Прежде чем перейти к дальнейшим рассуждениям, давайте посмотрим на общую схему нейрона. По своей сути, нейрон – это такая же клетка, как и все остальные клетки в нашем организме. Однако нейрон специализирован для того, чтобы получать и передавать электрический сигнал. Он состоит из трех основных отделов или компартментов. Все клетки имеют одну сому (тело), но могут различаться по числу и морфологии дендритов и аксонов в зависимости от типа нейрона. В соме нейрона находится ядро и протекают основные метаболические процессы, связанные с поддержанием жизнедеятельности клетки. На соме и на дендритах располагаются окончания других нейронов. Эти окончания образуют синапсы, которые могут быть как возбуждающими (увеличивающими вероятность генерации разряда нейрона), так и тормозными (снижающими вероятность). Обратите внимание на анимацию: синим цветом показаны сигналы, приходящие в нейрон. При достижении определенного порога, возбуждающие синаптические токи приводят к генерации собственного электрического «потенциала действия», распространяющегося по аксону. В аксоне потенциал действия достигает синаптических терминалей, через которые данный нейрон связан с соседними. Так от нейрона к нейрону сигнал передается в нейрональной сети.
Изображения, которые вы сейчас видели, получены с помощью светового микроскопа. Эта техника позволяет работать с живой тканью, но мы не можем видеть детально дендриты и аксон нейронов без специальных методов окраски, которые применяются, как правило, в фиксированной ткани. Любопытно, что большинство клеток мозга были описаны более ста лет назад в работах Рамона-и-Кахаля.
В недавнем прошлом для изучения детальной морфологии нейрональных компартментов использовалась электронная микроскопия. Для своего времени это был достаточно мощный метод, который позволил получить очень важную информацию о числе контактов между нейронами и их пластичности. Главным недостатком электронной микроскопии является то, что работа ведется с фиксированной тканью. То, что мы видим в электронном микроскопе, это не живые клетки, а краситель, распределенный в ткани, «посмертная маска». Изображения нейронов под электронным микроскопом, таким образом, отражают не только физиологические процессы нейрональной ткани, но также реакцию клеток на фиксацию и окраску. А ведь самое интересно – это посмотреть, что происходит в живой клетке. Но наука, конечно, не стоит на месте, и технологии развиваются.
Так появился лазерный конфокальный сканирующий микроскоп. То, что вы сейчас видите на экране, – фотография, полученная с помощью такого микроскопа в Neuroimaging laboratory в Лондоне, которой руководит Дмитрий Русаков. С помощью такой техники мы можем не только видеть живые нейроны и их компартменты с высоким разрешением, но также наблюдать процессы, происходящие в этих клетках.
Обратите внимание, как отличается фотография нейрона, полученная с помощью конфокального микроскопа, от той, которая получена с помощью светового микроскопа. Яркая полоса – это электрод, который мы используем для того, чтобы подсоединиться к нейрону и заполнить его красителем. Такой краситель не убивает клетку, а распространяется по ее отросткам. Теперь мы хорошо видим сому, дендриты и аксон клетки.
На данной анимации вы видите изображения нейрона, полученные при различном фокусе с шагом 2 микрометра. Теперь, если собрать отдельные изображения, то можно сделать трехмерную реконструкцию нейрона.
Сейчас перед вами участок дендрита нейрона, который наполнен кальциевым красителем, и по цветовой кодировке вы видите различные уровни кальция. Красный цвет означает низкий уровень, желтый – более высокий и так далее. Если активировать нейрон, то можно увидеть значительное увеличение кальция в этом дендрите. Кальций является важным ионом в жизнедеятельности клетки и принимает участие во многих физиологических процессах. Он может запускать как процессы, связанные с пластичностью, так и вызвать гибель клетки. Наши нейроны живут по определенной программе, которая управляется различными внешними и внутренними сигналами, и кальций – один из них.
На данном изображении мы видим различные морфологические детали, которые не видны при использовании светового микроскопа, например, дендритные шипики. Мы можем посмотреть, как в них изменяется кальций в реальном масштабе времени, и потом сделать трехмерную реконструкцию изображения.
А.Г. Насколько я помню из предыдущей передачи, которая у нас была, именно через дендритные шипики и передается информация к другим клеткам. Они как бы стоят на границе…
А.С. Да, дендритные шипики – это одна из составных частей возбуждающего синапса. Поскольку синапс – это контакт между нейронами, то и шипики принимают важное участие в передаче сигнала от клетки к клетке. Однако есть синапсы, которые не имеют шипиков. Разговор о них зашел, чтобы показать достоинства нового метода. Например, чтобы узнать, что происходит в мозге в различных условиях с использованием электронного микроскопа, мы должны взять ткань у двух различных животных: контрольного и после воздействия. Но это не совсем правильно, поскольку нужно видеть изменения в одной и той же клетке, что стало возможным с применением лазерной сканирующей микроскопии.
Поскольку речь зашла о синаптической передаче, давайте определим, какую она играет роль в нашем мозге. Итак, нейрон способен генерировать электрический потенциал действия, который, распространяясь по аксону, достигает пресинаптических терминалий. Терминали, или варикозные расширения, содержат везикулы, маленькие пузырьки с нейропередатчиком, который высвобождается в синаптическую щель. Синаптические рецепторы на соседней клетке активируются и приводят к генерации тока в этой клетке. Так нейроны могут передавать сигнал между собой. Таким образом, в данной системе существуют как минимум два типа передачи сигнала – электрический по клеточной мембране, и химический между клетками.
Примерно в конце 60-х годов был описан феномен долговременной потенциации синаптической передачи. Затем была открыта долговременная депрессия синаптической передачи. Ученые ликовали: «Поскольку мозг построен на основе синаптических связей между нейронами, то длительные изменения эффективности синаптической передачи должны являться механизмом обучения и памяти». Так возникла теория синаптической пластичности. Эта теория значительно усилила свои позиции со времени пионерских работ. До сих пор не ослабел поток работ, посвященных открытию новых рецепторов, ферментов, молекул-передатчиков, вовлекаемых в процессы синаптической пластичности. Однако уже более тридцати лет так и не удалось получить доказательства, что именно таким образом хранится память у нас в мозге. Вероятно, мозг организован гораздо сложнее, чем совокупность синапсов, и существуют другие, внесинаптические механизмы обработки информации.
Сейчас вы видите схему синапса. Нейропередатчик высвобождается из везикул, находящихся в варикозном расширении аксона, попадает в синаптическую щель и активирует постсинаптические рецепторы. Классическая схема нейропередачи. Традиционно считалось, что нейропередатчик высвобождается в синаптическую щель, активирует рецепторы и тут же захватывается назад в клетки. Но оказалось, что он может диффундировать и за пределы синаптической щели и активировать рецепторы, расположенные на внесинаптической мембране постсинаптической клетки или даже соседних клеток. Таким образом, если синапс передает сигнал от одного нейрона к другому…
А.Г. Идет утечка информации.
А.С. Можно сказать и так. На самом деле, диффузный нейропередатчик также играет важную роль в передаче информации. Давайте представим, что синапсы работают не в одиночку. В нейрональной сети всегда есть вероятность одновременной активации нескольких соседних синапсов. В таком случае нейропередатчик, покидающий синапсы, может существенно менять свою локальную внесинаптическую концентрацию. Другими словами, нейроны находятся не в вакууме, а пространство между ними заполнено различными веществами, в том числе нейропередатчиками. Эти нейропередатчики могут изменять различные свойства нейронов, их возбудимость, выходную функцию.
А.Г. И в зависимости от идущих сигналов концентрация нейропередатчика может повышаться или понижаться в общей средовой культуре?
А.С. В окрестностях синаптических терминалей концентрация внесинаптического нейропередатчика может меняться в зависимости от активности. Причем, источником нейропередатчика могут быть не только синапсы. Он может высвобождаться глиальными клетками. Вообще говоря, глиальные клетки играют важную роль в нейрональной сети, но это предмет для отдельного разговора.
Таким образом, совокупная синаптическая активность и несинаптическое высвобождение нейропередатчика приводят к тому, что концентрация нейропередатчика постоянно варьируется во внеклеточном пространстве. Возникают локальные флуктуации концентрации нейропередатчика, которые влияют на внесинаптические рецепторы и меняют свойства мембраны нейрональных компартментов. Эти изменения могут играть важную роль и определять механизмы обработки и хранения информации в мозге при неизменной эффективности отдельных синапсов. Давайте представим, что нет пластичности в синапсах, а есть только вот эти внеклеточные флуктуации нейропередатчика, которые активируют внесинаптические рецепторы и изменяют свойства нейрональной мембраны – проводимость, возбудимость, ионные градиенты.
