Медиаторы синапсов - нейромедиаторы

Обновлено: 25.04.2024

Си́напс (греч. synapsis — соединение, связь), зона контакта между нейронами и другими образованиями (нервными, мышечными или железистыми клетками), служащая для передачи информации от клетки, генерирующей нервный импульс к другим клеткам. Термин ввел Ч. Шеррингтон в 1897.

Синапс состоит из трех отделов: пресинаптического (нейрон, посылающий сигналы), постсинаптического (клетка, принимающая сигналы) и соединяющей их структуры (синаптическая щель). В тех случаях, когда речь идет о контактах между нервными клетками, синапсы могут образовываться между аксонами и сомой, аксонами и дендритами, аксонами и аксонами, дендритами и дендритами, а также между сомой и дендритами нейронов. В зависимости от способа передачи возбуждения выделяют химические (наиболее распространенные) и электрические синапсы. Существуют также смешанные синапсы, сочетающие оба механизма передачи.

Электрические синапсы распространены у беспозвоночных и низших позвоночных, но иногда встречаются и в некоторых участках мозга млекопитающих. Они образуются чаще всего между дендритами близко расположенных нейронов и осуществляют быструю (без синаптической задержки) передачу сигналов, благодаря наличию высокопроводящего контакта, обусловленного наличием узкой синаптической щели и специальных ультраструктур, снижающих электрическое сопротивление в области контакта.

Химические синапсы преобладают в мозгу млекопитающих. На соме и дендритах каждого нейрона может локализоваться до нескольких десятков тысяч синаптических окончаний. В их пресинаптических окончаниях содержатся синаптические пузырьки (везикулы), содержащие химический посредник, называемый медиатором (нейромедиатор, нейротрансмиттер) и имеющие различные размеры и электронную плотность. Так, обнаружены малые прозрачные пузырьки, заполненные низкомолекулярными, так называемыми, «классическими» медиаторами (ацетилхолин, ГАМК, глицин и др.) и крупные электронно-плотные, содержащие пептидные медиаторы. Медиаторы образуются в соме нейрона и затем по аксону транспортируются в синаптическое окончание. Согласно сформулированному в 1930-х годах закону Дейла, медиатор, обнаруженный в одном синапсе, должен быть также медиатором во всех других синаптических окончаниях того же нейрона. Позже выяснилось, что в одном нейроне может синтезироваться и в одном окончании освобождаться более одного медиатора, однако набор медиаторов для данного нейрона всегда постоянен.

Приходящий электрический импульс при участии ионов кальция вызывает освобождение медиатора из пресинаптических окончаний. Медиатор диффундирует через синаптическую щель шириной 10 — 50 нм и взаимодействует с рецепторными белками постсинаптической мембраны, что приводит к возникновению постсинаптического потенциала. Время, в течение которого происходят эти реакции, называется синаптической задержкой и составляет 0, 3 — 1 мс. Не связавшийся с рецептором медиатор либо разрушается специальными ферментами, либо захватывается обратно в пузырьки пресинаптического окончания.

Рецепторы постсинаптической мембраны подразделяются на два основных класса, которые различаются механизмами действия и скоростью проведения сигналов. Существуют быстродействующие (ионотропные) рецепторы, скорость действия которых измеряется миллисекундами и медленнодействующие (метаботропные), где происходящие процессы измеряются секундами и даже минутами. Результатом взаимодействия медиатора с первым типом рецепторов является открытие мембранных каналов для ионов натрия, калия, кальция или хлора. В зависимости от природы поступающего в постсинаптическую клетку иона возникает либо деполяризация, либо гиперполяризация мембраны вблизи синапса. Так, например, поступление в постсинаптическую клетку положительно заряженных ионов натрия вызывает ее деполяризацию, выражающуюся в возникновении местного возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП). С другой стороны, анионы хлора вызывают гиперполяризацию постсинаптической клетки, т. е. тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП). Ввиду того, что на каждом нейроне оканчивается множество синаптических окончаний, происходит суммация всех постсинаптических потенциалов обоих типов, что определяет вероятность возникновения импульса в постсинаптическом нейроне. При этом статистический вес каждого из синапсов оказывается различным: наибольший вклад вносят те из них, которые находятся на соме нейрона, наименьший — расположенные на окончаниях тонких дендритов.

Медленнодействующие рецепторы являются комплексом из нескольких белков, которые после взаимодействия с медиатором последовательно меняют свою конформацию. В результате этого происходит активация выхода вторичных (внутриклеточных) медиаторов, которыми могут быть ионы кальция, циклические нуклеотиды, диацилглицерол и др. В состав метаботропных рецепторов входят, по крайней мере, три белка: (1) собственно рецепторный белок (R-белок), связывающийся с медиатором, (2) так называемый G-белок, передающий сигнал с рецепторного белка и (3) белок-эффектор, который является ферментом, катализирующим образование вторичного медиатора. На стадии взаимодействия R-белка с G-белком происходит усиление приходящего сигнала, т. к. активированная с медиатором молекула R-белка способна контактировать с сотнями молекул G-белка. При взаимодействии R-белка с G-белком происходит временная активация последнего, в результате чего происходит активация фермента, образующего вторичные медиаторы. Результатом действия этих внутриклеточных медиаторов может быть как открытие ионных каналов (причем, более широко распространенное и продолжительное, чем при действии ионотропных рецепторов), так и многие другие внутриклеточные процессы вплоть до экспрессии генов в ядре клетки.

Характерным для синапсов является их особенность изменять чувствительность к действию медиаторов в процессе своей активности. Это свойство называется синаптической пластичностью и составляет основу таких процессов, как память и обучение. Различают кратковременную синаптическую пластичность, продолжающуюся не более 20 мин, и долговременную, длящуюся от нескольких десятков минут до нескольких недель. Пластичность может проявляться как в форме потенциации (активации), так и в форме депрессии. В ее основе лежат различные механизмы от изменения концентрации ионов кальция в синаптической области до фосфорилирования или разрушения синаптических белков, а также экспрессии или репрессии генов, катализирующих синтез таких белков. В зависимости от степени пластичности синапсы разделяют на стабильные и динамические, причем первые формируются в онтогенезе раньше, чем последние.

Медиаторы синапсов - нейромедиаторы

Ткани и органы. Нервная ткань

Медиаторы нервной системы

А. Нейромедиаторы и нейрогормоны

Нервные клетки управляют функциями организма с помощью химических сигнальных веществ, нейромедиаторов и нейрогормонов. Нейромедиаторы — короткоживущие вещества локального действия; они выделяются в синаптическую щель и передают сигнал соседним клеткам. Нейрогормоны — долгоживущие вещества дальнего действия, поступающие в кровь. Однако граница между двумя группами достаточно условная, поскольку большинство медиаторов одновременно действует как гормоны.

Сигнальные вещества - нейромедиаторы (или нейромодуляторы ) должны удовлетворять ряду критериев. Прежде всего они должны продуцироваться нейронами и храниться в синапсах; при поступлении нервного импульса они должны выделяться в синаптическую щель, избирательно связываться со специфическим рецептором на постсинаптической мембране другого нейрона или мышечной клетки, стимулируя эти клетки к выполнению ими своих специфических функций.

Б. Химическое строение

По химическим свойствам нейромедиаторы подразделяются на несколько групп. В таблице на схеме приведены наиболее важные представители нейромедиаторов — более чем 50 соединений.

Наиболее известным и часто встречающимся нейромедиатором является ацетилхолин , сложный эфир холина и уксусной кислоты. К нейромедиаторам относятся некоторые аминокислоты , а также биогенные амины , образующиеся при декарбоксилировании аминокислот (см. рис. 183). Известные нейромедиаторы пуринового ряда — производные аденина. Самую большую группу образуют пептиды и белки . Небольшие пептиды часто несут на N-конце остаток глутаминовой кислоты в виде циклического пироглутамата (5-оксопролин; однобуквенный код:

Механизм действия. Медиаторы и модуляторы связываются с рецепторами постсинаптической мембраны соседних клеток. В постсинаптической мембране имеются различные типы рецепторов, которые используют различные сигнальные пути. Некоторые рецепторы являются лиганд-активируемыми ионными каналами , например никотиновые холинэргические рецепторы (мышечные и нейрональные), ГАМК-рецепторы и глициновый рецептор. Но чаще всего рецепторы управляют ионными каналами опосредовано с участием G-белков (см. рис. 373).

Большинство нейромедиаторов стимулируют открывание ионных каналов, и лишь только немногие — закрывание. Характер изменения мембранного потенциала постсинаптической клетки зависит от типа канала. Изменение мембранного потенциала от -60 до +30 мВ за счет открывания Nа + -каналов приводит к возникновению постсинаптического потенциала действия. Изменение мембранного потенциала с -60 мВ до -90 мВ за счет открывания Cl - -каналов ингибирует потенциал действия (гиперполяризация), в результате чего возбуждение не передается (тормозной синапс).

В. Биосинтез катехоламинов

Катехоламины — группа биогенных аминов, содержащих в качестве общего фрагмента 3,4-дигидроксифенилаланин («катехол»). Биосинтез этих веществ начинается с аминокислоты тирозина . Гидроксилирование тирозина [ 1 ] приводит к образованию 3,4-дигидроксифенилаланина (дофа). При последующем декарбоксировании [ 2 ] образуется дофамин . При дальнейшем гидроксилировании [ 3 ] дофамин превращается в норадреналин (норэпинефрин). Донором водорода в этой реакции служит аскорбат (см. рис. 357). Наконец, метилирование норадреналина [ 4 ] приводит к образованию адреналина (эпинефрина). Дофамин, норадреналин и адреналин являются медиаторами. Адреналин выполняет функции как медиатора, так и гормона.

Медиаторы синапсов - нейромедиаторы

Вещество считают нейромедиатором при соответствии следующим критериям:

• В нейронах должны присутствовать белки, в том числе ферменты, для синтеза данного вещества.

• Вещество должно выделяться из нейрона после деполяризации нервного окончания и под влиянием входа ионов Са 2+ в клетку.

• На постсинаптической мембране должны присутствовать специфические рецепторы, способные изменять мембранный потенциал нейрона-мишени.

• Вещество должно оказывать аналогичный эффект при нанесении на нейрон-мишень путем микроионофореза.

• Для предполагаемого нейромедиатора должен существовать антагонист, блокирующий его действие при поступлении из кровотока или путем ионофореза.

• Должен быть установлен физиологический механизм прекращения действия вещества: ферментативное расщепление либо активный транспорт в нейрон-источник данного вещества или прилежащие клетки нейроглии.

Процесс нейромодуляции осуществляется в нервных окончаниях синоатриального узла сердца, где симпатические и парасимпатические нервные окончания часто расположены парами.
На данном изображении показано, что симпатическая нервная система находится в активном состоянии, происходит высвобождение медиатора норадреналина, деполяризующего клетки-водители ритма через β₁-рецепторы на их мембранах.
Эпинефрин, свободно циркулирующий в кровеносном русле, оказывает положительное модулирующее действие на симпатическое нервное окончание, увеличивая высвобождение медиатора за счет влияния на β₁-пресинаптические мембранные гетерорецепторы.
Ингибирующая модуляция избыточного высвобождения норадреналина происходит за счет α₂-пресинаптических мембранных ауторецепторов. В это же время высвобождение тормозного медиатора ацетилхолина (АХ) из парасимпатического нейрона ингибируется через α₂-гетерорецепторы.

Ингибирование высвобождения некоторых медиаторов контролируется за счет механизма отрицательной обратной связи путем активации ауторецепторов на пресинаптической мембране. В идеале существование таких специфических тормозных ауторецепторов должно быть установлено.

Значение понятия «нейромодулятор» (от лат. modulare) интерпретировали по-разному. Наиболее удачное объяснение заимствовано из терминов электротехники: «амплитудная модуляция» и «частотная модуляция», которые определяют наложение одной волны или сигнала на другой. Симпатические и парасимпатические нервные волокна расположены вблизи от водителя ритма (видоизмененного кардиомиоцита). Подобное взаиморасположение нервных окончаний часто встречают в тканях сердца, что позволяет медиаторам модулировать действие друг друга. Симпатические нервные окончания выделяют норадреналин, оказывающий возбуждающее действие. За счет систем вторичных посредников осуществляются три процесса модуляции.

В подписи к рисунку также идет речь об ауторецепторах и гетерорецепторах. Рецепторы к определенному медиатору, располагающиеся, как правило, на пресинаптической и постсинаптической мембранах, называют ауторецепторами. Ауторецепторы активируются высокими концентрациями медиатора в синаптической щели, а также ингибируют дальнейшее высвобождение медиатора из булавовидного утолщения синапса по механизму отрицательной обратной связи. Гетерорецепторы располагаются на плазматической мембране нейронов, которые не высвобождают данный медиатор. На примере рисунка показано, что во время активации симпатических нервных окончаний за счет гетерорецепторов, расположенных на парасимпатических нервных окончаниях, происходит их ингибирование.

Дальнейшие преобразования нейромедиаторов. В дальнейшем нейромедиаторы подвергаются разнообразным преобразованиям. Некоторые из них инактивируются в синаптической щели, другие проникают через внеклеточную жидкость в спинномозговую жидкость путем диффузии, а часть нейромедиаторов подвергается обратному захвату глиальными клетками напрямую или опосредованно.

Наиболее значимые медиаторы и модуляторы представлены и соответствующие им рецепторы представлены в таблицах.

Как происходит выделение нейромедиатора

Обзор

Серотонин в мембранном пузырьке путешествует по аксону.

Автор

Редакторы

Комикс на конкурс «био/мол/текст»: Что происходит с момента синтеза нейромедиатора до связывания его с рецепторами на постсинаптической мембране? Комикс по мотивам Нобелевской лекции Томаса Зюдофа: молекулярный механизм выделения нейромедиатора в картинках. Конечно, это лишь малый фрагмент полной картины распространения импульсов в нервной системе, но зато посмотрите, как он красив!

Конкурс «био/мол/текст»-2015

Эта работа заслужила приз зрительских симпатий конкурса «био/мол/текст»-2015.

Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.

Спонсоры конкурса: лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.

Синапсы — области контакта между нейронами — бывают химическими и электрическими. Химический синапс представляет собой непрямой контакт двух клеток: между их мембранами остается узкое пространство — синаптическая щель. Эффекторная клетка (та, от которой идет импульс), возбуждаясь, выделяет в синаптическую щель молекулы нейромедиатора , которые связываются с рецепторами на мембране воспринимающей клетки и вызывают ее ответ.

Любознательный читатель приглашается к ознакомлению с эпической сагой о нейромедиаторах, написанной для «биомолекулы» Виктором Лебедевым. В сериал входят: дофамин, серотонин, норадреналин, ацетилхолин, γ-аминомасляная кислота и глутаминовая кислота [1–6]. Не счесть алмазов пламенных в лабазах каменных. — Ред.

На картинке изображен самый распространенный вид синапса — аксо-дендритический. (А бывают еще аксо-соматические синапсы, когда аксон подходит к телу воспринимающей клетки, аксо-аксональные, и даже дендро-дендритические — их образуют таинственные безаксонные нейроны где-то в глубине обонятельной луковицы, но это совсем редкий и маргинальный случай.) Еще на картинке виднеются олигодендроциты — глиальные клетки, которые в центральной нервной системе обматывают аксоны слоями миелина — изолирующей липидной мембраны, что препятствует рассеиванию импульса и ускоряет его проведение. (Олигодендроциты подрисованы просто для приличия; предполагается, что вся рассказанная ниже история происходит где-то в мозге: выбранный мной нейромедиатор выделяется в центральной нервной системе.) Начало аксона — место, где он отходит от тела клетки — называется «аксонный холмик». Именно там возникает потенциал действия, который потом распространяется дальше по аксону в сторону воспринимающей клетки.

Аксон ближе к концу может разделяться на несколько веточек, идущих к разным клеткам. Каждая такая веточка оканчивается аксонной терминалью — зарубежные ученые ласково называют эту структуру «пуговкой» (button) или «бутончиком» (bouton). В аксонной терминали есть митохондрии, чтобы обеспечивать энергией многочисленные происходящие здесь процессы; почти всегда обнаруживается довольно много везикул — мембранных пузырьков, в которых транспортируются медиаторы и разные другие вещества — например, ферменты. Так же там есть довольно правильным образом организованный цитоскелет: микротрубочки цитоскелета образуют «рельсы», которые протягиваются в цитоплазме аксона от тела нейрона до самого окончания. Везикулы перемещаются по этим самым «рельсам». Еще в аксонной терминали есть эндосома — мембранная структура, похожая на аппарат Гольджи [7]. Надо сказать, что научное сообщество не пришло к единому мнению, постоянное это образование или временное, которое получается в результате слияния пузырьков; но, так или иначе, от эндосомы могут отпочковываться везикулы, которые используются для транспорта нейромедиаторов.

В электрических синапсах не задействованы нейромедиаторы, а синаптическая щель очень узкая. Цитоплазма двух клеток связана напрямую через специальные белковые каналы — коннексоны. Сигнал в таком синапсе передается путем перехода ионов из одной клетки в другую. Такие синапсы почти не встречаются в нашей нервной системе; они характерны главным образом для беспозвоночных.

Дальше речь пойдет о событиях, происходящих в химическом синапсе, а именно о том, как выделяется медиатор в синаптическую щель.

Маленькие и просто устроенные нейромедиаторы — например, ацетилхолин [4] — образуются из молекул-предшественников прямо в цитоплазме аксонной терминали. Там же они упаковываются в везикулы — мембранные пузырьки, которые могут отделяться от эндосомы или приходить от синаптической щели после высвобождения своего прошлого содержимого.

Медиаторы сложного строения — такие как пептиды — синтезируются в теле нейрона и, уже будучи упакованными в везикулы, транспортируются оттуда до аксонной терминали по микротрубочкам. Здесь в качестве медиатора, вместе с которым читателю предлагается пройти путь до синаптической щели, выбран серотонин [2]. Правда, хороший? Он — маленькая молекула, а значит, синтезируется в цитоплазме недалеко от окончания. Вот он попадает в везикулу, отпочкованную от эндосомы, и к мембране везикулы прикрепляется транспортный белок кинезин, который начинает тащить пузырек за собой, «шагая» по микротрубочке в сторону пресинаптической мембраны. (У кинезина есть две субъединицы — «ножки», которые по очереди прикрепляются и открепляются от микротрубочки, с каждым разом немного дальше, продвигая его вперед.) В одной везикуле могут быть тысячи молекул нейромедиатора. Раньше считалось, что один нейрон может выделять только один нейромедиатор (принцип Дейла [8]), но сейчас известно, что это не так. Более того, оказалось, что в везикуле одновременно могут находиться разные нейромедиаторы.

Не вся пресинаптическая мембрана подходит для того, чтобы медиатор выделился, а только области, которые называются «активными зонами». Только там есть специальные белки, нужные для прикрепления везикулы, а также локализованы потенциал-зависимые кальциевые каналы. Активные зоны располагаются ровно напротив рецепторных полей на постсинаптической мембране. Вот туда, к одной из активных зон, и держит путь кинезин.

Над активными зонами обычно собирается множество пузырьков, которые ждут своей очереди слиться с пресинаптической мембраной и освободиться от содержимого. У наших героев чудом получается проникнуть к самой активной зоне, и — .

И дальше начинается вот что.

Докинг

Первый этап прикрепления везикулы к пресинаптической мембране называется «docking», или «tethering» — «заякоривание». В мембране везикулы есть такой белок — Rab 3/27, принадлежащий к семейству Rab-ГТФаз, которые занимаются адресованием везикул в мембраны-реципиенты. (Rab — от «rat brain». В первый раз такие белки были найдены в мозгу крысы.) Rab 3/27 заякорен в липидном бислое мембраны; он включается туда на стадии образования везикулы. Будучи связанным с ГДФ, он неактивен и не может ничего присоединять, а при замене ГДФ на ГТФ активируется и становится способным к формированию связей. Когда везикула образуется, Rab 3/27 прикрепляется к ней уже в активированной форме.

Когда везикула оказывается в достаточной близости от активной зоны, Rab 3/27 связывается с белками RIM (Rab 3-interacting molecules), которые, в свою очередь, через RIM-BP (RIM-binding proteins) прикрепляются к кальциевым каналам в пресинаптической мембране. Это очень важный момент, потому что ключевым сигналом для выделения нейромедиатора служит поступление ионов кальция в цитоплазму. Кальциевые каналы открываются, когда потенциал действия доходит до аксонной терминали.

И вот, чтобы везикула могла как можно более оперативно выбросить медиатор, когда придет ПД, она прикрепляется к кальциевому каналу такой белковой «веревочкой». Формирование этой «веревочки» и называется докингом. Везикула «причаливает» к пресинаптической мембране, бросая «якорь» около кальциевого канала.

К белковой цепочке из RIM присоединяется еще белок Munc-13 — запомните его, он сыграет свою роль на следующей стадии.

Прайминг

Следующий этап — это прайминг (priming; подготовка везикулы к слиянию). Подготовка заключается в образовании плотного белкового комплекса между мембраной везикулы и пресинаптической мембраной, в результате чего мембранный пузырек крепко прижимается к мембране аксона и становится способным реагировать на увеличение концентрации кальция.

Этот комплекс получил название SNARE — soluble NSF attachment receptor proteins, по названию АТФазы NSF, с которой он может реагировать. Как именно он реагирует и что при этом происходит — парой картинок ниже. Основные три компонента SNARE — синаптобревин, синтаксин и SNAP-25.

Прайминг 1

Белок, который не входит в состав комплекса, но играет ключевую роль в процессе выделения — это синаптотагмин. Он заякорен в мембране везикулы неподалеку от синаптобревина. Синаптотагмин выполняет роль кальциевого сенсора: у него есть специальные сайты связывания Ca 2+ , то есть именно синаптотагмин делает возможным выделение нейромедиатора, когда приходит потенциал действия.

Прайминг 2

Для того, чтобы окончательно собрать комплекс, нужен еще белок комплексин. Он присоединяется в желобок между синаптобревином и синтаксином, а функция его заключается в активации синаптотагмина. Когда комплексин присоединяется к комплексу, синтаптотагмин становится способным связывать кальций. Вот теперь комплекс окончательно собран, все готово, и остается только ждать потенциала действия.

И вот — нейрон возбуждается! В аксонном холмике лавинообразно открываются натриевые каналы, мембрана деполяризуется, ПД бежит по аксону — и в пресинаптической мембране открываются кальциевые каналы. В цитоплазму заходят ионы Ca 2+ , синаптотагмин связывает пять штук — одним сайтом три, другим два — и взаимодействует с липидами мембраны так, что открывается пора — сквозная дырочка из везикулы в синаптическую щель. Также важным фактором при слиянии является давление, создаваемое белковым комплексом — он прижимает везикулу к пресинаптической мембране.

И — ура, нейромедиатор в синаптической щели!

Но что же происходит с SNARE/SM комплексом потом? Когда пора расширяется, белки меняют расположение, поворачиваясь как бы перпендикулярно плоскости мембраны. А вскоре NSF — такая АТФаза — приходит из цитоплазмы вместе со своим кофактором SNAP, и они вызывают распад SNARE/SM комплекса. После этого везикула может отделиться от пресинаптической мембраны, но тут может происходить по-разному:

Описанный выше механизм выброса медиаторов в синапсах, а также роль ионов кальция в этом процессе были установлены Томасом Зюдофом, который тем самым внес решающий вклад в нейробиологию и клеточную биологию. За данные открытия ему вместе с Джеймсом Ротманом и Рэнди Шекманом присуждена в 2013 году Нобелевская премия по физиологии и медицине — «за открытие системы везикулярного транспорта — основной транспортной системы в наших клетках» [9].

Нейромедиаторы — всему голова: что заставляет нас смеяться и плакать

Нейромедиаторы играют важную роль в работе нашего организма и влияют на все: от настроения до способности обучаться. Чем они отличаются от гормонов, каких видов бывают, и к какой болезни может привести их недостаток?

Что такое нейромедиаторы

Нейромедиаторы — биологически активные вещества. Их главная функция — передавать сигналы от нервных клеток. То есть нейромедиаторы — это вещества, благодаря которым нервная система общается внутри себя. Один нейрон, возбуждаясь, передает нужные сигналы другому нейрону через нейромедиаторы.

Изучение нейромедиаторов началось еще в начале XX века. Тогда ученые пытались разобраться, как общаются между собой нейроны — химией или электричеством. Сантьяго Рамон-и-Кахаль и Камилло Гольджи одновременно получили Нобелевскую премию за свои исследования нервной системы в 1906 году, хотя и придерживались противоположных мнений. Рамон-и-Кахаль был уверен, что нейроны передают сигналы друг другу с помощью химических веществ. Гольджи придерживался иной точки зрения — нейроны общаются при помощи электричества.

«И только в середине XX века удалось сделать электронную фотографию синапса, на которой были видны везикулы с нейромедиаторами. Выяснилось, что большая часть нейронов общается друг с другом с помощью нейромедиаторов. Электрические синапсы тоже есть, но они редкость», — рассказала РБК Трендам кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Лаборатории клеточной нейрофизиологии человека ФИЦ ХФ РАН Елена Белова.

Синапс — место контакта между двумя нейронами или между нейроном и получающей сигнал эффекторной клеткой.

Эффекторная клетка — тип клетки в организме, которая выполняет какое-то действие в ответ на стимуляцию (например, мышечная клетка, получая сигнал от нейрона через синапс, сокращается).

Везикулы — это небольшие пузырьки, которые переносят внутри себя разнообразные вещества: от гормонов до нейромедиаторов.

Есть вещества, которые одновременно работают и как нейромедиаторы, и как гормоны. Например, если норадреналин и адреналин выделяются в мозге, то работают как нейромедиаторы. Если они выделяются корой надпочечников, то работают как гормоны. Между нейромедиаторами и гормонами тонкая грань. Не так-то просто провести разграничительную черту между ними.

Гормон — вещество, выделяемое в железах внутренней секреции, воздействующее на ткани (клетки) организма.
Нейромедиатор — вещество, выделяемое нейроном, чтобы передать сигнал, чаще всего другому нейрону.

«Когда все только начинали изучать, казалось, что это разные вещи. Но чем глубже мы исследуем, тем больше обнаруживаем веществ, передающих сигналы между нейронами, и все чаще находим в других клетках (например, иммунных) рецепторы к соединениям, которые считали классическими нейромедиаторами. Оказывается, что эти две системы гораздо плотнее связаны друг с другом, это две тонко переплетенные системы», — добавляет Елена Белова.

Функции и действие нейромедиаторов

Нейроны — это отдельные клетки, которым приходится непрерывно общаться друг с другом. Сигнал от одного нейрона к другому передается через контакт, где клетки примыкают друг к другу почти вплотную, оставляя только крошечный зазор. Это соединение между двумя нервными клетками и называется синапсом.

Нервные импульсы в мозге бегут по отросткам нейронов, а когда они добегают до синапса, там выделяются пузырьки с нейромедиатором, передающие сигналы следующему нейрону. То, как он отреагирует, зависит от рецепторов: некоторые нейромедиаторы могут активировать одни клетки и тормозить другие — все зависит от типа рецепторов внутри синапсов, которые воспринимают сигналы.

Дисбаланс некоторых нейромедиаторов вызывает различные заболевания и нарушения: от эпилепсии до депрессии. Хотя единого мнения по этому вопросу среди ученых тоже нет.

«Болезнь Паркинсона — пожалуй, единственное заболевание, для которого железобетонная причина — недостаток нейромедиатора дофамина. Для остальных состояний такой однозначности нет», — считает Белова.

Типы нейромедиаторов

Самые распространенные медиаторы относятся к одному из двух типов — возбуждающие и тормозные. Первый тип — те, которые возбуждают следующий нейрон (если один нейрон в цепочке активен, следующий тоже будет таким). Второй тип тормозит соседние нейроны. Еще бывают нейромодуляторы — они не просто передают возбуждающий или тормозный сигнал, а меняют восприимчивость нейрона к таким сигналам.

Также нейромедиаторы группируют по химической структуре. Среди них выделяют: аминокислоты, моноамины, пептиды. Расскажем об особенностях каждого на примерах нейромедиаторов.

Аминокислоты

Гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) — это главный тормозный нейромедиатор мозга. Например, некоторые психоактивные вещества, которые направлены на лечение тревоги, воздействуют именно на рецепторы ГАМК.
Глутамат — это главный возбуждающий нейромедиатор мозга. Он играет важную роль в когнитивных функциях: запоминании и обучении. Избыток глутамата губителен для нервных клеток и может способствовать появлению некоторых болезней (эпилепсия, болезнь Альцгеймера).

Пептиды

Окситоцин. Это и гормон, и нейромедиатор. В теле женщины он стимулирует роды и появление молока, в мозге отвечает за чувство привязанности между родителями и детьми. Однако это не молекула всеобщей любви. Чувство влюбленности — сложный коктейль, прежде всего связанный с работой гипоталамуса, образованием привязанности и сексуальным возбуждением. «Когда мы находим подходящего человека, это вызывает выработку окситоцина и формирование привязанности, выработку половых гормонов и сексуальное возбуждение. Дальше если люди друг другу подошли и окситоциновая связка сформировалась, у них появляются долгосрочные отношения. «Любовь живет три года» (а на самом деле несколько месяцев) — это первичный этап отношений, где окситоциновые связки только формируются», — пояснила Белова.
Эндорфины. Они ослабляют сигналы боли и вызывают ощущение эйфории.

Моноамины

Адреналин и норадреналин. Их можно отнести не только нейромедиаторам, но и к гормонам. Наша реакция на стресс, внешние угрозы, а также режим собранности или расслабления осуществляется через симпатическую и парасимпатическую ветви периферической нервной системы. Мозг видит опасность, но чтобы на нее отреагировать, нужно активировать мышцы. Симпатическая система — это система передачи сигнала «бей и беги», когда усиливается работа скелетной мускулатуры, сердечных сокращений и так далее. Надпочечники выделяют адреналин, норадреналин и кортизол, которые действуют на тело. При этом норадреналин и адреналин вырабатываются и внутри мозга, и это сигнал о том, что мы в возбужденном состоянии. Когда мы выходим из «острого» режима, парасимпатическая система становится активнее, и мы переходим в режим «лежи и переваривай»: работают органы пищеварения и запускается процесс запасания жиров.
Дофамин связан с ожиданием награды. И если награда от наших действий соответствует прогнозу, а еще лучше — больше, чем ожидалось, это повод повторять действия еще и еще. Так формируются привычки. Но все не так просто. Например, когда человек хочет похудеть, в нем борется желание быть стройным, отказавшись от калорийной пищи, с биологической потребностью в еде, контролируемой гипоталамусом. «Это древняя система. Люди только недавно попали в условия, когда доступ к еде почти не ограничен. Отучить себя от привычки проверять соцсети в сто раз легче, чем заставить соблюдать дефицит калорий, потому что есть внутренняя система, которая говорит, что похудеть — это очень плохо», — отмечает Белова. Некоторые опасные запрещенные наркотические вещества имитируют именно действие дофамина, вызывая у человека приподнятое состояние, предвкушение чего-то приятного, чувство азарта.
Серотонин регулирует сон, тревогу, аппетит и сексуальность.

Есть нейромедиаторы, которые не относятся к этим типам, и чем дольше ученые изучают эту тему, тем больше разных типов находят. Но и самый первый открытый нейромедиатор — ацетилхолин тоже относится к группе «другие». К его функциям относят регуляцию памяти, процессов пробуждения и засыпания. Например, у пациентов с болезнью Альцгеймера уровень ацетилхолина снижен.

Про чувства и нейромедиаторы

Нейромедиаторы существуют не для того, чтобы вызывать у нас чувства. Чувства — это активность определенных отделов мозга под действием коктейля разных нейромедиаторов и их взаимовлияния.

«Нельзя сказать, что если мы добавим в мозг какой-то нейромедиатор, мы вызовем определенное чувство. На наши чувства влияет не только то, что выделяется в мозге, но и что мы видим вокруг и как это интерпретируем. Сильное возбуждение может быть расценено нами и как позитивное волнение, и как негативное. Хотя в обоих случаях главной нотой будет высокая концентрация адреналина и норадреналина», — поясняет Елена Белова.

Есть нейромедиаторы, которые отвечают за уровень возбуждения и уровень тонуса. Например, в мозге есть структура под названием ретикулярная формация. Это рассредоточенная система нейронов и их скоплений, которая отвечает в том числе за уровень бодрости или вялости. Там выделяются серотонин, норадреналин и адреналин, ацетилхолин и дофамин. Задача этой структуры — регулировать уровень бодрости. Особенность этой системы в том, что благодаря ей мы можем быстро взбодриться на внезапные стимулы — например, грохот или вспышку света — чтобы быть готовым быстро принять решение, среагировав на неожиданную угрозу.

Также есть структуры, связанные с гипоталамусом (небольшая область в промежуточном мозге), которые отвечают за разные состояния и потребности. Они регулируют уровень стресса: спокойное состояние, острый или хронический стресс. Вся эта система, помимо уровня бодрости, определяет уровень нашей боевой готовности. Тут же происходит изменение состояния, связанное с чувством голода, усталости, сонливости, сексуальное желание и чувство привязанности — все это тоже связано с гипоталамусом. Например, окситоцин отвечает за уровень привязанности. В мозге находятся и системы, связанные с мотивацией, обучением и удовольствием. В них главный нейромедиатор — дофамин.

Нейромедиаторы и депрессия

Депрессия — это нарушение мотивационного механизма. Человек перестает получать удовольствие от того, что делает, отключается эндорфиновый компонент «я молодец». Когда эндорфина не хватает и обратной связи не поступает (когда мы говорим о депрессии, вызванной внешними воздействиями, не о клинической), мотивация ослабляется, и человек приходит к состоянию, когда у него не хватает сил и энергии, чтобы поддерживать свою жизнь.

Так, в 1960-х годах прошлого века американский психолог Мартин Селигман открыл явление, которое назвал «выученной беспомощностью». Он провел эксперимент на собаках. Животных разделили на две контрольные группы и поместили в разных комнатах. У каждой собаки был свой отдельный бокс, в пол которого подвели слабый электрический ток. Собаки в первой комнате могли выйти на свободу, если находили нужную точку в боксе. Нажимая на ее, они получали возможность покинуть бокс. Во второй комнате все было иначе. Ящики этих собак открывались от действий собак из первой группы. Была еще и третья группа. В ней собак не били током. Первый этап опыта показал, что собакам из одной комнаты удалось быстро восстановиться после мучений. Они вернулись к своим привычкам и физическим характеристикам. Но таких результатов не было у собак из второй комнаты. Животные впали в апатию.

После этой части эксперимента всех собак поместили в одно помещение, где по полу шел ток. Животным дали возможность выбраться оттуда. Для этого нужно было перепрыгнуть через перегородку. Собаки из первой и третьей группы догадались это сделать. А большинство собак из второй — сначала скулили, а потом ложились на пол. При этом они уже не обращали внимание на боль.

Мартин Селигман после эксперимента предположил, что состояние выученной беспомощности, отсутствие попыток избежать стресса, это и есть экспериментальная модель депрессии. Человек не в состоянии контролировать то неприятное, что с ним происходит.

Если наше ощущение самоконтроля отказывает, наши серотониновые нейроны переводят нас в более примитивное исходное состояние, в котором психика ничего не пытается делать. Серотонин как нейромедиатор в том числе способен блокировать отрицательные эмоции. Дизрегуляция серотониновой системы приводят к тому, что отрицательные эмоции действуют намного сильнее. Система из равновесного состояния переходит в разбалансированное, когда у организма не хватает мотивации активно действовать и добиваться целей. Чтобы вернуть системе равновесие, были разработаны антидепрессанты.

«Классические антидепрессанты — ингибиторы обратного захвата серотонина. Они не дают серотонину быстро исчезнуть из места контакта, продлевая его действие на нейроны. Чтобы нейромедиатор действовал, нужно, чтобы он связался с рецептором, и свойства рецептора сильно влияют на то, как нейромедиатор подействует. Предполагается, что когда выделяется серотонин, он действует не только на следующий нейрон, но и на тот, откуда выделился. На окончании самого нейрона, который серотонин выделяет, тоже есть рецепторы. Когда серотонин выделяется, он воздействует на этот рецептор и фактически заставляет окончание переставать работать. Клетка выделила серотонин, он связался и отключил систему. Чтобы проявился эффект антидепрессантов, эти рецепторы, вероятно, должны сперва изменить свою восприимчивость к нейромедиатору. По-видимому этим объясняется, что такие антидепрессанты нужно пить довольно долго, чтобы облегчить депрессию», — объясняет эксперт.

Исследования в области нейромедиаторов продолжаются. Ученым еще многое неизвестно. Хотя за последние 10-20 лет открыто огромное количество новых нейромедиаторов, и вероятно некоторые из них только предстоит обнаружить.

«Многие нейромедиаторы — это пептиды (белковые соединения, которые состоят из аминокислот. — РБК Тренды), а с пептидами сложно работать, потому что их нужно засечь, отловить, отделить от других пептидов [не нейромедиаторов]. Технические возможности только недавно начали позволять это делать. Даже для хорошо известных нейромедиаторов остается огромное количество невыясненных вопросов», — продолжает Белова.

Работы в этом направлении хватит на несколько десятков лет. Ведь ученые до сих пор не до конца разобрались, как возникает депрессия или как помочь людям бросить курить.

Читайте также: