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[375].
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[376].
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[377].
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[378].
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.