Часть 5.

Поскольку нейроны часто мигрируют на значительные расстояния, интересно знать, на какого типа направляющие сигналы они реагируют. В частности, возникает вопрос, «откуда они знают», в какой момент времени следует сделать остановку и начать агрегацию с другими подобными нейронами. Уже на протяжении некоторого времени известно, что в развивающемся мозге существуют специализированные глиальные клетки, тела которых расположены в вентрикулярной зоне, а отростки вытянуты радиально к поверхности. Поскольку эти клетки появляются на ранних стадиях развития и продолжают существовать еще некоторое время после того, как нейроны прекратят миграцию, предполагается, что они могут служить удобными направляющими, вдоль которых нейроны могут двигаться. На электронных микрофотографиях многих частей развивающегося мозга мигрирующие клетки почти всегда обнаруживаются в тесном контакте с соседствующими отростками глиальных клеток. Этот факт позволил П. Ракичу (P. Rakic) из Медицинской школы Йельского университета постулировать, что мигрирующие клетки направляются к своему постоянному местоположению отростками глиальных клеток. В пользу этой точки зрения говорят наблюдения Ракича и Р. Сидмана (R. Sidman) из детской больницы Медицинского центра в Бостоне, заметивших, что в результате одной из наиболее поразительных генетических мутаций, затрагивающих мозжечок мыши, радиальные отростки глиальных клеток дегенерируют на сравнительно ранней стадии, и миграция большинства клеток-зерен полностью нарушается, видимо, как результат этой дегенерации.

Здесь показано постепенное утолщение стенки развивающегося мозга. На самой ранней стадии (1) стенка содержит только «псевдомногослойный» эпителий, в вентрикулярной зоне (ВЗ) которого находятся тела клеток, а в краевой зоне (КЗ) только вытянутые наружу отростки. Когда некоторые из клеток теряют способность синтезировать ДНК и выходят из митотического цикла (2), они образуют второй слой - промежуточную зону (ПЗ). В переднем мозгу клетки, проходящие через эту зону, агрегируют с образованием корковой пластинки (КП) - области, в которой развиваются различные слои коры головного мозга (3). На самой поздней стадии (4) исходная вентрикулярная зона остается в виде эпендимы - выстилки желудочков мозга, а относительно свободная от клеток область между этой выстилкой и корой становится подкорковым белым веществом, сквозь которое нервные волокна входят в кору и выходят из нее. Субвентрикулярная зона (СЗ) является вторичной зоной размножения, где образуются многие глиальные клетки и некоторые нейроны переднего мозга.

Специализированные опорные клетки - радиальные глиальные клетки - возникают на ранних стадиях развития нервной системы. Для этих клеток характерны необычайно длинные отростки, которые целиком «пробуравливают» стенку нервной трубки и производных структур. На рисунке вверху показано, как выглядят радиальные глиальные клетки на окрашенном по Гольджи толстом поперечном срезе препарата полушария головного мозга у плода обезьяны. Тела клеток лежат в вентрикулярной зоне, а их отростки протягиваются до наружной поверхности окружающих слоев, где они, по-видимому, прикрепляются с помощью разветвленного конца. Внизу слева показан увеличенный сегмент этого поперечного среза. Небольшой кусочек ткани в рамке показан внизу справа крупнее в виде объемной картинки, сделанной на основании микроскопического исследования Ракича. Рисунок показывает тесную связь между отростками радиальных глиальных клеток и мигрирующими нейронами; связь эта наблюдается при развитии большинства отделов мозга.

Если учесть расстояние, на которое многие нейроны перемещаются за период развития, то не приходится удивляться тому, что во время своей миграции некоторые клетки отклоняются от правильного пути и оказываются в итоге не на своем месте. Долгое время патологи считали такое смещение положения нейронов (названное эктопией) сопутствующим обстоятельством некоторых серьезных нарушений развития мозга и не принимали во внимание, что даже во время нормального развития часть мигрирующих клеток может неадекватно реагировать на обычный направляющий стимул и оказаться в неверном положении. Современные методы исследования в ряде случаев дали возможность выявить клетки такого рода; при этом оказалось, что большинство подобных смещенных нейронов не удается обнаружить на более поздних стадиях развития. При тщательном изучении с этой точки зрения одной из популяций нейронов оказалось, что неточно мигрирует около 3% клеток, и за редким исключением все смещенные нейроны дегенерируют.

Когда мигрирующие нейроны достигают своего окончательного местоположения, они агрегируют с другими аналогичными клетками, образуя либо корковые слои, либо ядерную массу. Способность развивающихся клеток одинакового происхождения избирательно слипаться с другими аналогичными клетками была впервые обнаружена более 50 лет назад, однако только в последнее десятилетие этот факт привлек заслуженное внимание нейроэмбриологов. Отправным стимулом для современных исследований послужил поиск молекулярных механизмов, лежащих в основе формирования специфических связей между родственными группами нейронов. К сожалению, задача эта оказалась трудно поддающейся решению, хотя большая часть проделанной при этом работы непосредственно подводит к важным выводам в отношении того, как образуются в развивающемся мозге дискретные популяции нейронов.

Возможно, наиболее важным в этой серии исследований явилось следующее наблюдение: если клетки из двух или трех областей развивающейся нервной системы диспергировать (механически или же с помощью мягкой химической обработки), смешать вместе, а затем оставить реагрегировать в подходящей среде, то они проявляют тенденцию сортироваться таким образом, что клетки каждой данной области агрегируют преимущественно с клетками той же области. Избирательная адгезивность, по-видимому, является общим свойством всех живых клеток и обеспечивается наличием на их поверхности особого класса больших молекул, которые служат как для «узнавания» клеток того же сорта, так и для связывания клеток друг с другом. Эти молекулы, функционирующие как межклеточные связки (лиганды), высоко специфичны для каждого крупного типа клеток. В процессе развития они, вероятно, изменяются либо в количественном отношении, либо по характеру распределения. В последнее время сотрудники нескольких лабораторий предпринимают попытки выделить и охарактеризовать те или иные поверхностные лиганды, и, быть может, проблема эта окажется первой среди других проблем биологии развития нервной системы, которые будут успешно решены на молекулярном уровне.

Еще одна особенность агрегации клеток в развивающейся нервной системе состоит в том, что в большинстве областей мозга клетки не только агрегируют друг с другом, но и приобретают некоторую предпочтительную ориентацию. К примеру, в коре головного мозга большинство крупных пирамидных нейронов согласованно выстраиваются в ряд таким образом, что их выступающие апикальные дендриты оказываются направленными к поверхности, а их аксоны располагаются в направлении подлежащего белого вещества. Непонятно, что помогает клеткам выстраиваться в ряд, однако представляется вероятным, что этому способствует либо наличие на поверхности клетки молекул разных классов, задающих ориентацию, либо избирательное перераспределение поверхностных молекул, определяющее исходную клеточную агрегацию.

Одной из наиболее ярких особенностей развивающихся нейронов является постепенное развитие их отростков. Одинаково важными чертами являются также приобретение нейронами одного из способов проведения сигналов (большинство нейронов генерирует потенциал действия, а некоторые обеспечивают только проведение с декрементом) и выбор одного из двух способов взаимодействия клеток друг с другом (либо посредством формирования традиционных синапсов, обеспечивающих выделение химического медиатора, либо посредством формирования щелевых контактов, обеспечивающих электрическое взаимодействие клеток). Для нейробиологов только теперь начинают проясняться некоторые из этих наиболее глубоких аспектов дифференцировки нейронов, и становится понятно, что нейроны могут оказаться значительно более сложно организованными клетками, чем ранее представлялось. Например, недавно было показано, что некоторые нейроны могут переключаться с одного типа медиатора на другой (в частности, с норадреналина на ацетилхолин) под влиянием факторов среды, тогда как другие могут на разных стадиях развития менять тип иона, используемого для распространения нервного импульса (к примеру, кальций - на натрий).

Значительно больше известно о процессе формирования нервных отростков. Нейроны мозга млекопитающих в большинстве своем являются мультиполярами - с несколькими конусообразными дендритами, функционирующими как рецептивные отростки, и одним аксоном, который служит главным эффекторным отростком клетки. Хотя некоторые клетки, как известно, образуют отростки до того, как начинают мигрировать, большинство образует их после того, как займет окончательное местоположение. Точно не ясно, что стимулирует образование отростков. Исследованиями, в которых изолированные незрелые нейроны поддерживались в культуре, выяснено, что отростки образуются только на клетках, прикрепляющихся к подходящему субстрату, и что при этом условии клетки часто способны образовывать совершенно нормальный набор дендритов и аксонов. В некоторых случаях, несмотря на пребывание в искусственных условиях, общий вид дендритов, образованных в культуре, точно соответствует характерному для интактного мозга, хотя при этом клетки лишены всех контактов с другими нейронами и даже с глиальными клетками. Наблюдения такого рода дают основания предполагать, что информация, необходимая для формирования характерного ветвления дендритов, детерминирована генетически.

Доказано также, что во время нормального развития большинство нейронов испытывает различного рода локальные механические влияния, которые модифицируют их форму. Несомненно, что количество и распределение получаемых клеткой импульсов способно коренным образом влиять на окончательную форму нейронов. Яркий пример такого рода влияния представляет мозжечок. Дендриты наиболее характерного класса нейронов коры мозжечка - клеток Пуркинье - в норме располагаются в плоскости, ориентированной под прямым углом к аксонам клеток-зерен, представляющих их основной вход; если по какой-либо причине нарушится обычное регулярное расположение этих аксонов, то соответственно изменится и характер расположения дендритов клеток Пуркинье.

Теперь стало достаточно ясно, каким образом вытягиваются отростки нейронов. У большинства отростков на их растущих концах находятся особые структуры, названные конусами роста. Эти развернутые, весьма подвижные структуры в живом виде выглядят как постоянно и активно исследующие свое непосредственное окружение. Они являются местами, в которых происходит добавление большей части нового материала к растущему отростку. Когда отросток разветвляется, он почти всегда образует новый конус роста. Хотя и по косвенным данным, можно, однако, полагать, что внутри или на поверхности конуса роста на молекулярном уровне заложена способность обнаруживать субстрат, вдоль которого следует расти, а также идентифицировать соответствующие мишени. Эксперименты, в которых нейронам создавались условия для роста на различных искусственных субстратах, показали, что большинство отростков растет преимущественно вдоль поверхности повышенной адгезивности.

На этих двух электронных микрофотографиях видны конусы роста (растянутые, очень подвижные структуры на концах растущих отростков нервных клеток). А. Микрофотография, полученная с помощью обычного электронного микроскопа, показывает два конуса роста на конце аксоноподобного отростка клетки из симпатического ганглия крысы. Диссоциированные клетки росли в культуре, и показанный отросток разветвился за несколько минут до того, как клетка была фиксирована и обработана (без приготовления среза) для микроскопии. Тонкие пальцевидные выросты являются филоподиями, а распластанные поверхности между ними, похожие на тонкие пленочки, - ламеллоподиями. Б. На микрофотографии, полученной с помощью сканирующего электронного микроскопа, показан растущий дендрит нейрона из гиппокампа плода крысы. Конусы роста в этом месте образовались уже через 2 часа после того, как диссоциированные клетки были перенесены в культуру, Оба снимка были сделаны в Медицинской школе Вашингтонского университета Дж. Кочраном, М. Банг (А) и Ст. Ротменом (Б).

Одна из наименее понятных проблем нейробиологии развития состоит в том, как аксоны определяют правильный путь. Это особенно трудно понять, когда аксонам приходится протягиваться на значительные расстояния сквозь структуры мозга, и в одной или нескольких точках своего пути отклоняться либо влево, либо вправо, продвигаясь к противоположной стороне мозга и образуя одно или несколько ответвлений до того, как они окончательно достигнут предопределенного местоположения. В некоторых системах это выглядит так, как если бы аксоны росли просто под влиянием каких-то градиентов, направленных вдоль больших осей головного и спинного мозга; в других системах больше похоже на то, что направление определяется взаимоотношениями с ближайшими соседями. Во многих случаях, однако, кажется, что внутри растущего аксона закодирован тонкий молекулярный механизм, позволяющий аксону точно реагировать на химические или структурные указатели на его пути.

Пример такого направленного роста продемонстрировала недавно Р. Леви-Монтальчини (R. Levi-Montalcini) из Лаборатории биологии клетки Национального совета по научным исследованиям в Риме. Когда она и ее коллеги вводили в головной мозг молодым крысятам белок, известный под названием фактора роста нервов, наблюдался аномальный рост аксонов клеток симпатического ганглия (периферических нейронов, лежащих рядом с позвоночником и, как известно, чувствительных к фактору роста) в спинной мозг и вверх по направлению к головному мозгу, по-видимому, вдоль пути, по которому диффундировал инъецированный фактор роста. В этом случае фактор роста нервов действовал не столько как трофический, или стимулирующий, рост, сколько как тропный, или направляющий, рост, при этом аксоны симпатических нервов отвечали хемотропизмом на присутствие этого фактора. Имеются еще два аспекта проблемы роста нервных отростков, заслуживающие обсуждения. Во-первых, это то, что большая часть нейронов образует вначале значительно больше отростков, чем им необходимо или же чем они способны впоследствии сохранить. Многие молодые нейроны несут на себе множество коротких дендритоподобных отростков, из которых почти все по мере «взросления» клеток втягиваются назад. Аналогично большинство развивающихся аксонов образует значительно больше связей, чем их остается во взрослом состоянии, иными словами, существует процесс ликвидации связей, во время которого устраняются многие (а в некоторых случаях все, за исключением одной) первоначальные связи. Второй аспект состоит в том, что у аксонов имеется тенденция расти в тесном соседстве друг с другом. Этот феномен известен под названием фасцикуляции (расположения пучками). В современных работах предполагается, что фасцикуляция связана с появлением на поверхности большей части аксонов веществ-лигандов, которые делают их способными объединяться и расти совместно с другими родственными аксонами. Одним из преимуществ латерального объединения такого типа является, по-видимому, то, что только первому нейрону в группе необходим традиционный конус роста, другие же аксоны лишь следуют за лидером.

Несомненно, что наиболее важным из нерешенных вопросов в развитии мозга остается вопрос, каким образом нейроны формируют специфическую пространственную структуру связей. Существовавшее ранее представление о том, что большинство связей мозга функционально отбирается из совокупности случайно сформированных соединений, в настоящее время кажется неправомочным. Уже на ранних стадиях развития большинство связей устанавливается точно; существует много доказательств того, что образованные связи специфичны не только для данной области мозга, но и для данного нейрона (а в некоторых случаях и для данных частей нейрона) внутри этой области.

Выдвинуто несколько гипотез для объяснения того, как достигается такая замечательная точность. Некоторые исследователи считают возможным объяснить это тем, что растущие аксоны поддерживают такие же топографические взаимоотношения друг с другом, как и тела их клеток. Другие подчеркивают значение временного аспекта (в частности, критическим является момент, к которому различные группы волокон достигают области своего назначения). Одной из гипотез, в которой делается попытка объяснения всех наблюдаемых особенностей роста, может послужить гипотеза химического сродства, сформулированная Р. Сперри (R. Sperry) из Калифорнийского технологического института. Согласно его точке зрения, большинство нейронов (или, что более вероятно, большинство малых популяций нейронов) приобретают химические различия на ранней стадии своего развития в зависимости от занимаемого положения, и эта их дифференцированность выражается в наличии соответствующих меток, которые и позволяют аксонам узнавать либо аналогичную, либо комплементарную метку на поверхности нейронов-мишеней.

Одним из экспериментальных подходов к изучению того, как нейроны образуют специфическую пространственную картину связей в развивающемся мозге, является воздействие на проекцию сетчатки в зрительном тектуме среднего мозга. При таком подходе, впервые разработанном Р. Сперри из Калифорнийского технологического института, глазное яблоко взрослой лягушки (или головастика на разных стадиях развития) поворачивают или трансплантируют. Позднее, после регенерации зрительного нерва (или после того как головастик превратится в лягушку и аксоны ганглиозных клеток сетчатки, составляющие зрительный нерв, образуют связи со зрительным тектумом), можно видеть, какое воздействие оказала операция на поведение лягушки. Данная серия рисунков, основанная на работе Сперри, вначале демонстрирует поведение нормальной лягушки (А). В первом эксперименте (Б) правый глаз был повернут на 180°; некоторое время спустя после регенерации зрительного нерва оказывалось, что попытка лягушки напасть на приманку, помещенную в верхнем поле зрения, была ошибочной точно на 180°. В следующем эксперименте (В) левый глаз был заменен на правый таким образом, что инвертировалась только дорсовентральная ось (толстая стрелка); в этом случае лягушка делала прыжок вперед к приманке, но в сторону нижнего, а не верхнего поля зрения. Затем (эксперимент Г) была осуществлена сходная трансплантация, но на этот раз глаз был повернут в передне-заднем направлении (тонкая стрелка); лягушка ощущала, что приманка располагалась в верхнем поле зрения, но прыгала вперед, вместо того, чтобы прыгать назад. Вывод из этих экспериментов согласуется с предположением о том, что волокна зрительного нерва при регенерации всегда прорастают опять в ту же часть зрительного тектума, которую они первоначально иннервировали, и что во время нормального развития они «находят путь» к правильному местоположению в тектуме сходным образом. Эти результаты объясняются гипотезой, что как ганглиозные клетки сетчатки, так и нейроны-мишени в тектуме несут химические признаки, помогающие им идентифицировать друг друга.

Хотя эта проблема может быть распространена на все части нервной системы, наиболее интенсивно она исследуется на двух системах - системе иннервации мускулатуры конечностей мотонейронами спинного мозга и системе проекции ганглиозных клеток сетчатки к месту их назначения (у низших позвоночных) в зрительный тектум мозга. Изучение иннервации мышц показывает, что при нормальных обстоятельствах на ранней стадии развития небольшие популяции мотонейронов, называемые пулами, отделяются друг от друга: каждый пул мотонейронов иннервирует преимущественно отдельную мышцу конечности, и при этом случается очень мало ошибок. Хотя пространственное соответствие при иннервации в норме является точным, точность эта не абсолютна. Поэтому если заднюю конечность куриного эмбриона-донора трансплантировать рядом с ногой эмбриона-реципиента, то мышцы дополнительной конечности будут иннервироваться неизменно пулами мотонейронов, которые в норме иннервируют или мускулатуру туловища, или мускулатуру тазового пояса. Картина иннервации явно аномальная, однако тот факт, что мышцы трансплантированной конечности всегда иннервируются одними и теми же популяциями клеток, служит убедительным подтверждением того, что даже при этих необычных условиях мотонейроны руководствуются некоторым определенным (пока еще неустановленным) набором правил.

Ретино-тектальная система оказалась особенно подходящей для анализа обсуждаемой проблемы. На эмбриональных и личиночных стадиях развития амфибий удается производить различные экспериментальные манипуляции, такие, как поворот глазного яблока, составление глаза из различных сегментов двух или более сетчаток, удаление или поворот частей тектума. После окончательного развития системы оказывается возможным анатомически, электрофизиологически, а также в поведенческих опытах выявить связи, сформированные ганглиозными клетками сетчатки. Кроме того, у рыб и амфибий зрительный нерв (состоящий из аксонов ганглиозных клеток сетчатки) способен регенерировать после разрушения, что позволяет проводить аналогичные эксперименты на ювенильных и взрослых животных. В настоящее время на этой системе получено огромное количество данных, и мы суммируем здесь только некоторые основные достижения.

Пожалуй, наиболее важные результаты в исследованиях такого рода получены в двух основных группах экспериментов. В первой группе у лягушек и хвостатых амфибии перерезали зрительный нерв и поворачивали глаз на 180°. В другой группе у золотой рыбки и лягушки иссекали участки зрительного тектума и либо поворачивали их, либо пересаживали в другую часть тектума. В обеих группах экспериментов регенерирующие волокна зрительного нерва, как это могло быть зарегистрировано в электрофизиологических или поведенческих опытах, прорастали в те же самые участки тектума, которые они исходно иннервировали. Наиболее простое объяснение этих результатов состоит в том, что аксоны ганглиозных клеток и их нейроны-адресаты в зрительном тектуме маркированы одинаковым образом и что регенерирующие аксоны растут до тех пор, пока не «опознают» соответствующие метки на нужных нейронах тектума.

Трудно отрицать возможность того, что при этих обстоятельствах волокна различных участков сетчатки смогли оставить свой след на соответствующих группах клеток тектума и что аксоны или нейроны тектума сумели «запомнить» свое предыдущее положение. Однако есть основания полагать, что подобный механизм если и срабатывает, то только на начальных стадиях развития системы. Так, если развивающийся глаз лягушки перевернуть ранее некоторой критической стадии развития, то проекция сетчатки на гектум останется нормальной. Если, однако, поворот совершить после критического момента, то и сетчаточная проекция обязательно повернется на столько же градусов. Аналогичным образом, если перевернуть на 180° весь зрительный тектум зародыша в направлении от хвоста к голове (вместе с частью переднего мозга, лежащего впереди него), то и сетчаточная проекция также инвертируется.

Из этих экспериментов следует, что существует определенная стадия в развитии большинства нервных центров, во время которой центры становятся топографически поляризованными, в результате чего входящие в их состав нейроны приобретают определенные характеристики, которые задают пространственную организацию проекции в целом. М. Джекобсон (М. Jacobson) из Медицинской школы Университета Майами несколько лет назад показал, что сетчатка шпорцевой лягушки Xenopus laevis становится поляризованной примерно к тому времени, когда первые ганглиозные клетки прекращают делиться. Хотя на этой стадии имеется еще только около 1% ганглиозных клеток, будущая пространственная структура проекции сетчатки в тектум, по-видимому, уже детерминируется в это время. Совершенно непонятно, каким образом нейроны получают информацию о положении и как она реализуется в процессе роста их отростков. Однако представляется вероятным, что механизмы детерминации полярности не являются специфичными для нервной системы - они едины для всего организма. Р. Хант (R. Hunt) из Университета Джонса Гопкинса, а также Джекобсон обнаружили, что если развивающийся глаз трансплантировать головастику на бок до начала периода осевой спецификации и оставить в этом аномальном положении на весь критический период, то затем, после ретрансплантации в глазную впадину, ганглиозные клетки формируют связи со зрительным тектумом в соответствии с тем, как глаз был ориентирован в тот период, когда он находился на боку, а не в соответствии с его новым положением в глазнице.

Когда растущий аксон достигает своего адресата, будь то другая группа нейронов или ткань эффектора, например совокупность мышечных или железистых клеток, он образует с ними специализированные функциональные контакты - синапсы. Именно в этих местах информация передается от одной клетки к другой обычно с помощью малых количеств соответствующих медиаторов (см. Л. Иверсен «Химия мозга»). Многочисленные феноменологические данные позволяют предположить, что в синаптической области осуществляется двусторонний перенос веществ, необходимых для выживания и нормального функционирования как пресинаптической, так и постсинаптической клеток. Эти вещества, в комплексе отнесенные к трофическим факторам, являются в значительной мере гипотетическими; только одно (фактор роста нервов) было выявлено и охарактеризовано химически. Это вещество, впервые идентифицированное В. Хамбургером (V. Hamburger) и Р. Леви-Монтальчини из Вашингтонского университета еще в 50-х годах, оказалось белком, существующим в норме в виде двух идентичных аминокислотных цепей, каждая из которых имеет молекулярный вес несколько больше 13000.

Хотя способ действия фактора роста нервов пока неясен, известно, что он необходим для роста и выживания клеток симпатического ганглия и что в период развития он специфически содействует росту отростков этих клеток, а также некоторых клеток спинальных ганглиев. Кроме того, как я уже отмечал, он может в некоторых случаях оказывать влияние на направленный рост волокон симпатического нерва. Если ввести новорожденным мышатам антитела к фактору роста нервов, это приведет к поражению всей симпатической нервной системы. Даже у взрослых животных фактор роста нервов, по-видимому, постоянно доставляется симпатическим нейронам их тканями-мишенями; при этом белок, попавший в окончания аксонов, переносится в направлении тела клетки. Если доставку фактора прекратить посредством перерезки аксонов симпатических нейронов, их функциональная целостность в значительной мере нарушается и синапсы, которые оканчивались на клетках, быстро удаляются. Возможно, в ближайшие годы будут выделены другие аналогичные вещества и тогда можно будет утверждать, что большинство классов нейронов нуждается в специфическом агенте для обеспечения выживания и для направленного роста их отростков.

В настоящее время получены доказательства того, что развитие многих структур и тканей сопровождается строго запрограммированными фазами гибели клеток. Это справедливо и в отношении развивающегося мозга. Во многих его областях образуется значительно больше нейронов, чем выживает в последующий период развития. В каждой области, для которой были возможны количественные оценки, обнаружено, что число нейронов регулируется избирательной гибелью клеток, происходящей в предсказуемый период развития (обычно тогда, когда популяция нейронов как целое формирует синаптические связи с тканями-мишенями). Неизвестно, проявляется ли этот феномен в любой части мозга (он был изучен главным образом в небольших группах клеток), но там, где он был обнаружен, он затрагивает от 15 до 85% исходной популяции нейронов.

Поэтому кажется, что окончательные размеры популяции нейронов во многих частях мозга устанавливаются в две фазы: на ранней стадии, когда образуется сравнительно много клеток, и на более поздней, когда происходит регуляция числа нейронов в соответствии с размерами иннервируемого ими поля. Вообще же можно предположить, что лимитирующим фактором, определяющим окончательное число клеток, является количество функциональных контактов, имеющихся в распоряжении аксонов развивающихся нейронов. Ясно, что если в эксперименте уменьшить размеры проекционной зоны, то естественная гибель клеток усиливается в такой же степени. Для спинальных мотонейронов куриного зародыша, иннервирующих мускулатуру задних конечностей, удалось снизить гибель клеток экспериментально трансплантацией дополнительной конечности. По современным данным, однако, более вероятным кажется, что критическим является не столько само образование связей, сколько количество трофического фактора, достигающего клеток.

На более поздней стадии развития осуществляется дополнительная регуляция, но не столько численности популяции нейронов в целом, сколько количества сохраняемых клетками отростков. Феномен элиминации отростков (и синапсов) впервые наблюдали в иннервируемой мускулатуре конечностей у крысят. Можно показать, что в то время как у взрослых животных большинство мышечных клеток иннервируется единичным аксоном, на первой неделе постнатального периода с каждым мышечным волокном образуют синапсы 5-6 аксонов. На протяжении следующих двух-трех недель развития лишние аксоны последовательно исчезают и в результате остается только один. Аналогичная стадия процесса элиминации выявлена при образовании межнейронных связей в периферической нервной системе и в головном мозгу. Приведем только один пример: в мозжечке взрослого животного на каждую клетку Пуркинье приходится по одному нервному волокну, которое известно под названием лиановидного; в раннем же постнатальном периоде с каждой клеткой Пуркинье может контактировать несколько таких волокон. За исключением случаев отдельных генетических мутаций, затрагивающих мозжечок, все, кроме одного из этих волокон, впоследствии элиминируются.

Последовательное исчезновение возникших отростков заставляет задуматься над тем, чем определяется, какой отросток выживет, а какой будет элиминирован. В настоящее время можно лишь догадываться, что развивающиеся волокна каким-то образом конкурируют друг с другом. Имеются косвенные доказательства того, что одним из факторов, обеспечивающих подобное преимущество, может служить их функциональная активность. Во всяком случае, ясно, что для многих систем итоговая картина распределения той или иной популяции нейронов формируется постепенно из довольно аморфной структуры, и при этом часто оказывается возможным заметно изменить окончательный вид структуры и ее связей, воздействуя во время определенного критического периода развития на ее функцию. Для объяснения этого высказывания приведем два примера, касающихся соматосенсорной области коры большого мозга.

Вибриссы и бочонки соматосенсорной коры молодых мышей служат примером одной из многих систем, в которых обнаружена определяющая их зависимость топографии развивающейся нервной системы от ее входов. Вибриссы - это чувствительные волоски на мордочке мыши, а бочонки - это специализированные скопления нейронов в слое IV коры головного мозга. Входом для каждого бочонка служит одиночная вибрисса с контралатеральной стороны мордочки (А). Если вскоре после рождения животного разрушить один из рядов вибрисс, то позднее будет обнаружено, что соответствующий ряд бочонков в коре большого мозга отсутствует, а соседние бочонки увеличены (Б, В). Если разрушить все вибриссы, то бочонки вовсе исчезнут (Г). Должна иметь место значительная пластичность в развивающейся коре, поскольку волокна, иннервирующие вибриссы, не прямо контактируют с корой, а связаны с ней посредством по крайней мере двух синаптических переключений. Рисунок основан на работе Т. Вулси из Медицинской школы Вашингтонского университета.

У макака информация из сетчатки достигает четвертого слоя зрительной коры через посредство структуры, названной латеральным коленчатым телом. На этом уровне входы в кору от каждого глаза совершенно раздельны, что было прямыми методами показано на подопытных животных с помощью инъекций большого количества меченых аминокислот в одно глазное яблоко. Ганглиозные клетки сетчатки поглощают аминокислоту, включают ее в белок и транспортируют в латеральное коленчатое тело. Здесь некоторая часть метки освобождается и становится доступной для включения в клетки коленчатого тела, которые транспортируют ее по своим аксонам далее в зрительную кору. На соответствующим образом приготовленных радиоавтографах (которые позволяют выявить распределение меченых волокон, достигающих коры) видно, что первичная зрительная область организована в виде перемежающихся так называемых глазодоминантных полосок, причем каждая полоса имеет ширину около 400 мкм и получает входные сигналы либо от правого, либо от левого глаза. Д. Хьюбел, Т. Визель и С. Ле Вэй (D. Hubel, Т. Wiesel, S. Le Vay) из Гарвардской медицинской школы показали, что если сшить веки одного глаза у подопытного новорожденного животного (так чтобы сетчатка глаза не подвергалась воздействию структурированных зрительных стимулов), глазодоминантные полоски, связанные с закрытым глазом, будут заметно уже, чем в норме. В то же время полоски проекции открытого глаза соответственно расширятся (общая ширина двух соседних полосок, различающихся стороной стимуляции, при этом постоянна).

Результат этот частично вызван сжатием глазо-доминантных полосок «выключенного» глаза, сопровождающимся вторичным расширением полосок нормального глаза, и отчасти - сохранением неплотной группировки волокон из нормального глаза, имевшей место на более ранней стадии. Если исследовать входы от обоих глаз на различных стадиях развития, можно показать, что когда волокна из латерального коленчатого тела только достигают зрительной коры, входы обоих глаз существенно перекрываются в зоне проекции. Лишь к концу первого месяца жизни животного полоски четко разделяются. В свете этого факта (и результатов экспериментов, в которых затем закрывали другой глаз, и открывали первый) представляется вероятным, что эффект зрительной депривации состоит в том, чтобы привести геникуло-кортикальные клетки, связанные с нестимулируемым глазом, в некоторое для них невыгодное положение, в котором они проявляют недостаточную эффективность в конкуренции за синаптические участки на клетках в четвертом слое зрительной коры.

В соответствующем слое соматосенсорной коры мыши клетки организованы в четкие группы, названные бочонками. Физиологические исследования показывают, что каждый бочонок имеет вход от одной вибриссы с контралатеральной стороны мышиной мордочки. Заметим, что у мыши вибриссы являются одним из наиболее важных органов чувств. Т. Вулси (Th. Woolsey) из Медицинской школы Вашингтонского университета, первым открывший значение бочонков, обнаружил, что если удалить небольшую группу вибрисс сразу после рождения, то соответствующая группа бочонков в коре не разовьется. Этот факт особенно интересен потому, что между сенсорными нейронами, связанными с вибриссами, и нейронами, образующими кортикальные бочонки, лежат по крайней мере еще две группы вставочных нейронов.

Эти и многие другие наблюдения приводят к выводу, что развивающийся мозг является исключительно пластичной структурой. Хотя многие области могут быть «жестко запаяны», другие (такие, как зрительная кора) открыты для различных воздействий - как внутренних, так и внешних. Способность мозга к реорганизации в ответ на внешние воздействия или на локальное повреждение в настоящее время является наиболее активно изучаемым явлением нейробиологии не только потому, что очевидна его связь с такими феноменами, как обучение и память, и его отношение к способности мозга восстанавливаться после повреждения, но и потому, что они открывают тайны нормального развития мозга.

В заключение хочется подчеркнуть, что развитие мозга, как и развитие большинства других биологических структур, не обходится без ошибок. Ранее уже было упомянуто, что ошибки могут происходить во время миграции нейронов. Известны такие примеры возникновения ошибок во время формирования связей. В зрительной системе, как было замечено рядом исследователей, некоторые волокна зрительного нерва, которые должны были бы пересечь среднюю линию в составе перекреста, начинают в результате ошибки расти к ипсилатеральной стороне мозга. В некоторых таких ситуациях, если у животного на ранней стадии развития удалить один глаз, то число волокон, отклонившихся от правильного направления, может значительно возрасти. Поскольку аномально ориентированные волокна часто не обнаруживаются в зрелом мозгу, создается впечатление, что такие неправильно адресованные нейроны (и любые ими сформированные ошибочные связи) ликвидируются на более поздних стадиях развития. Остается загадкой, как выясняется, что они ошибочные, и каким образом они устраняются. Учитывая сложность механизмов развития, не приходится удивляться тому, что ошибки появляются. Удивительнее то, что они появляются редко и что чаще всего они эффективно исправляются.

Л. ИВЕРСЕН

Химия мозга

Сигналы передаются от нейрона к нейрону разными химическими медиаторами. Эти химические системы, наложенные на нейронные цепи головного мозга, добавляют к его функции еще одно измерение

Нейроны имеют биохимический аппарат, общий со всеми остальными живыми клетками, в том числе способность генерировать химическую энергию путем окисления пищевых веществ, а также восстанавливать и сохранять свою целостность. Нейроны обладают, кроме того, специфическими свойствами, которых лишены другие клетки и которые связаны с особой функцией нейронов как передатчиков нервных импульсов; сюда относятся необходимость в поддержании ионных градиентов, что требует большой затраты энергии, и свойства, связанные со способностью нейронов производить и выделять набор химических передатчиков, называемых нейромедиаторами. В синапсах - микроскопических участках, где тесно соприкасаются окончание одного нейрона и воспринимающая поверхность другого, приход импульса вызывает внезапное выделение молекул медиатора из, окончания. Затем эти молекулы диффундируют через заполненную жидкостью щель между двумя клетками и воздействуют на специфические рецепторы постсинаптической мембраны, изменяя при этом электрическую активность воспринимающего нейрона.

Нейроны, содержащие норадреналин - химический медиатор в головном мозгу, - ярко светятся на этом срезе мозга крысы под флуоресцентным микроскопом. Такие клетки, расположенные в участке мозга, именуемом locus coeruleus, стали видны под воздействием глиоксиловой кислоты, которая превращает норадреналин в его флуоресцирующее производное. В этом поле находятся еще тысячи других нейронов, но в них содержатся другие медиаторы и поэтому они не видны. Норадреналиновые нейроны в locus coeruleus посылают свои аксоны во многие отделы мозга, в том числе в мозжечок и передний мозг. Как полагают, они имеют отношение к регуляции сна, настроения, а также к системе поощрения. Микрофотография получена Ф. Блумом (F. Bloom), Г. Джонсом (G. Jones) и Ж. Мак-Джинти (J. McGinty) из Института Солка.

Химическая передача через синапс - узкую щель между двумя нейронами - в головном мозгу состоит из сложной последовательности молекулярных процессов. На рисунке дана схема процесса передачи в норадреналиновом синапсе. Сначала в три стадии происходит синтез норадреналина из аминокислоты тирозина, причем каждая стадия катализируется особым ферментом. Затем медиатор в сочетании с белками накапливается в пузырьках, примыкающих к мембране. Приходящий в аксонное окончание нервный импульс запускает приток ионов кальция, который вызывает высвобождение норадреналина из пузырьков в синаптическую щель. Молекулы медиатора связываются со специфическими рецепторными белками, включенными в постсинаптическую мембрану, запуская серию реакций, которая заканчивается кратковременными (электрическими) и долговременными воздействиями на воспринимающий нейрон. После этого действие норадреналина прекращается различными способами, в том числе быстрым возвращением медиатора в аксонное окончание и разрушением его ферментами. Выход некоторого количества норадреналина в синаптическую щель активирует пресинаптические рецепторы на аксонном окончании, вызывая выработку циклического АМФ, который активирует белковую киназу, стимулируя тем самым новую выработку норадреналина.

Известно около 30 разных веществ, относительно которых доказано или подозревается, что они играют роль медиаторов в головном мозгу, и каждое из них оказывает на нейроны характерный возбуждающий или тормозный эффект. Медиаторы распределены в мозгу не в случайном порядке, а локализованы в особых группах нейронов, аксоны которых идут к другим высокоспециализированным областям мозга. Наложение этих разнообразных химически закодированных систем на нейронные сети наделяет головной мозг еще одним измерением модуляции и специфичности.

За последние годы достигнуты значительные успехи в изучении различных медиаторных веществ (хотя многие из них, несомненно, еще не открыты), в составлении карт их распределения по мозгу и в выяснении молекулярных процессов синаптической передачи. Такими исследованиями установлено, что действие многих лекарственных веществ и нейротоксинов на поведение основано на их способности прерывать или модифицировать химическую передачу от нейрона к нейрону. В них есть также указания на то, что причинами психических болезней, возможно, окажутся в конечном счете нарушения функции специфических медиаторных систем мозга.

Что касается общего энергетического обмена, то из всех органов тела головной мозг является самым активным потребителем энергии, что отражается в его обильном кровоснабжении и интенсивном потреблении кислорода. Мозг настолько интенсивно использует кислород (50 миллилитров в минуту), что, составляя всего 2% общего веса тела, поглощает примерно 20% поступающего в организм кислорода.Такое огромное потребление энергии, как полагают, объясняется необходимостью поддерживать ионные градиенты по обе стороны нейронной мембраны, от чего зависит проведение импульсов в миллиардах нейронов мозга. Кроме того, это потребление энергии идет непрерывно: интенсивность метаболизма в мозгу относительно постоянна днем и ночью и иногда даже несколько возрастает во время фазы сна со сновидениями. Однако, чтобы не создалось ошибочного представления, следует сказать, что весь энергетический эквивалент метаболизма мозга составляет всего около 20 ватт.

Синапсы на типичном нейроне в головном мозгу являются либо возбуждающими, либо тормозными, в зависимости от типа выделяющегося в них медиатора. Они различаются морфологически под электронным микроскопом: для возбуждающих синапсов характерны сферические пузырьки и сплошное утолщение постсинаптической мембраны, а для тормозных - уплощенные пузырьки и несплошное утолщение мембраны. Синапсы можно также классифицировать по их положению на поверхности воспринимающего нейрона - на теле клетки, на стволе или «шипике» дендрита, или на аксоне.

Важным шагом вперед в исследовании энергетического обмена мозга является метод, разработанный Л. Соколовым (L. Sokoloff) с сотрудниками в Национальном институте охраны психического здоровья. Этот метод позволяет визуально определять интенсивность энергетического обмена в клетках мозга. Нейроны приспосабливают потребление глюкозы к удовлетворению своих метаболических потребностей в данный момент. Следовательно, в активном состоянии они поглощают ее быстрее, чем в покое. Поглощенная глюкоза обычно претерпевает быстрые превращения; ее химический аналог, 2-дезоксиглюкоза, поглощается клетками точно так же, но не подвергается метаболизму. Если ввести в кровь дезоксиглюкозу с радиоактивной меткой, то она накопится в нейронах, и скорость накопления послужит показателем метаболической активности клетки. Накопление радиоактивной дезоксиглюкозы можно установить и измерить, накладывая тонкие срезы замороженного мозга на радиочувствительную пленку. На проявленной пленке выявляются участки, богатые меченым веществом. Эта методика открыла совершенно новую область исследований мозга, поскольку она позволяет установить, какие клетки в головном мозгу были активны во время данного эксперимента. Например, воздействуя световым стимулом (вспышка) на правый или левый глаз, можно определить, какие именно области мозга получают зрительную афферентацию от того или другого глаза.

В отличие от других органов тела, способных использовать разные виды «топлива» (сахара, жиры и аминокислоты), нейроны используют только глюкозу крови. Кроме того, в отличие от таких тканей, как мышцы, способных кратковременно функционировать в отсутствие кислорода, головной мозг полностью зависит от окислительного метаболизма. Если приток окисленной крови к мозгу прекратится, то через 10 секунд наступит потеря сознания, а затем появятся стойкие нарушения. Подобный же эффект вызывает любое состояние, сопровождающееся понижением содержания глюкозы в крови, например гипогликемия у больного диабетом, вызванная передозировкой инсулина. Хотя тонкие регуляционные механизмы обеспечивают постоянство кровяного давления и постоянный уровень кислорода и глюкозы в крови, очевидно, что чрезвычайная гибкость поведения, ставшая возможной благодаря большим размерам и емкости головного мозга млекопитающих, приобретена в процессе эволюции ценой высоких метаболических затрат.

Что касается клеток, то нейроны чрезвычайно чувствительны: их активность нарушается токсическими веществами, попавшими в кровоток, а также мелкими молекулами, обычно присутствующими в крови, например аминокислотами. Такая чувствительность, возможно, служит причиной того, почему головной мозг отделен от общего кровообращения избирательной фильтрационной системой, называемой гематоэнцефалическим барьером. Эффективность этого барьера объясняется относительной непроницаемостью кровеносных сосудов головного мозга и наличием плотного слоя глиальных клеток (опорных мозговых клеток) вокруг них. Хотя такие мелкие молекулы, как молекулы кислорода, легко проникают сквозь барьер, большинство более крупных молекул, необходимых клеткам мозга, например молекулы глюкозы, должны захватываться активно с помощью специальных транспортных механизмов. О гематоэнцефалическом барьере следует помнить при создании лекарственных средств, действующих непосредственно на мозг: для того чтобы такие вещества проходили через барьер, они должны состоять из очень малых молекул или быть легко растворимыми в жировых мембранах глиальных клеток. Несколько участков мозга не защищены тематоэнцефалическим барьером; к ним относятся такие структуры, которые специфически реактивны в отношении содержащихся в крови гормонов, и такие, функция которых состоит в регуляции химического состава крови.

Внутри отдельных нейронов существуют свои транспортные проблемы, связанные с тем, что клетка частично состоит из длинных, тонких волокон. Длина аксона, проводящего нервный импульс от тела нейрона, может исчисляться в миллиметрах или сантиметрах. Нейроны в мозгу взрослого животного незаменяемы, сохраняются на протяжении всей жизни; поэтому должны существовать механизмы возобновления всех их компонентов. Для выполнения этого требования клетка должна синтезировать ферменты и другие сложные молекулы, а такой синтез возможен только в районе клеточного ядра, т. е. в теле нейрона. Поэтому для возобновления своих компонентов аксону необходимо средство транспортировки их внутри клетки на значительные расстояния. И действительно, от тела клетки по всей длине аксона непрерывно движутся белки и другие составные части.

Феномен аксонного транспорта был открыт более 30 лет назад П. Вейсом (P. Weiss) и его сотрудниками из Чикагского университета. До этого все считали, что аксоплазма - желеобразная жидкость внутри аксона - служит лишь неподвижной механической опорой для возбудимой мембраны, по которой распространяется нервный импульс. Но когда Вейс пережал аксон в определенной точке, он отметил, что через несколько дней волокно разбухло около места сжатия со стороны тела клетки и сузилось с противоположной стороны. Когда же он устранил сжатие, задержанная аксоплазма возобновила свое течение.

Аксонный транспорт обеспечивает передвижение компонентов клетки, таких, как пузырьки и ферменты, от места их образования в теле нейрона к окончанию аксона на расстояние в несколько миллиметров или сантиметров. В обратном направлении - от окончаний аксона к телу клетки-переносятся вещества, нужные для поддержания нормального состояния нейрона. Аксонный транспорт можно использовать, чтобы проследить ход проводящих путей, наблюдая за движением вдоль аксонов меченных изотопами молекул или таких ферментов, как пероксидаза хрена.

Известно, что аксоплазма служит артерией для оживленного движения молекул в обе стороны между телом нервной клетки и окончаниями ее аксона. В этом принимают участие несколько разных систем, в том числе система медленного транспорта, когда вещество течет от тела клетки со скоростью около одного миллиметра в сутки, и система быстрого транспорта, когда вещество движется в обе стороны со скоростью от 10 до 20 сантиметров в сутки. Система медленного транспорта - это течение основной массы аксоплазмы с переносом компонентов, играющих важную роль в росте и регенерации аксона; система быстрого транспорта охватывает движение более специализированных компонентов клетки, к которым относится ряд ферментов, участвующих в выработке медиаторов.

Пока еще не ясно, как достигаются эти разные скорости транспорта, но, по-видимому, и в медленном и в быстром механизмах участвуют многочисленные фибриллярные белки аксона, видимые на электронных микрофотографиях. Прослеживая транспорт белков с радиоактивной меткой вдоль аксона, удалось точно установить анатомические связи между нейронами в головном мозгу. При помощи фермента пероксидазы хрена, который обладает особым свойством быстро передвигаться по аксону в ретроградном направлении, можно составить карту связей между окончаниями нейрона в одном участке мозга и телом клетки - в другом.

Исследовать функциональный химизм головного мозга чрезвычайно трудно. Дело не только в том, что медиаторные вещества содержатся в нем в ничтожно малых количествах, но и в том, что ткань мозга структурно и химически очень сложна, и выделить для исследования определенную медиаторную систему не легко. Однако для преодоления этих устрашающих препятствий разработаны новые методики. Большой шаг вперед был сделан в начале 1960-х годов благодаря открытию В. Уиттейкера (V. Whittaker) из Кембриджского университета и Э. де Робертиса (Е. de Robertis) из Университета в Буэнос-Айресе. Оно заключается в том, что при осторожном разрушении ткани мозга путем гомогенизации в растворе сахарозы многие нервные окончания отрываются от своих аксонов и образуют особые замкнутые частицы, названные «синаптосомами». Синаптосомы содержат механизмы синтеза, хранения, высвобождения и инактивации медиатора, связанные с нервным окончанием; центрифугированием их можно очистить от других компонентов нейрона. Эта методика дала нейрохимикам возможность изучать механизмы синаптической передачи в пробирке.

Пожалуй, самым плодотворным методическим достижением явилась разработка приемов, позволяющих избирательно окрашивать нейроны, содержащие определенный медиатор. Один из подходов к этому состоит в том, что естественный медиатор преобразуется в его флуоресцирующее производное, которое светится в ультрафиолетовых лучах флуоресцентного микроскопа. Другой подход состоит в том, что в головной мозг подопытного животного вводят молекулы медиатора с радиоактивной меткой, которые избирательно захватываются нейронными окончаниями, выделяющими этот медиатор; такие содержащие метку окончания можно затем обнаружить, поместив тонкие срезы ткани на чувствительную пленку. Третий подход использует высокую специфичность антител. Фермент, участвующий в синтезе данного медиа-гора, выделяют из ткани мозга и вводят в организм животного, где он вызывает образование антител, способных специфически реагировать с данным ферментом. Затем антитела подвергают очистке, метят флуоресцирующим красителем или используют какую-либо другую метку и применяют для избирательного окрашивания нейронов, содержащих данный фермент.

Эти методики избирательного окрашивания позволили получить поток сведений о детальном анатомическом распределении отдельных медиаторов в сложных нейронных цепях головного мозга. Они показали, что медиаторы распределены не диффузно по всей ткани мозга, а в высшей степени локально в ограниченных центрах и путях. Из всех медиаторов наиболее полно составлены карты для моноаминов - норадреналина, дофамина и серотонина (названных так. потому что все они содержат по одной аминогруппе). Б. Фальк (В. Falck) из Лундского университета и Н. Хжлларп (N. Hillarp) из Каролинского института в Швеции впервые показали, что воздействуя формальдегидом или глиоксиловой кислотой, можно превратить эти медиаторы в их флуоресцирующие производные, и тогда нейроны, содержащие моноамины, дают зеленую или желтую флуоресценцию. Такие работы показали, что многие содержащие норадреналин клетки мозга сосредоточены в стволе и образуют скопление, известное как locus coeruleus. Аксоны этих нейронов сильно ветвятся и проецируются в различные области - гипоталамус, мозжечок и передний мозг. Норадреналиновые нейроны оказались причастными к поддержанию бодрствования, к системе поощрения (центр удовольствия), к сновидениям и к регуляции настроения.

Нейроны, содержащие моноамин дофамин, сосредоточены в областях среднего мозга, известных под названиями substantia nigra и вентральной покрышки. Многие содержащие дофамин нейроны посылают свои аксоны в передний мозг, где, как предполагают, участвуют в регуляции эмоциональных реакций. Другие дофаминовые волокна оканчиваются в головном мозгу, в области полосатого тела. Здесь дофамин, очевидно, играет решающую роль в регуляции сложных движений. Дегенерация приходящих в эту область дофаминовых волокон приводит к ригидности мышц и тремору, столь характерным для болезни Паркинсона.

Моноаминовый медиатор серотонин сосредоточен в области ствола мозга, где находятся так называемые «ядра шва». Нейроны этого центра проецируются в гипоталамус, таламус и многие другие области мозга. Как полагают, серотонин участвует в терморегуляции, сенсорном восприятии и засыпании.

Идентифицировано еще много других медиаторов, часть из них считаются «предполагаемыми», поскольку их причастность к синаптической передаче в мозгу еще не доказана. Так, например, некоторые аминокислоты - блоки, из которых построены белки, - по-видимому, действуют как медиаторы. Обычно содержащиеся в организме в большом количестве аминокислоты - глутаминовая и аспарагиновая - оказывают сильное возбуждающее действие на большинство нейронов, и весьма возможно, что они являются наиболее распространенными возбудительными медиаторами в синапсах головного мозга. Известно, что самая простая из всех аминокислот, глицин, служит тормозным медиатором в спинном мозгу.

Медиаторы представляют собой вещества, молекулы которых имеют небольшой размер и положительно заряженный атом азота. Каждое такое вещество оказывает характерное либо возбуждающее, либо тормозное действие на нейроны; правда, есть медиаторы, которые действуют как возбуждающие в одной области мозга и как тормозные в другой. Принадлежность гистамина и таурина к медиаторам точно не доказана. Согласно принципу Дэйла, на всех окончаниях одного аксона выделяется один и тот же медиатор. Однако недавно обнаружены исключения из этого правила.

Дофаминовые проводящие пути показаны на рисунке схематически. Тела нейронов, содержащих дофамин, образуют скопления в двух небольших участках среднего мозга - substantia nigra и покрышке. От этих нейронов отходят широко ветвящиеся волокна, которые оканчиваются в полосатом теле, регулирующем двигательную активность, и в лимбической системе переднего мозга, связанной с эмоциями. Небольшая группа дофаминовых нейронов в гипоталамусе регулирует также секрецию гормонов гипофизом. Дофамин связывают с двумя заболеваниями: дефицит медиатора в полосатом теле создает ригидность и тремор, характерные для болезни Паркинсона, а избыток дофамина в лимбической системе переднего мозга, возможно, причастен к шизофрении.

К обычным тормозным медиаторам головного мозга относится гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), которая не входит в состав белков. ГАМК занимает среди кислот особое место - она вырабатывается почти исключительно в головном и спинном мозгу. Вычислено, что не менее трети синапсов головного мозга используют в качестве медиатора ГАМК. Содержащие ее нейроны можно идентифицировать двумя способами: пометив их либо радиоактивной ГАМК, либо с помощью антител, специфичных в отношении глутаматдекарбоксилазы - фермента, который катализирует синтез ГАМК. Интересно отметить, что глутаминовая кислота считается кандидатом в возбудительные медиаторы, тогда как ГАМК, которая отличается от нее лишь на одну химическую группу, служит тормозным медиатором. Ясно, что небольшие различия в молекулярном строении медиаторов могут давать совершенно разные физиологические эффекты.

Исследование механизмов действия ГАМК в головном мозгу было стимулировано в последние годы открытием, сделанным недавно Т. Перри (Т. Perry) из Университета Британской Колумбии. Оно состоит в том, что для хореи Гентингтона - наследственного неврологического синдрома - характерен специфический дефицит ГАМК в мозгу. Возникающие при этой болезни непроизвольные движения связаны с наступающим в среднем возрасте постепенным разрушением полосатого тела. Посмертные исследования показали, что поражение мозга состоит в гибели тормозных нейронов, которые в норме содержат ГАМК; можно предположить, что в основе болезни лежит дефицит этого медиатора. К сожалению, попытка лечить больных заменой недостающей ГАМК пока неосуществима, поскольку еще не созданы аналоги ГАМК, способные проходить сквозь гематоэныефалический барьер.

Недавно было высказано предположение, что на ГАМК направлено действие таких транквилизаторов, как диазепам и другие производные бензодиазепина. Из всех психотропных препаратов врачи предпочитают прописывать бензодиазепины, но механизм их действия до сих пор неизвестен. Имеющиеся данные позволяют думать, что эти препараты повышают эффективность ГАМК на уровне ее рецепторов в головном мозгу. Хотя в мозгу идентифицированы специфические центры связывания диазепама, явно отличные от рецепторов ГАМК, оба типа рецепторов, по-видимому, взаимодействуют друг с другом. Заманчиво предположить, что в головном мозгу содержится некое еще не открытое вещество, которое в норме действует на рецепторы диазепама; возможно, это естественное соединение, вызывающее или ослабляющее состояние тревоги.

Нейрохимики не только выяснили молекулярную структуру и анатомическое распределение разных медиаторов, но и достигли больших успехов в понимании точной последовательности биохимических явлений, участвующих в синаптической передаче. Процесс химической передачи проходит через ряд этапов: синтез медиатора, его накопление, высвобождение, взаимодействие с рецептором и прекращение действия медиатора. Каждый из этих этапов детально охарактеризован, и найдены препараты, которые избирательно усиливают или блокируют конкретный этап. Эти исследования позволили проникнуть в механизм действия психотропных лекарственных средств, а также выявить связь некоторых нервных и психических болезней со специфическими нарушениями синаптических механизмов.

Первым этапом химической передачи является синтез молекул медиатора в нервных окончаниях. Каждый нейрон обычно обладает только таким биохимическим аппаратом, какой ему нужен для синтеза медиатора одного типа, который выделяется из всех окончаний его аксона. Молекулы медиатора не синтезируются de novo, а изготовляются путем переработки предшественника - обычно аминокислоты - в результате ряда ферментативных реакций.

Создание медиатора требует или одного этапа ферментативного катализа (как в случае ацетилхолина), или до трех этапов (как адреналина). При синтезе норадреналина исходным веществом служит аминокислота тирозин, которая поступает в нервное окончание из крови. Тирозин сначала превращается в промежуточное соединение L-ДОФА; затем второй фермент превращает L-ДОФА в дофамин («полноправный» медиатор); а третий фермент превращает дофамин в норадреналин.

После выработки молекул медиатора они хранятся в окончании аксона в маленьких связанных с мембраной мешочках, называемых синаптическими пузырьками. В одном окончании могут быть тысячи синаптических пузырьков, а каждый пузырек содержит от 10000 до 100000 молекул медиатора. Пузырьки защищают их от разрушения ферментами внутри окончания.

Приход нервного импульса в окончание аксона вызывает высвобождение множества молекул медиатора из окончания в синаптическую щель. Механизм такого выделения остается спорным: одни исследователи полагают, что синаптические пузырьки прямо сливаются с пресинаптической мембраной и выбрасывают свое содержимое в синаптическую щель; другие утверждают, что подвижное скопление молекул медиатора выходит через специальные каналы. Но в любом случае известно, что нервный импульс запускает выход медиатора, повышая проницаемость нервного окончания для ионов кальция, которые устремляются в него и активируют механизм высвобождения молекул.

Вышедшие молекулы медиатора быстро проходят через наполненную жидкостью щель между окончанием аксона и мембраной воспринимающего нейрона. Здесь они взаимодействуют со специфическими рецепторами постсинаптической мембраны. Рецепторы фактически представляют собой крупные белковые молекулы, погруженные в полужидкую матрицу клеточной мембраны: части их торчат над и под мембраной подобно айсбергам. Выходящий на поверхность участок рецепторного белка и молекула медиатора имеют одинаковые очертания; они соответствуют друг другу наподобие ключа и замка.

Взаимодействие медиатора с его рецептором меняет трехмерную форму рецепторного белка, инициируя этим определенную последовательность событий. Это взаимодействие может вызвать возбуждение или торможение нейрона, сокращение мышечной клетки, а также образование и выделение гормона клеткой железы. Во всех этих случаях рецептор переводит сообщение, закодированное в молекулярной структуре медиатора, в специфическую физиологическую реакцию. Одни реакции, например сокращение произвольной мышцы, происходят за долю секунды; другие, например секреция гормона, занимают минуты, а иногда часы.

Многие рецепторы медиаторов имеют два функциональных компонента: центр связывания молекулы медиатора и пору, пронизывающую мембрану, избирательно проницаемую для определенных ионов. Связываясь с рецептором, медиатор меняет его форму так, что пора открывается и ионы, находящиеся внутри и снаружи клеточной мембраны, перемещаются вдоль градиента концентрации, оказывая этим возбуждающий или тормозный эффект на частоту импульсации нейрона. Будет ли электрический потенциал, создаваемый медиатором, возбудительным или тормозным, зависит от того, какие именно ионы перемещаются, и от направления их движения. Ацетилхолин является возбуждающим медиатором в синапсе между нервом и мышцей, потому что он заставляет положительно заряженные ионы натрия входить в клетку и понижать ее отрицательный потенциал покоя. ГАМК, напротив, соответствует рецептор, у которого пора избирательно проницаема для отрицательно заряженных ионов хлора. Когда эти ионы входят через открытые поры в воспринимающую клетку, они повышают трансмембранный потенциал и на время инактивируют клетку.