Диалоги (октябрь 2003 г.)

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.

Изменение биофизических свойств мембраны нейрона или его отдельных компартментов (сомы, ответвлений дендритов) при активации внесинаптических рецепторов диффузный нейропередатчик может изменять характеристики входящих синаптических токов (подавление, усиление, укорачивание, удлинение). Причем, эти изменения происходят благодаря свойствам мембраны нейронов, лежащей за пределами синапсов. Так, можно представить, что в условиях неизменной эффективности синаптической передачи, синаптические токи могут быть подавлены или усилены в зависимости от компартмента нейрона посредством внеклеточного нейропередатчика.

Если нейрональная обработка синаптического сигнала будет изменять свои параметры во времени, то этот процесс будет называться «нейрональной пластичностью». Такие изменения могут носить как кратковременный, так и долговременный характер.

Приведу конкретный пример. Внесинаптические рецепторы гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) способны поддерживать постоянный тонический ток. В нашей лаборатории удалось показать, что условия возникновения тонического тока различаются в различных типах нейронов. В возбуждающих нейронах при нормальных условиях ГАМКергический тонический ток отсутствовал, но регистрировался в тормозных. Мы предположили, что это связано с различием в локальной концентрации внеклеточной ГАМК. При эпилептических судорогах у животных этот тонический ток появлялся в обоих типах клеток. Это служит примером долговременного изменения нейрональной обработки сигнала и указывает на роль нейрональной пластичности в патологических состояниях мозга.