Николай Курчанов - Поведение: эволюционный подход

Активированные ГТФ G-белки могут непосредственно воздействовать на ионные каналы, вызывая их активацию или ингибирование. Но чаще их воздействие более опосредованно и связано с формированием каскадных путей. В каскадах принимают участие посредники – вторичные мессенджеры,осуществляющие передачу информации внутрь клетки. Типичный биохимический каскад можно представить следующей схемой: стимул → рецептор → G-белок → фермент мембраны → вторичный мессенджер → фермент цитоплазмы. Первичными мессенджерами считаются сами лиганды, взаимодействующие с рецептором (медиаторы или гормоны).

Вторичных мессенджеров довольно много, но наиболее важным из них, несомненно, является ц-АМФ. Роль ц-АМФ как вторичного мессенджера была показана американским биохимиком Э. Сазерлендом (1915–1974), лауреатом Нобелевской премии 1971 г.

Продуцируется ц-АМФ из АТФ под действием мембранного фермента аденилатциклазы. В свою очередь, ц-АМФ активирует фермент цитоплазмы протеинкиназу, которая фосфорилирует множество белков, изменяющих этим свою активность. Такими белками могут быть и белки ионных каналов.

Активация Са 2+-связывающего белка кальмодулина аналогична активации протеинкиназ ц-АМФ, только в роли вторичного мессенджера выступают ионы Са 2+.

Вторичные мессенджеры не только позволяют переводить внеклеточные сигналы во внутриклеточные, но и обеспечивают значительное усиление сигнала. С их помощью происходит чрезвычайно гибкое регулирование эффектов внешних сигналов. Возможно активное воздействие на фундаментальный процесс синтеза белков. Действие медиаторов, опосредованное непрямыми механизмами, может длиться от нескольких миллисекунд до нескольких лет (Николс Дж. [и др.], 2008).

Особый интерес для понимания механизмов памяти представляют ретроградные мессенджеры,осуществляющие обратный перенос информации – от постсинаптического к пресинаптическому нейрону. Одним из кандидатов на роль ретроградного мессенджера выступает окись азота (NO), легко проникающая через клеточную мембрану. Однако в последнее время рассматриваются и другие вещества, включая пептиды.

Одни и те же медиаторы могут участвовать и в прямой, и в непрямой передаче. В ряде синапсов непрямые механизмы осуществляют модуляцию прямой передачи.

Учитывая многообразный характер регуляции активности нейронов, можно понять разнообразие синаптических контактов между нейронами. Различают синапсы аксон-аксон, аксон-перикарион, аксон-дендрит, причем в последнем случае аксон обычно взаимодействует с выступом дендрита – «шипиком», плотно охватывая его.

При образовании нервно-мышечного соединения имеются свои особенности, хотя принципиальная схема синаптической передачи та же. Каждое мышечное волокно иннервируется веточкой аксона. Аксон не входит внутрь волокна, а лежит в канавке, образованной сарколеммой, формируя синапс. Синаптическая щель характеризуется складками сарколеммы, выступающими в саркоплазму. Основной медиатор нервно-мышечного соединения – ацетилхолин. Его выделение обусловлено поступлением Са 2+. Открытие Са 2+-каналов происходит под действием нервного импульса.

Ацетилхолин «открывает» лиганд-зависимые каналы сарколеммы, что приводит к распространению ПД по Т-каналам внутрь мышечного волокна. Мембраны Т-каналов взаимодействуют с мембранами саркоплазматического ретикулума, который, благодаря Са 2+-насосу, постоянно запасает ионы Са 2+(против градиента). ПД открываются каналы, по которым Са 2+поступает в миофибриллы. В миофибриллах под воздействием Са 2+происходят конформационные изменения белков актиновых нитей – тропонина и тропомиозина . Эти изменения и обусловливают взаимодействие актина и миозина, приводящее к мышечному сокращению. В этом процессе, который проходит значительно сложнее, чем в приведенной схеме, еще много неясного, как и в механизме воздействия медиатора на секреторную клетку желез.

Несмотря на ключевую роль рецепторов в синапсах, роль нейромедиаторов также важна. В нейрофизиологии и нейрохимии исследуется их влияние на поведение. Показано, что нейроны, содержащие тот или иной медиатор, распределены в нервной системе не случайно, а в виде организованных групп, в соответствии с физиологическими функциями, в осуществлении которых они участвуют (Каменская М. А., 1999).

В патогенезе большинства психических и нервных заболеваний показана ведущая роль процессов, связанных с нарушением функционирования нейромедиаторов. Вызванные ими заболевания (болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, шизофрения, эпилепсия, депрессии, алкоголизм, наркомания, фобии и др.) демонстрируют радикальное изменение поведения у человека (Ещенко Н. Д., 2004).

В настоящее время наиболее детально изучены клеточные механизмы неассоциативного научения. Обе его формы обусловлены изменением количества медиатора, высвобождаемого пресинаптическим нейроном и контролируемого уровнем Ca 2+.

Используя в качестве модельной простую нервную систему морского брюхоногого моллюска аплизии (Aplysia californica), американский нейрофизиолог Э. Кендал (р. 1929), лауреат Нобелевской премии 2000 г., описал синаптические механизмы научения (Кендал Э., Хокинс Р., 1992). Аплизия может достигать 30 см в длину и до 2 кг веса, но главное ее «достоинство» – это крупные немногочисленные нейроны, которые легко идентифицировать.

Привыкание характеризуется инактивацией Ca 2+-каналов, что уменьшает приток ионов Ca 2+и, соответственно, выброс медиатора. При сенситизации поступление Ca 2+в пресинаптический нейрон, наоборот, возрастает, что приводит к увеличению выброса медиатора.

Сенситизация исследована более подробно. Она связана с активацией модулирующего нейрона, образующего синапсы на пресинаптическом окончании. Модулирующий нейрон обычно выделяет медиатор серотонин , который связывается с метаботропными рецепторами, сопряженными с аденилатциклазой, что приводит к ее активации и запуску синтеза вторичного мессенджера ц-АМФ, активирующего протеинкиназу . Воздействуя на K +-каналы, протеинкиназа удлиняет время функционирования потенциал-зависимых Ca 2+-каналов, что увеличивает поступление Ca 2+. Увеличение выброса медиатора усиливает возбуждающее действие мотонейрона (Кендал Э., Хокинс Р., 1992).

Нейрофизиологической основой ассоциативного научения служит конвергенция безусловного и условного сигналов. Согласно гипотезе канадского психолога Д. Хебба (1904–1985), в основе научения лежит повышение эффективности синапсов, что происходит при одновременной стимуляции пре– и постсинаптических нейронов (Hebb D., 1949). Такие структуры получили название «синапсов Хебба». При этом происходит специфическая активация существовавших ранее, но слабых синапсов, исходивших от условного раздражителя. Условный рефлекс – это скорее не новообразование, а усиление существующей структуры (Hebb D., 1949).