«МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ 2-Е ИЗДАНИЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ В 3 томах 3 Перевод с английского канд. биол. наук В. П. Коржа, канд. биол. наук Н.В. Сониной, ...»

19.5.6. У млекопитающих при обучении происходят изменения в гиппокампе, вызванные притоком Са2 + через двояко регулируемые каналы [37] Практически все животные способны к научению, но особенно хорошо, вероятно, обучаются млекопитающие (или нам просто приятно так думать?). В основе этих процессов могут лежать какие-то уникальные молекулярные механизмы. Полагают, что у млекопитающих особую роль играет гиппокамп- особый участок коры головного мозга: если он разрушен в обоих полушариях, то способность запоминать новые события резко падает, хотя прежние следы долговременной памяти сохраняются. В некоторых синапсах гиппокампа при многократно повторяющемся возбуждении возникают выраженные функциональные изменения. В то время как случайные единичные потенциалы действия не оставляют в постсинаптической клетке заметного следа, короткий залп следующих друг за другом разрядов приводит к долговременной потенциации, и последующие единичные импульсы, приходящие в пресинаптическое окончание, вызывают в постсинаптической клетке ответ значительно большей силы. В зависимости от числа и интенсивности залпов эффект сохраняется в течение нескольких часов, дней или недель. Потенциация возникает только в активированных синапсах: синапсы на той же самой клетке, оставшиеся в покое, не изменяются. Но если одновременно с тем, как одна группа синапсов получает залп последовательных импульсов, через другой синапс на той же клетке передается одиночный потенциал действия, то в этом последнем синапсе тоже возникает долговременная потенциация, хотя одиночный импульс, пришедший сюда в другое время, не оставит стойкого следа. Несомненно, этот механизм лежит в основе ассоциативного научения.

Правило, которому подчиняются происходящие в гиппокампе процессы, состоит в следующем: долговременная потенциация происходит в тех синапсах, в которых пресинаптическая клетка возбуждается в тот момент, когда постсинаптическая мембрана сильно деполяризована (в результате многократного возбуждения той же самой пресинаптической клетки или по другим причинам). Есть веские данные в пользу того, что это правило отражает поведение специфических ионных каналов в постсинаптической мембране. Деполяризующий ток, ответственный за возбудительный ПСП, возникает в основном обычным путем благодаря лиганд-зависимым ионным каналам, связывающим глутамат. Однако деполяризующий ток имеет также вторую, более загадочную составляющую, которая создается при участии особого подкласса каналов, связанных с глутаматными рецепторами: их называют NMDA-peцепторами, так как они селективно активируются синтетическим аналогом глутамата N-метил-D-аспартатом. Каналы, связанные с NMDA-peцепторами, имеют «двойные» ворота, открывающиеся только тогда, когда одновременно выполняются два условия: мембрана должна быть сильно деполяризована (это особенные потенциал-зависимые каналы, регулируемые внеклеточным Mg2+), а к рецептору должен присоединиться медиатор глутамат. NMDA-рецепторы играют ключевую роль в долговременной потенциации. Если такие каналы селективно блокировать с помощью специфического ингибитора, то долговременной потенциации не происходит, хотя обычная синаптическая передача не нарушается. Под воздействием подобного ингибитора животное теряет способность к тому виду научения, который, как полагают, зависит от гиппокампа, но в остальном ведет себя почти нормально.

Каким образом NMDA-рецепторы обеспечивают столь поразительный эффект? Ответ, по-видимому, заключается в том, что эти каналы в открытом состоянии свободно пропускают Са2+, который около места своего поступления в постсинаптическую клетку действует как внутриклеточный посредник и вызывает локальные изменения, приводящие к долговременной потенциации. Потенциацию можно предотвратить, значительно снизив уровень Са2+ путем введения в постсинаптическую клетку хелатирующего кальций вещества ЭГТА, и можно, наоборот, вызвать, искусственно повысив концентрацию ионов кальция. Природа долговременных изменений, вызываемых этими ионами, точно не известна, но полагают, что изменяется структура синапса.

Несмотря на различия в механизмах памяти у беспозвоночных и у млекопитающих (см. рассмотренные выше примеры), здесь можно усмотреть нечто общее. Нейромедиаторы, высвобождаемые в синапсах, могут не только передавать кратковременные сигналы, но и изменять концентрацию внутриклеточных молекул-посредников, активирующих каскады ферментативных реакций, что ведет к долговременному изменению эффективности синаптической передачи. Остается, однако, ряд важных неразрешенных вопросов. До сих пор не известно, каким образом подобные изменения сохраняются на протяжении недель, месяцев или всей жизни в условиях нормального обновления компонентов клетки. Как мы увидим позже, сходные вопросы возникают и при изучении развития нервной системы.

В отличие от рецепторов, связанных с каналами, не связанные с ионными каналами рецепторы нейромедиаторов, присоединяя лиганд, запускают в постсинаптической клетке каскад ферментативных реакций. В большинстве изученных случаев первая реакция этого каскада ведет к активации G-белка, который либо прямо взаимодействует с ионными каналами, либо регулирует образование таких внутриклеточных посредников, как циклический AMP и Са2 +. Эти посредники в свою очередь или непосредственно влияют на ионные каналы, или активируют киназы, фосфорилирующие различные белки, в том числе и белки ионных каналов. Во многих синапсах имеются как связанные, так и не связанные с каналами рецепторы, присоединяющие одни и те же или различные медиаторы. Если рецептор не связан с каналом, то опосредуемый им эффект, как правило, бывает замедленным и продолжительным и может влиять на эффективность последующей синаптической передачи, что составляет основу по меньшей мере некоторых форм памяти. Рецепторы, связанные с каналами и пропускающие в клетку Са2 + (такие, как NMDA-peцenmop), могут тоже быть ответственны за проявление долговременной памяти.

19.6. Прием сенсорной информации [38] Выше было показано, как нервные клетки проводят, перерабатывают и регистрируют электрические сигналы, а затем посылают их мышцам, чтобы вызвать их Сокращение. Но откуда берутся эти сигналы? Имеются два типа источников: спонтанное возбуждение и сенсорные стимулы. Существуют спонтанно активные нейроны, например нейроны мозга, задающие ритм дыхания; весьма сложная картина самопроизвольной активности может генерироваться в одиночной клетке с помощью надлежащих комбинаций ионных каналов тех типов, с которыми мы уже встречались при обсуждении механизмов переработки информации нейронами. Прием сенсорной информации тоже основан на уже известных нам принципах, но в нем участвуют клетки весьма разнообразных и удивительных типов.

Органы чувств должны удовлетворять очень строгим требованиям - с высокой точностью различать стимулы разных типов, воспринимать изменения силы стимула в феноменально широких границах и обладать такой высокой чувствительностью, какую только допускают законы физики. Обонятельная клетка самца непарного шелкопряда способна обнаружить в воздухе одну-единственную молекулу специфического полового аттрактанта (так называемого феромона), выделяемого самкой на расстоянии мили от места нахождения самца. Глаз человека видит и при ярком солнечном свете, и в звездную ночь, когда освещение в 1012 раз слабее, и пять фотонов, поглощенных сетчаткой, воспринимаются как вспышка света.

Мы сконцентрируем внимание на двух органах чувств, в которых клеточные механизмы получения сенсорной информации начинают становиться понятными: на органах слуха и зрения позвоночных. Каждый из этих двух входов в нервную систему содержит высокоспециализированные сенсорные клетки, очень различные, но в обоих случаях обладающие необычайной избирательностью и чувствительностью в широком диапазоне стимулов. Но прежде чем переходить к деталям, полезно будет рассмотреть некоторые общие принципы.

19.6.1. Силу стимула отражает величина рецепторного потенциала [38, 39] Любой сигнал, получаемый нервной системой, должен прежде всего превратиться в электрический. Превращение сигнала одного вида в другой называется преобразованием, поэтому все сенсорные клетки-преобразователя. В более общем смысле почти каждый нейрон является преобразователем: получая в синапсах химические сигналы, он преобразует их в электрические. Хотя одни сенсорные клетки реагируют на свет, другие на температуру, третьи на определенные химические вещества, четвертые на механическую силу или перемещение и т.д., во всех этих клетках преобразование основано на ряде основных принципов, которые уже рассматривались при обсуждении синаптической передачи с помощью нейромедиаторов. В некоторых органах чувств преобразователь составляет часть сенсорного нейрона, проводящего импульсы, а в других это часть сенсорной клетки, специально приспособленной для преобразования сигнала, но не участвующей в осуществлении дальней связи: такая клетка передает свои сигналы связанному с нею нейрону через синапс (рис. 19-44). Но в обоих случаях воздействие внешнего стимула вызывает в клеткепреобразователе электрический сдвиг, называемый рецепторным потенциалом, который аналогичен постсинаптическому потенциалу и тоже в конечном счете служит для регуляции высвобождения нейромедиатора из другой части клетки.

Рис. 19-44. Различные способы передачи сенсорной стимуляции нервной системе. В некоторых случаях сенсорный преобразователь составляет часть нервной системы (верхняя схема); в других случаях это отдельные сенсорные клетки (две нижние схемы). Во всех трех случаях возникающий в Сенсорном преобразователе градуальный рецепторный потенциал преобразуется в частоту импульсов, которые быстро передают сигнал в ЦНС.

Так же как в синапсе, внешние раздражители способны влиять на электрическое состояние клетки как непосредственно, воздействуя на ионные каналы, так и косвенно - через молекулы-рецепторы, запускающие синтез внутриклеточного посредника, который уже воздействует на ионные каналы. Как полагают (хотя здесь еще не все ясно), слуховые сенсорные клетки используют прямой механизм действия с участием рецепторов, связанных с каналами, а сенсорные клетки глаза - непрямой путь через рецепторы, связанные с G-белком.

19.6.2. Волосковые клетки внутреннего уха реагируют на отклонение стереоцилий [40] Ухо предназначено не только для слуха: внутреннее ухо воспринимает также информацию о направлении силы тяжести и об ускоренном движении, поэтому оно необходимо для сохранения равновесия и координации движений. В основе всех сенсорных функций уха лежит механорецепция, а именно улавливание небольших смещений среды, окружающей сенсорные клетки. В случае звуковых волн эти смещения представляют собой быстрые вибрации, а восприятие ускоренного движения или силы тяжести связано с более медленными и плавными перемещениями. Все клетки внутреннего уха, ответственные за различные виды механорецепции, имеют характерное строение: на верхней поверхности такой клетки находится пучок гигантских микроворсинок, получивших название стереоцилий (рис. 19-45; см. также разд. 11.6.10).

Поэтому такие клетки называют волосковыми.