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)[379].
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.
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[380]. 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[381]. 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[382].
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.