В этом курсе мы будем много говорить о нейромедиаторах — веществах, которые влияют на наши чувства и регулируют работу организма. В том, как они действуют и за что отвечают, легко запутаться, но мы подготовили для вас подробный гид по ключевым из них. Обращайтесь к нему на протяжении всех занятий — и к концу курса вы точно запомните, чем норадреналин отличается от дофамина и зачем нужен ацетилхолин.

Что такое, зачем нужны и как работают

Гид по нейромедиаторам

Что важно знать про нейромедиаторы

Нейроны общаются между собой и передают информацию другим клеткам с помощью особых биологически активных веществ. Такие химические «посредники» называются нейромедиаторами, или нейротрансмиттерами.

Их молекулы образуются прямо внутри нервной клетки, причём каждый нейрон способен синтезировать только один основной медиатор. Это важный признак, по которому можно классифицировать нервные клетки. Чтобы указать на нейрон как на производителя определённого медиатора, нужно добавить к названию вещества окончание «-ергический». Например, дофамин вырабатывают дофаминергические нейроны, а ацетилхолин — ацетилхолинергические.

Нейромедиаторы синтезируются и накапливаются в окончании аксона — длинного отростка, по которому нервный импульс проходит к следующей клетке. Контакт между клетками называется синапсом, поэтому окончание аксона передающей клетки называют пресинаптическим окончанием.

С помощью специальных белков молекулы нейромедиатора помещаются в везикулы. Это мембранные пузырьки, которые изолируют медиаторы, чтобы те не вступали в реакцию с внутриклеточной средой и сразу отправлялись в нужный участок клетки.

Клетка, на которую действует медиатор, называется постсинаптической. При синапсе она взаимодействует с передающей клеткой, но не касается её напрямую. Между пресинаптическим окончанием и мембраной постсинаптической клетки остаётся пространство — синаптическая щель. Через неё нейромедиатор передаёт информацию от нейрона к следующей клетке. Разберёмся, как это работает.Нейроны общаются между собой и передают информацию другим клеткам с помощью особых биологически активных веществ. Такие химические «посредники» называются нейромедиаторами, или нейротрансмиттерами.

Как работает химический синапс

Всё начинается с электрического импульса. Сначала возникает короткая вспышка тока — так называемый потенциал действия (ПД). Волна возбуждения бежит по нервной клетке до пресинаптического окончания, и там электрический принцип передачи информации сменяется химическим.

Везикулы лопаются, и молекулы медиатора выбрасываются в синаптическую щель. Они быстро достигают мембраны постсинаптической клетки и начинают воздействовать на её рецепторы — особые чувствительные белки. Медиатор входит в активный центр рецептора, как ключ в замок, и «включает» его. После этого внутри постсинаптической клетки образуются так называемые вторичные посредники — молекулы, которые передают сигнал дальше. Химическое взаимодействие вновь сменяется электрическим — в дело вступает потенциал действия постсинаптической клетки.

Когда медиатор выполнил свою функцию, он инактивируется — распадается или удаляется с рецептора, чтобы передача сигнала не была слишком длительной. Весь жизненный цикл медиатора в синапсе выглядит так:

Возбуждение и торможение

Для нервной системы важно не только передавать информацию, но и не допускать проведения лишних сигналов — например, когда нужно сфокусировать внимание, ни на что не отвлекаясь, или расслабить мышцы.

По характеру действия синапсы и нейромедиаторы, которые в них участвуют, делятся на два типа — возбуждающие и тормозные. Возбуждающие медиаторы способствуют быстрому возникновению потенциала действия и проведению сигнала. Тормозные медиаторы, напротив, вынуждают клетку терять заряд и снижают вероятность возникновения импульса.

Возбуждающий медиатор заставляет рецепторы постсинаптической клетки открывать вокруг синапса натриевые каналы. Через них в цитоплазму входят положительно заряженные ионы натрия — они возбуждают клетку и вызывают электрический импульс.

Под действием тормозного медиатора рецепторы открывают другие каналы — калиевые или хлорные. Через калиевые каналы из цитоплазмы выходит положительно заряженный калий, и клетка теряет заряд. Через хлорные каналы в клетку поступают отрицательно заряженные ионы хлора — в результате клетка также теряет положительный заряд, и вероятность возникновения потенциала действия снижается.

Агонисты и антагонисты

Есть молекулы, которые по структуре похожи на медиатор и вызывают аналогичный эффект. Они соединяются с соответствующими рецепторами и активируют их. Такие вещества называются агонистами.

Наряду с ними есть молекулы, которые блокируют действие рецепторов. Они не дают медиаторам выполнять их работу и вызывают противоположный эффект. Такие вещества называются антагонистами.

Знания о работе синапса в целом и нейромедиаторов в частности — основа современной психофармакологии. Они позволяют подбирать препараты, которые способствуют либо активной, либо, наоборот, замедленной передаче сигналов в мозге. Теперь, когда мы разобрались, как работает синапс, рассмотрим отдельные нейромедиаторы.

Ацетилхолин

Ацетилхолин — первый медиатор, который открыли учёные. Его молекула состоит из азотсодержащего холина и остатка уксусной кислоты (ацетила).

Ацетилхолин — важный медиатор периферической и центральной нервных систем. Он может оказывать как возбуждающее, так и тормозное воздействие.

Важная область действия ацетилхолина — нервно-мышечные синапсы (контакты нейронов с клетками скелетных мышц). Ацетилхолин вызывает сокращение мышц, так что любое наше движение связано с выделением этого медиатора.

Ацетилхолин действует на два типа рецепторов постсинаптической мембраны:
– рецептор первого типа реагирует на ацетилхолин и никотин (токсин табака);
– рецептор второго типа реагирует на ацетилхолин и мускарин (токсин мухомора).

Никотин является сильным стимулятором многих систем организма. Он так же, как и ацетилхолин, активирует рецепторы первого типа и является их агонистом. Веществом, блокирующим эти рецепторы (антагонистом), является растительный токсин — курарин. В результате его действия происходит не сокращение, а, наоборот, полное расслабление мышц пальцев, глаз, рук и ног, шеи, спины и, наконец, дыхательных мышц. Аборигены Амазонии используют это вещество при охоте: смазанные им стрелы попадают в жертву и вызывают у неё полный паралич. В микродозах антагонисты никотиновых рецепторов применяются также в медицине для ослабления мышечных сокращений.

Кроме нервно-мышечной сферы ацетилхолин активно участвует в работе вегетативной нервной системы, а точнее её парасимпатического блока, который успокаивает большинство внутренних органов. Он замедляет сердечный ритм, сужает бронхи, но при этом активизирует работу желудочно-кишечного тракта. Агонистом ацетилхолина здесь является мускарин, который действует похожим образом. Антагонистом ацетилхолиновых рецепторов здесь выступает атропин. Он расширяет бронхи и учащает сердцебиение, поэтому часто применяется в фармакологии для создания кардиостимулирующих препаратов.

В центральной нервной системе (ЦНС) основные эффекты ацетилхолина связаны с балансом сна и бодрствования, а также с общей активацией мозга. Он помогает фокусировать внимание и, наоборот, переключаться с одного предмета на другой. Ацетилхолин отвечает и за процессы, связанные с памятью. Нехватка этого медиатора — один из симптомов болезни Альцгеймера.

Инактивация ацетилхолина происходит в синаптической щели с помощью ацетилхолинэстеразы — фермента, который разлагает медиатор на холин и остаток уксусной кислоты. Далее холин всасывается в пресинаптическое окончание и вновь используется для синтеза ацетилхолина.

Дофамин

Дофамин широко известен как медиатор, который вырабатывается при получении позитивного опыта и вызывает чувство удовлетворения. Он образуется из пищевой аминокислоты — тирозина. Синтез выглядит так:

Дофаминергические нейроны находятся в трёх зонах головного мозга: в чёрной субстанции, в вентральной покрышке среднего мозга и в различных ядрах гипоталамуса.

Нейроны гипоталамуса воздействуют на центры некоторых потребностей, снижают пищевую мотивацию, повышают агрессивность, усиливают либидо и т.д.

Нейроны чёрной субстанции участвуют в поддержании общего уровня двигательной активности, в обеспечении точности моторных программ и в получении положительных эмоций от движений. В случае разрушения чёрной субстанции развивается паркинсонизм — неврологический синдром, при котором мышцы становятся скованными и жёсткими, возникают трудности с запуском движений.

Дофамин в вентральной покрышке мозга определяет скорость обработки информации и даёт положительные эмоции, связанные с новизной и творчеством.

Если дофаминовая система работает слабо, человеку не хватает положительных эмоций, связанных с новизной, и у него начинает развиваться депрессия. Напротив, если дофамина слишком много, мышление становится слишком быстрым, спутанным, и человеку становится трудно сосредоточиться на чём-то одном.

Регуляторами дофаминергической системы являются такие препараты, как нейролептики. Они снижают общий уровень активности ЦНС и ослабляют психотические проявления. Но вместе с тем у человека возникают апатия, эмоциональная обеднённость и некоторая заторможенность в ответ на внешние стимулы.

С развитием медицины были открыли более избирательные препараты, которые снижают активность ЦНС, но не вызывают апатию. Некоторые из них являются специфическими антагонистами только одного типа дофаминовых рецепторов (D2-рецепторов), блокируют маниакальное состояние и острый бред, но при этом не вызывают вялости.

Агонисты дофаминовых рецепторов возбуждают нервную систему, активируют процесс мышления, воздействуют на центры положительных эмоций. Это так называемые психомоторные стимуляторы. Примером такого стимулятора является амфетамин и его производные. Раньше он использовался в медицине и спорте, но сейчас амфетамин запрещён, так как вызывает привыкание и серьезную зависимость.

Инактивация дофамина происходит путём обратного захвата. Он всасывается в пресимпатическое окончания, где либо снова «загружается» в везикулы, либо разлагается с помощью специального фермента — моноаминоксидазы (МАО). Включение пресинаптических рецепторов тормозит активность всего синапса и уменьшает дальнейший выброс медиатора. Благодаря этому организм экономно расходует запасы дофамина.

Норадреналин

Норадреналин — один из важнейших «медиаторов бодрствования». Он так же, как дофамин, образуется из тирозина и является следующим звеном в цепочке синтеза:

Норадреналин играет важную роль и в центральной, и в периферической нервных системах. Это главный медиатор симпатической нервной системы, которая управляет работой внутренних органов во время стресса и большой нагрузки. Действие норадреналина противоположно действию ацетилхолина — он учащает сердцебиение, расширяет зрачки и т.д.

Агонистами норадреналина являются кардиостимулирующие препараты. Норадреналин сужает сосуды, поэтому введение его агонистов повышает артериальное давление, а введение антагонистов, напротив, снижает его. Норадреналин также стимулирует деятельность сердца и расширяет бронхи.

В центральной нервной системе норадренергические нейроны расположены в среднем мозге. Соответствующие синапсы участвуют в регуляции уровня двигательной активности, а также в регуляции биологических потребностей, мотивации, обучения и т.д.

При избыточной активности норадренергической системы наблюдается гиперактивность и различные психотические проявления, такие как агрессивность и сильное возбуждение, в том числе маниакальное. При недостаточной — напротив, апатия и депрессия.

Можно сказать, что главный эффект норадреналина в мозге — психическое сопровождение стресса. Этот медиатор и его агонисты позволяют активировать всю ЦНС в стрессовой ситуации.

Инактивация норадреналина происходит примерно так же, как и инактивация дофамина. Норадреналин всасывается в пресинаптическое окончание и затем либо снова «загружается» в везикулы, либо разлагается с помощью МАО.

Серотонин

Серотонин широко известен как медиатор, который контролирует отрицательные эмоции. Он синтезируется в результате химического преобразования аминокислоты триптофана. Химическое название серотонина — 5-гидрокситриптамин, его аббревиатура — 5-HT.

Функция серотонина в периферической нервной системе — это прежде всего повышение тонуса гладкой мускулатуры и сужение сосудов.

В ЦНС серотонинергические нейроны находятся в ядрах шва — структурах, идущих вдоль среднего мозга, продолговатого мозга и моста. Здесь функция серотонина заключается в обеспечении здорового сна. Кроме того, серотонин контролирует общий уровень болевой чувствительности: чем активнее серотониновая система у человека, тем легче он переносит боль.

На сегодня наиболее изучены два типа рецепторов к серотонину. Сокращенно они называются 5НТ1-, 5НТ2-рецепторами. Рецепторы первого типа — тормозные, а рецепторы второго типа — активационные. 5НТ1-агонисты обычно используются против мигрени, а 5НТ2-антогонист помогает при повышенном тонусе артерий и гипертонических кризах.

Серотонин также стоит на страже нашего эмоционального состояния. Но если дофамин и норадреналин усиливают активность центров положительных эмоций, то серотонин подавляет центры отрицательных эмоций, сохраняя положительный эмоциональный фон. При недостатке серотонина и нарушенном балансе между центрами положительных и отрицательных эмоций у человека может начаться депрессия. Для её лечения применяются специальные препараты — антидепрессанты.

У разных препаратов разный механизм действия. Это связано с тем, что инактивация серотонина происходит двумя путями: либо путём обратного захвата серотонина белками-насосами, либо путём разрушения молекул с помощью МАО. Соответственно, для повышения активности серотонинового синапса нужно помешать одному из этих процессов: либо работе белков-насосов (с помощью блокаторов обратного захвата), либо работе МАО (с помощью блокаторов МАО). Блокаторы МАО считаются мощными антидепрессантами, в то время как блокаторы обратного захвата оказывают более мягкий эффект.

Ещё одна важная задача серотонина — помогать человеку концентрировать внимание. Для этого медиатор тормозит лишние сенсорные и эмоциональные потоки. Если серотониновые рецепторы блокируются, появляется спутанность мыслей, нарушается зрительное восприятие и восприятие собственного тела.

Подобные эффекты вызывают некоторые токсины — например, диэтиламид лизергиновой кислоты, более известный как ЛСД. Этот наркотик-галлюциноген опасен тем, что вызывает сильные изменения в структуре личности. После завершения действия этого вещества мозг может бесконтрольно возвращаться в галлюцинаторные состояния.

Глутаминовая кислота (Глутамат)

Глутаминовая кислота — главный возбуждающий медиатор ЦНС. Он образуется либо из альфа-кетоглутаровой кислоты с добавлением аминогруппы, либо из аминокислоты глутамина. В организме глутамат выделяют около 40% всех нейронов.

С помощью этого медиатора осуществляются все информационные потоки в головном и спинном мозге. Существует около 10 рецепторов, на которые он воздействует. Наиболее изучены на данный момент NMDA-рецепторы, которые наиболее плотно расположены в гиппокампе. Они принимают непосредственное участие в запоминании информации.

Интересно, что каждый NMDA-рецептор может блокироваться с помощью ионов магния, которые выступают своеобразными пробками. До тех пор, пока к рецептору присоединён ион магния, он не функционирует. Но когда по нейросети проходит сильный сигнал, магниевые пробки отсоединяются от рецепторов, и те начинают работать в полную силу. Этот процесс как раз и является записыванием следа памяти.

Зачем нужны эти магниевые пробки? Если каналы NMDA-рецепторов будут открыты очень долго, в клетку войдёт слишком много кальция. Произойдёт активация очень большого количества внутриклеточных ферментов, что приведёт к повреждению или даже гибели нейрона.

Поскольку глутамат очень распространён в ЦНС, эффекты его агонистов и антагонистов также имеют широкий спектр действия. Типичным результатом действия его агонистов является заметная активация ЦНС — вплоть до развития судорог.

Антагонисты глутаминовой кислоты в норме оказывают тормозящее действие на различные стороны работы мозга и снижают патологическую активность ЦНС. Они помогают при эпилепсии, паркинсонизме, повышенной тревожности и т.д.

Инактивация глутаминовой кислоты происходит путём захвата глиальными клетками (астроцитами), после чего происходит её превращение в различные аминокислоты — например, в аспарагиновую или гамма-аминомасляную.

Гамма-аминомасляная кислота (ГАМК)

ГАМК — непищевая аминокислота. Она играет важную роль в процессах внутриклеточного обмена, и лишь небольшая её часть выполняет функции медиатора. Она образуется из глутаминовой кислоты в пресинаптическом окончании нейрона.

ГАМК широко распространена в ЦНС. Если глутамат является главным возбуждающим медиатором ЦНС, то ГАМК выполняет функцию главного тормозного медиатора. Это приводит к достижению баланса возбуждения и торможения в мозге.

Основные задачи ГАМК — контроль информационного потока, движений и эмоций. Антагонисты ГАМК-рецепторов являются сильными ядами и вызывают судороги.

Веществами, действие которых очень похоже на ГАМК, являются барбитураты. Они вызывают тотальное торможение мозга: движений, эмоций, мыслительных процессов. В некоторых ситуациях это может быть опасным. Более мягким действием обладают бензодиазепины. Они широко используются как снотворные и успокаивающие препараты — транквилизаторы или анксиолитики.

Инактивация ГАМК в основном происходит путём всасывания в пресинаптическое окончание с последующим превращением в глутаминовую кислоту. Эту реакцию осуществляет специальный фермент — ГАМК-трансфераза. Его блокаторы позволяют гамма-аминомасляной кислоте дольше воздействовать на рецепторы и усиливать торможение в мозге. Они часто принимаются при эпилепсии, так как оказывают транквилизирующее и противосудорожное действие.

По своему действию на ГАМК похож другой тормозной медиатор — глицин, пищевая аминокислота. Глицин менее распространён, но тоже играет важную роль в ЦНС. Он защищает от перевозбуждения мотонейроны — крупные нервные клетки, которые отвечают за моторную координацию и мышечный тонус. Глицин воздействует на клетки Реншоу, а те, в свою очередь, тормозят мотонейроны, чтобы уберечь мышцы от перенапряжения и судорог.

Аксоны клеток Реншоу расходятся очень широко в стволе головного мозга, поэтому глицин может влиять не только на мотонейроны, но и на сосудодвигательный центр, который связан с развитием стресса. Глицин в чистом виде обычно назначают как успокаивающий препарат, который уменьшает возбуждение и мягко притормаживает некоторые функции мозга.

Медиаторы играют важную роль в поддержании жизнедеятельности всего организма. Благодаря их работе передаются сигналы от одного нейрона к другому, а также от нейрона к другим клеткам. Нейромедиаторы различаются по структуре и по характеру действия: они могут оказывать возбуждающий эффект, активируя многие системы организма, а могут, наоборот, тормозить активность некоторых клеток и ограничивать прохождение лишних сигналов. Особенности работы медиаторов необходимо знать для поддержания их баланса, а также для лечения некоторых патологических состояний.