Нейробиология — основы
Как мозг передаёт сигналы на уровне отдельных клеток. Нейрон, синапс, нейромедиатор, рецептор. Как электрический сигнал внутри клетки превращается в химический между клетками, и что определяет силу и длительность этого сигнала.
Нейрон
Нейрон — клетка мозга, специализированная на передаче сигналов. Отличается от других клеток тела особой формой: у нейрона есть длинные отростки, через которые он связывается с другими нейронами.
Главные части нейрона:
- Тело клетки (сома) — где находится ядро и обычные клеточные структуры
- Дендриты — короткие ветвящиеся отростки, через которые нейрон принимает сигналы от других нейронов
- Аксон — один длинный отросток, через который нейрон отправляет сигнал дальше. Может быть очень длинным — у некоторых нейронов до метра в длину
Один нейрон обычно связан с тысячами других. У человека ~86 миллиардов нейронов и ~100 триллионов связей между ними.
Нейроны бывают разные: возбуждающие (передают сигнал «активируйся») и тормозящие (передают «замолчи»). От баланса возбуждения и торможения зависит, насколько активен любой участок мозга.
Синапс
Синапс — место контакта между двумя нейронами. Аксон одного нейрона подходит к дендриту другого, но не сливается с ним: между ними остаётся узкая щель — синаптическая щель (~20 нанометров).
Сигнал внутри нейрона — электрический (потенциал действия бежит вдоль аксона). Сигнал между нейронами — химический: через синаптическую щель не может пройти электричество, и нейрон передаёт сигнал, выбрасывая в неё специальные молекулы — нейромедиаторы.
Так работает большинство синапсов мозга. Это называется химическая синаптическая передача.
Как передаётся сигнал
Цепочка событий в одном синапсе:
- Электрический сигнал (потенциал действия) добегает по аксону до его окончания
- В окончании аксона есть пузырьки с нейромедиатором — они подплывают к мембране и выбрасывают нейромедиатор в синаптическую щель
- Нейромедиатор пересекает щель и связывается с рецепторами на мембране следующего нейрона
- Связывание открывает или закрывает каналы — у следующего нейрона меняется электрическое состояние
- Если изменение достаточно сильное, у второго нейрона запускается свой потенциал действия — сигнал идёт дальше
Весь процесс занимает миллисекунды.
Нейромедиатор и рецептор
Нейромедиатор — сигнальная молекула, которую один нейрон выбрасывает, чтобы передать сигнал другому. У мозга десятки нейромедиаторов; основные — дофамин, серотонин, ГАМК, глутамат, ацетилхолин, норадреналин и другие.
Рецептор — белок на поверхности нейрона, который умеет распознавать конкретный нейромедиатор. Когда нейромедиатор связывается с рецептором, рецептор меняет форму и запускает реакцию внутри клетки (открытие ионного канала, сигнальный каскад).
Ключевая логика: нейромедиатор сам по себе не делает ничего. Эффект определяется тем, на какой рецептор он попал. У одного нейромедиатора может быть много типов рецепторов с противоположными эффектами. Например, дофамин через рецепторы типа D1 активирует нейрон, а через D2 — тормозит. Поэтому «много дофамина» не однозначно «активный мозг» — важно, какие рецепторы стоят на месте действия.
Плотность и чувствительность рецепторов варьируется между людьми (это закодировано в генах) и в течение жизни (зависит от опыта, фазы развития, использования веществ). Один из главных параметров индивидуальных различий мозга — это рецепторный профиль, а не только количество выделяемого нейромедиатора.
Обратный захват и распад
После того как нейромедиатор сделал своё дело, его нужно убрать из синаптической щели — иначе сигнал будет тянуться бесконечно. Два механизма:
- Обратный захват (reuptake). Специальные белки-транспортёры на мембране нейрона-отправителя засасывают нейромедиатор обратно. Он попадает в пузырьки и используется повторно. Так работает с дофамином, серотонином, норадреналином. Многие психотропные препараты (СИОЗС, СИОЗСН, кокаин) блокируют обратный захват — медиатор задерживается в щели дольше, эффект усиливается.
- Ферментативный распад. Специальные ферменты разрушают нейромедиатор прямо в синапсе. Так работает, например, с ацетилхолином (фермент — ацетилхолинэстераза) и в значительной мере с моноаминами (ферменты MAO, COMT).
Скорость уборки нейромедиатора — отдельный параметр, который сильно влияет на фенотип. Полиморфизмы транспортёров (5-HTTLPR для серотонина) и ферментов (COMT для дофамина в префронтальной коре) — одни из наиболее изученных в поведенческой генетике.
Глия — не только нейроны
Мозг состоит не только из нейронов. На каждый нейрон приходится несколько глиальных клеток — это «обслуживающий» персонал: они кормят нейроны, защищают их, оборачивают аксоны изолирующей оболочкой (миелином), убирают мусор, регулируют синаптическую передачу.
Глия раньше считалась пассивным фоном, но за последние 20 лет выяснилось, что она активно участвует в работе мозга — модулирует синапсы, удаляет «лишние» связи в развитии, реагирует на повреждения.