Самый главный нейромедиатор
Физиолог Вячеслав Дубынин о передаче сенсорики, NMDA-рецепторах и свойствах глутаминовой кислоты.
В основе работы мозга лежит взаимодействие нервных клеток, а они разговаривают друг с другом с помощью веществ, которые называются медиаторами. Медиаторов довольно много, например ацетилхолин, норадреналин. Один из важнейших медиаторов, а может быть, и самый главный, называется глутаминовая кислота, или глутамат. Если посмотреть на строение нашего мозга и на то, какие вещества используют разные нервные клетки, то глутамат выделяют где-то 40% нейронов, то есть это очень большая доля нервных клеток.
С помощью выделения глутамата в нашем мозге, головном и спинном, передаются основные информационные потоки: все, что связано с сенсорикой (зрение и слух), память, движение, пока оно не дошло до мышц, – все это передается с помощью выделения глутаминовой кислоты. Поэтому, конечно, данный медиатор заслуживает особого внимания и очень активно изучается.
По своей химической структуре глутамат – это довольно простая молекула. Он является аминокислотой, причем пищевой аминокислотой, то есть сходные молекулы мы получаем просто в составе тех белков, которые едим. Но надо сказать, что пищевой глутамат (из молока, хлеба или мяса) в мозг практически не проходит. Нервные клетки синтезируют это вещество прямо в окончаниях аксонов, прямо в тех структурах, которые входят в состав синапсов, «по месту» и дальше выделяют для того, чтобы передавать информацию.
Сделать глутамат очень просто. Исходным материалом служит α-кетоглутаровая кислота. Это очень распространенная молекула, она получается по ходу окисления глюкозы, во всех клетках, во всех митохондриях ее много. И дальше на эту α-кетоглутаровую кислоту достаточно пересадить любую аминогруппу, взятую от любой аминокислоты, и вот уже получается глутамат, глутаминовая кислота. Глутаминовая кислота может еще синтезироваться из глутамина. Это тоже пищевая аминокислота, глутамат и глутамин очень легко превращаются друг в друга. Например, когда глутамат выполнил свою функцию в синапсе и передал сигнал, дальше он разрушается с образованием глутамина.
Глутамат – это возбуждающий медиатор, то есть он всегда в нашей нервной системе, в синапсах, вызывает нервное возбуждение и дальнейшую передачу сигнала. Этим глутамат отличается, например, от ацетилхолина или норадреналина, потому что ацетилхолин и норадреналин в одних синапсах могут вызывать возбуждение, в других – торможение, у них более сложный алгоритм работы. А глутамат в этом смысле более прост и понятен, хотя такой уж совсем простоты вы не найдете, поскольку к глутамату существует порядка 10 типов рецепторов, то есть чувствительных белков, на которые действует эта молекула, и разные рецепторы с разной скоростью и с разными параметрами проводят глутаматный сигнал.
Эволюция растений нашла целый ряд токсинов, действующих на глутаматные рецепторы. Для чего это растениям, в общем, достаточно понятно. Растения, как правило, против того, чтобы их ели животные, соответственно, эволюция придумывает некие защитные токсические конструкции, которые останавливают травоядных. Наиболее сильные растительные токсины связаны с водорослями, и именно токсины водорослей способны очень мощно влиять на глутаматные рецепторы мозга и вызывать тотальное возбуждение и судороги. Получается, что суперактивация глутаматных синапсов – это очень мощное возбуждение мозга, судорожное состояние. Наверное, самая известная молекула в этом ряду называется домоевая кислота, она синтезируется одноклеточными водорослями – есть такие водоросли, они живут в западной части Тихого океана, на побережье, например, Канады, Калифорнии, Мексики. Отравление токсином этих водорослей весьма и весьма опасно. А это отравление иногда случается, потому что одноклеточными водорослями питается зоопланктон, всякие мелкие рачки или, например, двустворчатые моллюски, когда фильтруют воду, втягивают в себя эти водорослевые клетки, а дальше в какой-нибудь мидии или устрице оказывается слишком высокая концентрация домоевой кислоты, и можно серьезно отравиться.
Зарегистрированы даже смертельные случаи среди людей. Они, правда, единичные, но тем не менее это говорит о мощи данного токсина. И весьма характерным является отравление домоевой кислотой в случае птиц. Если какие-то морские птицы, которые едят опять же мелкую рыбешку, питающуюся зоопланктоном, слишком много получают домоевой кислоты, то возникает характерный психоз: какие-нибудь чайки или пеликаны перестают бояться крупных объектов и, наоборот, на них нападают, то есть становятся агрессивными. Была целая эпидемия таких отравлений где-то в начале 1960-х годов, и сообщения газет об этой эпидемии «птичьих психозов» вдохновили Дафну Дюморье на то, чтобы она написала роман «Птицы», а потом Альфред Хичкок снял классический триллер «Птицы», где вы видите тысячи очень агрессивных чаек, которые мучают главных героев фильма. Естественно, в реальности таких глобальных отравлений не было, но тем не менее домоевая кислота вызывает очень характерные эффекты, и она и подобные ей молекулы, конечно, очень опасны для работы мозга.
Мы едим глутаминовую кислоту и похожий на нее глутамат в большом количестве просто с пищевыми белками. Наши белки, которые входят в состав различных пищевых продуктов, содержат 20 аминокислот. Глутамат и глутаминовая кислота находятся в составе этой двадцатки. Более того, они наиболее распространенные аминокислоты, если тотально посмотреть на строение белков. В итоге за день с обычной пищей мы съедаем от 5 до 10 граммов глутамата и глутамина. В свое время с очень большим трудом поверили, что глутамат выполняет функции медиатора в мозге, потому что получается, что вещество, которое мы буквально в лошадиных дозах потребляем, в мозге выполняет такие тонкие функции. Была такая логическая нестыковка. Но потом поняли, что, собственно, пищевой глутамат в мозг практически не проходит. За это нужно благодарить структуру, которая называется гематоэнцефалический барьер, то есть специальные клетки окружают все капилляры, все мелкие сосуды, которые пронизывают мозг, и довольно жестко контролируют движение химических веществ из крови в нервную систему. Если бы не это, то какая-нибудь съеденная котлета или булочка вызывала бы у нас судороги, а это, естественно, никому не нужно. Поэтому пищевой глутамат почти не проходит в мозг и, действительно, синтезируется для того, чтобы выполнять медиаторные функции прямо в синапсах. Тем не менее если много глутамата одномоментно съесть, то небольшое количество все-таки проникает в мозг. Тогда может возникнуть небольшое возбуждение, эффект которого сравним с чашкой крепкого кофе. Такое действие высоких доз пищевого глутамата известно, и оно возникает довольно часто, если человек использует глутамат в больших количествах как пищевую добавку.
Дело в том, что наша вкусовая система очень чувствительна к глутамату. Опять же это связано с тем, что глутамата много в белках. Получается, что эволюция вкусовой системы, настраиваясь на химический анализ пищи, именно глутамат выделила как признак белковой еды, то есть мы должны есть белок, потому что белок – это главный строительный материал нашего тела. Точно так же глюкозу наша вкусовая система научилась очень хорошо детектировать, потому что глюкоза и подобные ей моносахариды – это главный источник энергии, а белок – главный строительный материал. Поэтому вкусовая система настроилась на идентификацию глутамата именно как сигнала о белковой пище, и наряду с кислым, сладким, соленым, горьким вкусами у нас есть на языке чувствительные клетки, которые реагируют именно на глутамат. И глутамат – это всем известная еще и так называемая вкусовая добавка. Называть его усилителем вкуса не совсем правильно, потому что у глутамата свой собственный вкус, который по значимости так же велик, как горькое, кислое, сладкое и соленое.
Надо сказать, что о существовании глутаматного вкуса известно уже более ста лет. Японские физиологи открыли этот эффект благодаря тому, что в японской и китайской кухне глутамат (в виде соевого соуса или соуса, который делается из морской капусты) используется очень давно. Соответственно, возник вопрос: почему они такие вкусные и почему вкус этот так отличается от стандартных вкусов? Дальше были открыты глутаматные рецепторы, а потом глутамат уже стали использовать практически в чистом виде (Е620, Е621 – глутамат натрия), для того чтобы добавлять в самую разную еду. Порой бывает так, что глутамат начинают обвинять во всех смертных грехах, называют «очередной белой смертью»: соль, сахар и глутамат – белая смерть. Это, конечно, сильно преувеличено, потому что еще раз повторю: в течение дня мы с обычной едой съедаем от 5 до 10 граммов глутамата и глутаминовой кислоты. Поэтому если вы немного добавите глутамата в пищу для появления этого мясного вкуса, в этом нет ничего страшного, хотя, конечно, избыток неполезен.
К глутамату, действительно, много рецепторов (около 10 типов рецепторов), которые с разной скоростью проводят глутаматные сигналы. И эти рецепторы изучаются прежде всего с точки зрения анализа механизмов памяти. Когда в нашем мозге и в коре больших полушарий возникает память, это реально означает, что между нервными клетками, передающими какой-то информационный поток, начинают активнее работать синапсы. Основной механизм активации работы синапсов – это увеличение эффективности глутаматных рецепторов. Анализируя разные глутаматные рецепторы, мы видим, что разные рецепторы по-разному меняют свою эффективность. Наверное, наиболее изученные – так называемые NMDA-рецепторы. Это аббревиатура, она расшифровывается как N-метил-D-аспартат. Этот рецептор реагирует на глутамат и NMDA. Для NMDA-рецептора характерно то, что он способен блокироваться ионом магния, и если к рецептору присоединен ион магния, то этот рецептор не функционирует. То есть вы получаете синапс, в котором есть рецепторы, но эти рецепторы выключены. Если по нейросети прошел какой-то сильный, значимый сигнал, то ионы магния (их еще называют магниевыми пробками) отрываются от NMDA-рецептора, и синапс начинает буквально мгновенно работать в разы эффективнее. На уровне передачи информации это как раз и означает запись некого следа памяти. В нашем мозге есть структура, которая называется гиппокамп, там как раз очень много таких синапсов с NMDA-рецепторами, и гиппокамп является, пожалуй, наиболее исследуемой с точки зрения механизмов памяти структурой.
Но NMDA-рецепторы, появление и уход магниевой пробки – это механизм кратковременной памяти, потому что пробка может уйти, а потом вернуться – тогда мы что-то забудем. Если формируется долговременная память, там все гораздо сложнее, и там работают другие типы глутаматных рецепторов, которые способны с мембраны нервной клетки передавать сигнал прямо на ядерную ДНК. И получив этот сигнал, ядерная ДНК запускает синтез дополнительных рецепторов в глутаминовой кислоте, и эти рецепторы встраиваются в синаптические мембраны, и синапс начинает работать эффективнее. Но это происходит уже не мгновенно, как в случае выбивания магниевой пробки, а требует нескольких часов, требует повторов. Но зато уж если это случилось, то всерьез и надолго, и это основа нашей долговременной памяти.
Конечно, фармакологи используют глутаматные рецепторы, для того чтобы влиять на различные функции мозга, в основном для понижения возбуждения нервной системы. Очень известен препарат, который называется кетамин. Он работает как вещество для наркоза. Кетамин, кроме того, известен как молекула с наркотическим действием, потому что при выходе из наркоза довольно часто возникают галлюцинации, поэтому кетамин относят еще и к препаратам галлюциногенного, психоделического действия, с ним очень непросто. Но в фармакологии такое часто бывает: вещество, являющееся необходимейшим лекарственным препаратом, обладает какими-то побочными эффектами, которые в итоге приводят к тому, что нужно распространение и использование этого вещества очень жестко контролировать.
Еще одна молекула очень известна в связи с глутаматом – это мемантин, вещество, способное довольно мягко блокировать NMDA-рецепторы и в итоге понижать активность коры больших полушарий в самых разных зонах. Мемантин используется в довольно широком круге ситуаций. Его аптечное название – «Акатинол». Он используется для того, чтобы понижать тотальный уровень возбуждения, чтобы ослаблять вероятность эпилептических припадков, и, пожалуй, самое активное использование мемантина – это ситуации нейродегенерации и болезнь Альцгеймера.
Об авторе:
Вячеслав Дубынин – доктор биологических наук, профессор кафедры физиологии человека и животных биологического факультета МГУ, специалист в области физиологии мозга.
Источник
Нейромедиаторы, часть первая: дофамин, норадреналин, серотонин
Нейромедиаторы — это праздник, который всегда с тобой. Мы постоянно слышим о том, что именно они дарят чувства радости и удовольствия, но мало знаем о том, как они работают. В первой части небольшого образовательного курса «Атлас» рассказывает о трех самых известных нейромедиаторах, без которых наша жизнь была бы просто отвратительной.
Как работают нейромедиаторы
Нервные клетки сообщаются между собой с помощью отростков — аксонов и дендритов. Между ними зазор — так называемая синаптическая щель. Именно здесь и происходит взаимодействие нейронов.
Медиаторы синтезируются в клетке и доставляются в окончание аксона — к пресинаптической мембране. Там под действием электрических импульсов они попадают в синаптическую щель и активируют рецепторы следующего нейрона. После активации рецепторов нейромедиатор возвращается обратно в клетку (происходит так называемый обратный захват) или разрушается.
Сами нейромедиаторы не являются белками, поэтому не существует «гена дофамина» или «гена адреналина». Белки выполняют всю вспомогательную работу: белки-ферменты синтезируют вещество нейромедиатора, белки-транспортеры отвечают за доставку, белки-рецепторы активируют нервную клетку. За правильную работу одного нейромедиатора могут отвечать несколько белков — а значит, несколько разных генов.
Дофамин
За счет активации нейронов в разных областях мозга дофамин играет несколько ролей. Во-первых, он отвечает за двигательную активность и дарит радость движения. Во-вторых, дает ощущение почти детского восторга от изучения нового — и стремление поиска новизны. В-третьих, дофамин выполняет важную функцию вознаграждения и подкрепления мотивации: как только мы делаем что-то полезное для жизни человеческого вида, нейроны выдают нам приз — чувство удовлетворенности (иногда его называют удовольствием). На базовом уровне мы получаем награду за простые человеческие радости — еду и секс, но в целом варианты достижения удовлетворения зависят от вкусов каждого — кому-то «морковка» достанется за дописанный код, кому-то — за вот эту статью.
Система вознаграждения связана с обучением: человек получает удовольствие, а в его мозгу формируются новые причинно-следственные ассоциации. И потом, когда удовольствие пройдет и встанет вопрос, как его получить снова, возникнет простое решение — написать еще одну статью.
Дофамин выглядит как отличный стимулятор для работы и учебы, а также идеальный наркотик — именно с действием дофамина связано большинство наркотиков (амфетамин, кокаин), вот только есть серьезные побочные эффекты. «Передозировка» дофамина ведет к шизофрении (мозг работает настолько активно, что это начинает проявляться в слуховых и зрительных галлюцинациях), а недостаток — к депрессивному расстройству или развитию болезни Паркинсона.
У дофамина пять рецепторов, пронумерованные от D1 до D5. Четвертый рецептор отвечает за поиск новизны. Его кодирует ген DRD4, от длины которого зависит интенсивность восприятия дофамина. Чем меньше количество повторов, тем проще человеку достичь пика удовольствия. Таким людям скорее всего будет достаточно вкусного ужина и хорошего фильма.
Чем больше количество повторов — а их может быть до десяти — тем сложнее получить удовольствие. Таким людям приходится постараться, чтобы получить вознаграждение: отправиться в кругосветное путешествие, покорить вершину горы, сделать сальто на мотоцикле или поставить на красное всё состояние в Лас-Вегасе. Такой генотип связывают с дальностью миграции древних людей из Африки по Евразии. Есть и печальная статистика: у осужденных в тюрьмах по тяжким преступлениям чаще встречается «неудовлетворительный» вариант DRD4.
Норадреналин
Норадреналин — это нейромедиатор бодрствования и принятия быстрых решений. Он активизируется при стрессе и в экстремальных ситуациях, участвует в реакции «бей или беги». Норадреналин вызывает прилив энергии, снижает чувство страха, повышает уровень агрессии. На соматическом уровне под действием норадреналина учащается сердцебиение и повышается давление.
Норадреналин — любимый медиатор серферов, сноубордистов, мотоциклистов и других любителей экстремальных видов спорта, а также их коллег в казино и игровых клубах — мозг не делает разницы между реальными событиями и воображаемыми, поэтому безопасного для жизни риска проиграть свое состояние в карты достаточно для активации норадреналина.
Высокий уровень норадреналина приводит к снижению зрения и аналитических способностей, а недостаток — к скуке и апатии.
Ген SLC6A2 кодирует белок-транспортер норадреналина. Он обеспечивает обратный захват норадреналина в пресинаптическую мембрану. От его работы зависит, как долго норадреналин будет действовать в организме человека, после того, как он успешно справился с опасной ситуацией. Мутации в этом гене могут вызывать синдром дефицита внимания (СДВГ).
Серотонин
Мы привыкли слышать о нем как о «гормоне счастья», при этом серотонин — никакой не гормон, и со «счастьем» всё не так однозначно. Серотонин — это нейромедиатор, который не столько приносит положительные эмоции, сколько снижает восприимчивость к отрицательным. Он оказывает поддержку «соседним» нейромедиаторам — норадреналину и дофамину; серотонин задействован в двигательной активности, снижает общий болевой фон, помогает организму в борьбе против воспаления. Также серотонин повышает точность передачи активных сигналов в мозге и помогает сконцентрироваться.
Переизбыток серотонина (например, при употреблении ЛСД) увеличивает «громкость» вторичных сигналов в мозге, и возникают галлюцинации. Недостаток серотонина и нарушение баланса между позитивными и негативными эмоциями — основная причина депрессии.
Ген 5-HTTLPR кодирует белок‑транспортер серотонина. Последовательность гена содержит участок повторов, количество которых может различаться. Чем длиннее цепочка, тем проще человеку сохранять позитивный настрой и переключаться с негативных эмоций. Чем короче — тем выше вероятность, что отрицательный опыт будет травмирующим. С количеством повторов также ассоциированы синдром внезапной детской смертности, агрессивное поведение при развитии болезни Альцгеймера и склонность к депрессии.
Разрушение нейромедиаторов
Действие нейромедиаторов похоже на праздник, будто все вышли радостной толпой на улицу смотреть салют. Но праздник не может (и не должен) длиться вечно, и неоновые розы в ночном небе должны уступить привычным созвездиям и утренней заре.
Для это в организме есть функция обратного захвата медиатора — когда вещество возвращается из синаптической щели обратно в пресинаптическую мембрану аксона и действие нейромедиатора прекращается. Но иногда обратного захвата недостаточно, и нужны более действенные меры — разрушение молекулы нейромедиатора. Эти функции также выполняют белки.
Ген COMT кодирует фермент катехол‑О-метилтрансферазу, который разрушает норадреналин и дофамин. От работы белка зависит, насколько хорошо вы будете справляться со стрессовыми ситуациями. Обладатели активной формы гена COMT— воины по природе — получают пониженный уровень дофамина в лобной доле головного мозга, которая отвечает за обработку информации и приятные ощущения. Такие люди лучше приспосабливаются к стрессовым ситуациям, они открыты к общению, у них лучше память. Но из‑за низкого уровня дофамина они получают меньше удовольствия от жизни, более склонны к депрессии, у них хуже развиты моторные функции. Малоактивный вариант гена COMT меняет ситуацию на противоположную. Обладатели неактивной мутации обладают хорошей мелкой моторикой, более креативны, но плохо переносят боль, и стоит им попасть в стрессовую ситуацию, как они погружаются в раздражительность, импульсивность и тревожность. Также мутации гена COMT связаны с парскинсонизмом и гипертонией.
Ген фермента моноаминоксидазы А MAOA отвечает за дезактивацию моноаминов — нейромедиаторов с одной аминогруппой, к которым относятся адреналин, норадреналин, серотонин, мелатонин, гистамин, дофамин. Чем лучше работает ген MAOA, тем быстрее нейтрализуется «затуманивание рассудка», вызванной стрессовой ситуацией и тем быстрее человек способен принимать взвешенные решения.
Иногда даже ген MAOA называют «геном преступника»: определенные мутации гена способствуют возникновению патологической агрессии. Из‑за того что ген находится в X-хромосоме, и у девочек две копии этого гена, а у мальчиков только одна, среди мужчин статистически больше «прирожденных преступников».
Не будем сваливать всё на генетику — даже в отношении «яростного» гена MAOA всё непросто: исследование новозеландских ученых показало, что связь между геном и агрессивным поведением проявляется только при наличии травмирующего опыта.
Понимание принципов работы нейромедиаторов позволяет по-новому взглянуть на привычные эмоции, перемену настроения и даже пересмотреть представления о том, что же на самом деле формирует нашу личность. Продолжить увлекательный процесс самопознания можно вместе с генетическим тестом «Атлас» — отличный повод узнать свой вариант гена COMT и MAOA.
Источник