Как мозг уравновешивает возбуждение и торможение

В здоровом мозге поддерживается гармония нейронов, которые возбуждают или подавляют другие нейроны, но границы между разными типами клеток более размыты, чем когда-то считали исследователи. Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Из рук Сантьяго Рамона-и-Кахаля вышли ветви и завитки, шипы и перепонки. Знаменитые рисунки нейроанатома конца XIX — начала XX веков впервые продемонстрировали своеобразие и разнообразие фундаментальных структурных элементов мозга млекопитающих, которые мы называем нейронами.

В течение примерно столетия с тех пор его последователи кропотливо работали над подсчетом, отслеживанием, идентификацией, маркировкой и категоризацией этих клеток. Сейчас существует ошеломляющее количество способов разместить нейроны по категориям, часто представленным в красочных, сложных атласах клеток мозга. С помощью таких каталогов вы можете организовать нейроны на основе функции, разделив двигательные нейроны, которые помогают вам двигаться, от сенсорных нейронов, которые помогают вам видеть, или подсчитать нейроны, которые помогают вам оценивать количества. Вы можете различать их на основе того, длинные у них аксоны или короткие, или находятся ли они в гиппокампе или обонятельной луковице. Но подавляющее большинство нейронов, независимо от функции, формы или местоположения, попадают в одну из двух основных категорий: возбуждающие нейроны, которые запускают другие нейроны, и тормозные нейроны, которые не дают другим активироваться.

Поддержание правильного соотношения возбуждения и торможения критически важно для здоровья и гармонии мозга. «Дисбаланс в любом направлении может быть поистине катастрофическим», — говорит Марк Цембровски, нейробиолог из Университета Британской Колумбии, — и приводить к неврологическим заболеваниям. Избыточное возбуждение мозга может спровоцировать эпилептические припадки. Недостаточное возбуждение может быть связано с такими состояниями, как аутизм.

Нейробиологи работают над пониманием того, как работают эти два класса клеток, и, в частности, как они взаимодействуют с более редкой третьей категорией клеток, влияющей на их поведение. Эти знания в конечном итоге могут помочь понять, как восстановить стабилизацию нейронных сетей, нарушивших баланс, что может произойти даже в результате естественного старения. 

Баланс — это ключ

Возбуждающие и тормозные нейроны работают схожим образом. Большинство из них выделяют химические посредники, известные как нейротрансмиттеры, которые проходят через крошечные щели, называемые синапсами, и присоединяются к чашеобразным белкам, называемым рецепторами, на следующем нейроне. Различие между возбуждающими и тормозными нейронами заключается в типе выделяемых ими нейротрансмиттеров.

Возбуждающие нейроны мозга почти всегда выделяют глутамат при активации. Глутамат вызывает приток в нейрон множества положительных ионов, повышая его внутреннее напряжение и побуждая его генерировать потенциал действия – мощный электрический разряд, который распространяется по нервному волокну и заставляет нейрон высвобождать собственный набор молекул для взаимодействия с другими нейронами, и так далее.

Напротив, когда активируются тормозные нейроны, они выделяют нейромедиатор, известный как ГАМК, который запускает поток отрицательно заряженных ионов в соседний нейрон или поток положительно заряженных ионов из него. При более низком внутреннем потенциале следующий нейрон не активируется. Тормозные нейроны «функционируют как своего рода прерыватель», — говорит Томаш Новаковски, нейробиолог из Калифорнийского университета в Сан-Франциско.

Эти остановки и переходы запускают цепочку автомагистралей в мозге, гарантируя, что сигналы окажутся в нужных местах в нужное время, так что вы сможете схватить яблоко на столе, напеть любимую мелодию или вспомнить, где вы оставили свой телефон.

В коре головного мозга млекопитающих возбуждающих нейронов значительно больше, чем тормозных. Однако на протяжении эволюции мозга млекопитающих тормозные нейроны стали разнообразнее и их количество увеличилось, что позволяет предположить их важнейшую роль в функционировании высших систем.

Тормозным нейронам «часто приписывались вспомогательные роли», — сказала Аннабель Сингер, нейробиолог и нейроинженер из Технологического института Джорджии и Университета Эмори. Вероятно, это связано с тем, что возбуждающие нейроны просто легче изучать. Например, возбуждающая клетка места в гиппокампе может активироваться, когда животное находится в определенном месте. Когда это происходит, можно наблюдать возбуждение ею других клеток. «Это очень четко», — сказала она. Но тормозной нейрон «активируется много раз и везде, и гораздо сложнее сказать, на что он реагирует», — добавила она. Мы не знаем, какой сигнал он тормозит, и клетки, связанные с ним, не реагируют собственной активацией.

Тем не менее, исследования начинают прояснять, как и когда активируются тормозные нейроны. В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature, Сингер и её коллеги обнаружили, что тормозные нейроны помогают мышам быстро обучаться и запоминать, где найти пищу, избирательно снижая интенсивность своей активации, когда животное находится рядом с местом, где можно найти пищу. Срабатывая реже по мере приближения мыши к этому месту, тормозные нейроны усиливают желаемые сигналы, тем самым «способствуя запоминанию важного места», говорит Сингер. Это говорит о том, что они играют гораздо более активную роль в памяти, чем считалось ранее.

Более того, распространённое представление об ингибирующих нейронах ранее представляло их как более универсальные в своей активности, осуществляющие своего рода «тотальное торможение, подавляя всё, что находится вокруг их аксонов», — говорит Нуну Масарику да Коста, нейробиолог из Института Аллена. Но да Коста и его команда в рамках проекта Microns — масштабной работы по полному картированию участка зрительной коры мыши объёмом 1 кубический миллиметр — обнаружили, что ингибирующие нейроны очень избирательны в выборе клеток для ингибирования.

Все нейронные цепи мозга состоят из смеси тормозных и возбуждающих клеток, взаимодействующих различными способами. Например, некоторые тормозные клетки предпочитают посылать сигналы небольшим отросткам другого нейрона, называемым дендритами, в то время как другие посылают сигналы телу нейрона. Другие объединяются в команду, чтобы подавлять определённые другие клетки. Эти различные подвижные части переплетаются воедино посредством не до конца изученных механизмов, формируя наши реакции, мысли, воспоминания и сознание.

Но нейроны передают сигналы в тысячи раз быстрее, чем генерируемые ими когнитивные эффекты, передавая их за десятки миллисекунд или меньше. «Нейротрансмиттеры работают очень быстро, но многие необходимые нам поведенческие и когнитивные компоненты работают очень медленно», — сказал Цембровски. Это кажущееся несоответствие — «одна из центральных и величайших загадок мозга».

Третья категория

Другая категория ячеек могла бы помочь решить эту временную проблему.

Нейромодуляторные нейроны, которые встречаются в мозге гораздо реже, работают медленнее, но их эффекты длятся гораздо дольше и имеют гораздо более широкое распространение. Вместо того, чтобы посылать молекулы через синапс исключительно к следующему нейрону, они могут распространять свои молекулы — подгруппу нейромедиаторов, называемых нейромодуляторами, — на целую область, где они взаимодействуют со множеством различных синапсов. Высвобождаемые ими молекулы, такие как дофамин или серотонин, вызывают изменения в возбуждающих или тормозных нейронах, увеличивая или уменьшая вероятность их активации. Они создают «медленный подтекст сигналов, который вносит важные изменения в быструю динамику мозга», — сказал Цембровски.

Например, нейромодулятор норадреналин играет важную роль в эмоционально окрашенной памяти. Высвобождаясь, он способствует укреплению связей между нейронами, формирующими и подкрепляющими память, благодаря чему они активируются чаще и, таким образом, «направляют в память особенно эмоциональные переживания», — сказал он.

Эти базовые идентичности — возбуждающие, тормозные и нейромодуляторные — придают некоторую структуру работе различных типов наших нейронов, но их роли могут быть размыты. Например, некоторые возбуждающие и тормозные нейроны, по-видимому, также обладают встроенной нейромодуляторной функцией. Небольшое количество нейронов, особенно связанных с эмоциями, могут активировать ГАМК и глутамат, упакованные вместе, что придает им как возбуждающие, так и тормозные свойства. Некоторые нейроны могут менять свою идентичность, например, с возбуждающих на тормозные, под воздействием хронического стресса и других условий.

Хотя внутри широких категорий нейронов существует большое разнообразие, как показывают один за другим атласы клеток мозга, все они обеспечивают ритм возбуждения и торможения. Нейробиологи лишь поверхностно изучают, что происходит, когда нейронные сети выходят из равновесия, но, по словам Цембровски, их работа может привести к появлению новых методов лечения, позволяющих исправить ситуацию. «Это может иметь огромное значение как для качества жизни отдельных людей, так и для общества в целом».

Источник: www.quantamagazine.org