Нобелевские лауреаты расшифровывают сигналы мозга
Нобелевские лауреаты расшифровывают сигналы мозга
В 2000 году лауреатами Нобелевской премии в области медицины и физиологии стали трое ученых, которым удалось расшифровать «слова» и правила биохимического «разговора» или «жарких дискуссий» нервной системы.
Неполное взаимопонимание между участниками разговора, например вследствие дефекта произношения или нарушения слуха, может привести к недоразумениям. Если такие нарушения возникают при обмене информацией на клеточном уровне, могут развиться заболевания.
Посредством элегантных экспериментов Нобелевского лауреата шведа Арвида Карлссона еще в 50-е годы были открыты основные правила «диалога» клеточных систем на примере того самого допамина — сигнального вещества, а также установлено само назначение этого вещества. Название ему было предложено в 1951 году сэром Генри Дейлом, причем никакого специфического свойства допамина в то время не было обнаружено. Наоборот, он считался предшественником норадреналина, и ему предписывался лишь незначительный гипотонический (понижающий давление) эффект.
Тогда же появились первые наблюдения, показывающие, что допамин имеет собственную функциональную деятельность в организме. Олег Хорникевич, работавший в то время в Оксфорде, подтвердил эти предположения своими экспериментами на морских свинках. Именно допамин стал предметом острой конкурентной борьбы между шведом Арвидом Карлссоном и австрийцем украинского происхождения Олегом Хорникевичем, которые в одно и то же время установили зависимость между недостатком допамина и болезнью Паркинсона.
Вскоре после того, как в 1959 году Олег Хорникевич возвратился в Вену, швед Арвид Карлссон опубликовал сообщение о наличии допамина в определенных участках мозга, а именно в базальных ганглионах, части мозга, ответственной за реализацию автоматических движений и планирование моторных программ.
Тем самым была установлена связь недостатка допамина с болезнью Паркинсона.
Можно было уже неоднократно заметить, — и мы будем и в дальнейшем это отмечать, — что открыватели механизмов БА шли параллельным курсом с познанием законов возникновения и лечения болезни Паркинсона, и в центр внимания ученых попадал каждый раз один из его сигнальных трансмиттеров — допамин.
И если ацетилхолин является переносчиком информации между нервными окончаниями, то допамин отвечает за моторику движений и степень раздражения. Между ними устанавливается своеобразный разговор. До этого открытия ученым приходилось ацетилхолин, серотонин и адреналин рассматривать лишь в качестве носителей сигналов. Хотя впоследствии стало ясно, что только допамин уже в раннем возрасте влияет на процесс обучения, доводя скорость опознавания до автоматизма.
Хорникевич пишет: «Мне сразу стало ясно значение допамина для патологической физиологии человека, и я сразу же связался с целым рядом патологических отделений, чтобы провести аутопсию человеческого мозга».
Еще в 1959 году ему удалось поэкспериментировать с мозгом пациента, умершего от болезни Паркинсона. Здоровый, обеспеченный допамином мозг под воздействием йодного реактива приобретал ярко-розовую окраску. В мозге больных Паркинсоном характерный розовый цвет не возникал.
«Я впервые невооруженным глазом мог установить наличие недостатка допамина», — вспоминает исследователь.
С этого времени ученый начинает интенсивно заниматься мозгом людей, умерших вследствие нейропатохимических аномалий.
Вспоминаете? То же самое, но почти 50 лет назад, делал другой врач-практик — Альцгеймер.
В 1960 году Хорникевич в журнале «Klinische Wochenschrift» опубликовал результаты своих наблюдений. Изданные на немецком языке, они получили широкое распространение по всему миру. Благодаря им стало возможным компенсировать недостаток нейротранспортера посредством его предшественника L-Dopa и тем самым восстанавливать подверженные болезни участки мозга.
Вальтер Биркмайер, который согласился применить терапию ученого у себя в клинике, был удивлен быстрым и неожиданным успехам. Прикованные к постели пациенты могли снова вставать, даже ходить, их речь снова стала понятной.
Ученым очень трудно расставаться со своими идеями, даже если они ложные. В эти идеи вложены бессонные ночи раздумий, долгие годы труда, много материальных средств. Отказаться от своих взглядов означает признать поражение своих идей и бесперспективность направления своей работы в острой конкурентной борьбе концепций и мнений и тем самым обречь себя на финансовое и идейное вымирание. Бывает и наоборот — когда при конкурентной борьбе идей происходит взаимное стимулирование, появляется чувство азарта и возникает потребность в обмене опытом. Общая картина успеха вырисовывается во всех деталях не только посредством привнесения очередного камешка в мозаичную картину механизма — посредством простого зубчатого зацепления маленького колесика приводится в движение огромный и сложный процесс.
Случается и так, что различные эксперименты в одинаковых областях протекают параллельно, и они очень ценны для науки, ибо приносят импульсы для новых идей и расширения наших знаний с удвоенной вероятностью.
Медицинский факультет Венского университета уже много раз выдвигал Хорникевича на соискание Нобелевской премии, в частности в 1994 и 1998 годах. Решение о предоставлении Нобелевской премии только Карлссону было несколько необычно и не совсем понятно для международных научных кругов — почему ученые не были одновременно удостоены этой высокой награды, хотя оба уже были отмечены очень редкой и престижной премией Вольфа в Иерусалиме.
Впоследствии в своих работах Хорникевич концентрируется на улучшении своей терапии. Очень важную роль играет при этом индивидуальная нейрохимия отдельных пациентов, которой в недалеком будущем необходимо будет уделять большее внимание.
Медикамент L-Dopa был и остается стандартным в борьбе с болезнью Паркинсона, но новые пути в борьбе с этой болезнью открывает и генная технология.
Исследования идут дальше, а химический разговор мозга, масса которого составляет всего 1 300 г, все еще не раскрыт.
«Каждый раз, когда я вскрываю и раскладываю на части мозг, мне становится ясным, что в прямом смысле этого слова передо мной лежит в высшей степени мудрое произведение искусства, возможно, самая важная составляющая человеческой личности», — говорит Хорникевич.
Оба нейрофармаколога, Карлссон и Хорникевич, так далеко привели в движение учение и теорию о допамине, что довели ее до практического применения для лечения пациентов.
И все же обладателем Нобелевской премии 2000 года стал Арвид Карлссон, который не только изучил влияние недостатка допамина на возникновение и развитие болезни Паркинсона, но также и на поведение других переносчиков сигнальных веществ в нервной системе. Его работы внесли большой вклад в производство антидепрессивных препаратов. Карлссон выяснил также механизм действия медикаментов, применяемых, например, для лечения шизофрении.
К концу 60-х годов было еще неясно, как действуют, например, допамин, норадреналин и серотонин в качестве трансмиттеров в центральной нервной системе. Заслуга другого Нобелевского лауреата Поля Грингарда состоит в том, что он разгадал основополагающие молекулярные феномены, происходящие на местах контактов нервных клеток — синапсов. Прежде всего его интересовали так называемые медленные синапсовые передачи. Они играют важную роль в функциях центральной нервной системы и влияют, например, на настроение и внимание.
Как установил Грингард, медленные синапсовые передачи тесно связаны с реакциями, называемыми фосфорированием. При этом связь фосфатных групп с молекулой изменяет ее форму и функции. Ученый наблюдал, что допамин вызывает в клетке биохимический каскад, который влияет на многочисленные протеины, в том числе и молекулярные щели, называемые ионными каналами. Через эти каналы, сосредоточенные в клеточной мембране, в клетку могут проникать определенные ионы, например кальций, в результате чего в синапсах выделяется повышенное количество переносчиков информации — трансмиттеров.
Это ведет к изменению электрического потенциала и тем самым к изменению уровня активности нервной клетки — со всеми последствиями для функций мозга.
Фосфорирование протеинов играет важную роль в феноменах, которые разгадал третий Нобелевский лауреат 2002 года Эрик Кандел. Ему удалось перекинуть мост между элементарными молекулярными процессами и высшими функциями головного мозга, такими как обучение и память.
Основополагающие феномены биологии принято первоначально фиксировать на простых организмах. Эрик Кандел взял в качестве модели улитку «морского зайца» (Aplysia depilans). Ее организм состоит «всего» из 20 ООО нервных клеток. Реакция этого моллюска (рефлекторное втягивание жабр) на определенные раздражения очень наглядна, что дало возможность Канделу наблюдать и познавать процессы обучения, происходящие затем и в более сложных организмах. И замечание Бейройтера о том, что процесс прохождения сигнального амилоидопротеина АРР через синапсы связан с обучением, было, возможно, основано именно на этом заключении Кандела. В тончайших экспериментах ученому удалось изучить память на приобретенные моторные способности. Даже слабые раздражения вели к кратковременной памяти, содержание которой остается в мозге на период от минут до нескольких часов.
При повторении раздражения организм улитки реагирует сильнее — очевидно, он научился реагировать на опасность. Если моллюска подвергнуть такому раздражению многократно, накопленный опыт поведения переходит в долговременную память, удерживающую информацию уже на период до нескольких недель. Как установил Эрик Кандел, это связано не с изменением уже имеющихся протеинов, а с синтезом новых, которые проникают в ядро клетки, вызывают там процесс считывания информации с определенных генов и перевода ее в белок. В итоге синапсы изменяют свои свойства.
Раскрытие механизма приема и накапливания информации в нейроновых сетях на молекулярном уровне дало возможность ученому сделать далеко идущие прогнозы, которые, как он считает, могут привести к созданию основ для получения фармацевтического средства борьбы с болезнями старости и, в частности, БА. Потребность в средстве, благодаря которому можно поднять и увеличить потенциал памяти, неограниченна. В 2003 году в прессе промелькнул целый ряд сообщений о том, что под руководством Кандела разработан препарат, который помогает по меньшей мере у мышей задержать процесс потери памяти. И к этому следует отнести и замечание самого ученого о надежде получить такое же средство для человека: «Через 5 лет будет разработана «пилюля памяти». Газеты мгновенно запестрили сообщениями, в которых журналисты со свойственным им богатством воображения называли будущий медикамент «виагрой для мозга».
Интересно привести здесь отрывки из интервью Кандела, данному им корреспонденту журнала «Spiegel» в том же, 2003 году: «Медикамент должен назначаться только при четко диагностированной картине заболевания, но преобладает тенденция к превращению его в «общедоступный медикамент», который можно будет глотать как витамин в возрасте после 40 лет для профилактики забывчивости. Мы знаем, что опыт и воспоминания — вся информация, воспринятая мозгом — обрабатывается в гиппокампе. Оттуда она направляется в кору больших полушарий и сохраняется там непосредственно в той области, где поступившее раздражение было обработано первоначально. Восприятие и переработка происходят, таким образом, в одном и том же регионе. Наука знает о процессе памяти не так уж много, но, возможно, именно память станет одной из первых когнитивных функций головного мозга, которую мы сможем расшифровать и понять на молекулярном уровне.
Мы уже знаем, например, что существует молекула, которая блокирует перевод информации из кратковременной памяти в долговременную. Если блокировать действие этой молекулы, то поступившая в мозг новая информация может быть долговременно сохранена. Разумеется, искушение искусственно повлиять на этот своего рода «выключатель», решающий, что остается в памяти, очень велико».
Подтверждение того, что память в значительной мере связана с синапсами, без сомнения, продвинуло нейробиологические опыты. Однако не следует забывать, что «морской заяц» является простой моделью живого организма. В нейробиологии не так легко выявить концепции, действующие для разных биологических видов, как, например, в генетике.
У позвоночных животных, и, прежде всего, у человека, возможно, действуют другие механизмы процесса обучения. От широкого и всеобъемлющего понимания процесса возникновения памяти ученые в настоящее время очень далеки, хоть и упорно продвигаются по путям, ведущим к их разгадке.
Одним из них является директор Института молекулярной генетики, академик РАН Е.Д. Свердлов, который выдвинул предположение, подтверждающее высказывание А. Портмана. Согласно этому предположению, человеку удалось задержаться в «детстве», и, как следствие, его мозг и нервная система получили значительно больше синапсовых взаимодействий и контактов окончаний нервных клеток, чем, например, мозг обезьяны, у которой путь развития был значительно ускорен, посредством, как предполагает академик, наличия ретровирусов.
Эти вирусы вносят элементы, способные регулировать активность генетического аппарата. Они могут так изменить программу развития зародыша, что это развитие может остановиться на более ранней стадии. Новорожденные шимпанзе и человека очень похожи. И вот, согласно гипотезе, которую многие разделяют, когда-то у части популяции нашего с шимпанзе общего предка произошли изменения генома, которые изменили и программу его развития, и таким образом представители этой части популяции (предполагается, что именно от нее произошло человечество) задержались на более ранней стадии развития. Это могло дать мозгу возможность развиваться дальше. Увеличилось время зависимости потомков от родителей. В результате процесс передачи потомкам навыков, приобретенных родителями, интенсифицировался, возросла роль обучения.
Тем самым подтверждается не только значение эволюционной теории Дарвина, но и огромное влияние обучения на развитие структур мозга. Подчеркивается и влияние социального фактора на мутацию различных генов, ответственных за процесс обучения.
И еще одно мнение об эволюционных процессах, адаптации и значении процессов обучения из уст русского врача-психиатра и нейрофизиолога Николая Богданова, работающего в области дерматоглифики — раздела антропологии, изучающего различия между обезьяной и человеком: «Дерматоглифическая картина ладони обезьяны намного сложнее, чем у человека. Информация заложена здесь неисчерпаемая, но осмыслить мы можем лишь часть ее. Если выстроить ряд от низших обезьян к человекоподобным и далее к человеку, а затем сравнить дерматоглифическую картину ладоней, то даже неспециалисту видно, насколько она упрощается от низшего вида к высшему, и нервная система упрощается соответственно». С очень высокой степенью вероятности можно предполагать, что при эволюции приматов их мозг в чем-то упрощался, а в чем-то усложнялся. «Им приходится адаптироваться с максимальным напряжением, — отмечает Богданов, — поскольку условия, в которых они живут, очень сложны. Поэтому обезьяна способна на многое, что для Homo Sapiens совершенно невозможно. Например, если удается приручить обезьяну, то это лучшая нянька для детей и лучший пастух для скота. У них потрясающая координация движений, с огромного расстояния они могут попасть точно в глаз.
Очевидно, природа заложила в организацию нервной системы приматов очень мощный фундамент, а когда выяснилось, что это, вероятно, излишне, мозг начал упрощаться.
Это подтверждается еще и таким фактом. Узоры на ладонях человека (не путать с линиями!) — явление редчайшее, а для обезьян — обычное. Как правило, люди с узорами на ладонях — люди с проблемами. Они более тревожны, агрессивны, чаще испытывают страх и, к сожалению, нередко оказываются в психиатрической больнице. Людей с узорами на ладонях там гораздо больше. Они не смогли адаптироваться в этом мире, он оказался для них слишком жестоким».
Мозг здорового молодого человека имеет миллионы, умноженные на миллионы синапсовых «почек», распускающихся в момент их взаимодействия, то есть число с примерно 15 нулями.
Посредством производства новых и разрушения неиспользованных синапсов возникает пластичность, так называемая способность нашего мозга приспосабливаться к окружающему миру. И эта способность остается на всю жизнь.
Стремление и умение человека, по сравнению, например, с обезьяной не только приспосабливаться к условиям окружающей среды, но и реагировать на постоянно меняющиеся правила игры, адаптироваться к ним, то есть воспринимать жизнь, во всем многообразии ее проявлений, еще раз подтверждает способность мозга подвергаться процессу обучения, т. е. говорит о его пластичности.
У маленьких детей постоянно образуются новые синапсы — и они учатся говорить. В мозге больного БА ученые находят синапсы, искривленные из-за нарушения контактов между ними, и по мере того, как нервные контакты один за другим разрушаются и отмирают, больной теряет способность говорить.
Новые контакты мы можем образовывать, пока мы живы, хотя количество их построений со временем меняется.
Трудно себе представить, насколько уменьшаются когнитивные способности больного в зависимости от степени развития БА. Это обусловлено потерей приобретенных навыков и способностей.
Чтобы понять состояние такого больного, нужно представить себе маленького ребенка. «Все движения тела и духа ослаблены и бессильны, — так сказал врач короля Генриха IV о наступлении старости. — Чувства притуплены, воспоминания утрачены, чувство критики исчезает — вы напоминаете маленького ребенка».
Пятисотлетний опыт родственников, ухаживающих за больными БА, подтверждает такое сравнение.
В том же столетии Эразм Роттердамский идет еще дальше: «Старики рады детям, а дети радуются старикам… Что отличает одних от других, не считая покрытого морщинами лица и груза лет за спиной? Они во всем очень похожи: светлые волосы, беззубый рот, слабое тело, любовь к сладостям и игре, бессвязная речь, забывчивость, неосторожность. И чем старше становится человек, тем больше напоминает он ребенка. И уходит он из жизни в смерть, не насытившись первой и не осознавая последнюю».
Данный текст является ознакомительным фрагментом.