Первый среди равных

В научно-популярной литературе медицинской и нейрофизиологической направленности чаще всего речь заходит о трех нейромедиаторах: дофамине [1], серотонине [2] и норадреналине [3]. Во многом это объясняется тем, что нормальные и болезненные состояния, связанные с изменением уровня этих нейротрансмиттеров, доступнее для понимания и вызывают больше интереса у читателей. Об этих веществах я уже писал, теперь настало время уделить внимание еще одному медиатору.

Речь пойдет об ацетилхолине, и это будет символично, учитывая, что он был первым открытым нейромедиатором. В начале XX века между учеными велся спор, каким способом передается сигнал от одной нервной клетки на другую. Одни считали, что электрический заряд, пробежав по одному нервному волокну, передается на другое по каким-то более тонким «проводам». Их оппоненты утверждали, что существуют вещества, которые переносят сигнал от одной нервной клетки к другой. В принципе, обе стороны оказались правы: существуют химические и электрические синапсы. Однако сторонники второй гипотезы оказались «правее» — химические синапсы преобладают в организме человека.

Чтобы разобраться в особенностях передачи сигнала от одной клетки к другой, физиолог Отто Лёви проводил простые, но изящные опыты (рис. 1). Он стимулировал электрическим током блуждающий нерв лягушки, что приводило к уменьшению частоты сердечных сокращений*. Затем жидкость, находящуюся вокруг этого сердца, Лёви собирал и наносил на сердце другой лягушки — и оно тоже замедлялось. Это доказывало существование некоего вещества, передающего сигнал от одних нервных клеток другим. Загадочное вещество Лёви назвал vagusstoff («вещество блуждающего нерва»). Сейчас мы знаем его под названием ацетилхолин. Вопросом химической синаптической передачи занимался и британец Генри Дейл, который обнаружил ацетилхолин еще раньше Лёви. В 1936 году оба ученых получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за открытия, связанные с химической передачей нервных импульсов».

* — О том, как сокращается наше сердце — об автоматизме, дирижирующих пейсмейкерах и даже смешных каналах, — читайте в обзоре «Метроном: как руководить разрядами?» [4]. — Ред.

Ацетилхолин (рис. 2) производится в нервных клетках из холина и ацетилкофермента-А (ацетил-КоА). За разрушение ацетилхолина отвечает фермент ацетилхолинэстераза, находящийся в синаптической щели; об этом ферменте будет подробный разговор позже. План строения ацетилхолинергической системы головного мозга схож со строением других нейромедиаторных систем (рис. 3). В стволе мозга существует ряд структур, выделяющих ацетилхолин, который поступает по аксонам в базальные ганглии головного мозга. Там есть свои ацетилхолиновые нейроны, чьи отростки расходятся широко по коре и проникают в гиппокамп.

Рецепторы ацетилхолина делятся на две группы — мускариновые и никотиновые. Стимуляция мускариновых рецепторов приводит к изменению метаболизма в клетке через систему G-белков* (метаботропные рецепторы), а воздействие на никотиновые — к изменению мембранного потенциала (ионотропные рецепторы). Это происходит благодаря тому, что никотиновые рецепторы связаны с натриевыми каналами на поверхности клеток. Экспрессия рецепторов различается в разных участках нервной системы (рис. 4).

* — О пространственных структурах нескольких представителей громадного семейства GPCR-рецепторов — мембранных рецепторов, действующих через активацию G-белка, — доступно рассказано в статьях: «Рецепторы в активной форме» (об активной форме родопсина) [5], «Структуры рецепторов GPCR „в копилку“» (о дофаминовом и хемокиновом рецепторах) [6], «Рецептор медиатора настроения» (о двух серотониновых рецепторах) [7]. — Ред.

Медиатор памяти и обучения

Ацетилхолиновая система головного мозга напрямую связана с таким явлением как синаптическая пластичность — способность синапса усиливать или снижать выделение нейромедиатора в ответ на увеличение или уменьшение его активности. Синаптическая пластичность является важным процессом для памяти и обучения, поэтому ученые стремились обнаружить его в отделе мозга, отвечающем за эти функции — в гиппокампе. Большое количество ацетилхолиновых нейронов направляет свои отростки в гиппокамп, и там они влияют на высвобождение нейромедиаторов из других нервных клеток [8]. Способ осуществления этого процесса довольно простой: на теле нейрона и его пресинаптической части расположены различные никотиновые рецепторы (в основном, α₇- и β₂-типов). Их активация будет приводить к тому, что прохождение сигнала по иннервируемой клетке упростится, и он с большей вероятностью перейдет на следующий нейрон. Наибольшее влияние такого рода испытывают на себе ГАМК-ергические нейроны — нервные клетки, чьим нейромедиатором является γ-аминомасляная кислота [9].

ГАМК-ергические нейроны являются важной частью системы, генерирующей электрические ритмы нашего мозга. Эти ритмы можно записать и изучить при помощи электроэнцефалограммы — широкодоступного метода исследования в нейрофизиологии. Ритмы различной частоты обозначаются греческими буквами: 8–14 Гц — альфа-ритм, 14–30 Гц — бета-ритм и так далее. Использование стимуляторов ацетилхолиновых рецепторов приводит к тому, что в мозге возникает тета- (0,4–14 Гц) и гамма-ритм (30–80 Гц). Эти ритмы, как правило, сопровождают активную когнитивную деятельность. Стимуляция постсинаптических мускариновых ацетилхолиновых рецепторов, расположенных на нейронах гиппокампа (центра памяти) и префронтальной коры (центр сложных форм поведения), приводит к возбуждению этих клеток и генерации упомянутых выше ритмов. Они сопровождают различную когнитивную деятельность — например, выстраивание временнόй последовательности событий [10].

Гиппокамп и префронтальная кора играют важную роль в обучении. С точки зрения рефлексов любое обучение происходит двумя путями. Допустим, вы экспериментатор, и объектом вашего эксперимента является мышь. В первом случае в ее клетке зажигается свет (условный стимул), и грызун получает кусочек сыра (безусловный стимул) еще до того, как свет погаснет. Формирующийся рефлекс можно назвать задержанным. Во втором случае свет также зажигается, но мышь получает лакомство через некоторое время после выключения лампочки. Этот тип рефлекса называется следовым. Рефлексы второго типа зависят от осознанности стимулов больше, чем рефлексы первого типа. Угнетение активности ацетилхолинергической системы приводит к тому, что у животных не вырабатываются следовые рефлексы, хотя с задержанными проблем не возникает [11].

При сравнении секреции ацетилхолина в мозге крыс, у которых вырабатывали оба вида рефлексов, были получены интересные данные [12]. У крыс, которые успешно справлялись с усвоением временнόй связи между условным и безусловным стимулом, обнаруживалось значительное увеличение уровня ацетилхолина в медиальной префронтальной коре (рис. 5) по сравнению с гиппокампом. Особенно существенной была разница в уровнях ацетилхолина у крыс, которые выработали следовый рефлекс. Те грызуны, которые не справились с обеими задачами, обнаруживали приблизительно равные уровни нейромедиатора в исследуемых отделах мозга (рис. 6). Исходя из этого можно заключить, что непосредственно в обучении бóльшую роль играет префронтальная кора, а гиппокамп сохраняет полученные знания.

Рецепторы внимания

Для обучения важен не только интеллект или объем памяти, но и внимание. Без внимания даже самый успешный ученик будет двоечником. Ацетилхолин участвует также в процессах, регулирующих внимание.

Внимание — сфокусированное восприятие или обдумывание проблемы — сопровождается повышенной активностью в префронтальной коре. Ацетилхолиновые волокна направляются в лобную кору из глубоких отделов мозга. В связи с тем, что часто нам требуется быстрое переключение внимания, вполне логично, что в регуляции внимания участвуют никотиновые (ионотропные) рецепторы ацетилхолина, а не мускариновые, которые вызывают более медленные и преимущественно структурные изменения в нейронах. Повреждение ацетилхолиновых структур глубоких отделов мозга снижает активность медиальной префронтальной коры и нарушает внимание [13]. Кроме того, взаимодействие глубоких ацетилхолиновых структур с префронтальной корой не ограничивается восходящими сигналами. Нейроны лобной коры также отправляют свои сигналы в нижележащие отделы, что позволяет создавать саморегулирующуюся систему поддержания внимания [14]. Внимание поддерживается за счет воздействия ацетилхолина на пресинаптические и постсинаптические рецепторы (рис. 7).

При разговоре о никотиновых рецепторах и внимании возникает вопрос об улучшении когнитивных функций при помощи курения, то есть введения дополнительной дозы никотина, пусть и в виде сигаретного дыма [16]. Ситуация здесь довольно ясная, и результаты не дают курильщикам лишнего аргумента в пользу их пагубного пристрастия. Никотин, пришедший извне, нарушает нормальное развитие мозга, что может приводить к расстройствам внимания (на долгие годы) [17]. Если сравнивать курильщиков и некурящих, то у первых показатели внимания хуже, чем у их оппонентов [18]. Улучшение внимания у курильщиков возникает в случае выкуривания сигареты после долгого воздержания, когда их плохое настроение и когнитивные проблемы улетучиваются вместе с дымом.

Лекарство для памяти

Если в норме ацетилхолинергическая система нашего мозга отвечает за память, внимание и обучение, то заболевания, при которых нарушается этот тип трансмиссии в нашем мозге, должны проявляться соответствующими симптомами: потерей памяти, снижением внимания и способности учиться новому. Здесь надо сразу оговориться, что в ходе нормального старения у подавляющего большинства людей снижается и способность к запоминанию нового, и живость ума в целом. Если эти нарушения выражены настолько, что мешают пожилому человеку заниматься повседневной деятельностью и удовлетворять свои повседневные потребности (обслуживать себя), то тогда врачи могут заподозрить деменцию. Если вы хотите узнать о деменции больше, то рекомендую начать с изучения информационного бюллетеня ВОЗ, посвященного этой патологии [19].

Строго говоря, деменция — это не отдельное заболевание, а синдром, встречающийся при ряде заболеваний. Одной из самых частых болезней, которая приводит к деменции, является болезнь Альцгеймера. Считается, что при болезни Альцгеймера в нервных клетках накапливается патологический белок β-амилоид [20, 21], который и нарушает деятельность нервных клеток, что в итоге приводит к их гибели. Кроме этой теории существует ряд других, которые имеют свои доказательства. Вполне вероятно, что при болезни Альцгеймера в клетках головного мозга разных пациентов происходят неодинаковые процессы, но приводят они к схожим симптомам. Однако β-амилоид интересен тем, что он может подавлять эффект, производимый ацетилхолином на клетку через никотиновые рецепторы [22]. Если у нас получится интенсифицировать ацетилхолинергическую передачу, то мы можем уменьшить проявления болезни и продлить самостоятельную жизнь человеку с деменцией.

К препаратам, используемым при деменции, относятся ингибиторы ацетилхолинэстеразы (АХЭ) — фермента, разрушающего ацетилхолин в синаптической щели. Применение ингибиторов АХЭ приводит к повышению содержания ацетилхолина в межнейронном пространстве и улучшению передачи сигнала. Исследование эффективности ингибиторов АХЭ при болезни Альцгеймера определило, что они способны уменьшить симптомы заболевания [23] и замедлить его прогрессирование [24]. Три наиболее применяемых препарата из этой группы — ривастигмин, галантамин и донепезил — сравнимы по эффективности и безопасности. Также существует небольшой, но успешный опыт применения ингибиторов АХЭ в лечении музыкальных галлюцинаций у пожилых людей [25].

При помощи ацетилхолина наш мозг обучается, фокусирует внимание на разных объектах и явлениях окружающего мира. Наша память «работает» на ацетилхолине, а его дефицит можно компенсировать при помощи лекарств. Надеюсь, что вам понравилось знакомство с ацетилхолином.

Литература

1. Дофаминовые болезни;
2. Серотониновые сети;
3. Тайны голубого пятна;
4. Метроном: как руководить разрядами?;
5. Рецепторы в активной форме;
6. Структуры рецепторов GPCR «в копилку»;
7. Рецептор медиатора настроения;
8. Newman E.L., Gupta K., Climer J.R., Monaghan C.K., Hasselmo M.E. (2012). Cholinergic modulation of cognitive processing: insights drawn from computational models. Front. Behav. Neurosci. 6 (24). doi: 10.3389/fnbeh.2012.00024;
9. Placzek A.N., Zhang T.A., Dani J.A. (2009). Nicotinic mechanisms influencing synaptic plasticity in the hippocampus. Acta Pharmacol. Sin. 30, 752–760;
10. Alger B.E., Nagode D.A., Tang A.H. (2014). Muscarinic cholinergic receptors modulate inhibitory synaptic rhythms in hippocampus and neocortex. Front. Synaptic Neurosci. 6, 18. doi: 10.3389/fnsyn.2014.00018;
11. Hunt P.S., Richardson R. (2007). Pharmacological dissociation of trace and long-delay fear conditioning in young rats. Neurobiol. Learn. Mem. 87 (1), 86–92;
12. Flesher M.M., Butt A.E., Kinney-Hurd B.L. (2011). Differential acetylcholine release in the prefrontal cortex and hippocampus during pavlovian trace and delay conditioning. Neurobiol. Learn. Mem. 96 (2), 181–191;
13. Gill T.M., Sarter M., Givens B. (2000). Sustained visual attention performance-associated prefrontal neuronal activity: evidence for cholinergic modulation. J. Neurosci. 20 (12), 4745–4757;
14. Sherman S.M. (2007). The thalamus is more than just a relay. Curr. Opin. Neurobiol. 17 (4), 417–422;
15. Bloem B., Poorthuis R.B., Mansvelder H.D. (2014). Cholinergic modulation of the medial prefrontal cortex: the role of nicotinic receptors in attention and regulation of neuronal activity. Front. Neural. Circuits. 8, 17. doi: 10.3389/fncir.2014.00017;
16. Спасибо, дорогой Минздрав, что предупредил!;
17. Poorthuis R.B., Bloem B., Verhoog M.B., Mansvelder H.D. (2013). Layer-specific interference with cholinergic signaling in the prefrontal cortex by smoking concentrations of nicotine. J. Neurosci. 33 (11), 4843–4853;
18. Vossel S., Warbrick T., Mobascher A., Winterer G., Fink G.R. (2011). Spatial and sustained attention in relation to smoking status: behavioural performance and brain activation patterns. J. Psychopharmacol. 25 (11), 1485–1495;
19. Деменция. (2015). Информационный бюллетень ВОЗ;
20. Возможно, β-амилоид болезни Альцгеймера — часть врождённого иммунитета;
21. Болезнь Альцгеймера: ген, от которого я без ума;
22. He Y.X., Wu M.N., Zhang H., Qi J.S. (2013). Amyloid β-protein suppressed nicotinic acetylcholine receptor-mediated currents in acutely isolated rat hippocampal CA1 pyramidal neurons. Synapse. 67 (1), 11–20;
23. Birks J. (2006). Cholinesterase inhibitors for Alzheimer’s disease. The Cochrane Library;
24. Kumar A., Singh A., Ekavali. (2015). A review on Alzheimer’s disease pathophysiology and its management: an update. Pharmacol. Rep. 67 (2), 195–203;
25. Blom J.D., Coebergh J.A., Lauw R., Sommer I.E. (2015). Musical hallucinations treated with acetylcholinesterase inhibitors. Front. Psychiatry. 6, 46. doi: 10.3389/fpsyt.2015.00046..