[129]. В Швеции начала работу группа химиков и фармакологов, которая выявила в тканях мозга десятки пептидов[130]. Некоторые уже были хорошо известны как гормоны, действующие преимущественно в желудочно-кишечном тракте: вазоактивный интестинальный полипептид (VIP), холецистокинин, гастрин, секретин и соматостатин. В некоторых нейронах мозга обнаружились такие типичные пептидные гормоны, как инсулин и глюкагон. Было показано, что в некоторых нейронах также присутствуют пептидные гормоны гипофиза, в частности адренокортикотропин, гормон роста и тиреотропин. Кроме того, в скоплениях нервных клеток был обнаружен немногочисленный класс гормонов, воздействующих на область мозга, называемую гипоталамусом: тиреолиберин, кортиколиберин и соматолиберин.
Ключевая роль в расширении списка пептидных нейромедиаторов принадлежит шведскому гистологу и химику Томасу Хекфельту, который соотнес большое количество пептидов с отдельными группами нейронов. Пептиды, хорошо изученные за пределами мозга, — такие, как ангиотензин II, брадикинин, кальцитонин, кальцитонин-ген-связанный пептид, нейропептид Y и галанин, — также были найдены в нейронах мозга и включены в группу нейромедиаторов.
Строгое определение нейромедиатора предполагает выполнение следующих условий: вещество содержится в синаптических везикулах, выделяется при слиянии этих везикул с наружной мембраной нейрона и действует на рецепторы соседних клеток. Однако открытие оксида азота — газообразного соединения, которое действует как газовый медиатор, — пошатнуло этот жесткий набор критериев[131]. В везикулах нет запасов оксида азота. Это неустойчивый газ, вырабатываемый «по требованию» из аминокислоты аргинина биосинтетическим ферментом, который называется синтазой оксида азота. Считается, что фоновый уровень оксида азота близок к нулю. То же справедливо и для других газовых медиаторов — окиси углерода и сероводорода[132].
Хотя газовые медиаторы лишь недавно были включены в число нейромедиаторов, они имеют заметный вес, как в количественном, так и в функциональном отношении. Например, сероводород передает сигналы, модифицируя сульфгидрильную группу (-SH) на цистеине белковых клеток-мишеней; этот процесс называется сульфгидрацией[133]. Приблизительно 35 % молекул глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы (GAPDH) сульфгидрированы, и в этом состоянии они воздействуют на активность ферментов при углеводном метаболизме. Сульфгидрация повышает активность GAPDH в несколько раз и тем самым существенно влияет на общее состояние клетки. Таким образом, сероводород воздействует на метаболические процессы всех клеток тела, а не только осуществляет передачу нервных импульсов.
Эти данные позволяют разрабатывать подходы к классификации медиаторов, но не сообщают ничего определенного. Мы все еще остаемся в области предположений. Великий микробиолог Джошуа Ледерберг любил намечать «границы» разных биологических феноменов. Я хорошо помню, как зашел в его лабораторию в 1980 году, когда он увлекался астрономией и пытался оценить число звезд во Вселенной. По его мнению, астрономы основывали свои оценки на количестве известных звезд и ограничениях существующих методов поиска новых. Он предложил мне применить подобный метод подсчета к нейромедиаторам, в частности нейропептидам. Если сейчас нам известно около 50 нейромедиаторов, то сколько еще остается вне поля зрения исследователей и пока не обнаружено современными методами? У меня до сих пор нет однозначного ответа. Более того, остается открытым вопрос, зачем нам так много нейромедиаторов. Большинство нейробиологов считают, что каждый из множества медиаторов действует на свой манер. Некоторые просто вызывают возбуждение или торможение, причем на разные временные промежутки, от миллисекунд до десятков секунд. Другие запускают особые биохимические реакции, не связанные с электрическими сигналами. В эту группу может входить огромное число разных молекулярных комплексов, выступающих посредниками слабых изменений в нейронах. Какие-то нейромедиаторы могут изменять реакцию на другие медиаторы или действовать с ними сообща. Можно лишь догадываться о самых разных функциях, которые оправдывают существование десятков или даже сотен нейромедиаторов.
Каково же общее число предполагаемых нейромедиаторов в нервной системе? Нейромедиаторы относятся к разным классам химических веществ: аминам, аминокислотам, пептидам и газам. Максимум, что мы можем сказать, — количество аминов, аминокислот и газов явно ограничено. Однако пептидов может существовать гораздо больше, чем нам известно в настоящее время. Обнаружение большинства из них — вполне решаемая задача. Современные технологии позволяют выявить биологически активные пептиды во всех тканях, в том числе в мозге. Я предполагаю, что их число, вероятно, не превысит двух сотен. Будем надеяться, что кто-то уже решает эту задачу и вскоре будет сделан гигантский шаг вперед в понимании функционирования нейромедиаторов, а значит, и нервной системы в целом.
Предвидение, восприятие, движение
Глаз знает, что для нас хорошоАнирудда Дас
МЫ СКЛОННЫ ВОСПРИНИМАТЬ ГЛАЗ как совершенную видеосистему, которая с высокой точностью записывает все, что видит. Но во многих отношениях точность нашего зрения относительно невелика: мы не умеем оценивать яркость освещения или спектральные цвета по абсолютной шкале. При этом мы без труда определяем, как быстро движется приближающаяся машина (и отпрыгиваем в сторону), и легко находим самое спелое манго среди других фруктов (и уверенно тянемся именно за ним). Чтобы понять, как работает зрение, нужно исходить из того, что это значимый биологический процесс, который развился в ходе эволюции и предназначен для сбора информации, необходимой для выживания, и игнорирования всего прочего. И способ, которым решается эта задача, хорошо адаптирован к условиям видимого мира.
Целенаправленная обработка зрительной информации начинается в глазу[134]. Чтобы понять, как это происходит, необходимо немного углубиться в анатомию и физиологию глаза. Свет фокусируется на сетчатке в задней части глаза, где преобразуется в электрические сигналы клетками фоторецепторов — палочками, а также колбочками трех типов, чувствительными к красному, зеленому и синему свету. Это единственная особенность работы глаза, которая позволяет сравнить его с фотоаппаратом. Фоторецепторы расположены на сетчатке таким образом, чтобы обеспечивалось наилучшее разрешение изображения, сформированного оптическими элементами глаза, в частности роговицей и хрусталиком. Каждый фоторецептор отвечает за крошечный участок изображения вроде пикселя в цифровом фотоаппарате. Но из глаза в мозг передаются не эти «пиксельные» сигналы. Сначала они подвергаются глубокой обработке в сетчатке с помощью многослойной сети из нейронных цепей, после чего сигнал отправляют из глаза в мозг последние звенья нейронной цепи — ганглиозные клетки, аксоны которых образуют зрительный нерв.
Процесс обработки визуальной информации в нейронных цепях сетчатки удобнее всего представить как преобразование соответствующих «рецептивных полей» нейронов[135]. Этим термином обозначают определенный участок зрительного пространства и модель зрительной стимуляции, которая сильнее всего возбуждает нейрон. Рассмотрим реакцию колбочки, то есть изменение электрического потенциала ее клеточной мембраны. Клетка будет реагировать только на свет из определенного участка, который фоторецептор «видит» в зрительном пространстве. Эта реакция монотонна. Повышение яркости света в рецепторном поле будет усиливать ее, пока не произойдет насыщение. Этот крошечный участок зрительного поля с монотонной реакцией и такие же участки для каждого из приблизительно 120 миллионов фоторецепторов определяют рецептивные поля на входном уровне цепи сетчатки. На выходе ганглиозные клетки объединяют реакции некоторого количества фоторецепторов, от единиц до сотен. Таким образом, свет, который попадает в рецептивное поле любой из колбочек, посылающих сигналы ганглиозным клеткам, влияет на ответный электрический потенциал клетки. Но этот эффект нельзя назвать монотонным, и он не является простой суммой сигналов от колбочек. Входящие сигналы организуются по схеме круговой симметрии, по принципу противостояния центра и периферии. Сигналы из центральной части складываются, так что попадающий на эти участки свет изменяет электрический потенциал ганглиозной клетки сетчатки в одном направлении. Входящий сигнал с кольцеобразной периферии имеет другой знак — и электрический потенциал ганглиозной клетки сетчатки изменяется в другую сторону. Связи между клетками также зависят от типа колбочки. Так, ганглиозная клетка может возбуждаться от красного света в центре и затормаживаться от зеленого света на периферии или возбуждаться от синего света в центре и затормаживаться от желтого на периферии. Эта сложная схема реакции с противопоставлением центра и периферии определяет рецептивное поле ганглиозной клетки сетчатки на выходе. Важный класс таких клеток, получивший название центральных магноцеллюлярных, активно реагирует на яркое пятно в центре, но их активность подавляется яркими пятнами на периферии, независимо от цвета. При равномерном освещении или даже постоянном градиенте яркости по всему рецептивному полю центр и периферия, по сути, нейтрализуют друг друга, и клетка молчит. На примере этих клеток мы рассмотрим, как при обработке зрительной информации глазом отображается структура видимого мира (рис. 6).
РИС. 6. Рецептивное поле центральной магноцеллюлярной ганглиозной клетки сетчатки. (А) Схема рецептивного поля. Клетка получает входящие сигналы от группы колбочек, чувствительных к красному, зеленому и синему свету, которые расположены в центре (обозначены белыми кружками). Сигналы от них складываются, формируя реакцию центра «Включено». Эти входящие сигналы компенсируются сигналами от группы колбочек, чувствительных к красному, зеленому и синему свету, которые расположены на периферии (черные кружки). Знак этих сигналов противоположен знаку сигналов от центральных колбочек, и они формируют реакцию периферии «Выключено». (В) Реакция этой клетки на свет. В нормальном состоянии клетка возбуждается с определенной частотой — это регулярные нервные импульсы. В момент времени, обозначенный жирной черной линией, пятно света попадает в центр, и частота импульсов повышается (верхний ряд). Если пятно света попадает на периферию, импульсы следуют с меньшей частотой или совсем исчезают (средний ряд). Возбуждение от центра и торможение от периферии практически компенсируют друг друга, так что большое пятно, захватывающее все рецептивное поле, не вызывает изменений в частоте импульсов (нижний ряд)