антидепрессивное действие таких лекарств. Вторая группа антидепрессантов – трициклические соединения – также усиливает действие норадреналина и серотонина в головном мозгу. Эти лекарственные средства, из которых лучше всего известны имипрамин (тофранил) и амитриптилин (элавил), блокируют обратный захват норадреналина и серотонина из синаптической щели; стимулятор кокаин, по-видимому, действует по тому же механизму. Указанные наблюдения говорят о том, что депрессия, по-видимому, связана с низким уровнем этих медиаторов.

Галлюциногены по своей структуре очень похожи на моноаминовые медиаторы; это позволяет допустить, что они оказывают сильные воздействия на сознание, имитируя действие этих естественных медиаторов на синаптические рецепторы в головном мозгу. Мескалин содержит в своей структуре бензольное кольцо подобно дофамину и норадреналину. а псилоцибин и LSD – индольное кольцо серотонина.

За последние годы, после того как в мозгу был обнаружен новый класс химических соединений нейропептиды, число известных систем химических посредников в головном мозгу резко возросло. Эти молекулы представляют собой цепочки из аминокислотных остатков (от двух до 39); они обнаружены в нейронах и предположительно являются медиаторами. Некоторые из них были вначале идентифицированы как гормоны, выделяемые гипофизом (АКТГ, вазопрессин), как локальные гормоны кишечника (гастрин, холецистокинин) или как гормоны, выделяемые гипоталамусом для регуляции выделения других гормонов гипофизом — люлиберина (гормона, стимулирующего выделение лютеинизирующего гормона), соматостатина.

Самыми новыми и вызывающими наибольший интерес нейропептидами являются энкефалины и эндорфины — вещества, встречающиеся в головном мозгу в норме и удивительно сходные с морфием — наркотиком, извлекаемым из снотворного мака. Вслед за открытием этих пептидов последовало осознание того факта, что некоторые области головного мозга с высокой степенью сродства связывают препараты группы опия. Рецепторы опия обнаружены путем определения связывания меченых его соединений с частицами нейронных мембран. Такие методики нанесения радиоактивных меток на рецепторы разработаны тремя группами исследователей, руководимыми С. Снайдером (S. Snyder) и К. Пертом (С. Pert) в Медицинской школе университета Джонса Гопкинса, Э. Саймоном (Е. Simon) из Медицинской школы Ньюйоркского университета и Л. Терениусом (L. Terenius) из Упсальского университета. Эти исследователи установили, что рецепторы опия сосредоточены в тех участках головного и спинного мозга ^[12] млекопитающих, которые имеют отношение к восприятию и интеграции боли ^[13] и эмоций ^[14].

Затем в 1975 г. Дж. Хьюз (J. Hughes) и X. Костерлиц (Н. Kosterlitz) в Абердинском университете выделили из головного мозга два естественных пептида, которые тесно связываются с рецепторами опия, и назвали их энкефалинами. Оба энкефалина представляют собой цепочки, состоящие из пяти аминокислот в одинаковой последовательности, за исключением последней аминокислоты: в одном случае это метионин, а в другом — лейцин. Позднее из гипофиза были выделены другие морфиноподобные пептиды, названные эндорфинами. Недавно проведенные опыты показали, что некоторые процедуры, применяемые для устранения хронических болей,- иглоукалывание, прямая электрическая стимуляция головного мозга и даже гипноз, — возможно, действуют, вызывая выделение энкефалинов или эндорфинов в головном и спинном мозгу. Эта гипотеза основана на том, что эффективность всех этих процедур сильно снижается налоксаном (нарконом) — препаратом, который избирательно блокирует связывание морфина с рецептором опия.

Нейропептиды – короткие цепи аминокислот, обнаруженные в ткани мозга. Многие из них локализованы в аксонных окончаниях и высвобождаются из них под влиянием кальция, что дает основание считать их медиаторами. Однако нейропептиды отличаются от ранее идентифицированных медиаторов тем, что они организуют такие сложные явления, как жажда, память и половое поведение. Кроме того, они играют многообразную роль во многих других областях тела. Например, соматостатин подавляет выделение гормона роста гипофизом (у человека), регулирует секрецию инсулина и глюкагона поджелудочной железой и, по-видимому, функционирует в качестве медиатора в спинном и головном мозгу.

Показано, что многие нейропептиды, обнаруженные в головном мозгу млекопитающих, сосредоточены в окончаниях особых групп нейронов, и о некоторых из них известно, что выход их из аксонных окончаний зависит от кальция. Такие данные, а также наблюдение, что очень малые количества нейропептидов оказывают значительный эффект на активность нейронов или на поведение экспериментальных животных, в какой-то мере свидетельствуют в пользу того, что эти вещества вполне могут представлять собой новый класс медиаторов. Однако полученные данные еще не настолько убедительны, чтобы можно было считать это доказанным.

Пожалуй, самым первым кандидатом на статус медиатора среди нейропептидов является вещество Р – цепочка из 11 аминокислот. Оно присутствует во многих специфических нейронных путях в головном мозгу, а также в первичных сенсорных волокнах периферических нервов. Некоторые из этих сенсорных нейронов, тела которых лежат в сенсорных ганглиях по обе стороны спинного мозга, содержат вещество Р и выделяют его из своих аксонных окончаний в синапсах со спинальными нейронами. Поскольку вещество Р возбуждает те спинальные нейроны, которые легче всего реагируют на болевые стимулы, было высказано предположение, что оно служит сенсорным медиатором, специфически связанным с передачей информации о боли от периферических болевых рецепторов в центральную нервную систему.

Морфиноподобный пептид энкефалин тоже в изобилии содержится в мелких нейронах в той части спинного мозга, куда приходят волокна, содержащие вещество Р. Мы с Т. Джесселом (Т. Jessel) в Отделе нейрохимической фармакологии Британского совета медицинских исследований показали, что энкефалин и препараты опия способны подавлять выделение вещества Р из сенсорных волокон. Поэтому нейроны, содержащие энкефалин, могут регулировать поступление болевых сигналов в головной мозг, модулируя выделение вещества Р на уровне первого переключения в центральной нервной системе. Подобные же тормозные взаимодействия возможны и на более высоких уровнях мозга. Вещество Р – не единственный предполагаемый медиатор, локализующийся, как показано, в сенсорных нейронах; к таким же идентифицированным к настоящему времени веществам относятся ангиотензин, холецистокинин, соматостатин и глутаминовая кислота. Таким образом, по мере того как все больше становится известно о сенсорных медиаторах и их модуляционных механизмах в спинном мозгу, начинает возникать картина поразительной химической сложности.

Замечательное свойство нейропептидов мозга состоит в глобальном характере некоторых их эффектов. Введение очень малых количеств нейропептида (обычно прямо в головной мозг, чтобы обойти гематоэнцефалический барьер) вызывает у экспериментального животного сложное и весьма своеобразное поведение. Например, введение в мозг нескольких нанограммов нейропептида ангиотензина II приводит к тому, что животные интенсивно и долго пьют, хотя до этого не испытывали жажды. Другой пептид – гормон люлиберин, при введении его в головной мозг самке крысы создает характерное для самки половое поведение. Еще поразительнее, что, как показал Д. де Виед (D. de Wied) с сотрудниками из Утрехтского университета, введение малых количеств нейропептида вазопрессина лабораторным животным заметно улучшает запоминание действий, которым их обучили. Теперь проводятся предварительные клинические испытания этого препарата, чтобы установить, может ли он дать эффект в случаях потери памяти.

Гипотетический воротный механизм в первом синаптическом переключении, возможно, регулирует передачу информации о боли от периферических болевых рецепторов к головному мозгу. В задних рогах спинного мозга вставочные нейроны, содержащие пептидный медиатор энкефалин, образуют синапсы на аксонных окончаниях болевых нейронов, которые в качестве медиатора используют вещество Р. Выделяемый вставочными нейронами энкефалин тормозит выход этого вещества, из-за чего воспринимающий нейрон в спинном мозгу получает меньше возбуждающей стимуляции и поэтому посылает в головной мозг меньше связанных с болью импульсов. Такие опийные препараты, как морфий, по-видимому, связываются с незанятыми рецепторами энкефалина, имитируя подавление боли, производимое энкефалиновой системой.

Поэтому можно думать, что нейропептиды являются химическими посредниками, отличными от ранее идентифицированных медиаторов: по-видимому, они служат глобальным средством химического кодирования тех форм активности головного мозга, которые связаны с отдельными функциями поддержанием водно-солевого баланса, половым поведением, ощущениями боли или удовольствия. Неожиданным оказалось наблюдение, что биологически активные пептиды, первоначально обнаруженные в желудочно-кишечном тракте – гастрин, вещество Р, вазоактивный кишечный полипептид и холецистокинин – содержатся также и в центральной нервной системе. И наоборот, некоторые пептиды, сначала найденные в головном мозгу, позднее были обнаружены в кишечнике (соматостатин, нейротензин, энкефалины). Следовательно, можно думать, что эти пептиды выполняют множество ролей, действуя как локальные гормоны или медиаторы в желудочно-кишечном тракте и как глобальные медиаторы в головном мозгу. Р. Гиймен (R. Guillemin) из Института Солка высказал предположение, что разнообразные функции нейропептидов объясняются «оппортунизмом» эволюционного процесса, во время которого молекулу, обслуживающую одну функцию, в другое время и в другом месте можно приспособить для другой функции.

Локализация вещества Р в спинном мозгу обезьяны установлена путем обработки ткани специфическими антителами, меченными темным красителем. Краситель обнаруживается только в задних рогах спинного мозга, к которым подходят периферические болевые волокна. Микрофотография получена С. Хаитом (S. Hunt) из Кембриджского университета.

Ряд других веществ, по-видимому, играет роль модуляторов в межнейронных коммуникациях. На высоких уровнях головного мозга в его ткани найдены простагландины, которые состоят из пятичленного углеродного кольца и двух связанных с ним длинных углеродных цепей; простагландины оказывают разнообразное возбуждающее и тормозное действие на нейроны в зависимости от данной молекулярной структуры простагландина и характера клетки-мишени. В отличие от медиаторов с их быстрыми и кратковременными эффектами простагландины вызывают продолжительные сдвиги в поляризации нейронной мембраны; это говорит скорее об их модулирующей, а не о медиаторной функции. Возможно, что они действуют сообща с медиаторами, эффекты которых они мягко видоизменяют.

Еще одна группа веществ выполняет питательную функцию, а не функцию посредников. Считается, что эти «трофические» вещества выделяются нервными окончаниями и поддерживают жизнеспособность клетки-мишени; другие же трофические вещества захватываются нервными окончаниями, переносятся по аксону в ретрогралном направлении и питают этот же нейрон. Хорошо известный факт атрофии мышцы мосле нарушения ее иннервации, возможно, объясняется тем, что мышечные клетки перестают получать необходимые им трофические вещества. Некоторые дегенеративные заболевания мозга, возможно, возникают от того, что центральные нейроны перестают обмениваться трофическими веществами. В настоящее время из трофических веществ лучше всего описан фактор роста нервов — белок, который необходим для дифференцировки и выживания периферических сенсорных и симпатических нейронов и который, возможно, благоприятствует также поддержанию жизнеспособности центральных моноаминоэргических нейронов.

Наряду со все возрастающим числом химических медиаторов, становится также очевидным многообразие разных механизмов, посредством которых медиаторы производят свои эффекты. Например, вместо того чтобы прямо возбуждать или тормозить клетку-мишень, медиатор, выделяющийся из одного нервного окончания, может воздействовать на соседнее нервное окончание, усиливая или снижая выход медиатора из него. Ясно также, что для данного медиаторного вещества возможны Несколько типов рецепторов (на одни из них действуют, а на другие не действуют системы вторых посредников), чем объясняются неодинаковые возбудительные или тормозные эффекты данного медиатора в разных частях мозга. Даже утвердившееся представление [впервые высказанное Г. Дэйлом (Н. Dale)] о том, что из всех своих окончаний нейрон выделяет один и тот же химический медиатор, может утратить свою нерушимость: установлено, что с норадреналином или серотонином в том же нейроне сосуществует ряд нейропептидов. Функциональное значение таких двойных медиаторных систем пока еще не раскрыто. Кроме того, остаются во многом неизвестными те конкретные химические нарушения, которые лежат в основе таких обычных заболеваний, как эпилепсия, старческое слабоумие, алкоголизм, шизофрения и депрессия. Хотя исследование медиаторных систем мозга уже очень много раскрыло в химических механизмах обучения, памяти, сна ^[15] и настроения, тем не менее ясно, что самые волнующие открытия еще впереди.