Глутамат в мозге - важнейший нейротрансмиттер для возбуждающих синапсов. Синапсы, которые используют в качестве трансмиттера глутамат, находятся приблизительно на 50% нейронов ЦНС. Они наиболее распространены в переднем мозге (telenzephalon) и гиппокампе . Рецепторуправляемые каналы, лигандом для которых служит глутамат , являются возбуждающими, поэтому названные синапсы образуют важнейшие возбуждающие входы систем мозга к коре большого мозга. Они участвуют в процессах обучения . Глутамат, таким образом, является важнейшим трансмиттером ЦНС. Поэтому, например, в качестве средства для наркоза применяется фармакологический препарат кетамин , представляющий собой антагонист глутамата ( табл. 21.2).
Освобождение глутамата происходит так же, как ACh , в зависимости от концентрации ионов Са2+ в пресинаптической области. Однако завершение синаптического переноса происходит не посредством его ферментативного разрушения в синаптической щели, а по механизму обратного захвата трансмиттера пресинаптическим нервным окончанием. Кроме того, в этом участвует и астроглия . Глутамат прямо открывает неспецифический ионный канал для катионов.
Существует по крайней мере три основных типа постсинаптических рецепторов, у каждого из которых есть много подтипов. Они различаются по своей способности связываться с экзогенными агонистами ( табл. 21.2). Один из типов связывается с N-метил-D-аспартатом (NMDA) и поэтому называется NMDA-рецептором . Некоторые из синапсов, снабженные этим типом рецепторов, обладают по сравнению с обычными синапсами дополнительным механизмом. Mg2+, находящийся в экстрацеллюлярной жидкости, оказывает на них влияние как неконкурентный блокатор сопряженного с этим рецептором ионного канала ( рис. 21.9). Таким образом, освобождение трансмиттера не приводит к эффекту. К другому типу относится рецептор, связывающийся с альфа-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионовой кислотой (AMPA) . Если потенциал мембраны постсинаптической клетки благодаря возбуждающим синапсам, имеющим AMPA-рецептор, немного деполяризуется, то связывание Mg2+ с NMDA-рецептором уменьшается. После этого Mg2+ освобождает ионный канал, связанный с NMDA-рецептором, и ионы натрия могут проникать в клетку, вызывая сильную деполяризацию. Но через тот же самый ионный канал внутрь клетки могут также дополнительно попасть ионы Са2+, которые через системы вторичных мессенджеров и активацию специфических белков способствуют длительному потенциированию (долгосрочное потенциирование). Так создается основа для процессов обучения .
Уменьшение синаптической активности (долгосрочная депрессия) возможна благодаря похожему механизму. Так как информационный вход при помощи NMDA-синапса эффективен только тогда, когда одновременно активируются другие синапсы, которые деполяризуют мембрану клетки, такие постсинаптические нейроны могут выполнять "логические функции". Окись азота NO обратно влияет на NMDA-синапсы как ретроградный мессенджер пресинаптической области. Она возникает дополнительно в постсинаптической области в том случае, если при помощи входящего тока ионов Са2+ при деполяризации активируется NO-синтаза.
Чрезмерное возбуждение многих NMDA-синапсов может необратимо повредить постсинаптические клетки (так называемая эксайтотоксичность - цитотоксичность, свойственная возбуждающим нейротрансмиттерам, например, глутамату и аспартату), по-видимому, под воздействием значительного входящего тока ионов Са2+. Очевидно, десенситизация на рецепторах этого типа наступает очень медленно. Эксайтотоксичность усиливает многие
07 Октября 2016Глутамат
Физиолог Вячеслав Дубынин о передаче сенсорики, NMDA-рецепторах и свойствах глутаминовой кислоты.
В основе работы мозга лежит взаимодействие нервных клеток, а они разговаривают друг с другом с помощью веществ, которые называются медиаторами. Медиаторов довольно много, например ацетилхолин, норадреналин. Один из важнейших медиаторов, а может быть, и самый главный, называется глутаминовая кислота, или глутамат. Если посмотреть на строение нашего мозга и на то, какие вещества используют разные нервные клетки, то глутамат выделяют где-то 40% нейронов, то есть это очень большая доля нервных клеток.
С помощью выделения глутамата в нашем мозге, головном и спинном, передаются основные информационные потоки: все, что связано с сенсорикой (зрение и слух), память, движение, пока оно не дошло до мышц, – все это передается с помощью выделения глутаминовой кислоты. Поэтому, конечно, данный медиатор заслуживает особого внимания и очень активно изучается.
По своей химической структуре глутамат – это довольно простая молекула. Он является аминокислотой, причем пищевой аминокислотой, то есть сходные молекулы мы получаем просто в составе тех белков, которые едим. Но надо сказать, что пищевой глутамат (из молока, хлеба или мяса) в мозг практически не проходит. Нервные клетки синтезируют это вещество прямо в окончаниях аксонов, прямо в тех структурах, которые входят в состав синапсов, «по месту» и дальше выделяют для того, чтобы передавать информацию.
Сделать глутамат очень просто. Исходным материалом служит α-кетоглутаровая кислота. Это очень распространенная молекула, она получается по ходу окисления глюкозы, во всех клетках, во всех митохондриях ее много. И дальше на эту α-кетоглутаровую кислоту достаточно пересадить любую аминогруппу, взятую от любой аминокислоты, и вот уже получается глутамат, глутаминовая кислота. Глутаминовая кислота может еще синтезироваться из глутамина. Это тоже пищевая аминокислота, глутамат и глутамин очень легко превращаются друг в друга. Например, когда глутамат выполнил свою функцию в синапсе и передал сигнал, дальше он разрушается с образованием глутамина.
Глутамат – это возбуждающий медиатор, то есть он всегда в нашей нервной системе, в синапсах, вызывает нервное возбуждение и дальнейшую передачу сигнала. Этим глутамат отличается, например, от ацетилхолина или норадреналина, потому что ацетилхолин и норадреналин в одних синапсах могут вызывать возбуждение, в других – торможение, у них более сложный алгоритм работы. А глутамат в этом смысле более прост и понятен, хотя такой уж совсем простоты вы не найдете, поскольку к глутамату существует порядка 10 типов рецепторов, то есть чувствительных белков, на которые действует эта молекула, и разные рецепторы с разной скоростью и с разными параметрами проводят глутаматный сигнал.
Эволюция растений нашла целый ряд токсинов, действующих на глутаматные рецепторы. Для чего это растениям, в общем, достаточно понятно. Растения, как правило, против того, чтобы их ели животные, соответственно, эволюция придумывает некие защитные токсические конструкции, которые останавливают травоядных. Наиболее сильные растительные токсины связаны с водорослями, и именно токсины водорослей способны очень мощно влиять на глутаматные рецепторы мозга и вызывать тотальное возбуждение и судороги. Получается, что суперактивация глутаматных синапсов – это очень мощное возбуждение мозга, судорожное состояние. Наверное, самая известная молекула в этом ряду называется домоевая кислота, она синтезируется одноклеточными водорослями – есть такие водоросли, они живут в западной части Тихого океана, на побережье, например, Канады, Калифорнии, Мексики. Отравление токсином этих водорослей весьма и весьма опасно. А это отравление иногда случается, потому что одноклеточными водорослями питается зоопланктон, всякие мелкие рачки или, например, двустворчатые моллюски, когда фильтруют воду, втягивают в себя эти водорослевые клетки, а дальше в какой-нибудь мидии или устрице оказывается слишком высокая концентрация домоевой кислоты, и можно серьезно отравиться.
Зарегистрированы даже смертельные случаи среди людей. Они, правда, единичные, но тем не менее это говорит о мощи данного токсина. И весьма характерным является отравление домоевой кислотой в случае птиц. Если какие-то морские птицы, которые едят опять же мелкую рыбешку, питающуюся зоопланктоном, слишком много получают домоевой кислоты, то возникает характерный психоз: какие-нибудь чайки или пеликаны перестают бояться крупных объектов и, наоборот, на них нападают, то есть становятся агрессивными. Была целая эпидемия таких отравлений где-то в начале 1960-х годов, и сообщения газет об этой эпидемии «птичьих психозов» вдохновили Дафну Дюморье на то, чтобы она написала роман «Птицы», а потом Альфред Хичкок снял классический триллер «Птицы», где вы видите тысячи очень агрессивных чаек, которые мучают главных героев фильма. Естественно, в реальности таких глобальных отравлений не было, но тем не менее домоевая кислота вызывает очень характерные эффекты, и она и подобные ей молекулы, конечно, очень опасны для работы мозга.
Мы едим глутаминовую кислоту и похожий на нее глутамат в большом количестве просто с пищевыми белками. Наши белки, которые входят в состав различных пищевых продуктов, содержат 20 аминокислот. Глутамат и глутаминовая кислота находятся в составе этой двадцатки. Более того, они наиболее распространенные аминокислоты, если тотально посмотреть на строение белков. В итоге за день с обычной пищей мы съедаем от 5 до 10 граммов глутамата и глутамина. В свое время с очень большим трудом поверили, что глутамат выполняет функции медиатора в мозге, потому что получается, что вещество, которое мы буквально в лошадиных дозах потребляем, в мозге выполняет такие тонкие функции. Была такая логическая нестыковка. Но потом поняли, что, собственно, пищевой глутамат в мозг практически не проходит. За это нужно благодарить структуру, которая называется гематоэнцефалический барьер, то есть специальные клетки окружают все капилляры, все мелкие сосуды, которые пронизывают мозг, и довольно жестко контролируют движение химических веществ из крови в нервную систему. Если бы не это, то какая-нибудь съеденная котлета или булочка вызывала бы у нас судороги, а это, естественно, никому не нужно. Поэтому пищевой глутамат почти не проходит в мозг и, действительно, синтезируется для того, чтобы выполнять медиаторные функции прямо в синапсах. Тем не менее если много глутамата одномоментно съесть, то небольшое количество все-таки проникает в мозг. Тогда может возникнуть небольшое возбуждение, эффект которого сравним с чашкой крепкого кофе. Такое действие высоких доз пищевого глутамата известно, и оно возникает довольно часто, если человек использует глутамат в больших количествах как пищевую добавку.
Дело в том, что наша вкусовая система очень чувствительна к глутамату. Опять же это связано с тем, что глутамата много в белках. Получается, что эволюция вкусовой системы, настраиваясь на химический анализ пищи, именно глутамат выделила как признак белковой еды, то есть мы должны есть белок, потому что белок – это главный строительный материал нашего тела. Точно так же глюкозу наша вкусовая система научилась очень хорошо детектировать, потому что глюкоза и подобные ей моносахариды – это главный источник энергии, а белок – главный строительный материал. Поэтому вкусовая система настроилась на идентификацию глутамата именно как сигнала о белковой пище, и наряду с кислым, сладким, соленым, горьким вкусами у нас есть на языке чувствительные клетки, которые реагируют именно на глутамат. И глутамат – это всем известная еще и так называемая вкусовая добавка. Называть его усилителем вкуса не совсем правильно, потому что у глутамата свой собственный вкус, который по значимости так же велик, как горькое, кислое, сладкое и соленое.
Надо сказать, что о существовании глутаматного вкуса известно уже более ста лет. Японские физиологи открыли этот эффект благодаря тому, что в японской и китайской кухне глутамат (в виде соевого соуса или соуса, который делается из морской капусты) используется очень давно. Соответственно, возник вопрос: почему они такие вкусные и почему вкус этот так отличается от стандартных вкусов? Дальше были открыты глутаматные рецепторы, а потом глутамат уже стали использовать практически в чистом виде (Е620, Е621 – глутамат натрия), для того чтобы добавлять в самую разную еду. Порой бывает так, что глутамат начинают обвинять во всех смертных грехах, называют «очередной белой смертью»: соль, сахар и глутамат – белая смерть. Это, конечно, сильно преувеличено, потому что еще раз повторю: в течение дня мы с обычной едой съедаем от 5 до 10 граммов глутамата и глутаминовой кислоты. Поэтому если вы немного добавите глутамата в пищу для появления этого мясного вкуса, в этом нет ничего страшного, хотя, конечно, избыток неполезен.
К глутамату, действительно, много рецепторов (около 10 типов рецепторов), которые с разной скоростью проводят глутаматные сигналы. И эти рецепторы изучаются прежде всего с точки зрения анализа механизмов памяти. Когда в нашем мозге и в коре больших полушарий возникает память, это реально означает, что между нервными клетками, передающими какой-то информационный поток, начинают активнее работать синапсы. Основной механизм активации работы синапсов – это увеличение эффективности глутаматных рецепторов. Анализируя разные глутаматные рецепторы, мы видим, что разные рецепторы по-разному меняют свою эффективность. Наверное, наиболее изученные – так называемые NMDA-рецепторы. Это аббревиатура, она расшифровывается как N-метил-D-аспартат. Этот рецептор реагирует на глутамат и NMDA. Для NMDA-рецептора характерно то, что он способен блокироваться ионом магния, и если к рецептору присоединен ион магния, то этот рецептор не функционирует. То есть вы получаете синапс, в котором есть рецепторы, но эти рецепторы выключены. Если по нейросети прошел какой-то сильный, значимый сигнал, то ионы магния (их еще называют магниевыми пробками) отрываются от NMDA-рецептора, и синапс начинает буквально мгновенно работать в разы эффективнее. На уровне передачи информации это как раз и означает запись некого следа памяти. В нашем мозге есть структура, которая называется гиппокамп, там как раз очень много таких синапсов с NMDA-рецепторами, и гиппокамп является, пожалуй, наиболее исследуемой с точки зрения механизмов памяти структурой.
Но NMDA-рецепторы, появление и уход магниевой пробки – это механизм кратковременной памяти, потому что пробка может уйти, а потом вернуться – тогда мы что-то забудем. Если формируется долговременная память, там все гораздо сложнее, и там работают другие типы глутаматных рецепторов, которые способны с мембраны нервной клетки передавать сигнал прямо на ядерную ДНК. И получив этот сигнал, ядерная ДНК запускает синтез дополнительных рецепторов в глутаминовой кислоте, и эти рецепторы встраиваются в синаптические мембраны, и синапс начинает работать эффективнее. Но это происходит уже не мгновенно, как в случае выбивания магниевой пробки, а требует нескольких часов, требует повторов. Но зато уж если это случилось, то всерьез и надолго, и это основа нашей долговременной памяти.
Конечно, фармакологи используют глутаматные рецепторы, для того чтобы влиять на различные функции мозга, в основном для понижения возбуждения нервной системы. Очень известен препарат, который называется кетамин. Он работает как вещество для наркоза. Кетамин, кроме того, известен как молекула с наркотическим действием, потому что при выходе из наркоза довольно часто возникают галлюцинации, поэтому кетамин относят еще и к препаратам галлюциногенного, психоделического действия, с ним очень непросто. Но в фармакологии такое часто бывает: вещество, являющееся необходимейшим лекарственным препаратом, обладает какими-то побочными эффектами, которые в итоге приводят к тому, что нужно распространение и использование этого вещества очень жестко контролировать.
Еще одна молекула очень известна в связи с глутаматом – это мемантин, вещество, способное довольно мягко блокировать NMDA-рецепторы и в итоге понижать активность коры больших полушарий в самых разных зонах. Мемантин используется в довольно широком круге ситуаций. Его аптечное название – «Акатинол». Он используется для того, чтобы понижать тотальный уровень возбуждения, чтобы ослаблять вероятность эпилептических припадков, и, пожалуй, самое активное использование мемантина – это ситуации нейродегенерации и болезнь Альцгеймера.
Структура статьи:
Многие люди хотят улучшить работу своего мозга и для этого прибегают к использованию ноотропов. Познакомьтесь со свойствами и правилами применения глутамата.
Человеческий организм является сложнейшим механизмом. Наверняка вы замечали, как некоторые люди способны быстро соображать, а другие могут «притормаживать». На это влияет масса факторов, но есть два, на которые можно воздействовать. Речь сейчас идет о нейромедиаторах ГАМК (замедляющий) и глутамате (возбуждающем). Хотя их воздействие на организм является противоположным, для синтеза этих веществ используется глутаминовая кислота.
Глутамат сегодня активно используется в пищевой промышленности. Наверняка в составе каких-либо продуктов вы встречали название «глутамат натрия». Это вещество обманывает мозг, говоря ему, что пища вкусная.
Если рассказать о механизме работы вещества в нескольких словах, то глутамат ускоряет процесс передачи информации между клетками нервной системы. В результате человек способен быстрее действовать и принимать решения. Цепочек нервных клеток в головном мозге миллионы и они постоянно обмениваются информацией. Следует отметить, что каждая из этих цепочек отвечает за какой-то процесс.
Например, вы что-то увидели и на основании этого принимаете соответствующее решение. Первой на ситуацию реагирует глазная сетчатка со зрительным нервом. Затем сигналы передаются в кору мозга и далее по цепи к двигательным органам. Глутамат можно сравнить с магнитом, который деполяризует клетки нервной системы. Чем активнее изменяется их полярность, тем быстрее передается сигнал.
Глутамат воздействует на клеточные структуры с помощью одного из двух путей — метаботропного или ионотропного. Первый более медленный, но при этом воздействие длиться больше времени.
Вероятно, вы знаете, что нейромедиаторы синтезируются нейроном, а затем воздействуют на соответствующие рецепторы второго. Рецепторы можно сравнить с дверями, которые открывают дорогу нейромедиатору во второй нейрон. Глутамат способен взаимодействовать со следующими типами рецепторов:
Сейчас мы рассмотрели ионотропный путь работы нейромедиатора. Для активации метаботропного глутамат воздействует на mGlu-рецепторы. Как мы уже говорили выше, они обладают иным механизмом работы и имеют более длительный потенциал.
Среди положительных свойств нейромедиатора следует отметить увеличение скорости мышления, человек быстрее запоминает информацию, а также за короткий отрезок времени успеет больше сделать. Среди негативных моментов необходимо вспомнить об увеличении импульсивности, появлении чувства беспокойства, а также эксайтоксичность.
Так как синтезируется из глутаминовой кислоты, то в первую очередь необходимо увеличить в организме количество этого сырья. Среди продуктов питания следует отметить мясо, рыбу и сыр. Однако вы помните, что та же глутаминовая кислота используется и для синтеза ГАМК, а что именно необходимо синтезировать в конкретный момент времени, решает сам организм. Пока ученые уверены лишь в одном естественном способе увеличения концентрации глутамата — стресс и зубрежка.
Аминокислотные медиаторы подразделяются на две группы:
возбуждающие кислые (глутамат и аспартат)
ингибиторные нейтральные (ГАМК, глицин, β-аланин и таурин).
ГАМК
ГАМК ингибиторный медиатор. Он содержится в сером веществе головного мозга, в клетках Пуркинье мозжечка, многих ингибиторных промежуточных нейронов, например, полосатого тела, спинного мозга и коры.
ГАМК образуется и разрушается в ГАМК-шунте ЦТК.
Ингибирование заключается в том, что он открывает хлорные каналы, вызывает гиперполяризацию и тормозит возбудимость постсинаптической мембраны эффекторной клетки.
Если ингибирующее действие ГАМК-эргических нейронов снимается, то это приводит к неконтролируемой активности связанных с этим медиатором нервных связей. Антагонисты ГАМК, например пикротоксин и бикукуллин, являются, следовательно, мощными конвульсантами.
Вещества, усиливающие ингибиторный эффект ГАМК, являются релаксантами и транквилизаторами.
На работу ГАМК-реактивных синапсов влияют различные вещества:
Производные гидразина ингибируют синтез ГАМК.
Антогонисты ГАМК: бициклофосфаты, норборнан.
Пресинапсические блокаторы высвобождения ГАМК: тетанотоксин.
Глицин
Глицин - основной ингибиторный медиатор спинного мозга и ствола головного мозга. Он открывает хлорные каналы, вызывает гиперполяризацию и тормозит возбудимость постсинаптической мембраны.
Глутамат - основной возбуждающий медиатор ЦНС. Он представлен в высокой концентрации в нервной ткани (10 мМ) (причем в нейронах выше, чем в глии). Непосредственный источник глутамата в мозговой ткани – восстановительное аминирование и переаминирования α-кетоглутаровой кислоты.
Выделено пять рецепторов глутамата.
NMDA, АМРА и каинатные рецепторы связаны с Са 2+ -каналами. Под действием глутамата, рецепторы открывают Са 2+ -каналы и запускают Са 2+ из межклеточного пространства в в нейроплазму.
ACPD – рецепторы активируют инозитолтрифосфатную систему. Под действием глутамата они выпускают Са 2+ из ЭПС в в нейроплазму.
Активацие L-AP4-рецепторов приводит к усилению гидролиза цГМФ и блокаде входящих ионных токов.
Глутамат играет важную роль в осуществлении пластичности синапсов и эксайтотоксичности, участвует в развитии долговременной потенциации - процесса, который лежит в основе некоторых форм обучения.
Энкефалины и другие нейропептиды
Эндорфин, динорфин и энкефалины – нейромедиаторыпептидной природы, которые находятся в спинном мозге (области ответственной за проведение болевых сигналов), в малых промежуточных нейронах. Высокие концентрации энкефалинов присутствуют в лимбической системы (в части, которая участвует в регуляции эмоций).
Среди энкефалинов выделены Met- и Leu-энкефалин .
Были найдены три предшественника: проопиомеланокортин, проэнкефалин и продинорфин.
Проопиомеланокортин содержит по 1 копии АКТГ, β-липотропина, β-эндорфина, Met-энкефалина. β-липотропин , полипептид гипофиза, является предшественником Met-энкефалина.
Продинорфин , полипептид гипоталамуса, содержит три копии Leu-энкефалина и по одной β-неодинорфина и динорфина. Динорфин, полипептид гипофиза, является предшественником Leu-энкефалина.
Проэнкефалин содержит 4 копии Met-энкефалина, одну - Leu-энкефалина.
Эндорфин, динорфин и энкефалины действуют на опиоидные рецепторы. Эти рецепторы также чувствительны к морфину и его производным. Морфин - алкалоид, выделенный из млечного сока незрелых коробочек мака.
Существуют три типа опиатных рецепторов δ, μ и χ .
χ-рецепторы связывают только динорфин, они находятся главным образом в спинном мозге, где участвуют в регуляции передачи болевых сигналов.
С δ- и μ-рецепторами связываются энкефалины.
Опиаты обладают как анальгетическим, так и эйфорическим действием. Опиаты ингибируют высвобождение вещества Р – соединения, которое, выполняет роль нейромедиатора нервного болевого пути.
Особенно большая плотность рецепторов обнаружена в лимбической системе - эволюционно самом древнем отделе, который отвечает за эмоциональное возбуждение и в котором локализованы эйфорические и эмоциональные компоненты болеутоляющего действия опиатов.
Шестая (и последняя) статья цикла о нейромедиаторах будет посвящена глутамату . Это вещество больше знакомо нам как усилитель вкуса в продуктах, но оно играет важную роль в нашей нервной системе. Глутамат - это самый распространенный возбуждающий нейротрансмиттер в нервной системе млекопитающих вообще и человека в частности.
Глутамат (глутаминовая кислота) является одной из 20 основных аминокислот . Кроме участия в синтезе белков он может выполнять функцию нейромедиатора - вещества, которое передает сигнал от одной нервной клетки к другой в синаптической щели. При этом нужно учитывать, что глутамат, который есть в пище, не проникает через гематоэнцефалический барьер , то есть не оказывает прямого влияния на мозг. Глутамат образуется в клетках нашего тела из α-кетоглутарата путем трансаминирования. Аминогруппа переносится с аланина или аспартата, заменяя кетоновый радикал α-кетоглутарата (рис. 1). В итоге мы получаем глутамат и пируват или щавелевоуксусную кислоту (в зависимости от донора аминогруппы). Два последних вещества участвуют во многих важных процессах: щавелевоуксусная кислота, например, - это один из метаболитов в великом и ужасном цикле Кребса . Разрушение глутамата происходит при помощи фермента глутаматдегидрогеназы, и в ходе реакции образуются уже знакомый нам α-кетоглутарат и аммиак.
Рисунок 1. Синтез глутамата. Глутамат образуется из α-кетоглутарата путем замены кетогруппы на аминогруппу. При проведении реакции в клетках тратится никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ, NADP). Рисунок с сайта lecturer.ukdw.ac.id .
У глутамата, как и у большинства других медиаторов, есть два типа рецепторов - ионотропные (которые открывают мембранную пору для ионов в ответ на присоединение лиганда) и метаботропные (которые при присоединении лиганда вызывают метаболические перестройки в клетке). Группа ионотропных рецепторов делится на три семейства: NMDA-рецепторы , AMPA-рецепторы и рецепторы каиновой кислоты . NMDA-рецепторы так называются, поскольку их селективным агонистом, веществом, избирательно стимулирующим эти рецепторы, является N-метил-D-аспартат (NMDA). В случае AMPA-рецепторов таким агонистом будет α-аминометилизоксазолпропионовая кислота, а каинатные рецепторы избирательно стимулируются каиновой кислотой. Это вещество содержится в красных водорослях и используется в нейробиологических исследованиях для моделирования эпилепсии и болезни Альцгеймера. В последнее время к ионотропным рецепторам стали также добавлять δ-рецепторы : они расположены на клетках Пуркинье в мозжечке млекопитающих. Стимуляция «классических» - NMDA-, AMPA- и каинатных - рецепторов приводит к тому, что калий начинает выходить из клетки, а кальций и натрий поступают в клетку. В ходе этих процессов в нейроне возникает возбуждение, и запускается потенциал действия. Метаботропные же рецепторы связаны с системой G-белков и участвуют в процессах нейропластичности . Под нейропластичностью понимается способность нервных клеток образовывать новые связи друг другом или уничтожать их. Также в понятие нейропластичности включается способность синапсов изменять количество высвобождаемого нейромедиатора в зависимости от того, какие поведенческие акты и мыслительные процессы происходят в данный момент и с какой частотой.
Глутаматная система неспецифична: на глутаминовой кислоте «работает» почти весь мозг. Прочие, описанные в предыдущих статьях, нейромедиаторные системы имели более или менее узкую специфику - например, дофаминовая влияла на наши движения и мотивацию . В случае с глутаматом такого не происходит - слишком широко и неизбирательно его влияние на процессы внутри мозга. Сложно выделить какую-то конкретную функцию, кроме возбуждающей . По этой причине приходится говорить о глутаматной системе как о совокупности большого количества связей в головном мозге. Такую совокупность называют коннектомом . Мозг человека содержит огромное количество нейронов, которые образуют между собой еще большее количество связей. Составить коннектом человека - задача, которая на сегодняшний день науке не под силу. Однако уже описан коннектом червя Caenorhabditis elegans (рис. 2). Поклонники идеи коннектома утверждают, что в человеческих коннектомах записана наша идентичность: наши личность и память. По их мнению, в совокупности всех связей прячется наше «Я». Также «связисты» считают, что после описания всех нейронных связей мы сможем понять причину множества психических и неврологических расстройств, а значит и сможем их успешно лечить.
Рисунок 2. Коннектом нематоды Caenorhabditis elegans Каждый нейрон червя имеет свое название, а все связи между нейронами учтены и нанесены на схему. В итоге схема выходит запутаннее, чем карта токийского метро. Рисунок с сайта connectomethebook.com .
Как мне кажется, эта идея перспективна. В упрощённом виде связи между нейронами можно представить в виде проводов, сложных кабелей, соединяющих одни нейроны с другими. При поражении этих связей - искажении сигнала, обрыве проводов - может происходить нарушение слаженной работы головного мозга. Такие болезни, возникающие при сбое в нейронных каналах связи, называются коннектопатиями . Термин новый, но за ним скрываются уже известные ученым патологические процессы. Если вам хочется узнать о коннектомах больше, рекомендую прочесть книгу Себастьяна Сеунга «Коннектом. Как мозг делает нас тем, что мы есть » .
Рисунок 3. Структура мемантина. Мемантин является производным углеводорода адамантана (не путайте с адамантом). Рисунок из «Википедии ».
В нормально работающем мозге сигналы от нейронов равномерно распределены по всем другим клеткам. Нейромедиаторы выделяются в необходимом количестве, и нет поврежденных клеток. Однако после инсульта (острое поражение) или при деменции (длительно текущий процесс) из нейронов в окружающее пространство начинает выделяться глутамат. Он стимулирует NMDA-рецепторы других нейронов, и в эти нейроны поступает кальций. Приток кальция запускает ряд патологических механизмов, что в итоге приводит к гибели нейрона. Процесс повреждения клеток за счет выделения большого количества эндогенного токсина (в данном случае - глутамата) называется эксайтотоксичностью .
Рисунок 4. Действие мемантина при альцгеймеровской деменции. Мемантин снижает интенсивность возбуждающих сигналов, которые приходят от корковых нейронов на ядро Мейнерта. Ацетилхолиновые нейроны, составляющие эту структуру, регулируют внимание и ряд других когнитивных функций. Уменьшение избыточной активации ядра Мейнерта приводит к уменьшению симптомов деменции. Рисунок из .
Для того чтобы предотвратить развитие эксайтотоксичности или уменьшить ее влияние на течение болезни, можно назначить мемантин . Мемантин - очень красивая молекула-антагонист NMDA-рецепторов (рис. 3). Чаще всего этот препарат назначают при сосудистой деменции и деменции при болезни Альцгеймера . В норме NMDA-рецепторы заблокированы ионами магния, но при стимуляции глутаматом эти ионы высвобождаются из рецептора, и в клетку начинает проникать кальций. Мемантин блокирует рецептор и препятствует прохождению ионов кальция в нейрон - лекарство оказывает свое нейропротективное действие, снижая общий электрический «шум» в сигналах клетки. При альцгеймеровской деменции, помимо глутамат-опосредованных проблем, снижается уровень ацетилхолина - нейромедиатора, участвующего в таких процессах как память, обучение и внимание. В связи с этой особенностью болезни Альцгеймера психиатры и неврологи используют для лечения ингибиторы ацетилхолинэстеразы , фермента, который разрушает ацетилхолин в синаптической щели. Использование этой группы лекарств увеличивает содержание ацетилхолина в мозге и нормализует состояние пациента. Специалисты рекомендуют совместное назначение мемантина и ингибиторов ацетилхолинэстеразы для более эффективной борьбы с деменцией при болезни Альцгеймера . При совместном применении этих препаратов происходит воздействие сразу на два механизма развития болезни (рис. 4).
Деменция - это растянутое по времени поражение головного мозга, при котором гибель нейронов происходит медленно. А бывают заболевания, приводящие к быстрому и большому по объему поражению нервной ткани. Эксайтотоксичность - важный компонент повреждения нервных клеток при инсульте. По этой причине при нарушениях мозгового кровообращения применение мемантина может быть оправданно, однако исследования на эту тему только начинаются. В настоящее время есть работы, проведенные на мышах, где показано, что назначение мемантина в дозе 0,2 мг/кг в день уменьшает объем поражения мозга и улучшает прогноз инсульта . Возможно, дальнейшие работы на эту тему позволят усовершенствовать терапию инсультов у людей.
Самые частые галлюцинации у пациентов с шизофренией - слуховые: больной слышит «голоса» в своей голове. Голос может ругать, комментировать происходящее вокруг, в том числе и действия пациента. У одной из моих пациенток «голоса» читали вывески магазинов на улице, где она шла; другая услышала, как голос произнес: «Получишь пенсию, и пойдем в кафе». В настоящее время существует теория, объясняющая возникновение таких голосов. Представим, что пациент идет по улице. Он видит вывеску, а мозг автоматически «прочитывает» ее. При повышенной активности в височной доле, отвечающей за слуховое восприятие, у пациента возникают слуховые ощущения. Они могли бы подавляться за счет нормальной работы участков лобной коры, но этого не происходит из-за снижения их активности (рис. 5). Избыточная активность слуховой коры может быть вызвана гиперфункцией глутаматной (возбуждающей) системы или дефектом ГАМКергических структур, отвечающих за нормальное торможение в мозге человека. Вероятнее всего, недостаточная активность лобной доли в случае шизофрении также связана с нарушением нейромедиаторного баланса. Рассогласованность действий приводит к тому, что человек начинает слышать «голоса», которые явно соотносятся с окружающей обстановкой или передают его мысли. Очень часто свои мысли мы «проговариваем» в голове, что тоже может быть источником «голосов» в мозге человека, больного шизофренией .
Рисунок 5. Возникновение слуховых галлюцинаций в мозге пациента с шизофренией. Первичное ощущение от автоматического «прочтения» вывесок или при возникновении мыслей, локализованное в височной коре (1), не подавляется лобной корой (2). Теменная кора (3) улавливает возникший паттерн активности в головном мозге и смещает на него фокус активности. В итоге человек начинает слышать «голос». Рисунок из .
На этом наше путешествие в мир нейромедиаторов закончено. Мы познакомились с мотивирующим дофамином, успокаивающей γ-аминомасляной кислотой и еще четырьмя героями нашего мозга. Интересуйтесь своим мозгом - потому что, как гласит название книги Дика Свааба , . Neurotox. Res . 24 , 358–369;
