По нервам (отдельным нервным волокнам) сигналы распространяются в виде потенциалов действия и электротонических потенциалов, но на разные предельные расстояния. Способность аксонов и дендритов, а также мембран мышечных клеток проводить электрические сигналы характеризуется их кабельными свойствами .
Кабельные свойства нервных проводников очень существенны для распространения сигналов в нервной системе. Они обусловливают генерацию потенциалов действия в сенсорных нервных окончаниях, или рецепторах, при действии раздражителей, проведение сигналов по аксонам, суммацию сигналов мембраной сомы нейрона.
В основу современных теорий кабельного проведения возбуждения положена гипотеза Германна о существовании круговых токов (токов Германна), текущих от невозбужденных участков мембраны к возбужденным при распространении импульса по аксону.
Из цитологии известно, что каждая возбудимая клетка ограничена плазматической мембраной, к которой примыкают окружающие клетку оболочки. Наиболее часто нервные волокна окружены миелиновой оболочкой, сформированной глиальной клеткой в ЦНС либо оболочкой, образованной Шванновской клеткой на периферии. В местах разветвления аксона, либо в начальной или конечной его части миелиновая оболочка истончается. Сама мембрана состоит из липидов и белков. Все это обусловливает высокое электрическое сопротивление мембраны клеток и высокую распределенную электрическую ее емкость. Эти характеристики определяют проводящие свойства нервного волокна.
Основные закономерности распространения потенциалов, электротонических прежде всего, по нервным волокнам получены в экспериментах на крупных аксонах кальмаров. Было обнаружено, что при нанесении прямоугольного стимула в определенной точке волокна по мере удаления от места стимуляции сигнал регистрируется с искажением. С одной стороны, происходит изменение формы его переднего и заднего фронта (запаздывание достижения максимального значения) и уменьшение его амплитуды. Первая из этих величин определяется постоянной времени, вторая – постоянной длины. Из радиофизики известно, что постоянная времени электрической цепи имеющей емкость (С) и сопротивление R, определяется формулой
τ = RC
и измеряется в секундах.
Из чего складывается сопротивление клеточной мембраны? В клетке существует три пути, по которым может течь ток в продольном направлении по аксону
а) аксоплазма
б)внеклеточная жидкость
в) сама мембрана
Внеклеточная жидкость –электролит, ее сопротивление мало. Удельное сопротивление мембраны толщиной 100 ангстрем приближается к 1000-5000 ом× см, очень велико. Удельное сопротивление аксоплазмы невелико, 200 ом× см. Емкость мембран возбудимых клеток С близка к 1 мкф/см 2 , но не бывает больше 7 мкф/см 2 . Таким образом,τ может быть 0,1-7 мс. Постоянная времени определяет скорость запаздывания развития потенциала до максимального значения и скорость запаздывания его затухания до фоновой величины.
Градиент нарастания потенциала (заряд мембранного конденсатора) определяется экспоненциальным законом:
V/V 0 =(1-e –t/ τ)
Величина потенциала V t в момент времениtменьше первоначального потенциалаV 0 на величину, определяемую выражением (1-e – t / τ).
Примем t=τ, тогда
V t /V 0 =(1-e –1)= 1-1/e=1-1/2.7=0.63
Или 63% от первоначального.
Разряд конденсатора мембраны тоже описывается экспоненциальной формулой:
V t /V 0 =e –t/ τ
Примем t=τ, тогдаV t /V 0 =e –1 =1/2,7=0,37 или 37% от максимального спустя времяt.
Если через мембрану клетки течет емкостной ток электротонического происхождения, за каждый отрезок времени, равный τ, постоянной времени, сигнал электротона увеличивается на 63 % от предыдущего при возрастании сигнала, или уменьшается до 37% от предыдущей величины при его спаде.
Ионный механизм этого явления может упрощенно быть описан таким образом. При введении в клетку положительных зарядов (деполяризация) ионы К + начинают перемещаться по направлению к мембране, которая обладает емкостью, позволяющей эти заряды накапливать, но имеются открытые каналы утечки, пропускающие ионы и демпфирующие накопление заряда. Чтобы произошел реальный сдвиг заряда, должно пройти время. Время нужно и для восстановления первоначальной величины заряда при разряде мембранного конденсатора. Это и естьτ.
На какое расстояние может распространится электротонический потенциал по мембране нервного волокна?
Пассивное распространение сигнала электротона определяется уравнением U x =U 0 ×e - x /λ , в котором мы снова видим экспоненциальную зависимость.
Нетрудно произвести преобразования формулы для случая x= λ и убедится, что электротонический потенциалU x в точке, находящейся от первоначальной на расстоянии x будет меньше первоначальногоU 0 вeраз (до 37% отU 0 , т.е. ½,7), если эта точкаxравнапостоянной длины λ.
Постоянная длины λ , или пространственная константа поляризации зависит от сопротивления мембраны r m , сопротивления внешней среды r o и сопротивления аксоплазмы r i .
Чем больше сопротивление мембраны, меньше сопротивление среды, тем на большее расстояние передается электротонический потенциал. Уменьшение величины электротона в зависимости от расстояния называется декрементом .
Оказалось, что на постоянную длины влияет диаметр проводника, поскольку от него зависит сопротивление аксоплазмы. Поэтому толстые нервные волокна имеют большее расстояние λ, на которое способен расспространяться электротон.
Распространение электротона – прежде всего катэлектротона – важный физиологический феномен. В клетках, не генерирующих ПД (глия, эпителий, тонические мышечные волокна) за счет проведения электротона осуществляется функциональная взаимосвязь между клетками. В дендритном дереве нейронов, например, коры больших полушарий мозга, сигналы в виде электротона могут доходить от дендритов до сомы. В области синапса, зная рассмотренные закономерности, можно определить, на какое расстояние могут распространяться синаптические потенциалы.
Тем не менее, и расчеты, и прямые измерения дают очень небольшие расстояния, на которое способен распространяться электротон. Поэтому, если деполяризация в участке мембраны не достигает точки КУД, нет увеличения проницаемости для Na + , через потенциалзависимые каналы, происходят только пассивные изменения мембранного потенциала. Константа λ варьирует от 0,1 до 5 мм. Совершенно очевидно, что для связи в пределах ЦНС нужен другой механизм передачи сигналов. Эволюция его нашла. Этот механизм – распространение импульса.
Мерой проведения импульса по аксону является скорость. Скорость передачи потенциалов действия играет существенную роль в организации связей в нервной системе. Обычно быстропроводящие нервные волокна со скоростью проведения более 100 м/с обслуживают быстрые рефлексы, те, при осуществлении которых требуется безотлагательная реакция. Например, при неудачной постановке конечности (Вы оступились), чтобы избежать падения; в защитных рефлексах, инициированных повреждающим стимулом, и т.д. Для рефлексов быстрого реагирования требуется высокая скорость в афферентном и двигательном звене, до 120 м/с. Наоборот, некоторые процессы не требуют столь быстрого реагирования. Это относится к механизмам регуляции деятельности внутренних органов, где достаточно бывает скорости проведения около 1 м/с.
Рассмотрим события, связанные с распространением ПД по немиелинизированному нервному волокну (иногда с ошибкой говорят немиелиновому , но это бессмысленно, так как миелин не проводит ток, это оболочка!). Инициация волны возбуждения может быть обусловленной либо активностью рецептора (генераторный потенциал), либо синаптическими процессами. Можно вызвать ПД и электростимуляцией аксона. Если локальное смещение мембранного потенциала (деполяризация) превышает порог, достигает точки КУД, активирует потенциалзависимые натриевые каналы, ПД в виде волны деполяризации-реполяризации возникает и распространяется вдоль нервного волокна. Точка максимума ПД соответствует максимальной реверсии мембранного потенциала (овершут). Получается ситуация, при которой ПД, распространяясь по волокну, порождает перед собой токи Германна, которые разряжают мембранную емкость, приближают мембранные потенциал следующего участка мембраны к КУД, и т.д. Сзади за собой перемещающийся ПД оставляет область мембраны, находящуюся в состоянии относительной рефрактерности.
Для распространения ПД необходимо, чтобы он всякий раз порождал электротонический потенциал в соседней области, той, куда он распространяется, способный сместить мембранный потенциал на величину порога, то есть амплитуда потенциала действия должна превышать порог его возникновения в несколько раз. Отношение ПД/порог носит название гарантийный фактор (Uпд/Uпорог=5..7).
Скорость перемещения электротона и ПД по безмякотным волокнам мала и не превышает 1 м/с. У кальмара, за счет объединения в эмбриогенезе нескольких аксонов в один, что увеличивает общий диаметр проводника, скорость импульса в немиелинизированном волокне может быть до 25 м/с. У млекопитающих скорость повышена за счет миелинизации аксонов. Высокое удельное сопротивление миелина приводит к тому, что мембрана мякотных волокон приобретает высокое сопротивление и малую емкость. В перехватах Ранвье сосредоточены натриевые потенциалзависимые каналы, в приперехватных областях – калиевые, ответственные за реполяризацию. Эти особенности строение приводят к тому, что сальтаторное проведение возбуждения имеет высокую надежность и высокую скорость, которые сочетаются с экономичностью (мякотные аксоны для перемещенияNa + иK + через мембрану обходятся меньшим количеством натрий-калиевой АТФазы). Отличительное биофизическое свойство сальтаторного проведения ПД состоит и в том, что токи замыкаются через межклеточную среду, имеющую низкое сопротивление, при этом токи следуют и вдоль, и поперек волокна.
Скорость передачи импульсов по мякотному волокну зависит от диаметра последнего простым соотношением
V=К× d, гдеd–диаметр, а к-константа.
Для амфибий к=2, для млекопитающих к=6.
Длина участка волокна, вовлеченного в процесс передачи одного ПД равна L=t× V, гдеt-длительность импульса. Этот показатель важен в методическом отношении, поскольку от длины возбужденного участка нерва зависит подбор межполюсного расстояния отводящих (регистрирующих) электродов.
В нервных стволах отдельные афферентные и двигательные нервные волокна расположены в компактно упакованном состоянии. Проведение по отдельным волокнам осуществляется изолированно от соседних, может распространяться в двух направлениях от места возникновения, имеет относительно постоянную скорость в любом участке аксона (кроме окончаний) и возбуждение от нескольких источников возникновения в клетке может подвергаться алгебраическому суммированию. Диапазон различий в скоростях проведения в волокнах велик, что позволило провести несколько классификаций. Наиболее принятыми считаются классификации Эрлангера-Гассера (группы АαβγδВС) и, в меньшей степени, Ллойда (группы I,II,III).
Одно из таких устройств (изображено на фотографии ниже) стимулирует участки мозга, локализованные за лбом. Они отвечают за внимание.
В лабораторных условиях такая стимуляция длится не более 20 минут за один раз. Причем к участию в эксперименте допускаются только те люди, которые предварительно прошли строгий медицинский осмотр.
В конце концов, к мозгу испытуемых применяют устройства, которое, по словам ученых, могут дать неожиданные результаты. Например, воздействие на другие участки мозга или смена полярности электродов может не то что не помочь, а, наоборот, навредить человеку.
Вы можете причинить себе вред. Важно знать, как правильно пользоваться этим методом, выбрать подходящее время и мощность тока, — предупреждают ученые Оксфордского университета.
С ними соглашаются их коллеги из Университета в Суонси. По их словам, электростимуляторы мозга могут вызывать судороги и смену настроения. К группе повышенного риска относятся люди в возрасте до 20 лет – наиболее плодотворный период развития мозга.
Но больше всего ученых настораживает то, что многие технически одаренные дети собирают такие гаджеты своими руками. На форуме Reddit.com можно найти сообщения с жалобами на «обожженную кожу головы» и «вспышки гнева» после стимуляции мозга методом TDCS-терапии.
Такое может произойти при превышении положенной дозировки. В отличие от пациентов, простые обыватели в меньшей степени осведомлены о возможных рисках, – говорит исследователь Ник Дэвис из Университета в Суонси.
Маркетинг опережает науку
Оксфордские ученые призывают усилить контроль за электростимуляторами мозга. Некоторые компании позиционируют эти гаджеты как геймерские, хотя они относятся к изделиям медицинского назначения, которые подлежат соответствующей регистрации и контролю.
Ученые вовсе не хотят запретить или ограничить доступ к устройствам улучшения когнитивных способностей. Они хотят, чтобы пользователи знали, какие риски им придется принять в погоне за потенциальной выгодой.
Другая озабоченность связана с тем, что технология еще не готова для коммерческого использования. По словам невролога Стивена Новелла из Йельского университета, компании часто забирают из лабораторий непроверенные технологии и пытаются вывести их на рынок, называя их «секси».
Любое устройство с медицинской функциональностью должно соответственно регулироваться. Регулирование – это единственное, что мотивирует тратить деньги и время на исследования, — говорит Новелла.
По словам ученых, интерес к технологии будет только расти. Но пока не будут проведены дополнительные исследования, они рекомендуют использовать электростимуляторы мозга с осторожностью.
По материалам BBC.com
Оптогенетика - метод исследования возбудимых клеток, использующий белки, которые встраиваются в мембрану клетки и активируются светом (отсюда «опто»). Такие белки (опсины) есть у большинства животных в сетчатке глаз, а также у некоторых растений, например у зеленых водорослей. Чтобы встроить фотоактивируемые протеины в мембраны нейронов, приходится привносить в нейроны гены родопсинов, полученные из других организмов, отсюда «генетика». В 2015 году оптогенетика отметила свой десятилетний юбилей. За это время эффективный инструмент изучения нервной системы окреп и получил ряд применений, которые изначально были недоступны.
Мозг и его элементы
Сознание, личность, интеллект - все это создается нейронами. А значит, если мы хотим изучать эти аспекты человеческого (и не только) существа, обязательно надо понимать, что происходит с нервными клетками объекта исследования. Главная проблема в том, что этих нервных клеток чересчур много и уследить сразу за всеми нейронами невозможно. К тому же нервные клетки имеют тенденцию образовывать скопления, поэтому отделить действие одного нейрона от другого, да и воздействовать на каждую клетку по отдельности в большинстве случаев проблематично. Отсюда есть два выхода: смириться и регистрировать активность групп клеток, получая некую «среднюю температуру по больнице», либо все-таки пытаться исследовать один нейрон, по возможности - очень нужный и важный для организма. Первое чаще применяют при исследованиях мозга млекопитающих, второе - на простых нервных системах (например, отслеживают электрическую активность крупных «командных нейронов» оборонительного поведения виноградной улитки или похожих по свойствам клеток морского брюхоногого моллюска аплизии). Моллюски, черви и дрозофилы с их сравнительно небольшими нервными системами - это, конечно, хорошо, но от человека они весьма далеки. Хочется исследовать кого-то, чей мозг по строению ближе к нашему, и поэтому чаще выбирают первый подход.
Методов исследования нервной системы много, но они почти всегда не очень точны. Есть функциональная магнитнорезонансная томография, которая не дает видеть отдельные клетки и распознает только сравнительно медленные процессы (изменение кровенаполнения мозговых сосудов). Есть электроэнцефалография, она побыстрее, но индивидуальные нейроны тоже не различает и подобна попыткам записать что-то разборчивое, подвесив микрофон над футбольным полем в разгар матча. Наконец, можно применять флуоресцентные красители, меняющие цвет в ответ на изменение концентраций определенных ионов в клетке или на их суммарный заряд (то есть на мембранный потенциал нейрона). Такие красители действуют довольно медленно. Их временно е разрешение (время отклика) недостаточно велико, чтобы обнаружить и «показать» отдельный потенциал действия в нейроне. Точнее, так считалось до недавней публикации, авторы которой все же смогли это сделать (Science , 2015, 350, 6266: 1361–1366, doi: 10.1126/science.aab0810).
Словом, регистрировать активность одной-единственной клетки, не затрагивая соседние нейроны, не так-то просто. Еще сложнее специально изменять эту активность. Можно вводить в мозг фармакологические препараты, действующие только на клетки с определенными свойствами, потом посмотреть на эти клетки под микроскопом или сделать срез части мозга животного и регистрировать его электрическую активность микроэлектродами. Но чтобы получить подобный препарат, зверька надо убить. Даже если отбросить жалость к животным и соображения гуманности, надо признать, что такие эксперименты крайне расточительны. Для того чтобы узнать, как поменялись сигналы небольшого числа клеток, нужно вырастить целый мозг, кормить его и ухаживать за ним, а после подготовки препарата его можно будет использовать час-полтора, редко дольше.
Другой вариант - стимулировать отдельные нейроны электрическими сигналами искусственного происхождения, приводя эти сигналы по соответствующему нерву, или поливать клетки нейромедиаторами в рамках модели искусственного синапса. Но для этого сначала нужно отыскать подходящие клетки, а это задача нетривиальная.
Наконец, существует метод искусственного высвобождения глутамата из синаптических везикул под действием ультрафиолета (этот метод еще называют glutamate uncaging ). По сути, свет в данном случае имитирует действие возбуждающего сигнала, пришедшего на клетку, запуская выброс нейромедиатора в синапсе. Это весьма точное и действенное средство, но и у него есть недостаток. Действием ультрафиолета сейчас умеют высвобождать только глутамат, однако далеко не все нейроны выделяют именно его, а не какой-нибудь другой переносчик сигнала. Помимо всего прочего, искусственное высвобождение глутамата не так сильно активирует нейрон-мишень, как электрическая стимуляция по нерву, и заставить клетку выдавать потенциалы действия в данном случае проблематично.
Из водоросли в нейрон
С 2005 года тонкое манипулирование нейронной активностью стало возможным, и в этом помогли фотоактивируемые вещества, способные улавливать кванты света и реагировать на них. Некоторые из них были известны давно, с начала 1970-х, но применять в нейробиологических исследованиях их научились только в середине 2000-х.
У одноклеточной водоросли Chlamydomonas reinhardtii есть белок ченнелродопсин-2 (ChR2). Из названия понятно, что это родственник родопсина палочек сетчатки. Как и глазной пигмент, ченнелродопсин реагирует на облучение светом, только немного по-другому: он усиливает приток положительных ионов в клетку водоросли. Это влияет на ее мембранный потенциал (потенциал покоя): он в течение тысячных долей секунды от заведомо отрицательного приближается к нулю; специалисты говорят: «клетка деполяризуется». Потенциалов действия клетка хламидомонады при этом не генерирует, но это было бы теоретически возможно: электрические сигналы, подобные потенциалам действия, могут возникать и в растительных клетках (Plant, Cell and Environment , 2007, 30, 249–257, doi: 10.1111/j.1365-3040.2006.01614.x).
Когда ген ченнелродопсина-2 выделили из хламидомонады и клонировали, его последовательность нуклеотидов стала известна нескольким исследовательским коллективам, среди которых была лаборатория Карла Дайссерота (Karl Deisseroth) в Стэнфордском университете. Это событие оказалось решающим для рождения оптогенетики. В то время как другие коллективы стали активно изучать многообразие ченнелродопсинов, руководитель этой лаборатории, нейрофизиолог и по совместительству психиатр (вероятно, практическое мышление Дайссерота-врача сыграло не последнюю роль в выборе объекта изучения), заметил в ChR2 кое-что достойное прикладного использования. Раз у нас есть белок, способный изменять мембранный потенциал клетки, и есть его ген, то почему бы этот ген не внедрить в электрически возбудимую клетку и не посмотреть, что из этого выйдет?
Сказано - сделано. Ген ченнелродопсина-2 прикрепили к промотору (последовательности ДНК, которая указывает РНК-полимеразе, что следующий за ней участок молекулы нужно считать и сделать по его образцу мРНК), вложили в вирус, а сам вирус тонкой иглой ввели в мозг мыши. Только надо еще проверить, куда именно попали вирусные частицы, не промахнулись ли мы с местом инъекции. Чтобы понять это, помимо гена светочувствительного белка нужно ввести в нейрон ген вещества-репортера - это вещество будет указывать на присутствие ченнелродопсина. Удобный репортер - флуоресцентный белок, ведь флуоресценция в клетках видна и на срезах мозга, и - при достаточной концентрации - даже снаружи тела. Ген ChR2 и ген репортера (например, желтого флуоресцентного белка YFP) находятся под одним промотором, поэтому экспрессируются они вместе, и оба белка образуются в клетке одновременно. Если ченнелродопсин в клетке есть - она флуоресцирует.
Справедливости ради надо отметить, что коллектив Дайссерота не первым привнес ченнелродопсин в клетки животных. Настоящий пионер в этой области - Георг Нагель (Georg Nagel), о чем он сам напоминает в статье, посвященной десятилетию метода оптогенетики (Nature Neuroscience , 2015, 18, 1202–1212, doi: 10.1038/ nn.4106). Именно он показал принципиальную возможность применения ChR2 у амфибий и млекопитающих в работе 2003 года (Proceedings of the National Academy of Sciences , 2003, 100, 13940–13945), где ген ченнелродопсина экспрессировался в яйцеклетках лягушки ксенопуса и в клетках культуры HEK293 (human embryonic kidney - почка зародыша человека). Белок ChR2 в этих объектах прекрасно активировался синим светом, микроэлектроды при этом регистрировали ток положительно заряженных частиц через мембрану. Кроме того, именно Нагель предоставил Дайссероту материал для трансфекции нейронов геном ченнелродопсина.
Почти все готово, осталось только встроить в мозг источник света, который будет активировать клетки, несущие ченнелродопсин. Таким источником обычно служит миниатюрный светодиод на оптоволокне, дающий свет с длиной волны около 480 нм (синий). Именно на такое излучение ChR2 реагирует наиболее продуктивно. Волокно вводят в желаемый участок головного мозга и закрепляют с помощью специальной канюли на поверхности черепа (рис. 1). Животное может носить такой прибор очень долго, и, чтобы записать активность его клеток, не нужно его убивать. А это хорошо и с точки зрения этики, и с точки зрения практики. Подопытное существо во время оптогенетического эксперимента может беспрепятственно передвигаться, и его поведение при этом будет заведомо ближе к натуральному, чем если те же самые нейроны изучать в составе срезов мозга или у животного, зафиксированного в стереотаксисе под наркозом.
Одного только источника света недостаточно, чтобы провести полноценный эксперимент. Мы не можем сказать, как «подопытные» нейроны отреагировали на фотостимуляцию, пока не подтвердим появление электрических сигналов в ответ на воздействие светом. Стало быть, параллельно с инструментом для активации нейрона нужно средство для записи его активности, так что в комплекте с источником света в мозг вживляют микроэлектроды. Собственно, используя эти микроэлектроды, Дайссерот и коллеги подтвердили на практике, что с помощью ченнелродопсина можно изменять мембранный потенциал клетки сильно и быстро, вплоть до генерации потенциалов действия, и описали результаты в статье (Nature Neuroscience , 2005, 8, 1263–1268, doi: 10.1038/nn1525). С этой работы началась эра оптогенетики.
Включатели, выключатели и другие
Ченнелродопсин - не единственный фотоактивируемый канал на службе у оптогенетики. Есть еще галородопсин (HR, рис. 2) - белок архей, который при активации желтым светом впускает в клетку отрицательно заряженные ионы хлора (а не положительные натрия и калия, как в случае ченнелродопсина). Это приводит к гиперполяризации клеточной мембраны: разность потенциалов на ней становится более отрицательной, чем в покое, и клетка, которая раньше легко выдавала потенциалы действия, при активации галородопсина «замолкает».
Гены галородопсина и ченнелродопсина можно ввести в одну и ту же клетку, а можно в разные. Два фотоактивируемых канала с различными свойствами лучше, чем один. Но и это еще не все (рис. 3). Существуют также бактериородопсин (BR) и протородопсин (PR). Как и ченнелродопсин, при активации они открывают путь для положительно заряженных ионов, но не для всяких, а только для ионов водорода - протонов. А эффект получается противоположный ченнелродопсину: протоны не входят в клетку, а уходят из нее, за счет чего мембрана гиперполяризуется и способность клетки к возбуждению теряется.
Есть еще экзотические опсины животных под общим названием Opto-XR. Это не ионные каналы, а гибриды родопсина колбочек сетчатки млекопитающих и некоторых рецепторов, сопряженных с G-белками (G-белки используют превращение нуклеотида ГДФ в ГТФ и запускают множество сигнальных процессов в клетках). В частности, ряд Opto-XR несет фрагменты адренорецепторов, а одна необычная разновидность состоит из части родопсина крысы и части рецептора к серотонину типа 1A. Конечно, не будучи каналами, Opto-XR не могут обеспечить потенциал действия, зато их активация имитирует активацию рецепторов, части которых они в себе несут. Иначе говоря, после «засветки» Rh-CT(5-HT1A) клетка будет функционировать так, как будто на ее синапсы пришел серотонин. Показано, что такие белки-гибриды располагаются на мембранах нейронов примерно там же, где и настоящие рецепторы к аналогичным нейромедиаторам. Поэтому с их помощью можно изучать различные системы передачи сигналов в мозге, не опасаясь получить далекие от действительности результаты.
Совсем недавно исследователи из Медицинской школы Техасского университета описали целое семейство новых родопсинов водорослей, которые проводят отрицательно заряженные ионы внутрь клетки. Они реагируют на фотостимуляцию быстрее, чем родопсины, уже применяемые в оптогенетике, и требуют меньше света для активации (Science , 2015, 349, 6248, 647–650, doi: 10.1126/science. aaa7484). Возможно, у них большое будущее.
Оптогенетика и поведение
Но довольно нейрофизиологической теории, пора переходить к практике. Поведение зависит от последовательностей нейронных сигналов, появившихся в нужное время в нужном месте. Получается, что, зная время, место и последовательность этих сигналов, мы можем воссоздать нужную нам форму поведения и получить недостающую информацию о том, за счет каких структур это поведение проявляется.
Занятное исследование на эту тему недавно было опубликовано в Nature (2015, 519, 233–236, doi: 10.1038/ nature14024). Хотя оптогенетические методики изначально тестировали на грызунах, ничто не запрещает делать то же самое на других модельных объектах - например, на дрозофилах. Конечно, для этого придется немного модифицировать технику, ведь нейрофизиология насекомых отличается от нейрофизиологии млекопитающих.
На дрозофил, как и на людей, действует долгое пребывание в тесных скоплениях себе подобных, проще говоря - в толпе. Другими словами, они тоже подвержены стадному чувству. Известно, что углекислый газ для дрозофил имеет запах, притом весьма неприятный. Одинокая муха, почуяв CO 2 , неспешно улетает туда, где воздух свежее. Если это насекомое находилось в стайке, за ним быстро ретируются и другие. Даже если среди ста мух запах чувствует только половина, а у остальных обоняние заблокировано, вся сотня двинется подальше от источника вони. Такая синхронность, как ни странно, достигается вовсе не с помощью обоняния. Реакция избегания в данном случае носит коллективный характер: одни мухи передают другим сигналы о необходимости уйти подальше от источника углекислого газа. Призыв к бегству насекомые передают, трогая друг друга. При этом у мух, получающих сигнал, активируются механосенсорные нейроны на кончиках лапок. Чтобы доказать это, применили несколько методов, в числе которых была и оптогенетика. В частности, в одном из экспериментов мухам, находящимся в атмосфере с нормальным (не избыточным для них) содержанием СО 2 , оптогенетически активировали механосенсорные нейроны кончиков лапок со встроенными в клетки ChR2, и насекомые демонстрировали реакцию избегания, как если бы рядом с ними сильно пахло углекислым газом.
Кроме всего прочего, с помощью фотоактивации можно внедрить в нейроны информацию, которую они не получали в реальности. Проще говоря, оптогенетика позволяет создавать ложные воспоминания. Это на примере мышей доказал коллектив Сусуму Тонегава из Массачусетского технологического университета в 2013 году (Science , 2013, 341, 6144, 387–391, doi: 10.1126/science.1239073). Исследователи внедрили ченнелродопсин-2 в нейроны двух регионов гиппокампа, отвечающих за перевод информации из кратковременной памяти в долговременную, - зубчатую извилину и поле CA1. Ченнелродопсином пометили только те клетки, которые в предварительных экспериментах с записью электрической активности возбуждались, если животное пугали звуком и ударом электрическим током в определенных «декорациях» (еще говорят - в определенном контексте). То есть изначально животное запоминало, что бояться звука в одной обстановке стоит, а в другой - не обязательно. После этого нейроны с ченнелродопсином специально активировали, когда животное находилось в других «декорациях» и, по идее, не должно было демонстрировать страх. Однако во время этой процедуры мыши, находившиеся в новой обстановке (где их никогда не били током), замирали на месте, прятались в угол или пищали.
Раз уж получилось внедрить в голову то, что животное никогда не запоминало, то вернуть утраченную информацию точно можно. Это и сделали сотрудники той же лаборатории двумя годами позже (Science , 2015, 348, 6238, 1007–1013, doi: 10.1126/science.aaa5542). Сначала они научили грызунов определенному навыку, затем ввели им в мозг ингибиторы синтеза белка, которые мешают вспомнить недавно изученное (это доказали во множестве более ранних работ). Тем не менее, забытое воспоминание можно было вернуть, если оптогенетически активировать определенные клетки гиппокампа. Какие именно нейроны нужно задействовать, выясняли примерно так же, как и в предыдущей работе.
Оптогенетика и сон
Оптогенетика помогла и в изучении сна. Было известно, что в боковых областях гипоталамуса есть нейроны, выделяющие вещество орексин, он же гипокретин. Стабильное бодрствование невозможно при пониженном содержании гипокретина в гипоталамусе. Если клетки, выделяющие его, недостаточно активны, у животного (и у человека тоже) развивается нарколепсия - во время бодрствования случаются внезапные приступы сна. Больной либо совсем засыпает, либо у него проявляются некие отдельные признаки сна, например резкое падение тонуса мышц или выпадение из сознания. Приступы нарколепсии невозможно контролировать, и они могут случиться в самый неподходящий момент - скажем, когда человек за рулем.
Но это могло быть и совпадением, и без дополнительных экспериментов нельзя было утверждать, что именно орексиновые нейроны поддерживают бодрствование. Нужно было проверить, что происходит со сном во время их активации. Сотрудники лаборатории Карла Дайссерота встроили в гипокретиновые нейроны гипоталамуса мышей ченнелродопсин-2, после чего периодически стимулировали мозг грызунов светом, пока те спали (Nature , 2007, 450, 420–424, doi: 10.1038/nature06310). Мыши от такого воздействия пробуждались как на стадии медленноволнового сна, так и на стадии быстроволнового. При этом орексиновые нейроны активировались с разной силой в зависимости от того, как часто на них светили. Все это в совокупности дает право утверждать, что выделение орексина (гипокретина) в достаточном количестве действительно обеспечивает поддержание бодрствования.
Оптогенетика и сердце
Метод оптогенетики необязательно применять только к нейронам, он подходит для всех клеток, способных возбуждаться под действием электрических сигналов. Кроме нейронов, у животных это клетки мышц, в том числе - сердечной мышцы. Кардиомиоциты должны возбуждаться синхронно, это обеспечивает их одновременное сокращение. Эксперименты с оптогенетической активацией клеток сердца крысят, людей и собак показали, что волны возбуждения и сокращения, вызванные стимуляцией синим светом, не отличаются по своим параметрам от «настоящих», электрических волн (Circulation. Arrhythmia and electrophysiology , 2011, 4, 5, 753–760, doi: 10.1161/CIRCEP.111.964247, Heart Rhythm , 2012, 9, 11, 1910). Эти работы проводили не на живых объектах, тем не менее результаты показывают, что активность больного сердца теоретически можно будет подправить с помощью оптогенетики.
Оптогенетика и психиатрия
Вероятно, не будет преувеличением сказать, что применение метода оптогенетики в психиатрии - одна из главных конечных целей Дайссерота, учитывая его вторую профессию. Было бы замечательно сначала узнать, как нейроны головного мозга связаны друг с другом, а затем стимулировать (или при необходимости подавлять) передачу сигналов между нужными группами клеток. Задача крайне трудоемкая, но теоретически выполнимая. Разработчики метода оптогенетики сделали в этой области несколько открытий. Некоторые из них касаются клеток, выделяющих дофамин. Этот нейромедиатор, помимо всего прочего, играет огромную роль в поддержании хорошего настроения и дает ощущение вознаграждения за сделанное (говорят, что нейроны, выделяющие дофамин, входят в систему вознаграждения). Наркотики, такие, как кокаин, имитируют действие дофамина на нейроны, вызывая ощущение удовлетворенности. Организм запоминает это ощущение и привыкает к наркотику, образуется психологическая и физиологическая зависимость.
В состав системы вознаграждения мозга входит прилежащее ядро. Если его клетки, выделяющие дофамин, снабдить галородопсином, а потом стимулировать их светом, прилежащее ядро «выключается», а вместе с этим временно пропадает заранее развитая тяга подопытных крыс к кокаину (Nature , 2014, 505, 309–317, doi: 10.1038/nature12982). Можно было бы проделать похожие манипуляции и на людях-наркоманах, но для этого придется изменять геном их нейронов, что пока не разрешается делать.
Достаточное количество дофамина защищает от некоторых форм депрессии, а также от болезни Паркинсона. И если вклад оптогенетики в исследования паркинсонизма пока не очень велик, то депрессивное поведение грызунов небезуспешно пытались устранить с помощью фотоактивируемых каналов (Nature , 2013, 493, 7433, 537–541, doi: 10.1038/nature11740).
Итак, в теории оптогенетика может пролить свет на любые патологические состояния, связанные с возбудимыми клетками. Это не только наркомания и нарколепсия, депрессия и болезнь Паркинсона, но и шизофрения, инфаркты, тревожность, стрессовые расстройства и многое другое. Пока что возможность лечения этих состояний с помощью фотоактивируемых каналов - вопрос технологии и морали. Однако возможно, что лет через 20–30 потенциал оптогенетики будет ограничен только этическими устоями ученых и чиновников, контролирующих научные исследования.
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Клеточные процессы, обеспечивающие обмен информацией между нейронами, требуют много энергии. Высокое энергопотребление способствовало в ходе эволюции отбору наиболее эффективных механизмов кодирования и передачи информации. В этой статье вы узнаете о теоретическом подходе к изучению энергетики мозга, о его роли в исследованиях патологий, о том, какие нейроны более продвинуты, почему синапсам иногда выгодно не «срабатывать», а также, как они отбирают только нужную нейрону информацию.
Генеральный спонсор конкурса - компания : крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Спонсором приза зрительских симпатий и партнером номинации «Биомедицина сегодня и завтра» выступила фирма «Инвитро ».
«Книжный» спонсор конкурса - «Альпина нон-фикшн »
Происхождение подхода
С середины ХХ века известно, что головной мозг потребляет значительную часть энергоресурсов всего организма: четверть всей глюкозы и ⅕ всего кислорода в случае высшего примата . Это вдохновило Уильяма Леви и Роберта Бакстера из Массачусетского технологического института (США) на проведение теоретического анализа энергетической эффективности кодирования информации в биологических нейронных сетях (рис. 1) . В основе исследования лежит следующая гипотеза. Поскольку энергопотребление мозга велико, ему выгодно иметь такие нейроны, которые работают наиболее эффективно - передают только полезную информацию и затрачивают при этом минимум энергии.
Это предположение оказалось справедливым: на простой модели нейронной сети авторы воспроизвели экспериментально измеренные значения некоторых параметров . В частности, рассчитанная ими оптимальная частота генерации импульсов варьирует от 6 до 43 имп./с - почти так же, как и у нейронов основания гиппокампа . Их можно подразделить на две группы по частоте импульсации: медленные (~10 имп./с) и быстрые (~40 имп./с). При этом первая группа значительно превосходит по численности вторую . Аналогичная картина наблюдается и в коре больших полушарий: медленных пирамидальных нейронов (~4-9 имп./с) в несколько раз больше, чем быстрых ингибиторных интернейронов (>100 имп./с) , . Так, видимо, мозг «предпочитает» использовать поменьше быстрых и энергозатратных нейронов, чтобы те не израсходовали все ресурсы , .
Рисунок 1. Представлены два нейрона.
В одном из них фиолетовым цветом
окрашен пресинаптический белок синаптофизин . Другой нейрон полностью окрашен зеленым флуоресцентным белком
. Мелкие светлые крапинки
- синаптические контакты между нейронами . Во вставке одна «крапинка» представлена ближе.
Группы нейронов, связанных между собой синапсами, называются нейронными сетями
, . Например, в коре больших полушарий пирамидальные нейроны и интернейроны образуют обширные сети. Слаженная «концертная» работа этих клеток обусловливает наши высшие когнитивные и другие способности. Аналогичные сети, только из других типов нейронов, распределены по всему мозгу, определенным образом связаны между собой и организуют работу всего органа.
Что такое интернейроны?
Нейроны центральной нервной системы разделяются на активирующие (образуют активирующие синапсы) и тормозящие (образуют тормозящие синапсы). Последние в значительной степени представлены интернейронами , или промежуточными нейронами. В коре больших полушарий и гиппокампе они ответственны за формирование гамма-ритмов мозга , которые обеспечивают слаженную, синхронную работу других нейронов. Это крайне важно для моторных функций, восприятия сенсорной информации, формирования памяти , .
Поиск оптимума
Фактически, речь идет о задаче оптимизации : поиска максимума функции и определения параметров, при которых он достигается. В нашем случае, функция - это отношение количества полезной информации к энергозатратам. Количество полезной информации можно примерно вычислить с помощью формулы Шеннона, широко используемой в теории информации , . Для расчета энергозатрат существуют два метода, и оба дают правдоподобные результаты , . Один из них - «метод счета ионов» - основан на подсчете количества ионов Na + , попавших внутрь нейрона при том или ином сигнальном событии (ПД или ПСП, см. врезку «Что такое потенциал действия ») с последующим переводом в число молекул аденозинтрифосфата (АТФ ), главной энергетической «валюты» клеток . Второй базируется на описании ионных токов через мембрану по законам электроники и позволяет вычислить мощность эквивалентной электрической цепи нейрона, которая затем переводится в затраты АТФ .
Эти «оптимальные» значения параметров затем нужно сравнить с измеренными экспериментально и определить, насколько они отличаются. Общая картина отличий укажет на степень оптимизации данного нейрона в целом: насколько реальные, измеренные экспериментально, значения параметров совпадают с рассчитанными. Чем слабее выражены отличия, тем нейрон более близок к оптимуму и работает энергетически более эффективно, оптимально. С другой стороны, сопоставление конкретных параметров покажет, в каком конкретно качестве этот нейрон близок к «идеалу».
Далее, в контексте энергетической эффективности нейронов рассмотрены два процесса, на которых основано кодирование и передача информации в мозге. Это нервный импульс, или потенциал действия, благодаря которому информация может быть отправлена «адресату» на определенное расстояние (от микрометров до полутора метров) и синаптическая передача, лежащая в основе собственно передачи сигнала от одного нейрона на другой.
Потенциал действия
Потенциал действия (ПД ) - сигнал, которые отправляют друг другу нейроны. ПД бывают разные: быстрые и медленные, малые и большие . Зачастую они организованы в длинные последовательности (как буквы в слова), либо в короткие высокочастотные «пачки» (рис. 2).
Рисунок 2. Разные типы нейронов генерируют различные сигналы. В центре - продольный срез мозга млекопитающего. Во вставках представлены разные типы сигналов, зарегистрированные методами электрофизиологии , . а - Кортикальные (Cerebral cortex ) пирамидальные нейроны могут передавать как низкочастотные сигналы (Regular firing ), так и короткие взрывные, или пачечные, сигналы (Burst firing ). б - Для клеток Пуркинье мозжечка (Cerebellum ) характерна только пачечная активность на очень высокой частоте. в - Релейные нейроны таламуса (Thalamus ) имеют два режима активности: пачечный и тонический (Tonic firing ). г - Нейроны средней части поводка (MHb , Medial habenula ) эпиталамуса генерируют тонические сигналы низкой частоты.
Что такое потенциал действия?
- Мембрана и ионы.
Плазматическая мембрана нейрона поддерживает неравномерное распределение веществ между клеткой и внеклеточной средой (рис. 3б
) . В числе этих веществ есть и маленькие ионы, из которых для описания ПД важны К + и Nа + .
Ионов Na + внутри клетки мало, снаружи - много. Из-за этого они постоянно стремятся попасть в клетку. Напротив, ионов К + много внутри клетки, и они норовят из нее выйти. Самостоятельно ионы этого сделать не могут, потому что мембрана для них непроницаема. Для прохождения ионов через мембрану необходимо открывание специальных белков - ионных каналов мембраны. - Ионные каналы.
Разнообразие каналов огромно , . Одни открываются в ответ на изменение мембранного потенциала, другие - при связывании лиганда (нейромедиатора в синапсе, например), третьи - в результате механических изменений мембраны и т.д. Открывание канала заключается в изменении его структуры, в результате которого через него могут проходить ионы. Некоторые каналы пропускают только определенный тип ионов, а для других характерна смешанная проводимость.
В генерации ПД ключевую роль играют каналы, «чувствующие» мембранный потенциал, - потенциал-зависимые ионные каналы . Они открываются в ответ на изменение мембранного потенциала. Среди них нас интересуют потенциал-зависимые натриевые каналы (Na-каналы), пропускающие только ионы Na + , и потенциал-зависимые калиевые каналы (K-каналы), пропускающие только ионы К + . - Ионный ток и ПД.
Основой ПД является ионный ток - движение ионов через ионные каналы мембраны . Так как ионы заряжены, их ток приводит к изменению суммарного заряда внутри и вне нейрона, что немедленно влечет за собой изменение мембранного потенциала.
Генерация ПД, как правило, происходит в начальном сегменте аксона - в той его части, что примыкает к телу нейрона , . Тут сконцентрировано много Na-каналов. Если они откроются, внутрь аксона хлынет мощный ток ионов Na + , и произойдет деполяризация мембраны - уменьшение мембранного потенциала по абсолютной величине (рис. 3в ). Далее необходимо возвращение к его исходному значению - реполяризация . За это отвечают ионы К + . Когда К-каналы откроются (незадолго до максимума ПД), ионы К + начнут выходить из клетки и реполяризовать мембрану.
Деполяризация и реполяризация - две основные фазы ПД. Помимо них выделяют еще несколько, которые из-за отсутствия необходимости здесь не рассматриваются. Детальное описание генерации ПД можно найти в , . Краткое описание ПД есть также в статьях на «Биомолекуле» , . - Начальный сегмент аксона и инициация ПД. Что приводит к открыванию Na-каналов в начальном сегменте аксона? Опять же, изменение мембранного потенциала, «приходящее» по дендритам нейрона (рис. 3а ). Это - постсинаптические потенциалы (ПСП ), возникающие в результате синаптической передачи. Подробнее этот процесс объясняется в основном тексте.
- Проведение ПД. К ПД в начальном сегменте аксона будут неравнодушны Na-каналы, находящиеся неподалеку. Они тоже откроются в ответ на это изменение мембранного потенциала, что также вызовет ПД. Последний, в свою очередь, вызовет аналогичную «реакцию» на следующем участке аксона, все дальше от тела нейрона, и так далее. Таким образом происходит проведение ПД вдоль аксона , . В конце концов он достигнет его пресинаптических окончаний (малиновые стрелки на рис. 3а ), где сможет вызвать синаптическую передачу.
- Энергозатраты на генерацию ПД меньше, чем на работу синапсов. Скольких молекул аденозинтрифосфата (АТФ), главной энергетической «валюты», стоит ПД? По одной из оценок, для пирамидальных нейронов коры мозга крысы энергозатраты на генерацию 4 ПД в секунду составляют около ⅕ от общего энергопотребления нейрона. Если учесть другие сигнальные процессы, в частности, синаптическую передачу, доля составит ⅘. Для коры мозжечка, отвечающего за двигательные функции, ситуация похожа: энергозатраты на генерацию выходного сигнала составляют 15% от всех, а около половины приходится на обработку входной информации . Так, ПД является далеко не самым энергозатратным процессом. В разы больше энергии требует работа синапса , . Однако это не означает, что процесс генерации ПД не проявляет черт энергетической эффективности.
Рисунок 3. Нейрон, ионные каналы и потенциал действия. а - Реконструкция клетки-канделябра коры головного мозга крысы. Синим окрашены дендриты и тело нейрона (синее пятно в центре), красным - аксон (у многих типов нейронов аксон разветвлен намного больше, чем дендриты , ). Зеленые и малиновые стрелки указывают направление потока информации: дендриты и тело нейрона принимают ее, аксон - отправляет ее к другим нейронам. б - Мембрана нейрона, как и любой другой клетки, содержит ионные каналы. Зеленые кружки - ионы Na + , синие - ионы К + . в - Изменение мембранного потенциала при генерации потенциала действия (ПД) нейроном Пуркинье. Зеленая область : Na-каналы открыты, в нейрон входят ионы Na + , происходит деполяризация. Синяя область: открыты К-каналы, К + выходит, происходит реполяризация. Перекрывание зеленой и синей областей соответствует периоду, когда происходит одновременный вход Na + и выход К + .
ПД - это относительно сильное по амплитуде скачкообразное изменение мембранного потенциала.
Анализ разных типов нейронов (рис. 4) показал, что нейроны беспозвоночных не очень энергоэффективны, а некоторые нейроны позвоночных почти совершенны . По результатам этого исследования, наиболее энергоэффективными оказались интернейроны гиппокампа , участвующего в формировании памяти и эмоций, а также таламокортикальные релейные нейроны, несущие основной поток сенсорной информации от таламуса к коре больших полушарий.
Рисунок 4. Разные нейроны эффективны по-разному. На рисунке представлено сравнение энергозатрат разных типов нейронов. Энергозатраты рассчитаны в моделях как с исходными (реальными) значениями параметров (черные столбцы ), так и с оптимальными, при которых с одной стороны нейрон выполняет положенную ему функцию, с другой - затрачивает при этом минимум энергии (серые столбцы ). Самыми эффективными из представленных оказались два типа нейронов позвоночных: интернейроны гиппокампа (rat hippocampal interneuron , RHI ) и таламокортикальные нейроны (mouse thalamocortical relay cell , MTCR ), так как для них энергозатраты в исходной модели наиболее близки к энергозатратам оптимизированной. Напротив, нейроны беспозвоночных менее эффективны. Условные обозначения: SA (squid axon ) - гигантский аксон кальмара; CA (crab axon ) - аксон краба; MFS (mouse fast spiking cortical interneuron ) - быстрый кортикальный интернейрон мыши; BK (honeybee mushroom body Kenyon cell ) - грибовидная клетка Кеньона пчелы.
Почему они более эффективны? Потому что у них малó перекрывание Na- и К-токов. Во время генерации ПД всегда есть промежуток времени, когда эти токи присутствуют одновременно (рис. 3в ). При этом переноса заряда практически не происходит, и изменение мембранного потенциала минимально. Но «платить» за эти токи в любом случае приходится, несмотря на их «бесполезность» в этот период. Поэтому его продолжительность определяет, сколько энергетических ресурсов растрачивается впустую. Чем он короче, тем более эффективно использование энергии , . Чем длиннее - тем менее эффективно. Как раз в двух вышеупомянутых типах нейронов, благодаря быстрым ионным каналам, этот период очень короткий, а ПД - самые эффективные .
Кстати, интернейроны гораздо более активны, чем большинство других нейронов мозга. В то же время они крайне важны для слаженной, синхронной работы нейронов, с которыми образуют небольшие локальные сети , . Вероятно, высокая энергетическая эффективность ПД интернейронов является некой адаптацией к их высокой активности и роли в координации работы других нейронов .
Синапс
Передача сигнала от одного нейрона к другому происходит в специальном контакте между нейронами, в синапсе . Мы рассмотрим только химические синапсы (есть еще электрические ), поскольку они весьма распространены в нервной системе и важны для регуляции клеточного метаболизма, доставки питательных веществ .
На пресинаптическом окончании аксона ПД вызывает выброс нейромедиатора во внеклеточную среду - к принимающему нейрону. Последний только этого и ждет с нетерпением: в мембране дендритов рецепторы - ионные каналы определенного типа - связывают нейромедиатор, открываются и пропускают через себя разные ионы. Это приводит к генерации маленького постсинаптического потенциала (ПСП) на мембране дендрита. Он напоминает ПД, но значительно меньше по амплитуде и происходит за счет открывания других каналов. Множество этих маленьких ПСП, каждый от своего синапса, «сбегаются» по мембране дендритов к телу нейрона (зеленые стрелки на рис. 3а ) и достигают начального сегмента аксона, где вызывают открывание Na-каналов и «провоцируют» его на генерацию ПД.
Такие синапсы называются возбуждающими : они способствуют активации нейрона и генерации ПД. Существуют также и тормозящие синапсы. Они, наоборот, способствуют торможению и препятствуют генерации ПД. Часто на одном нейроне есть и те, и другие синапсы. Определенное соотношение между торможением и возбуждением важно для нормальной работы мозга, формирования мозговых ритмов, сопровождающих высшие когнитивные функции .
Как это ни странно, выброс нейромедиатора в синапсе может и не произойти вовсе - это процесс вероятностный , . Нейроны так экономят энергию: синаптическая передача и так обусловливает около половины всех энергозатрат нейронов . Если бы синапсы всегда срабатывали, вся энергия пошла бы на обеспечение их работы, и не осталось бы ресурсов для других процессов. Более того, именно низкая вероятность (20–40%) выброса нейромедиатора соответствует наибольшей энергетической эффективности синапсов. Отношение количества полезной информации к затрачиваемой энергии в этом случае максимально , . Так, выходит, что «неудачи» играют важную роль в работе синапсов и, соответственно, всего мозга. А за передачу сигнала при иногда «не срабатывающих» синапсах можно не беспокоиться, так как между нейронами обычно много синапсов, и хоть один из них да сработает.
Еще одна особенность синаптической передачи состоит в разделении общего потока информации на отдельные компоненты по частоте модуляции приходящего сигнала (грубо говоря, частоте приходящих ПД) . Это происходит благодаря комбинированию разных рецепторов на постсинаптической мембране , . Некоторые рецепторы активируются очень быстро: например, AMPA-рецепторы (AMPA происходит от α-a mino-3-hydroxy-5-m ethyl-4-isoxazolep ropionic a cid). Если на постсинаптическом нейроне представлены только такие рецепторы, он может четко воспринимать высокочастотный сигнал (такой, как, например, на рис. 2в ). Ярчайший пример - нейроны слуховой системы, участвующие в определении местоположения источника звука и точном распознавании коротких звуков типа щелчка, широко представленных в речи , . NMDA-рецепторы (NMDA - от N -m ethyl-D -a spartate) более медлительны. Они позволяют нейронам отбирать сигналы более низкой частоты (рис. 2г ), а также воспринимать высокочастотную серию ПД как нечто единое - так называемое интегрирование синаптических сигналов . Есть еще более медленные метаботропные рецепторы , которые при связывании нейромедиатора, передают сигнал на цепочку внутриклеточных «вторичных посредников » для подстройки самых разных клеточных процессов. К примеру, широко распространены рецепторы, ассоциированные с G-белками . В зависимости от типа они, например, регулируют количество каналов в мембране или напрямую модулируют их работу .
Различные комбинации быстрых AMPA-, более медленных NMDA- и метаботропных рецепторов позволяют нейронам отбирать и использовать наиболее полезную для них информацию, важную для их функционирования . А «бесполезная» информация отсеивается, она не «воспринимается» нейроном. В таком случае не приходится тратить энергию на обработку ненужной информации. В этом и состоит еще одна сторона оптимизации синаптической передачи между нейронами.
Что еще?
Энергетическая эффективность клеток мозга исследуется также и в отношении их морфологии , . Исследования показывают, что ветвление дендритов и аксона не хаотично и тоже экономит энергию , . Например, аксон ветвится так, чтобы суммарная длина пути, который проходит ПД, была наименьшей. В таком случае энергозатраты на проведение ПД вдоль аксона минимальны.
Снижение энергозатрат нейрона достигается также при определенном соотношении тормозящих и возбуждающих синапсов . Это имеет прямое отношение, например, к ишемии (патологическому состоянию, вызванному нарушением кровотока в сосудах) головного мозга. При этой патологии, вероятнее всего, первыми выходят из строя наиболее метаболически активные нейроны , . В коре они представлены ингибиторными интернейронами, образующими тормозящие синапсы на множестве других пирамидальных нейронов , . В результате гибели интернейронов, снижается торможение пирамидальных . Как следствие, возрастает общий уровень активности последних (чаще срабатывают активирующие синапсы, чаще генерируются ПД). За этим немедленно следует рост их энергопотребления, что в условиях ишемии может привести к гибели нейронов.
При изучении патологий внимание уделяют и синаптической передаче как наиболее энергозатратному процессу . Например, при болезнях Паркинсона , Хантингтона , Альцгеймера происходит нарушение работы или транспорта к синапсам митохондрий, играющих основную роль в синтезе АТФ , . В случае болезни Паркинсона, это может быть связано с нарушением работы и гибелью высоко энергозатратных нейронов черной субстанции , важной для регуляции моторных функций, тонуса мышц. При болезни Хантингтона, мутантный белок хангтингтин нарушает механизмы доставки новых митохондрий к синапсам, что приводит к «энергетическому голоданию» последних, повышенной уязвимости нейронов и избыточной активации. Все это может вызвать дальнейшие нарушения работы нейронов с последующей атрофией полосатого тела и коры головного мозга. При болезни Альцгеймера нарушение работы митохондрий (параллельно со снижением количества синапсов) происходит из-за отложения амилоидных бляшек . Действие последних на митохондрии приводит к окислительному стрессу, а также к апоптозу - клеточной гибели нейронов.
Еще раз обо всем
В конце ХХ века зародился подход к изучению мозга, в котором одновременно рассматривают две важные характеристики: сколько нейрон (или нейронная сеть, или синапс) кодирует и передает полезной информации и сколько энергии при этом тратит , . Их соотношение является своего рода критерием энергетической эффективности нейронов, нейронных сетей и синапсов.
Использование этого критерия в вычислительной нейробиологии дало существенный прирост к знаниям относительно роли некоторых явлений, процессов , . В частности, малая вероятность выброса нейромедиатора в синапсе , определенный баланс между торможением и возбуждением нейрона , выделение только определенного рода приходящей информации благодаря определенной комбинации рецепторов - все это способствует экономии ценных энергетических ресурсов.
Более того, само по себе определение энергозатрат сигнальных процессов (например, генерация, проведение ПД, синаптическая передача) позволяет выяснить, какой из них пострадает в первую очередь при патологическом нарушении доставки питательных веществ , . Так как больше всего энергии требуется для работы синапсов, именно они первыми выйдут из строя при таких патологиях, как ишемия, болезни Альцгеймера и Хантингтона , . Схожим образом определение энергозатрат разных типов нейронов помогает выяснить, какой из них погибнет раньше других в случае патологии. Например, при той же ишемии, в первую очередь выйдут из строя интернейроны коры , . Эти же нейроны из-за интенсивного метаболизма - наиболее уязвимые клетки и при старении, болезни Альцгеймера и шизофрении .
Благодарности
Искренне благодарен моим родителям Ольге Наталевич и Александру Жукову, сестрам Любе и Алене, моему научному руководителю Алексею Браже и замечательным друзьям по лаборатории Эвелине Никельшпарг и Ольге Слатинской за поддержку и вдохновение, ценные замечания, сделанные при прочтении статьи. Я также очень благодарен редактору статьи Анне Петренко и главреду «Биомолекулы» Антону Чугунову за пометки, предложения и замечания.
Литература
- Прожорливый мозг ;
- SEYMOUR S. KETY. (1957). THE GENERAL METABOLISM OF THE BRAIN IN VIVO . Metabolism of the Nervous System . 221-237;
- L. Sokoloff, M. Reivich, C. Kennedy, M. H. Des Rosiers, C. S. Patlak, et. al.. (1977). THE DEOXYGLUCOSE METHOD FOR THE MEASUREMENT OF LOCAL CEREBRAL GLUCOSE UTILIZATION: THEORY, PROCEDURE, AND NORMAL VALUES IN THE CONSCIOUS AND ANESTHETIZED ALBINO RAT . J Neurochem . 28 , 897-916;
- Magistretti P.J. (2008). Brain energy metabolism . In Fundamental neuroscience // Ed by. Squire L.R., Berg D., Bloom F.E., du Lac S., Ghosh A., Spitzer N. San Diego: Academic Press, 2008. P. 271–297;
- Pierre J. Magistretti, Igor Allaman. (2015). A Cellular Perspective on Brain Energy Metabolism and Functional Imaging . Neuron . 86 , 883-901;
- William B Levy, Robert A. Baxter. (1996). Energy Efficient Neural Codes . Neural Computation . 8 , 531-543;
- Sharp P.E. and Green C. (1994). Spatial correlates of firing patterns of single cells in the subiculum of the freely moving rat . J. Neurosci. 14 , 2339–2356;
- H. Hu, J. Gan, P. Jonas. (2014). Fast-spiking, parvalbumin+ GABAergic interneurons: From cellular design to microcircuit function . Science . 345 , 1255263-1255263;
- Oliver Kann, Ismini E Papageorgiou, Andreas Draguhn. (2014). Highly Energized Inhibitory Interneurons are a Central Element for Information Processing in Cortical Networks . J Cereb Blood Flow Metab . 34 , 1270-1282;
- David Attwell, Simon B. Laughlin. (2001). An Energy Budget for Signaling in the Grey Matter of the Brain . J Cereb Blood Flow Metab . 21 , 1133-1145;
- Henry Markram, Maria Toledo-Rodriguez, Yun Wang, Anirudh Gupta, Gilad Silberberg, Caizhi Wu. (2004).
Старая истина, что рыба является особым питанием для мозга, не лишена оснований - потому что рыбы были первыми живыми существами с мозгом. Токи их мозга достигали фантастической силы. Сегодня существуют рыбы, электрический потенциал которых в сотни раз выше, чем у древних медуз. Некоторые из них, например, электрический угорь, в состоянии произвести удар током силой 600 вольт, это ни что иное, как живые батареи, часть электрической энергии которых вырабатывает мозг. Человеческий мозг - это тоже электрохимический орган, но который может производить лишь небольшое электрическое напряжение - максимум одну десятую вольта при минимальной силе тока. Эта энергия переносится нервными клетками, или нейронами, которыми, в среднем, человек располагает в количестве 15 миллиардов и которые определенным образом связаны друг с другом. Между ними находятся так называемые глихацелии. Типичная нервная клетка позвоночного животного состоит из клеточного тела и различных клеточных отростков. Более короткие, часто сильно разветвленные и тонкие отростки называются дендритами (древовидными отростками нервной клетки мозга). Они принимают электрическое возбуждение и передают его в клеточное тело, которое перерабатывает все поступающие сигналы. Как ответ на полученные сигналы, оно может со своей стороны давать электрические импульсы. Они движутся от клеточного тела через длинный отросток, так называемый аксон (нервное волокно).
Информация, которая должна быть передана, находится в закодированном виде в частоте (количество электрических импульсов в секунду), которая измеряется в герцах.
На конце одно нервное волокно вступает в контакт с другими (естественно, и с клетками желез, мускулов). Эти места контактов называют синапсами. Окончания нервных волокон в этих местах в большинстве своем имеют шаровидную форму, поэтому их обозначают как синаптические пуговичные окончания.
На рис. 2 мы видим нервную клетку с ее синаптическим окончанием, которое в мозге соединено с другой нервной клеткой, как это видно на оригинальной фотографии рис. 1, сделанной электронным микроскопом.
Нерв состоит из многих нервных волокон, которые параллельны друг другу. При передаче сигнала в нервах речь идет об электрическом процессе. В состоянии покоя позитивные и негативные ионы располагаются таким образом по внутренней и наружной плоскости нервной клетки, что в противоположность внешней поверхности нервной клетки ее внутренняя поверхность заряжена отрицательно. Это напряжение ничтожно (ок. 70-тысячной вольта) и называется потенциалом покоя. Когда достигается определенная высота напряжения, в корне нервного волокна возникает электрический разряд, продолжительность которого составляет одну тысячную секунды. Этот разряд двигается через все нервные волокна к синаптической головке.
С помощью электроэнцефалографа можно зафиксировать эти токи мозга так, как это показано на рисунке 3.
Частота (число колебаний в секунду) токов изменяется соответственно состоянию сознания, в котором находится данное лицо. При "естественном" состоянии сознания, как бодрствование, сон и видение снов, можно зафиксировать очень различные кривые токов мозга. Так, например, состояние бодрствования обозначается быстрыми волнами, так называемыми бетаволнами, напротив, сон - медленными, так называемыми дельта-волнами и т.д. На рисунке 4 можно увидеть образцы волн.
Также при "спровоцированных" (вызванных соответствующими упражнениями по развитию Души, изучаемыми в этом учебнике), так называемых особых состояниях сознания, кривые тока мозга изменяются характерным образом, как показано на ЭЭГ одного лица, которое вначале находится в спокойном состоянии бодрствования, а затем в состоянии медитации.
В этих особых состояниях сознания (ОСС), которые охватывают диапазон от:
1. бодрствования.
2. состояния дневных сновидений,
3. состояний транса,
4. медитативных состояний и до
5. состояний космического сознания, проявляются различные кривые токов мозга, которые мы при обсуждении состояний сознания рассмотрим ближе. При ОСС токи мозга человека могут уподобляться токам космической энергии всей Вселенной, которые могут привлекаться к реализации всех внечувственных феноменов и феноменов Пси
Представление о существовании универсальной космической энергии, которую человек может использовать и с помощью которой реализуются сверхчувственные феномены, имеет глубокие корни в культурах всех народов. Самое известное представление, которое мы находим в индийской философии, это существование праны, которая понимается как космическая энергия, которая существует в пяти различных формах и поддерживает жизненные процессы как "ветер тела".
В священных текстах индусов и буддистов описывается такая же космическая праэнергия обозначенная мистическим слогом "Ом" или "Аум", оба слога должны вызывать в мозгу колебания, которые приводят различные чакры (нервные центры человека) в состояние, позволяющее принимать космическую (жизненную) энергию.
Библия описывает невидимую жизненную силу, которая поддерживает общее божественное начало, как "Святой дух"; "Или вы не знаете, что ваше тело является храмом святого духа, который в вас есть, который вы приняли от Бога и который вам самим не принадлежит?" (1.Кор.6.19).
В японском учении акупунктуры мы находим "Ки", в китайском "Чи", обозначение жизненной энергии как реки, исток которой находится в точке выше пупка, и которая рассредоточивается по всему телу из легких через сети так называемых "меридианов" (нервные каналы). Вся материя рассматривается как проявление этой энергии на материальном уровне.
Аристотель, великий греческий философ и ученый (384-322 до н.э.). использовал обозначение "эфир" для пятой стихии, которая включала вначале все объекты, находившиеся вне земной атмосферы. И человеческий дух, описанный Аристотелем как чистая нематериальная энергия, происходил, в его понимании, из эфира.
Физики средневековья объясняли эфир как субстанцию, наполняющую пространство. Они предполагали, что свет вызывается движениями волн в этом эфире, который может приносить его к земле сквозь вакуум. Поэтому он часто назывался "светоносный эфир".
