А ведь самое интересно Ц это посмотреть, что
происходит в живой клетке. Но наука, конечно, не стоит на месте, и технолог
ии развиваются.
Так появился лазерный конфокальный сканирующий микроскоп. То, что вы сей
час видите на экране, Ц фотография, полученная с помощью такого микроск
опа в Neuroimaging laboratory в Лондоне, которой руководит Дмитрий Русаков. С помощью тако
й техники мы можем не только видеть живые нейроны и их компартменты с выс
оким разрешением, но также наблюдать процессы, происходящие в этих клетк
ах.
Обратите внимание, как отличается фотография нейрона, полученная с помо
щью конфокального микроскопа, от той, которая получена с помощью светово
го микроскопа. Яркая полоса Ц это электрод, который мы используем для то
го, чтобы подсоединиться к нейрону и заполнить его красителем. Такой кра
ситель не убивает клетку, а распространяется по ее отросткам. Теперь мы х
орошо видим сому, дендриты и аксон клетки.
На данной анимации вы видите изображения нейрона, полученные при различ
ном фокусе с шагом 2 микрометра. Теперь, если собрать отдельные изображен
ия, то можно сделать трехмерную реконструкцию нейрона.
Сейчас перед вами участок дендрита нейрона, который наполнен кальциевы
м красителем, и по цветовой кодировке вы видите различные уровни кальция
. Красный цвет означает низкий уровень, желтый Ц более высокий и так дале
е. Если активировать нейрон, то можно увидеть значительное увеличение ка
льция в этом дендрите. Кальций является важным ионом в жизнедеятельност
и клетки и принимает участие во многих физиологических процессах. Он мож
ет запускать как процессы, связанные с пластичностью, так и вызвать гибе
ль клетки. Наши нейроны живут по определенной программе, которая управля
ется различными внешними и внутренними сигналами, и кальций Ц один из н
их.
На данном изображении мы видим различные морфологические детали, котор
ые не видны при использовании светового микроскопа, например, дендритны
е шипики. Мы можем посмотреть, как в них изменяется кальций в реальном мас
штабе времени, и потом сделать трехмерную реконструкцию изображения.
А.Г. Насколько я помню из предыдущей передачи, которая у нас был
а, именно через дендритные шипики и передается информация к другим клетк
ам. Они как бы стоят на границе…
А.С. Да, дендритные шипики Ц это одна из составных частей возбу
ждающего синапса. Поскольку синапс Ц это контакт между нейронами, то и ш
ипики принимают важное участие в передаче сигнала от клетки к клетке. Од
нако есть синапсы, которые не имеют шипиков. Разговор о них зашел, чтобы по
казать 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 во
здействия. Но это не совсем правильно, поскольку нужно видеть изменения
в одной и той же клетке, что стало возможным с применением лазерной скани
рующей микроскопии.
Поскольку речь зашла о синаптической передаче, давайте определим, какую
она играет роль в нашем мозге. Итак, нейрон способен генерировать электр
ический потенциал действия, который, распространяясь по аксону, достига
ет пресинаптических терминалий. Терминали, или варикозные расширения, с
одержат везикулы, маленькие пузырьки с нейропередатчиком, который высв
обождается в синаптическую щель. Синаптические рецепторы на соседней к
летке активируются и приводят к генерации тока в этой клетке. Так нейрон
ы могут передавать сигнал между собой. Таким образом, в данной системе су
ществуют как минимум два типа передачи сигнала Ц электрический по клет
очной мембране, и химический между клетками.
Примерно в конце 60-х годов был описан феномен долговременной потенциаци
и синаптической передачи. Затем была открыта долговременная депрессия
синаптической передачи. Ученые ликовали: «Поскольку мозг построен на ос
нове синаптических связей между нейронами, то длительные изменения эфф
ективности синаптической передачи должны являться механизмом обучени
я 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, ферменто
в, молекул-передатчиков, вовлекаемых в процессы синаптической пластичн
ости. Однако уже более тридцати лет так и не удалось получить доказатель
ства, что именно таким образом хранится память у нас в мозге. Вероятно, моз
г организован гораздо сложнее, чем совокупность синапсов, и существуют д
ругие, внесинаптические механизмы обработки информации.
Сейчас вы видите схему синапса. Нейропередатчик высвобождается из вези
кул, находящихся в варикозном расширении аксона, попадает в синаптическ
ую щель и активирует постсинаптические рецепторы. Классическая схема н
ейропередачи. Традиционно считалось, что нейропередатчик высвобождает
ся в синаптическую щель, активирует рецепторы и тут же захватывается наз
ад в клетки. Но оказалось, что он может диффундировать и за пределы синапт
ической щели и активировать рецепторы, расположенные на внесинаптичес
кой мембране постсинаптической клетки или даже соседних клеток. Таким о
бразом, если синапс передает сигнал от одного нейрона к другому…
А.Г. Идет утечка информации.
А.С. Можно сказать и так. На самом деле, диффузный нейропередатч
ик также играет важную роль в передаче информации. Давайте представим, ч
то синапсы работают не в одиночку. В нейрональной сети всегда есть вероя
тность одновременной активации нескольких соседних синапсов. В таком с
лучае нейропередатчик, покидающий синапсы, может существенно менять св
ою локальную внесинаптическую концентрацию. Другими словами, нейроны н
аходятся не в вакууме, а пространство между ними заполнено различными ве
ществами, в том числе нейропередатчиками. Эти нейропередатчики могут из
менять различные свойства нейронов, их возбудимость, выходную функцию.

А.Г. И в зависимости от идущих сигналов концентрация нейропере
датчика может повышаться или понижаться в общей средовой культуре?
А.С. В окрестностях синаптических терминалей концентрация вн
есинаптического нейропередатчика может меняться в зависимости от акти
вности. Причем, источником нейропередатчика могут быть не только синапс
ы. Он может высвобождаться глиальными клетками. Вообще говоря, глиальные
клетки играют важную роль в нейрональной сети, но это предмет для отдель
ного разговора.
Таким образом, совокупная синаптическая активность и несинаптическое
высвобождение нейропередатчика приводят к тому, что концентрация нейр
опередатчика постоянно варьируется во внеклеточном пространстве. Возн
икают локальные флуктуации концентрации нейропередатчика, которые вли
яют на внесинаптические рецепторы и меняют свойства мембраны нейронал
ьных компартментов. Эти изменения могут играть важную роль и определять
механизмы обработки и хранения информации в мозге при неизменной эффек
тивности отдельных синапсов. Давайте представим, что нет пластичности в
синапсах, а есть только вот эти внеклеточные флуктуации нейропередатчи
ка, которые активируют внесинаптические рецепторы и изменяют свойства
нейрональной мембраны Ц проводимость, возбудимость, ионные градиенты.

Изменение биофизических свойств мембраны нейрона или его отдельных ко
мпартментов (сомы, ответвлений дендритов) при активации внесинаптическ
их рецепторов диффузный нейропередатчик может изменять характеристик
и входящих синаптических токов (подавление, усиление, укорачивание, удли
нение). Причем, эти изменения происходят благодаря свойствам мембраны не
йронов, лежащей за пределами синапсов. Так, можно представить, что в услов
иях неизменной эффективности синаптической передачи, синаптические то
ки могут быть подавлены или усилены в зависимости от компартмента нейро
на посредством внеклеточного нейропередатчика.
Если нейрональная обработка синаптического сигнала будет изменять сво
и параметры во времени, то этот процесс будет называться «нейрональной п
ластичностью». Такие изменения могут носить как кратковременный, так и д
олговременный характер.
Приведу конкретный пример. Внесинаптические рецепторы гамма-аминомас
ляной кислоты (ГАМК) способны поддерживать постоянный тонический ток. В
нашей лаборатории удалось показать, что условия возникновения тоничес
кого тока различаются в различных типах нейронов. В возбуждающих нейрон
ах при нормальных условиях ГАМКергический тонический ток отсутствовал
, но регистрировался в тормозных. Мы предположили, что это связано с разли
чием в локальной концентрации внеклеточной ГАМК. При эпилептических су
дорогах у животных этот тонический ток появлялся в обоих типах клеток. Э
то служит примером долговременного изменения нейрональной обработки с
игнала и указывает на роль нейрональной пластичности в патологических
состояниях мозга.
А.Г. То есть, это тоже структура, и достаточно устойчивая.
А.С. Если говорить о том, что тонический ток есть в одном типе кл
еток и отсутствует в другом, то можно провести аналогию с синаптической
передачей. Есть активные синапсы, а есть «молчащие». Важно, что ситуация с
«тонически молчащими» нейронами может изменяться, как мы это показали п
ри эпилептической активности.
Таким образом, мы приходим к заключению, что в мозге, кроме синаптической
нейропередачи, есть диффузная нейропередача, которая обеспечивает ней
рональную обработку информации.
А.Г. В другой контур происходит передача информации.
А.С. Можно сказать и так. Существует одна нейрональная сеть, но д
ва параллельных пути передачи информации: синаптический и внесинаптич
еский. Они взаимодействуют между собой, что принципиально важно.
А.Г. Это принципиально важно, поскольку умножает количество ва
риантов передаваемых сигналов в геометрической прогрессии и делает си
стему, по сути дела, открытой.
А.С. В принципе, любая биологическая система открытая: будь то с
инаптическая, внесинаптическая или их комбинация. Важно то, что мы начин
аем больше узнавать о мозге. Еще шесть лет назад я сам думал, что обработка
информации в мозге происходит благодаря только синаптической передач
е и пластичности.
Если мыслить более широко и представить, что синаптическая и диффузная н
ейропередачи не являются единственными двумя способами передачи инфор
мации и что нейроны могут передавать сигнал посредством электрическог
о поля или других неизвестных еще путей, то наш мозг может оказаться намн
ого более сложно устроенным. В связи с этим разумными кажутся не только н
аучная разработка известных направлений, но и поиск новых механизмов ра
боты мозга. Только в этом направление возможен прогресс в объяснении сущ
ествования разума.
Помимо прочего существует практический аспект данного вопроса. Некото
рые лекарства, как мы уже обсуждали, разрабатываются с применением подхо
да «мозг Ц черный ящик». Представим, что стал известен эффект этого преп
арата на синаптическую передачу. На самом деле, это вещество может…
А.Г. Одновременно может вызывать целый ряд изменений и внесина
птической системы…
А.С. Совершенно верно.
Например, известно, что некоторые препараты, которые используются как ан
тиэпилептические, обладают нежелательными побочными эффектами. Мы обн
аружили, что эффект таких лекарств на синаптическую передачу делает ней
рональную сеть менее возбудимой, а их действие на диффузную нейропереда
чу оказывается совсем противоположным. Кроме того, дозы лекарств, которы
е не действуют на синаптическую передачу, назовем их «сверхмалыми», впол
не могут оказывать эффект на более «чувствительные» внесинаптические
рецепторы.
Важно отметить, что синаптическая и диффузная нейропередачи развивают
ся по-разному в постэмбриональном периоде. Это не только дает нам новый в
згляд на развитие мозга, но и объясняет, почему действия лекарств могут р
азличаться в разные периоды жизни.
А.Г. Скорость передачи информации в диффузной системе меньше,
чем в синаптической…
А.С. В зависимости от того, что подразумевается под передачей и
нформации.
А.Г. Сигнал.
А.С. В синапсе информация передается от точки к точке. Синапс со
единяет между собой две клетки, и сигнал мгновенно передается от одной и
з них к другой. Диффузный сигнал может передаваться сразу нескольким кле
ткам, но ограничен скоростью диффузии. Как посчитать скорость передачи и
нформации? Если мы поделим число клеток, на которые передался сигнал, на в
ремя передачи, то может получиться, что диффузная система более эффектив
на. С другой стороны, информация, переносимая в синаптической и диффузно
й нейропередаче, качественно отлична. Это два принципиально отличных пу
ти передачи сигнала в мозге.
А.Г. А что входит в круг интересов вашей лаборатории в ближайше
е время? Кроме выполнения практических задач по разработке лекарств.
А.С. Мы не занимаемся разработкой лекарств. Наша лаборатория пр
оводит фундаментальные исследования. Есть еще много вопросов, которые п
редстоит решить на пути понимания механизмов обработки информации моз
гом. Было бы интересно, используя парадигму различных систем передачи и
обработки информации мозгом, помочь ученым переосмыслить и объяснить н
епонятные результаты, которые время от времени появляются и обычно клад
утся в стол…
А.Г. Поскольку не соответствуют…
А.С. Потому что не укладываются в современную систему знаний и
наводят на мысли о сверхъестественном. Если представленную сегодня пар
адигму суметь донести до ученых и подвести под нее достаточную эксперим
ентальную базу, то это будет уже достижением, которое можно считать зако
нченным.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30