|
gordon0030@yandex.ru |
||||||
Архив выпусков | Участники | |||||||
Нейрональная пластичность |
↓№ 310↑ 28.10.2003 50:02 | ||||||
Стенограмма эфира Существуют ли пределы развития человеческой цивилизации — если да, то можем ли мы определить их, поняв возможности и механизмы работы нашего мозга? Как нервные клетки общаются друг с другом? Что мы знаем о внесинаптической передаче информации в нейрональных сетях? Об исследовании коммуникации между нейронами головного мозга — нейробиолог Алексей Семьянов. Обзор темы Человек и мозг. Наличие разума является принципиальным отличием человека от остальных животных. С точки зрения эволюционной теории, разум возник при постепенном развитии и совершенствовании головного мозга. Все достижения человечества (искусство, политика, экономика, техника) существуют благодаря разуму и, соответственно, могут рассматриваться как результат эволюции. Это означает, что они адаптированы для того, чтобы человек находился в их окружении. С другой стороны, на все продукты цивилизации наложены ограничения, связанные с ограничениями функциональности мозга. Например, наш мозг не способен получать и обрабатывать информации больше определенного объема, скорость его работы также ограничена. В частности, вряд ли Сейчас такие рассуждения скорее принадлежат области фантастики, но, как показывает история, даже самые невероятные и фантастические предсказания иногда сбываются. Однако, в данном случае на пути исследований стоит принципиальная дилемма. Она возникает из вопроса о том, может ли система познать саму себя, или для этого требуется система более организованная? Оставив философские рассуждения о познаваемости мозга, давайте посмотрим, как обстоит дело с исследованием его на настоящий момент. Можно сказать, что мы знаем достаточно много о мозге. Хорошо изучена анатомия этого органа, клеточный состав. Определены основные сигнальные пути между его структурами. Ясно, как возникает электрическая активность и как она предается от клетки к клетке. Но мы не знаем главного — как работает система в целом. Изучение мозга оказалось невозможно без привлечения различных наук. В английском языке для обозначения науки о мозге используется слово — «neuroscience», которое дословно переводится как «нейронаука». Появление этого термина отражает тот факт, что исследованием мозга занимаются не только биологи и медики, но и, например, физики, математики. Системный подход, с одной стороны, помогает лучше решить поставленную задачу, с другой, является источником разногласий. Специалисты в различных областях говорят на разных научных языках и порой с трудом понимают друг друга. Здесь будет к месту вспомнить восточную сказку о трех слепцах, которые трогали слона, и пытались понять, на что тот похож. Один прикоснулся к хоботу и утверждал, что слон похож на шланг. Тот, что взялся за хвост, предполагал, что он похож на шнурок. Третий думал, что слон похож на колонну, поскольку обхватил руками его ногу. То же происходит в нейронауке. Можно выделить три основных подхода к исследованию мозга. Что же лучше? Скальпель хирурга, физиологический электрод, биохимический анализ или компьютерная томография? Вероятно, все методы хороши, если они позволяют накапливать знания для последующих обобщений. Нейрон и синапс. Головной мозг тесно связан с кровеносной системой, покрыт оболочками, защищен костями черепа, это неотделимая часть организма. С другой стороны, он обособлен от других органов посредством гематоэнцефалического барьера. Этот барьер служит для создания в мозге совершенно особой среды, отличной от остальных частей тела. Через этот барьер не проникают вещества, доступные другим органам. Он спасает мозг от токсических веществ, но является препятствием для многих лекарств. Если не учитывать клетки кровеносных сосудов и оболочек, то основными клетками мозга являются нейроны Нейроны связаны между собой посредством синапсов (химических или электрических). В аксоне нейронов генерируется электрический сигнал — потенциал действия, который распространяется к пресинаптическому утолщению и инициирует высвобождение нейропередатчика В 1973 году Блисс и Ломо (T. V. Bliss and T. Lomo) опубликовали работу, в которой показали, что при интенсивной активности эффективность передачи сигнала в возбуждающих синапсах значительно повышается. Этот феномен длился часы после эпизода гиперактивности и был назван долговременной потенциацией (LTP — long term potentiation). Затем была открыта долговременная депрессия синаптической передачи. Ученые ликовали: «Поскольку мозг построен на основе синаптических связей между нейронами, то длительные изменения эффективности синаптической передачи должны являться механизмом обучения и памяти». Так возникла теория синаптической пластичности. Эта теория значительно усилила свои позиции со времени пионерских работ. До сих пор не ослабел поток работ, посвященных открытию новых рецепторов, ферментов, Спиловер и внесинаптические рецепторы. Кроме открытий в области синаптической пластичности в последние годы стали накапливаться и другие «любопытные» факты. Так в В чем заключается важность идеи спиловера? Казалось бы, давно известна «объемная передача» или медленная диффузия нейропередатчиков в мозге. Концепция объемной нейропередачи была хороша для описания эффектов субстанций (модуляторов эндогенного происхождения, лекарств, ядов), затрагивающих большие структуры или целый мозг. Нейропередатчик, покинув синаптическую щель, рано или поздно захватывается нейрональными или глиальными транспортерами, а, следовательно, изменения его концентрации происходят в локальных участках нейрональной сети, ограниченных группой нейронов или, даже, небольшим числом нейрональных компартментов. Внесинаптические рецепторы таких нейропередатчиков, обладают очень высокой чувствительностью (аффинностью) и реагируют на крайне малые изменения в концентрации последних. Кроме того, некоторые из таких рецепторов (например, рецепторы Диффузная нейропередача. Нейропередатчики активируют соответствующие им рецепторы двумя способами: специфическим синаптическим или более дивергентным внесинаптическим. В силу узости синаптической щели, концентрационные изменения нейропередатчика в ней происходят достаточно быстро (~1 мс). Внесинаптическая концентрация нейропередатчиков меняется медленнее и в большей степени зависит от скорости диффузии. Изменения в этой концентрации, как правило, отражают изменения в общей возбудимости нервной ткани или ее метаболическое состояние. С функциональной точки зрения синаптическая передача может быть охарактеризована как система быстрой передачи информации по цепочке нейронов, определяемой логической схемой возбуждающих и тормозных синапсов в текущий момент времени (цифровой сигнал). Внесинаптическая диффузная нейропередача может изменять активность целой группы клеток, расположенных на определенном расстоянии от источника нейропередатчика и обладающих соответствующими рецепторами одновременно (аналоговый сигнал). В качестве таких рецепторов выступают внесинаптические рецепторы, являющиеся своего рода «детекторами» внеклеточной концентрации медиаторов и регулирующие возбудимость клеток в соответствии со своей природой. Чтобы говорить о полноценной передаче сигнала, необходимо определить его источник, приемник и механизм их взаимодействия. В случае синаптической передачи источником является пресинаптическая терминаль, высвобождающая нейропередатчик, а приемником — участок постсинаптической клетки (например, шипик), располагающийся непосредственно напротив места экзоцитоза. Механизм передачи заключается в кратковременном повышении концентрации нейропередатчика в узкой синаптической щели: за пресинаптическим высвобождением незамедлительно следует процесс активации постсинаптических рецепторов и удаления медиатора из щели (диффузия и обратный захват). Аналогичным образом могут быть определены основные источники и приемники в диффузной нейропередаче. Кроме спиловера нейропередатчиков, их внеклеточная концентрация может пополняться за счет обращенной работы транспортеров. Считается, что транспортеры нейропередатчиков служат для того, чтобы захватывать нейропередатчик из внеклеточного пространства внутрь клеток. Однако, при изменении электрохимических градиентов, благодаря своей электрогенности транспортеры могут начать выкачивать нейропередатчик из клеток наружу. Также, нейропередатчик может высвобождаться во внеклеточное пространство при глиальном экзоцитозе и осмотическом стрессе. Основными приемниками в диффузной нейропередаче являются внесинаптические рецепторы, соответствующие нейромедиаторной природе сигнала. Нейрональная пластичность. Многие ученые считают, что обучение и память основаны исключительно на синаптической пластичности (потенциации и депрессии передачи сигнала в синапсах). Нейроны при этом выполняют лишь интегративную функцию для возбуждающих и тормозных синаптических токов, результатом которой является вероятность возникновения потенциала действия в аксоне. Это является значительным упрощением, как и представление о том, что тоническая активация внесинаптических рецепторов лишь меняет возбудимость нейронов посредством шунтирующего тока. Изменение биофизических свойств (проводимости, возбудимости, потенциала, ионных градиентов) мембраны нейрона или его отдельных компартментов (сомы, ответвлений дендритов) при активации внесинаптических рецепторов диффузным нейропередатчиком может изменять характеристики входящих синаптических токов (подавление, усиление, укорачивание, удлинение). Причем эти изменения происходят благодаря свойствам мембраны нейронов, лежащей за пределами синапсов. Так, можно представить, что в условиях неизменной синаптической передачи, синаптические токи могут быть подавлены или усилены в зависимости от компартмента нейрона. Процесс изменения синаптического тока в зависимости от состояния мембраны Активация внесинаптических рецепторов является свойством не только ГАМКергической системы. Во многих лабораториях мира, в том числе и нашей, было показано, что возбуждающий нейропередатчик — глутамат, может покидать синаптическую щель и активировать внесинаптические рецепторы. Если нейрональная обработка синаптического сигнала будет изменять свои параметры во времени, то этот процесс будет называться «нейрональной пластичностью». Такие изменения могут носить как кратковременный, так и долговременный характер. Примером долговременного изменения нейрональной обработки сигнала является появление тонического ГАМКергического тока при эпилепсии в нейронах, в которых он отсутствовал в нормальном состоянии (см. выше). Это указывает на роль нейрональной пластичности в патологических состояниях мозга. Тем не менее не существует принципиального противоречия в утверждении, что нейрональная пластичность, аналогично синаптической (а возможно вместе с синаптической), вовлекается в процессы обучения и памяти. Нейрональная пластичность и возбудимость нейрона. На первый взгляд может показаться, что возбудимость нейрона и нейрональная пластичность по сути одно и тоже. Нейрон получает синаптический сигнал и далее генерирует или не генерирует спайк (потенциал действия). Возбудимость нейрона обычно оценивают по параметру ВПСП (возбуждающий постсинаптический потенциал) — спайк передачи. Если вероятность генерации спайка на одинаковый по амплитуде ВПСП повышается, то это называется Нейрональная пластичность является типом обработки сигнала в мозге, который существует параллельно с пластичностью синапса и пластичностью Заключение. В мозге существуют два параллельных и взаимосвязанных пути передачи информации. Нужно помнить, что на одном нейроне могут находиться тысячи синапсов. Если в одном из синапсов наблюдается потенциация, то это незначительно скажется на суммарной активности клетки. Предположим, что синаптическая потенциация и депрессия являются событиями равновероятными. В этом случае результирующая синаптической пластичности будет нулевой. Однако, если происходит изменение свойств мембраны целого нейронального компартмента, содержащего десятки и сотни синапсов, то это незамедлительно скажется на выходном сигнале данного нейрона. Таким образом, нейрональная пластичность является более мощным механизмом регуляции передачи сигнала в нейрональных сетях. Нейрональная пластичность тесно связана со вторым, диффузным, путем передачи сигнала в нейрональной сети. На этом принципе организована «широкополосная» система передачи сигнала. Диффузный внесинаптический сигнал способен распространяться одновременно на несколько нейронов или нейрональных компартментов. Таким образом, поток информации передается параллельно по нескольким каналам. При этом, диффузная нейропередача, изменяя состояние мембраны, меняет свойства синаптического сигнала (нейрональная пластичность). Информация кодируется посредством локальных внесинаптических флуктуаций нейропередатчиков. Эти колебания определяют, как и какие нейроны или нейрональные компартменты в сети будут обрабатывать входящие синаптические сигналы. Здесь хотелось бы привести некоторые аналогии с системой передачи данных в технологии ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line). Для передачи голоса (при разговоре по телефону) мы используем сеть ATM (режим асинхронной передачи). Известно, что голос занимает лишь узкую полосу пропускной способности физического канала. В связи с этим было предложено использовать оставшуюся часть для передачи данных по технологии ADSL. Это позволило пользователю одновременно говорить по телефону и, например, работать в Интернете. Также дело обстоит и с системами передачи информации в мозге. Раньше ученые считали, что существуют только синаптическая передача между нейронами. Последние работы, в том числе нашей лаборатории, показали, что физические возможности мозга в плане организации информационных потоков значительно шире. Любопытно, что морфология мозга и анатомические связи между нейронами были документированы уже более ста лет назад в работах В чем практическое применение проводимых нами исследований? В первую очередь это приближение к пониманию функции мозга, что способно расширить границы человеческой деятельности во всех областях. Концепция нейрональной пластичности позволила расширить область знаний о мозге. Но ставить на основе этого новые границы функциональности мозга было бы ошибочно. Не исключено, что дальнейшие исследования откроют дополнительные механизмы передачи и обработки информации в центральной нервной системе. Кроме того, формирование догм всегда сдерживало прогресс. Истинный ученый должен обладать широтой взгляда на вещи и быть готовым к принципиальному пересмотру своих взглядов. Приложение 1. «Нейрон» Нейрон является одним из основных типов клеток мозга. Нейрон может быть разделен на три компартмента (отдела): сома, дендриты и аксон. Все клетки имеют одну сому (тело), но могут различаться по числу и морфологии дендритов и аксонов в зависимости типа нейрона. В соме нейрона находится ядро, и протекают основные метаболические процессы, связанные с поддержанием жизнедеятельности клетки. На соме и на дендритах располагаются синаптические окончания других нейронов. Эти окончания образуют синапсы, которые могут быть как возбуждающими (увеличивающими вероятность генерации разряда нейрона), так и тормозными (снижающими вероятность). Интегративная функция Приложение 2. «Синапс» Есть несколько типов контактов, посредством которых нейроны взаимодействуют между собой. Но все их можно разделить на две категории — электрические и химические взаимодействия. Поскольку нейроны способны к биоэлектрогенезу, находятся в электропроводящей среде и, зачастую, плотно прижаты друг к другу, генерация потенциалов в одном из нейронов способна приводить к соответствующему их «отражению» в соседнем. Химические взаимодействия между нейронами происходят за счет высвобождаемых нейронами субстанций. Это могут быть аминокислоты, моноамины, пурины, пептиды. Их высвобождение происходит как ненаправлено (высвобождение модуляторов и нейропередатчиков в межклеточное пространство, «паракринная» передача в развивающемся мозге и т. д.), так и направленным — синаптическим. Термин «синапс» происходит от греческого «synapsis» — соединение, и характеризует сложную структуру связи между пресинаптической терминалью (варикозным расширением аксона) и постсинаптическим участком (мембраной сомы или дендрита). Потенциал действия достигает пресинаптической терминали и приводит к высвобождению нейропередатчика. Нейропередатчик попадает в синаптическую щель (расстояние между пресинаптической терминалью и постсинаптическим участком мембраны Из синаптической щели нейропередатчик удаляется посредством транспортеров (глутамат, ГАМК) или разрушается ферментативно (ацетилхолин). Этот процесс является принципиально важным, поскольку позволяет рецепторам освободиться от действующего на них агониста (активирующего вещества, в данном случае нейропередатчика), и прийти в состояние готовности к следующему синаптическому событию. Библиография Семьянов А. В. Диффузная внесинаптическая нейропередача посредством глутамата и ГАМК//Журнал Высшей Нервной Деятельности. (В печати.) Lomo T. The discovery of Mitchell S. J., Silver R. A. Shunting Inhibition Modulates Neuronal Gain during Synaptic Excitation//Neuron. 2003. № 38 Rivera C., Voipio J., Payne J. A., Ruusuvuori E., Lahtinen H., Lamsa K., Pirvola U., Saarma M., Kaila K. The K+/Cl− Rusakov D. A., Kullmann D. M., Stewart M. G. Hippocampal synapses: do they talk to their neighbours?//Trends Neurosci. 1999. № 22 (9) Semyanov A., Walker M. C., Kullmann D. M. GABA uptake regulates cortical excitability via cell http://www.neuroscience.ru/ http://www.ecclescorner.org/RUS/ Тема № 310 Эфир 28.10.2003 Хронометраж 50:02 |
|||||||