Приложение

НЕЙРОБИОЛОГИЧЕСКИЙ ЛИКБЕЗ

Представьте себе два разных сценария.

Первый. Вспомните день, когда вы достигли половой зрелости. Наверное, это было так: родители или учителя заранее объяснили вам, чего следует ожидать. И вот вы просыпаетесь от странного ощущения и обнаруживаете на пижаме подозрительные пятна. В волнении вы будите родителей, которые, как и моя семья в свое время, ударяются в слезы и делают смущающие фотографии. В вашу честь режут барана, а вас самого носят по улицам в паланкине, пока ваши соседи распевают гимны на древнем языке. Большое событие!

Но скажите честно, что изменилось бы в жизни, случись эти эндокринные трансформации на 24 часа позже?

Второй сценарий. Вы выходите из магазина, и вдруг, откуда ни возьмись, на вас бросается лев. В ответ на стресс мозг увеличивает частоту сердечных сокращений и кровяное давление, расширяет кровеносные сосуды, питающие мышцы ног, которые теперь работают изо всех сил, ускоряет обработку сенсорной информации и для лучшей концентрации сужает поле зрения.

И как бы все обернулось, если бы мозгу потребовались сутки на отправку всех этих команд? Вам пришел бы каюк.

Вот в чем уникальность мозга. Половая зрелость наступит не сегодня, а завтра? Ну и ладно. Антитела поступят в кровь не сию секунду, а часом позже? Вряд ли это смертельно опасно. То же самое можно сказать и о задержке депонирования кальция в костях. Но большинство функций и свойств нервной системы имеют непосредственное отношение к вопросу, который постоянно звучит на страницах этой книги: что случилось секунду назад? Скорость феноменальная.

Нервная система — это контрасты и крайности, наличие или отсутствие ответа, максимальное усиление сигнала на фоне шума. Все это требует больших усилий и затрат.

ОДИН НЕЙРОН

Основной тип клеток нервной системы, которые мы, как правило, и называем «клетки мозга», — это нейроны. В человеческом мозге насчитывается около сотни миллиардов нейронов, и все они взаимодействуют друг с другом, образуя сложные сети. Кроме нейронов, есть еще клетки глии, которые выполняют массу вспомогательных функций: обеспечивают структурную поддержку и изоляцию нейронов, запасают для них энергию, помогают восстанавливать повреждения.

Естественно, такое противопоставление нейронов и глиальных клеток некорректно. На каждый нейрон приходится около десяти глиальных клеток нескольких типов. Они существенным образом влияют на то, как нейроны переговариваются друг с другом, а также формируют глиальные сети, которые сообщаются между собой совершенно отличным от нейронов образом. Так что глия тоже очень важна. Тем не менее, чтобы не усложнять материал, я сосредоточусь на нейронах.

Уникальность нашей нервной системы в значительной степени обусловлена уникальностью нейрона как клетки. Обычно клетки представляют собой небольшие, замкнутые образования — вспомните эритроциты, которые выглядят как крошечные округлые диски. Нейроны, напротив, асимметричные, вытянутые чудища, из которых во все стороны торчат отростки. Посмотрите на рисунок нейрона под микроскопом, сделанный в начале XX в. одним из основоположников нейробиологии Сантьяго Рамоном-и-Кахалем:

Это напоминает ветки гигантского дерева, что объясняет, почему на профессиональном жаргоне такой нейрон называется сильно разветвленным (об этом, начиная с того, как образуются такие отростки, мы подробно говорим в главе 7).

Многие нейроны необычайно длинны. На поверхности точки в конце этого предложения умещается пресловутый миллион эритроцитов. Зато в спинном мозге есть отдельные нейроны, от которых исходят отростки длиною около метра. Нейроны спинного мозга синих китов достигают длины в половину баскетбольного поля.

Теперь поговорим о строении нейрона, потому что это ключ к пониманию его функций.

Нейроны разговаривают друг с другом, передавая друг другу возбуждение. На одном конце нейрона находятся его метафорические уши — особые отростки, принимающие сообщение от соседнего нейрона. На другом конце располагается метафорический рот, то есть отростки, передающие сообщение следующему нейрону в цепи.

«Уши», или информационные входы, называются дендритами. Информационный выход начинается с длинного отростка — аксона, который разветвляется на аксонные окончания — терминали; каждая из терминалей аксона — это маленький «рот» (забудем пока про миелиновую оболочку). Окончания аксона соединяются с шипиками на ветвях дендритов следующего нейрона в цепи. Так дендритные уши нейрона узнают, когда возбуждается предыдущий нейрон. Поток информации от дендритов поступает в тело нейрона и по аксону добирается до его окончаний, а затем передается следующему нейрону.

Давайте переведем выражение «поток информации» на язык элементарной химии. Что на самом деле передается от дендритов к аксонному окончанию? Волна электрического возбуждения. Внутри нейрона находятся разные положительно и отрицательно заряженные ионы. Снаружи, за мембраной нейрона, плавают другие положительно и отрицательно заряженные ионы. Когда на шипик дендритной ветви нейрона приходит возбуждающий сигнал от соседнего нейрона, в мембране шипика отворяются каналы, через которые одни ионы попадают внутрь, а другие — наружу, и в результате в шипике дендрита накапливается положительный заряд. Заряд распространяется в направлении аксонного окончания, а там передается следующему нейрону. Вот и все, что касается химии.

Два чрезвычайно важных уточнения:

Потенциал покоя

Итак, когда нейрону по цепочке передается возбуждение от предыдущего нейрона, заряд внутри меняется на положительный по отношению к межклеточному пространству вокруг него. Когда нейрону есть что сказать, он кричит во весь голос. Но что происходит, когда нейрону сказать нечего, если он не получает стимула? Может, он приходит в состояние равновесия с окружающей средой и внутри и снаружи теперь устанавливается одинаковый нейтральный заряд? Нет, ни в коем случае. Для какой-нибудь клетки селезенки или большого пальца ноги это, может, и нормально, но мы не должны забывать о главном: нейрон постоянно бросает из крайности в крайность. Когда нейрону нечего сказать, это не какое-то пассивное состояние, в котором все процессы затухают. Напротив, это активный процесс. Активный, целенаправленный, деятельный, мощный и трудозатратный. Вместо того чтобы по умолчанию не иметь заряда, в состоянии «мне нечего сказать» нейрон заряжен отрицательно.

Более резкого контраста и придумать нельзя: мне нечего сказать = нейрон заряжен отрицательно; мне есть что сказать = нейрон заряжен положительно. Ни один нейрон никогда не спутает эти два состояния. Невозбужденное состояние называется потенциалом покоя. Возбужденное состояние называется потенциалом действия. Но почему же генерация этого удивительного потенциала покоя — такой активный процесс? Потому что нейронам приходится выбиваться из сил и подключать насосы на мембранах, выталкивая положительные ионы наружу и удерживая отрицательные внутри, и все только для того, чтобы создать это внутреннее отрицательно заряженное состояние покоя. К нейрону поступает возбуждающий сигнал, каналы открываются, и океаны ионов устремляются внутрь и наружу, создавая положительный внутренний заряд. Но когда схлынет волна возбуждения, каналы закрываются и насосам приходится возвращать все на круги своя, восстанавливая отрицательный потенциал покоя. Примечательно, что нейроны тратят почти половину своей энергии на работу ионных насосов, то есть на поддержание потенциала покоя. Да уж, недешево обходится создание резких контрастов между состоянием, когда нечего сказать, и таким, когда у нейронов есть кое-какие интересные новости.

Теперь, когда мы разобрались с потенциалом покоя и потенциалом действия, перейдем ко второму чрезвычайно важному уточнению.

На самом деле потенциал действия работает не так

Я только что рассказывал, как один дендритный шипик получает возбуждающий сигнал от предыдущего нейрона (то есть этот предыдущий нейрон обладал потенциалом действия); из-за этого в дендрите возникает потенциал действия, который бежит в тело клетки и дальше по аксону к аксонным окончаниям, откуда передается следующему нейрону в цепи. Это неправда.

Вот что происходит на самом деле: нейрон, которому нечего сказать, сидит тихо, другими словами, поддерживает потенциал покоя — внутри он весь целиком заряжен отрицательно. Внезапно на один из дендритных шипиков на одной из дендритных ветвей приходит возбуждающий сигнал, исходящий от аксонного окончания предыдущего нейрона. Открываются каналы, и ионы плывут внутрь этого шипика и наружу. Но, для того чтобы поменять заряд нейрона на положительный, этого недостаточно. Пока что у нас есть только чуть менее отрицательный заряд в данной веточке дендрита. Если приводить цифры, которые здесь не имеют ни малейшего значения, нужно сказать, что заряд потенциала покоя, составляющий около –70 милливольт (мВ), сдвигается примерно до –60 мВ. Затем каналы закрываются. Этот небольшой подскок в положительную сторону распространяется дальше, на соседние шипики этой ветви дендрита. Насосы начинают работать, перекачивая ионы обратно — туда, где они были изначально. В итоге на этом дендритном шипике заряд повышается с –70 до –60 мВ. Но чуть ниже по дендриту заряд поднимается только с –70 до –65 мВ. Еще ниже — с –70 до –69 мВ. Другими словами, возбуждающий сигнал рассеивается. Вы взяли маленький камешек и бросили его в спокойную водную гладь озера. По воде, все уменьшаясь, расходится рябь, пока не сгладится окончательно недалеко от места падения камешка. А за много миль оттуда, на аксональном берегу озера, от этой ряби не остается и следа.

Иначе говоря, если возбуждается один дендритный шипик, этого недостаточно, чтобы передать возбуждение на окончание аксона и далее — следующему нейрону. Как же проходит сигнал от дендрита к аксону? Вернемся к замечательному рисунку нейрона, выполненному Кахалем.

Все эти ветвящиеся дендритные отростки усеяны шипиками. И, чтобы передать возбуждение достаточного размера на аксонный конец, возбуждение нужно суммировать — тот же самый шипик надо стимулировать чаще, быстрее и/или, как чаще всего и бывает, несколько шипиков нужно стимулировать одновременно. Чтобы поднять не просто рябь, а настоящую волну, одним камешком не обойдешься, потребуется целая пригоршня.

В основании аксона, там, где он выходит из тела клетки, есть особое место (оно называется «аксонный холмик»). Если суммарное возбуждение от дендритов поднимает рябь достаточную, чтобы сдвинуть потенциал покоя вокруг холмика с –70 мВ до примерно –40 мВ, порог пройден. И когда это происходит, поднимается буря. В мембране холмика открываются самые разные виды каналов, ионы пачками снуют туда и обратно, пока, наконец, заряд не меняется на положительный (примерно +30 мВ). То есть вот тут-то и возникает потенциал действия. Далее каналы того же типа открываются в следующем участке мембраны аксона, и потенциал действия возникает уже там — все дальше и дальше, пока не доберется до аксонных окончаний.

Что касается способа передачи информации, у нейрона имеются две разные сигнальные системы. От дендритных шипиков до аксонного холмика идет постепенно затухающий аналоговый сигнал, рассеивающийся во времени и в пространстве. А на отрезке от аксонного холмика до аксонных окончаний действует цифровая система, порождающая сигнал по принципу «все или ничего» и регенерирующая его по всей длине аксона.

Для того чтобы понять, насколько это важно, возьмем с потолка парочку чисел. Предположим, средний нейрон имеет около сотни дендритных шипиков и столько же аксонных окончаний. Что это нам дает в контексте аналого-цифровой передачи сигнала?

Иногда ничего интересного. Возьмем нейрон А, у которого, как мы решили, имеется 100 аксонных окончаний. Каждое из них соединяется с 1 из 100 дендритных шипиков следующего за ним нейрона — нейрона В. В нейроне А возникает потенциал действия, который распространяется по всем его 100 аксонным окончаниям и возбуждает все 100 дендритных шипиков нейрона В. Для преодоления порога деполяризации на аксонном холмике нейрона B и для возникновения в нем потенциала действия необходимо, чтобы 50 его шипиков возбудились примерно в одно и то же время; следовательно, при возбуждении всех 100 шипиков нейрон B гарантированно сгенерирует потенциал действия и передаст сообщение от нейрона A дальше по цепочке.

Пусть теперь нейрон А протягивает половину своих аксонных окончаний к нейрону В, а половину — к нейрону С. В нейроне А возникает потенциал действия; гарантирует ли это передачу импульса нейронам В и С? Для прохождения порога на аксонном холмике и возникновения потенциала действия каждый нейрон должен получить сигнал от 50 «камешков» одновременно, и в данном случае нейрон А вызовет потенциал действия в двух нижележащих нейронах, кардинальным образом повлияв на их работу.

А теперь пусть нейрон А поровну распределяет свои аксонные окончания между 10 различными нейронами — от В до К. Вызовет ли его потенциал действия потенциал действия в нейронах-мишенях? Ни в коем случае — возвращаясь к нашему примеру, 10 «камешков» никак не дотягивают до требуемого порога в 50 «камешков».

Как же тогда возникает потенциал действия, скажем, в нейроне К, только 10 дендритных шипиков которого получают возбуждающие сигналы от нейрона А? И что происходит с остальными 90 его дендритными шипиками? В этом сценарии они получают входные сигналы от 9 других нейронов — по 10 от каждого. Иными словами, нейрон суммирует входные сигналы от всех передающих нейронов. Отсюда правило: чем большему числу нейронов передает импульс нейрон А, тем на большее число нейронов он может повлиять; однако чем большему числу нейронов он передает импульс, тем слабее окажется его влияние на каждый из них в отдельности. Вечный компромисс.

В спинном мозге, где один нейрон, как правило, посылает весь свой импульс следующему в цепи, это не так важно. Но в головном мозге каждый нейрон посылает проекции множеству других и получает входные сигналы от множества других, при этом аксонный холмик каждого нейрона определяет, когда будет пройден порог деполяризации и сгенерирован потенциал действия. Мозг целиком погружен в эти сети сходящихся и расходящихся сигналов.

Приведем поразительные реальные цифры: средний нейрон имеет от 10 до 50 000 дендритных шипиков и примерно столько же аксонных окончаний. Умножьте на 100 млрд нейронов, и станет понятно, почему хорошие стихи пишутся мозгами, а не левой ногой.

Для полноты картины приведем несколько фактов, которые можно и проигнорировать, если вы уже сыты ими по горло. У нейронов в запасе есть парочка дополнительных трюков, позволяющих в завершение потенциала действия дополнительно усилить контраст между «ничего не сказать» и «что-то сказать», быстро и резко завершив потенциал действия; это штука, которая называется задержанным выпрямлением, и еще одна — под названием «гиперполяризованный рефрактерный период». Кроме того, одна небольшая деталь из приведенной выше схемы: особые глиальные клетки обволакивают аксон, образуя изоляционный слой, который называют миелиновой оболочкой; такая «миелинизация» позволяет потенциалу действия проскакивать по аксону быстрее.

И последняя деталь, немаловажная в дальнейшем: порог деполяризации аксонного холмика может со временем меняться, изменяя тем самым возбудимость нейрона. Какие же факторы способны изменить этот порог? Гормоны, питание, жизненный опыт и другие вещи, о которых говорится в книге.

Что ж, мы проделали путь от одного конца нейрона до другого. Теперь попробуем разобраться, как именно нейрон, обладающий потенциалом действия, передает возбуждение следующему нейрону в цепи.

ДВА НЕЙРОНА: СИНАПТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Итак, потенциал действия, возникший в нейроне А, распространился по всем его десяткам тысяч аксонных окончаний. Как это возбуждение передается следующему нейрону (нейронам)?

Крах адептов синцития

Будь вы обычным нейробиологом XIX в., вы бы не затруднились с ответом. В то время считалось, что мозг плода состоит из великого множества отдельных нейронов, которые постепенно отращивают себе дендриты и аксоны. Со временем аксонные окончания одного нейрона добираются до дендритных шипиков другого, соприкасаются и сливаются с ними, формируя общую мембрану. Из отдельных эмбриональных нейронов зрелый мозг строит непрерывную, чрезвычайно сложную сеть, состоящую из одного-единственного супернейрона, который называли синцитием. Считалось, соответственно, что возбуждение беспрепятственно передается от одного нейрона к другому, поскольку это, по сути, не отдельные клетки, а одна огромная.

В конце XIX в. появилась альтернативная точка зрения, согласно которой каждый нейрон — обособленная единица, а аксонные окончания одного нейрона не соприкасаются с дендритными шипиками другого. Их разделяет крошечный промежуток. Эта концепция получила название «нейронная доктрина».

Приверженцы учения о синцитии были чертовски высокомерны и даже знали, как пишется слово «синцитий», поэтому не стеснялись заявлять, что считают нейронную доктрину нелепой. Покажите нам промежутки между окончаниями аксона и шипиками дендрита, требовали они от еретиков, и объясните-ка, как возбуждение перепрыгивает с одного нейрона на другой.

Вопрос решился в 1873 г., когда итальянский нейробиолог Камилло Гольджи изобрел новую методику окрашивания тканей мозга. Вышеупомянутый Кахаль применил «окрашивание по методу Гольджи», чтобы окрасить все отростки, все ветви, веточки и прутики дендритов и аксонных окончаний одного нейрона. И вот что произошло: окрашивание не распространилось с одного нейрона на другой. Не было никакого непрерывного слитого воедино супернейрона. Отдельные нейроны — это дискретные образования. Сторонники нейронной доктрины сразили адептов синцития наповал.

Ура, дело закрыто; микроскопические промежутки между окончаниями аксона и шипиками дендрита действительно существуют; эти промежутки назвали синапсами (хотя увидеть их удалось только в 1950-х гг., когда был изобретен электронный микроскоп, которым и заколотили последний гвоздь в крышку гроба синцития). Оставалось неясно, правда, каким же образом возбуждение передается от нейрона к нейрону, перепрыгивая через синапс.

Ответ, поискам которого нейронаука посвятила всю середину ХХ в., заключается в следующем: электрическое возбуждение не переходит через синапс, оно преобразуется в сигнал другого типа.

Нейромедиаторы

Внутри каждого аксонного окончания, привязанного к клеточной мембране, сидят маленькие пузырьки — везикулы, заполненные молекулами химического мессенджера. Сюда приходит потенциал действия, возникший в самом начале аксона, в аксонном холмике. Импульс проносится по терминали аксона и инициирует выброс молекул химического мессенджера в синапс. Они его преодолевают, добираются до дендритного шипика на другой стороне и передают возбуждение соседнему нейрону. Эти химические мессенджеры называются нейромедиаторами.

Каким образом нейромедиаторы, высвобождаясь с «пресинаптической» стороны синапса, вызывают возбуждение в «постсинаптическом» дендритном шипике? На мембране шипика сидят рецепторы к нейромедиаторам. Пора познакомить вас с одним из биологических клише. Молекула нейромедиатора имеет характерную форму (одинаковую для всех ее копий), а у рецептора есть связывающий карман характерной формы, идеально дополняющей форму нейромедиатора. Поэтому нейромедиатор — внимание, вот оно! — входит в рецептор, как ключ в замок. Ни одна другая молекула не подходит к этому рецептору; ни один другой рецептор не подходит к этому нейромедиатору. Нейромедиатор связывается с рецептором, каналы открываются, и в дендритных шипиках возникают токи ионного возбуждения.

Это исчерпывающее описание «транссинаптической» передачи сигнала при помощи нейромедиатора. За исключением одной детали: что происходит с молекулами нейромедиатора после того, как они свяжутся с рецепторами? Они не связываются навсегда — вспомните, что потенциал действия длится что-то около тысячных долей секунды. В какой-то момент нейромедиаторы отсоединяются от рецепторов — от них теперь нужно избавиться. Это происходит одним из двух способов. Первый: если речь идет об экологически мыслящем синапсе, то в мембране его аксонного окончания имеются «насосы обратного захвата». Они захватывают нейромедиатор и перерабатывают его, помещая обратно в везикулы для дальнейшего использования.

Второй способ: нейромедиатор разрушается прямо в синапсе под действием особого фермента, а продукты распада уносятся в море (то есть во внеклеточное пространство, а оттуда — в спинномозговую жидкость, кровоток и в конечном итоге в мочевой пузырь).

Наводить чистоту очень важно. Предположим, вы хотите увеличить количество нейромедиаторов, передающих сигнал через синапс. Давайте переведем это предложение в термины предыдущего раздела — вы хотите повысить возбудимость в синапсе, чтобы потенциал действия пресинаптического нейрона произвел больший эффект на постсинаптический нейрон, то есть, другими словами, с большей вероятностью вызвал бы в этом втором нейроне потенциал действия. Можно увеличить объем высвобождаемого нейромедиатора — тогда пресинаптический нейрон будет кричать громче. Или же можно увеличить число рецепторов на дендритном шипике — тогда постсинаптический нейрон будет прислушиваться внимательнее.

Есть и другой вариант — снизить активность насосов обратного захвата. В результате из синапса выводится меньше нейромедиаторов, а значит, они находятся там дольше и связываются с рецепторами многократно, усиливая сигнал. Или, что, по сути, то же самое, можно ослабить активность ферментов, разрушающих нейромедиаторы; если разрушается меньше нейромедиаторов, значит, в синапсе их остается больше и находятся они там дольше, оказывая пролонгированный эффект. И как мы увидим, ряд самых интересных находок, помогающих объяснить индивидуальные особенности поведения, о которых идет речь в этой книге, напрямую связаны с количеством вырабатываемого и выделяемого нейромедиатора, количеством и работой рецепторов, насосов обратного захвата и расщепляющих ферментов.

Типы нейромедиаторов

И какие такие чудесные молекулы нейромедиатора высвобождаются потенциалами действия из аксонных окончаний всех 100 млрд нейронов? Не так все просто, поскольку нейромедиаторов больше одного.

Почему? Ведь в каждом синапсе происходит одно и то же: нейромедиатор связывается со своим рецептором и открывает разнообразные каналы, по которым движутся ионы, повышая заряд внутри шипика.

Одна из причин заключается в том, что разные нейромедиаторы деполяризуют нейроны в разной степени — другими словами, обеспечивают возбуждение разной силы и продолжительности. Это позволяет передавать от нейрона к нейрону информацию гораздо большей сложности.

А теперь, чтобы удвоить нашу палитру, скажем, что существуют нейромедиаторы, которые не деполяризуют шипики, то есть не увеличивают вероятность возникновения потенциала действия в принимающем нейроне. Напротив, они «гиперполяризуют» шипик, открывая каналы, которые увеличивают отрицательный заряд потенциала покоя (например, сдвигают его с –70 до –80 мВ). Другими словами, существует такая вещь, как ингибирующие (тормозные) нейромедиаторы. Видите, как все усложнилось: нейрон с его 10 000–50 000 дендритных шипиков получает возбуждающие сигналы разной силы от одних нейронов и тормозящие — от других, суммируя их все в аксонном холмике.

Итак, нейромедиаторы бывают разных типов, каждый из которых связывается только со своим рецептором, комплементарным по форме. Значит ли это, что в каждом аксонном окончании сидит масса нейромедиаторов разных типов, так что потенциал действия высвобождает целый оркестр сигналов? Здесь нам нужно ввести принцип Дейла, названный в честь его первооткрывателя Генри Дейла, одного из грандов нейробиологии. В 1930 г. он вывел правило, на истинности которого зиждется мир в душе каждого нейробиолога: потенциал действия высвобождает один и тот же тип нейромедиатора из всех аксонных окончаний нейрона. Соответственно, каждому нейрону свойственен характерный нейрохимический профиль: вот это, например, нейрон с нейромедиатором типа А. Это также означает, что дендритные шипики тех нейронов, которым он передает информацию, снабжены рецепторами к нейромедиатору А.

Сегодня известны десятки разных нейромедиаторов. Вот некоторые из тех, что на слуху: серотонин, норадреналин, дофамин, ацетилхолин, глутамат (мощнейший возбуждающий нейромедиатор в мозге) и ГАМК (мощнейший из тормозящих). В этом месте студентов-медиков изводят развернутыми подробностями синтеза каждого из нейромедиаторов — им нужно запомнить его прекурсоры, промежуточные формы, которые принимают прекурсоры, прежде чем превратиться в конечный продукт, и мучительно длинные названия всех ферментов, катализирующих синтез. Среди прочего, им нужно усвоить несколько довольно простых правил, построенных на трех тезисах:

А. Вряд ли вам понравится, если нейроны, приказывающие вашим ногам бежать быстрее, когда вы пытаетесь удрать от льва, вдруг отключатся, поскольку у них закончился нейромедиатор. Чтобы такого не случилось, нейромедиаторы производятся из прекурсоров, в которых не бывает недостатка; часто это самые простые пищевые компоненты. Серотонин и дофамин, например, собираются из пищевых аминокислот триптофана и тирозина соответственно. Ацетилхолин получается из пищевого холина и лецитина.

Б. Нейрон может производить десятки потенциалов действия в секунду. И каждый раз требуется пополнить везикулы нейромедиатором, высвободить его, а после навести в синапсе порядок. Поэтому не хотелось бы, чтобы нейромедиаторы представляли собой огромные, сложные, вычурные молекулы, над каждой из которых должны трудиться бригады строителей. Все нейромедиаторы синтезируются из прекурсоров буквально за считаные шаги. Они дешевы и просты в производстве. Например, чтобы превратить тирозин в дофамин, достаточно всего двух простых реакций синтеза.

В. И наконец, чтобы максимально упростить и удешевить синтез нейромедиаторов, многие делаются из одного и того же прекурсора. Например, в нейронах, использующих в качестве нейромедиатора дофамин, имеются два фермента, отвечающих за два этапа его сборки. При этом в нейронах, выделяющих норадреналин, кроме вышеупомянутых двух ферментов, есть еще один, который превращает дофамин в норадреналин.

Чем дешевле, тем лучше, и это вполне логично. Ничто не устаревает быстрее, чем нейромедиатор после того, как сделал свое постсинаптическое дело. Вчерашняя газета сегодня годится только для воспитания щенков. И последнее замечание, крайне важное для дальнейшего повествования: так же как порог деполяризации аксонного холмика может со временем меняться в ответ на пережитый опыт, тот же самый опыт может изменить чуть ли не все детали биологии нейромедиаторов.

Нейрофармакология

По мере развития науки о нейромедиаторах ученые стали понимать, как работают разнообразные «нейроактивные» и «психотропные» вещества и препараты.

В целом такие препараты делятся на две категории: усиливающие сигнал, передающийся через тот или иной тип синапса, и подавляющие его. Мы уже знакомы с некоторыми стратегиями усиления сигнала: (а) стимулировать синтез нейромедиатора (посредством прекурсора или препарата, который повышает активность ферментов, синтезирующих нейромедиатор; например, при болезни Паркинсона в одном из участков мозга перестает вырабатываться дофамин, поэтому лечение заключается в повышении уровня дофамина путем введения препарата L-DOPA (леводопа), непосредственного предшественника дофамина); (б) ввести искусственно синтезированный нейромедиатор или вещество, достаточно близкое к нему по строению, чтобы обмануть рецепторы (псилоцибин, например, по строению похож на серотонин и активирует часть рецепторов к нему); (в) повысить чувствительность постсинаптического нейрона к нейромедиатору за счет увеличения числа рецепторов к нему (хорошо в теории, но непросто на практике); (г) ингибировать разрушающие ферменты, чтобы в синапсе оставалось больше нейромедиатора; (д) подавить обратный захват нейромедиатора, продлевая его активность в синапсе (именно такое действие производит в серотониновых синапсах самый ходовой антидепрессант флуоксетин, поэтому его и называют СИОЗС, то есть селективный ингибитор обратного захвата серотонина).

Одновременно существует целая аптечка препаратов, подавляющих передачу сигнала через синапс, и нетрудно догадаться, какие механизмы лежат в их основе: они могут блокировать синтез нейромедиатора, блокировать его высвобождение, блокировать доступ к рецептору и так далее. Интересный факт: ацетилхолин стимулирует сокращение диафрагмы. Кураре — яд, в который обмакивают свои дротики аборигены Амазонки — блокирует ацетилхолиновые рецепторы. Жертва перестает дышать.

ТРИ НЕЙРОНА И БОЛЬШЕ

Мы, наконец, добрались до места, где можем уже думать о трех нейронах одновременно. А буквально через несколько страниц мы пустимся во все тяжкие и попытаемся удержать в голове даже больше трех нейронов за раз. Задача этого раздела — разобраться, как работает нейронная сеть, и еще на шаг приблизиться к пониманию того, как нашим поведением управляют целые отделы мозга. Поэтому приведенные здесь примеры подбирались специально, чтобы дать минимальное представление о том, как все работает на этом уровне. Без некоторого представления о строительных блоках таких сетей никак не обойтись в главе 12, где рассказывается, как нейронные сети мозга могут меняться в ответ на опыт.

Нейромодуляция

Посмотрите на рисунок:

Аксонное окончание нейрона A образует синапс с дендритным шипиком постсинаптического нейрона B и высвобождает в синаптическую щель возбуждающий нейромедиатор. Пока ничего нового. Одновременно нейрон C протягивает аксонное окончание к нейрону A. Но не в обычное место, на дендритный шипик. Его аксонное окончание образует синапс с аксонным окончанием нейрона A.

Что тут происходит? Нейрон C выделяет тормозной нейромедиатор ГАМК, который плывет через этот «аксо-аксонный» синапс и связывается с рецепторами аксонного окончания нейрона A. И его тормозящий эффект (под воздействием которого потенциал покоя, равный –70 мВ, смещается в отрицательную сторону) гасит потенциал действия, распространяющийся по этой ветви аксона, не дает ему добраться до самого ее окончания и высвободить нейромедиатор; таким образом, вместо того чтобы напрямую влиять на нейрон В, нейрон С меняет способность нейрона А влиять на В. Или, если использовать профессиональную лексику, нейрон С оказывает «нейромодулирующее» действие.

Повышение четкости сигнала во времени и пространстве

Познакомимся с новой разновидностью нейронного взаимодействия. Здесь я для удобства использую упрощенный способ представления нейронов. Как показано на схеме, нейрон А посылает все свои 10 000–50 000 аксонов к нейрону В, выделяя возбуждающий нейромедиатор, обозначенный знаком «плюс». Кружком в нейроне B обозначено тело клетки плюс все ее дендритные веточки со всеми их 10 000–50 000 шипиков:

Перейдем к следующей схеме. Нейрон А стимулирует нейрон В — как обычно. Но он же стимулирует заодно и нейрон С. Это тоже обычное дело: нейрон А делит свои аксонные окончания между двумя целевыми нейронами, возбуждая оба. И что же делает нейрон С? Он посылает ингибиторные проекции обратно к нейрону А, образуя петлю отрицательной обратной связи. Вспомним, как мозг любит контрасты: вопит что есть мочи, когда ему есть что сказать, и напряженно молчит, если сказать нечего. Здесь то же самое, только уровнем выше. Нейрон А генерирует серию потенциалов действия. И как яснее всего дать понять, что разговор окончен? Подчеркнуто замолчать после — с помощью ингибиторного цикла обратной связи. Это способ усилить сигнал во времени. Заметьте, что нейрон А сам «определяет», насколько мощным будет сигнал отрицательной обратной связи, «решая», какую долю из своих 10 000 аксонных окончаний он направит к нейрону С, а не к нейрону В.

Повысить четкость сигнала во времени можно и по-другому:

Нейрон A стимулирует нейроны B и C. Нейрон C посылает ингибирующий сигнал на нейрон B, причем сигнал этот приходит уже после того, как B получает сигнал от А (поскольку в петле A/C/B два синапса, а между A и B только один). Каков результат? Усиление сигнала по принципу упреждающего торможения.

Теперь поговорим о другом способе повышения четкости сигнала — увеличении отношения сигнал/шум. Рассмотрим цепочку, состоящую из шести нейронов, в которой нейрон A возбуждает нейрон B, C возбуждает D, а E возбуждает F:

Нейрон C посылает возбуждающий сигнал к нейрону D. Но вдобавок аксон нейрона C посылает коллатеральные тормозные проекции на нейроны A и E. Следовательно, если стимулируется нейрон C, он одновременно возбуждает нейрон D и тормозит нейроны A и E. При таком «латеральном торможении» C кричит что есть сил, а A и E молчат особенно выразительно. Это помогает усилить сигнал в пространстве (заметьте, что диаграмма упрощена, поскольку я упустил кое-что очевидное — нейроны A и E также посылают тормозные коллатерали к нейрону C и к другим соседним нейронам в нашей воображаемой двумерной сети).

Латеральное торможение встречается в сенсорных системах сплошь и рядом. Посветите узким лучиком света в глаз. Стоп, а какой фоторецептор — A, C или E — вы только что простимулировали? Благодаря латеральному торможению становится понятно, что это был нейрон C. То же самое с осязанием, и это позволяет вам понять, что ощущение прикосновения исходит именно от определенного участка кожи, а не от участка справа или слева от него. Латеральное торможение в слуховом анализаторе помогает определить, что звук, который вы слышите, — это ля, а не ля-диез или ля-бемоль.

Это еще один прием усиления контраста в нервной системе. Почему нейрон в спокойном состоянии заряжен отрицательно, а его заряд не равен нейтральному нулю милливольт? Чтобы усилить сигнал на уровне нейрона. Зачем нужны отрицательная обратная связь, упреждающее и латеральное торможение со всеми его коллатералями? Чтобы усилить сигнал во времени и пространстве на уровне цепи.

Два типа боли

Следующая схема включает в себя элементы, с которыми мы только что познакомились, и объясняет, откуда берутся два разных типа боли. Обожаю эту цепь за ее элегантность:

Дендриты нейрона А расположены непосредственно под кожей, и в ответ на болевой раздражитель в нейроне возникает потенциал действия. Затем нейрон А передает возбуждение на нейрон В, который посылает свои аксоны к спинному мозгу, и вы ощущаете боль. Одновременно нейрон А возбуждает нейрон С, который тормозит В. Это одна из тех самых цепей упреждающего торможения. Что в результате? Нейрон B ненадолго возбуждается и сразу тормозится, а вы ощущаете острую боль — вас, например, укололи иголкой.

А теперь посмотрите на нейрон D, дендриты которого находятся в той же области кожи, но реагируют на другой тип болевой стимуляции. Как и его сосед А, нейрон D возбуждает нейрон B, и сигнал передается в мозг. Но вместе с тем он еще посылает отростки к нейрону C и тормозит его. И что в итоге? Когда нейрон D возбуждается от болевого стимула, он подавляет способность нейрона С тормозить нейрон В. Вы это воспринимаете как пульсирующую, непрерывную боль, как от ожога или ссадины. Важно отметить, что ощущение усиливается еще и тем, что потенциалы действия проходят по аксону нейрона D гораздо медленнее, чем по нейрону А (это связано с миелином, о котором я упоминал ранее, — опустим подробности). Поэтому боль, которую транслирует нейрон A преходящая и ощущается моментально. А вот боль, которую передает нейрон D, продолжительная, зато и наступает медленнее.

Два этих типа нервных связей могут взаимодействовать, более того, часто мы сами их к этому вынуждаем. Предположим, вас мучает какая-то непрерывная ноющая боль — скажем, укус насекомого. Как можно ее остановить? Кратковременно стимулировать быстрое волокно. Это на мгновение усилит боль, но, стимулируя нейрон С, вы на время отключите всю систему. Именно так мы и поступаем в подобных обстоятельствах. Укус зудит нестерпимо, и мы изо всех сил его расчесываем, чтобы боль притупилась. На несколько минут медленный путь ноющей боли отключается.

В клинической практике очень важно понимать, как работают механизмы боли. В частности, появляется возможность разрабатывать средства от сильной хронической боли (например, при травмах спины). Вставьте микроэлектрод в путь быстрой боли и подключите его к стимулятору на бедре человека; слишком сильная боль — активируйте стимулятор, и после короткой, острой боли хроническая боль на время отключается; во многих случаях это творит чудеса.

Итак, у нас есть схема, объединяющая механизм повышения четкости сигнала во времени и двойное торможение, то есть торможение тормозящего нейрона, — ну разве не круто? Она так сильно мне нравится еще и потому, что ее первооткрыватели, великие нейробиологи Рональд Мелзак и Патрик Уолл, предложили ее в 1965 г. в качестве теоретической модели («Никто никогда не видел подобных схем, но, учитывая, как работает боль, мы предполагаем, что она должна выглядеть примерно так»). Последующие исследования показали, что эта часть нервной системы именно так и устроена.

Цепи, собранные из таких элементов, — тема главы 12; они вносят существенный вклад в объяснение нашей способности обобщать и формировать категории: когда вы смотрите, например, на картину и говорите: «Имя художника не назову, но это явно кто-то из импрессионистов», или когда думаете об «одном из» президентов, возглавлявших правительство между Линкольном и Рузвельтом, или об «одной из тех» собак, что пасут овец.

ЕЩЕ ОДИН РАУНД УВЕЛИЧЕНИЯ МАСШТАБА

Нейрон, два нейрона, нейронная сеть. Теперь мы готовы сделать решительный шаг и увеличить масштаб до тысяч и сотен тысяч нейронов одновременно. Посмотрите на поперечный срез печени под микроскопом. Сплошное поле одинаковых клеток, недифференцированный ковер; если вы видели часть, то видели все. Это скучно.

Мозг — совсем другое дело, ему, в отличие от печени, свойственна сложная внутренняя организация.

Другими словами, тела нейронов, выполняющих родственные функции, сгруппированы в определенных областях мозга, а аксоны, которые они посылают в другие части мозга, организованы в проводящие пути. Все это означает, что разные части мозга делают разные вещи. У всех областей и подобластей мозга есть названия (обычно многосложные и заимствованные из греческого или латинского языков), есть названия у всех зон и долей, на которые эти области делятся. Более того, каждая из них передает сигналы совершенно определенному набору других областей (то есть посылает к ним аксоны) и получает сигналы от определенного набора других областей (то есть принимает от них аксоны). Связи каждой из областей мозга могут многое рассказать о ее функциях. Например, нейроны, получающие информацию о повышении температуры тела, посылают отростки к нейронам, регулирующим потоотделение, и в нужный момент активируют их. Чтобы показать, насколько это все сложно, добавлю: если вы находитесь рядом с кем-то, кто, ну, настолько горяч, что вас бросает в жар, те же самые нейроны активируют связи с нейронами, заставляющими вас хихикать и заикаться.

Можно сойти с ума, изучая все нюансы связей между различными областями мозга, в чем я убедился на примере многих нейроанатомов, погрязших в деталях. Для наших целей достаточно запомнить лишь несколько ключевых моментов:

— Каждый отдел мозга состоит из миллионов нейронов. Вот вам пара-тройка знакомых названий: гипоталамус, мозжечок, кора головного мозга, гиппокамп.

— В некоторых областях мозга имеются очень четкие и компактные подобласти, которые называют ядрами. (Это сбивает с толку, поскольку та часть клетки, которая содержит ДНК, тоже называется ядром. Ничего не поделаешь.) Вот, просто для примера, ряд, скорее всего, совершенно незнакомых вам названий: базальное ядро Мейнерта, супраоптическое ядро гипоталамуса, ядро с умилительным именем «нижняя олива».

— Как уже говорилось, клеточные тела нейронов с родственными функциями сгруппированы в одной области или ядре и направляют свои аксональные проекции в одном направлении, объединяясь в проводящий путь (он же «нейронный тракт»).

— Вспомним о миелиновой оболочке вокруг аксонов, которая помогает потенциалам действия распространяться быстрее. Миелин, как правило, белого цвета, и из-за этого проводящие нейронные пути в мозге кажутся белыми. Поэтому их принято называть белым веществом. Скопления тел клеток нейронов, не покрытых миелином, — это серое вещество.

На этом наш ликбез окончен. Вернемся к книге.