Материалы SapiensMed не заменяют консультацию врача
Здравствуйте, друзья! В нашем традиционном лонгриде поговорим о синапсах и нейромедиаторах — местах контакта нервных клеток и химических веществах, с помощью которых нейроны передают друг другу сигналы. Каждая мысль, движение и воспоминание рождаются в этих микроскопических щелях. Как электрический импульс превращается в химическое послание? Почему одни вещества возбуждают мозг, а другие успокаивают? И как кофе, алкоголь и лекарства вмешиваются в эту переписку?
Мы разберём, как устроен синапс, что происходит в нём за тысячные доли секунды и чем отличаются главные нейромедиаторы — глутамат, ГАМК, ацетилхолин, дофамин, серотонин и другие. Расскажем, как синапсы усиливаются при обучении и почему мозг подростка избавляется от лишних контактов.
Отдельно обсудим, кто регулирует синаптическую передачу, как она меняется с возрастом, во сне и под действием привычных веществ, какие болезни связаны с её поломками и что помогает синапсам работать слаженно. В конце статьи вас ждёт краткое резюме по каждому разделу статьи.
Часть 1. Что такое синапс и зачем он нужен
1.1. Место встречи двух нейронов
Синапс — это специализированный контакт, через который нервная клетка передаёт сигнал другой клетке: нейрону, мышечному волокну или клетке железы. Слово предложил в 1897 году британский физиолог Чарльз Шеррингтон, оно означает «соединение». Внутри одного нейрона сигнал бежит в виде электрического импульса, о котором рассказывает статья Нейрон и нервный импульс. Синапс решает, передать ли этот импульс дальше15.
В головном мозге человека около 86 миллиардов нейронов, и каждый образует от нескольких сотен до десятков тысяч синапсов. Всего контактов насчитывают порядка сотни триллионов. Именно их сеть, а не отдельные клетки, хранит навыки и воспоминания. Как устроены отделы мозга, где расположены эти сети, описано в статье «Всё, что вы хотели знать о головном мозге»3.
1.2. Зачем нужна «пауза» в цепи
Можно было бы соединить нейроны напрямую, как провода, но тогда сигнал всегда шёл бы одинаково. Синапс работает как переключатель с регулятором громкости. Он может усилить сигнал, ослабить его, задержать, сложить с сигналами от других клеток или вовсе погасить. Благодаря этому нервная система не просто проводит импульсы, а принимает решения1.
Синапсы также обеспечивают одностороннее движение сигнала: от передающей клетки к принимающей. Это делает работу нервных цепей предсказуемой. И наконец, синапсы пластичны — меняют силу при повторном использовании. Это основа обучения и памяти37.
1.3. Химические и электрические синапсы
У человека подавляющее большинство синапсов химические: сигнал передаёт вещество-посредник, нейромедиатор. Есть и электрические синапсы — щелевые контакты, где мембраны двух клеток соединены белковыми каналами и ток проходит напрямую. Они работают почти без задержки и синхронизируют группы клеток, например в некоторых отделах ствола мозга и в сердечной мышце, но гибкости химических синапсов у них нет24.
Часть 2. Как работает химический синапс: шаг за шагом
2.1. Устройство синапса
В химическом синапсе три части. Пресинаптическое окончание — утолщение на конце отростка передающего нейрона, заполненное пузырьками с нейромедиатором. Синаптическая щель — промежуток шириной около 20–40 нанометров, в тысячи раз тоньше волоса. Постсинаптическая мембрана принимающей клетки усеяна белками-рецепторами, которые узнают медиатор, как замок узнаёт ключ13.
2.2. От импульса к выбросу медиатора
Передача идёт последовательно. Ниже — шаги, которые укладываются примерно в половину тысячной доли секунды. Эту паузу называют синаптической задержкой, и именно она ограничивает скорость рефлексов, в которых участвует много синапсов62.
- Электрический импульс достигает пресинаптического окончания и меняет заряд его мембраны.
- Открываются кальциевые каналы, и ионы кальция входят внутрь окончания.
- Кальций запускает белки-«застёжки», которые притягивают пузырьки к мембране.
- Мембрана пузырька сливается с мембраной окончания, и медиатор выбрасывается в щель.
- Молекулы медиатора пересекают щель и связываются с рецепторами принимающей клетки.
- Рецепторы меняют заряд принимающей мембраны или запускают химические реакции внутри неё.
- Медиатор быстро удаляется из щели, и синапс готов к следующему сигналу.
Заряд мембраны и роль ионов подробно разобраны в статье Мембранный потенциал и возбудимость: откуда в клетках электричество. Белки-«застёжки» называют SNARE-белками. Их разрушает ботулотоксин, поэтому при ботулизме медиатор не выделяется и мышцы парализуются6.
2.3. Два типа рецепторов
Ионотропные рецепторы — это одновременно рецептор и канал. Медиатор открывает канал, ионы проходят, и заряд меняется за доли миллисекунды. Так работают быстрые сигналы, например команды мышцам. Метаботропные рецепторы связаны с белками внутри клетки и запускают цепочку реакций. Ответ медленнее, но длится дольше и может менять работу клетки на минуты и даже часы13.
2.4. Возбуждение и торможение
Если медиатор впускает в клетку положительные ионы натрия, её заряд сдвигается к порогу возбуждения — это возбуждающий сигнал. Если открываются каналы для хлора или выхода калия, клетка уходит от порога — это тормозной сигнал. Один нейрон получает тысячи таких сигналов одновременно и, как избиратель, «подсчитывает голоса». Импульс рождается, только если возбуждение перевешивает24.
Подсчёт происходит у начального сегмента аксона — участка, где выходит длинный отросток. Сигналы суммируются во времени, когда приходят быстро друг за другом, и в пространстве, когда приходят одновременно от разных синапсов. Торможение не менее важно, чем возбуждение: без него мозг напоминал бы зал, где все кричат одновременно.
2.5. Как сигнал выключается
Если медиатор оставался бы в щели, сигнал звучал бы бесконечно. Поэтому его убирают тремя способами. Многие медиаторы захватываются обратно в окончание специальными белками-переносчиками и используются повторно. Ацетилхолин разрушает фермент ацетилхолинэстераза. Часть молекул просто уходит из щели, а глутамат поглощают соседние вспомогательные клетки, астроциты110.
На выключении сигнала основаны многие лекарства. Например, часть антидепрессантов замедляет обратный захват серотонина, и он дольше действует в щели. Яды из группы фосфорорганических соединений блокируют ацетилхолинэстеразу, и избыток ацетилхолина вызывает судороги, слюнотечение и остановку дыхания3.
Миф
Нейромедиаторы — это гормоны счастья, удовольствия и спокойствия, и каждый отвечает за одну эмоцию.
Факт
Один и тот же медиатор выполняет в разных отделах нервной системы совсем разные задачи. Дофамин участвует и в мотивации, и в управлении движениями, и в выделении гормона пролактина. Эмоции рождаются не из одного вещества, а из работы целых нейронных сетей.
Часть 3. Главные нейромедиаторы и кто регулирует передачу
3.1. Глутамат и ГАМК — газ и тормоз
Глутамат — главный возбуждающий медиатор мозга, им пользуется большинство нейронов коры. ГАМК (гамма-аминомасляная кислота) — главный тормозной медиатор головного мозга, в спинном мозге ей помогает глицин. Баланс этих двух систем определяет, будет ли мозг спокоен или впадёт в перевозбуждение. На ГАМК-рецепторы действуют алкоголь, многие снотворные и противосудорожные средства13.
Особый глутаматный рецептор NMDA открывается, только если клетка уже возбуждена и к ней пришёл новый сигнал. Он работает как детектор совпадений и играет ключевую роль в обучении. При избытке глутамата этот же рецептор впускает в клетку слишком много кальция и может её погубить7.
3.2. Ацетилхолин и моноамины
Ацетилхолин передаёт команды от двигательных нервов к мышцам, работает в парасимпатической нервной системе и участвует в памяти и внимании. Дофамин, норадреналин и серотонин относят к моноаминам. Их выделяют небольшие группы нейронов в стволе и среднем мозге, но их отростки расходятся по всему мозгу. Поэтому моноамины действуют как «настройщики» общего состояния: бодрости, мотивации, настроения13.
Таблица 1. Основные нейромедиаторы и их роль
| Нейромедиатор | Основное действие | Где работает | Что связано с нарушением |
|---|---|---|---|
| Глутамат | Возбуждение | Большинство нейронов коры и гиппокампа | Эпилептические приступы, гибель нейронов при инсульте |
| ГАМК | Торможение | Головной мозг, вставочные нейроны | Судороги, тревога, действие снотворных и алкоголя |
| Глицин | Торможение | Спинной мозг и ствол | Мышечные спазмы при столбняке |
| Ацетилхолин | Возбуждение мышц, память, внимание | Нервно-мышечные контакты, парасимпатические нервы, кора | Миастения, болезнь Альцгеймера, отравления фосфорорганическими веществами |
| Дофамин | Мотивация, движения, вознаграждение | Чёрная субстанция, полосатое тело, лобная кора | Болезнь Паркинсона, зависимости, психозы |
| Норадреналин | Бодрствование, реакция на стресс | Голубое пятно ствола, симпатические нервы | Тревога, нарушения внимания |
| Серотонин | Настроение, сон, аппетит, боль | Ядра шва ствола, кишечник | Депрессия, тошнота, мигрень |
| Гистамин | Бодрствование | Гипоталамус | Сонливость от противоаллергических средств первого поколения |
| Эндорфины и энкефалины | Подавление боли | Спинной и головной мозг | Мишень опиоидов и причина зависимости от них |
3.3. Самонастройка синапса
Синапс регулирует сам себя. На пресинаптическом окончании есть ауторецепторы, которые чувствуют выброшенный медиатор и, если его много, тормозят следующий выброс. Это отрицательная обратная связь, как у термостата. Принимающая клетка тоже может выделять вещества, которые идут в обратном направлении и ослабляют передачу, например эндоканнабиноиды — собственные аналоги веществ конопли13.
3.4. Астроциты — третий участник
Долгое время синапс считали делом двух нейронов. Сегодня говорят о трёхчастном синапсе: к нему прилегают отростки астроцитов. Они поглощают лишний глутамат, снабжают нейроны энергией и сами выделяют сигнальные вещества, влияющие на передачу. Если астроциты не справляются с уборкой глутамата, он накапливается и перевозбуждает нейроны10.
3.5. Пластичность: как синапс учится
В 1973 году исследователи Блисс и Лёмо обнаружили, что короткая серия частых импульсов усиливает синапс в гиппокампе на часы и дни. Это явление назвали долговременной потенциацией. При ней в принимающей мембране появляются новые рецепторы, а при долгом закреплении вырастают новые контакты. Обратный процесс, долговременная депрессия, ослабляет ненужные связи71.
Нейромодуляторы — дофамин, норадреналин, ацетилхолин — определяют, какие изменения закрепятся. Поэтому мы лучше запоминаем то, что вызвало интерес, удивление или эмоции. Дофамин сигнализирует мозгу, что результат оказался лучше ожиданий, и усиливает синапсы, которые к нему привели.
Миф
Количество нейронов определяет ум: чем больше клеток, тем человек умнее.
Факт
Для работы мозга важнее не число клеток, а качество связей между ними. В детстве синапсов больше, чем у взрослого, но ребёнок не умнее. Способности растут за счёт того, что полезные синапсы усиливаются, а лишние удаляются.
Часть 4. Как синаптическая передача меняется
4.1. Детство и подростковый возраст
В первые годы жизни синапсы образуются с огромной скоростью. Плотность контактов в зрительной коре достигает пика к концу первого года, а в лобной коре — позже, в раннем детстве. Затем начинается обрезка: редко используемые синапсы исчезают, а активные укрепляются. В лобной коре этот процесс продолжается до двадцати с лишним лет8.
Обрезка не означает потерю, это настройка. Мозг подстраивается под опыт: язык, на котором говорят вокруг, навыки, которые тренируются. Поэтому детство и юность — время особой восприимчивости к обучению, но и к вредным воздействиям, например к алкоголю и никотину.
4.2. Взрослый возраст и старение
Во взрослом возрасте синапсы продолжают образовываться и исчезать, хотя медленнее. С возрастом снижается выработка некоторых медиаторов, особенно дофамина и ацетилхолина, уменьшается количество шипиков — выростов, на которых расположены синапсы. Это отчасти объясняет замедление реакции и усвоения нового. Регулярная умственная и физическая активность помогает сохранить связи13.
4.3. Сон и бодрствование
Днём, когда мы учимся и получаем впечатления, синапсы в целом усиливаются. Согласно гипотезе синаптического гомеостаза, во время глубокого сна мозг понижает силу связей, сохраняя важные и ослабляя случайные. Это экономит энергию и освобождает место для нового обучения. После бессонной ночи передача становится менее точной, и человек хуже концентрируется9.
4.4. Пол, гормоны и беременность
Половые гормоны влияют на синапсы. Эстрогены увеличивают число шипиков в гиппокампе, поэтому у женщин некоторые показатели памяти колеблются в течение цикла. Во время беременности и после родов мозг перестраивается под заботу о ребёнке, меняется чувствительность к окситоцину и дофамину. Резкое падение гормонов после родов может способствовать подавленности.
4.5. Кофе, алкоголь и никотин
Кофеин блокирует рецепторы аденозина — вещества, которое накапливается за день и вызывает сонливость. Для большинства взрослых безопасным считается до 400 миллиграммов кофеина в сутки, это около 3–4 чашек кофе. Алкоголь усиливает ГАМК и ослабляет глутамат, поэтому тормозит мозг. Никотин действует на ацетилхолиновые рецепторы и вызывает выброс дофамина, что лежит в основе зависимости163.
Мозг приспосабливается к постоянному действию веществ на синапсы: при регулярном приёме снотворных, успокоительных или алкоголя рецепторы теряют чувствительность. Резкая отмена таких веществ может вызвать тревогу, бессонницу и даже судороги. Прекращать приём лекарств, влияющих на нервную систему, нужно только по плану, согласованному с врачом.
Часть 5. Когда синаптическая передача нарушается
5.1. Перекос возбуждения и торможения
Если возбуждение начинает преобладать над торможением, группы нейронов разряжаются одновременно — так возникает эпилептический приступ. О видах приступов и их диагностике рассказывает статья «Эпилепсия: почему возникают приступы, виды и как ставят диагноз». Многие противосудорожные средства либо усиливают ГАМК, либо ослабляют глутамат1211.
5.2. Потеря синапсов и медиаторов
При болезни Паркинсона гибнут дофаминовые нейроны чёрной субстанции, и первые двигательные симптомы появляются, когда утрачена значительная их часть. Подробнее — в статье «Болезнь Паркинсона: что происходит в мозге, первые симптомы и чем тремор отличается от других видов дрожи». Лечение возмещает недостаток дофамина или подражает ему14.
При болезни Альцгеймера одно из самых ранних изменений — потеря синапсов в гиппокампе и коре, ещё до массовой гибели нейронов. Поэтому её иногда называют болезнью синапсов. Особенно страдают ацетилхолиновые нейроны, на чём основано действие части лекарств. Об этой болезни — в статье «Болезнь Альцгеймера: что происходит в мозге, ранние признаки и как ставят диагноз»15.
5.3. Атака на рецепторы и токсины
При миастении иммунитет вырабатывает антитела против ацетилхолиновых рецепторов мышц, и сигнал от нерва доходит до мышцы всё хуже: появляются опущение век, двоение в глазах, слабость, усиливающаяся к вечеру13. Ботулотоксин блокирует выброс ацетилхолина, а столбнячный токсин — выброс тормозных медиаторов в спинном мозге, вызывая мучительные спазмы.
Нарушения синаптической передачи также участвуют в депрессии, тревожных расстройствах, шизофрении и зависимостях. Механизмы этих состояний сложнее, чем просто нехватка одного вещества, и подробно будут разобраны в отдельных статьях о патологиях этого цикла.
Миф
Глицин под язык и витамины для мозга улучшают передачу сигналов у здорового человека.
Факт
Глицин действительно работает тормозным медиатором, но в основном в спинном мозге и стволе, а его собственные запасы в организме велики. Убедительных доказательств, что добавки глицина или комплексы «для мозга» улучшают память и внимание у здоровых людей, нет. Витамины нужны при их доказанном дефиците.
Часть 6. Как поддержать работу синапсов
6.1. Что действительно помогает
Специальных таблеток, которые «чистят» или «питают» синапсы у здорового человека, не существует. Зато доказано, что сон, движение и обучение напрямую влияют на синаптическую пластичность. Физическая нагрузка повышает выработку нейротрофического фактора мозга (белка, который поддерживает рост синапсов), а сон закрепляет полезные связи91.
Сосуды мозга обеспечивают синапсы энергией, поэтому контроль давления, холестерина и сахара защищает их не хуже, чем умственные упражнения. Разнообразное питание с достаточным количеством белка, витаминов группы B, рыбы и овощей даёт сырьё для синтеза медиаторов.
6.2. Пошаговый план
01
Спите 7–9 часов и ложитесь в одно и то же время.
02
Двигайтесь не менее 150 минут в неделю с умеренной интенсивностью.
03
Регулярно учитесь новому: язык, музыкальный инструмент, сложные настольные игры.
04
Ограничьте кофеин до 3–4 чашек кофе в день и не пейте его за 6 часов до сна.
05
Сведите к минимуму алкоголь и откажитесь от курения.
06
Не принимайте снотворные и успокоительные без назначения врача.
07
Питайтесь разнообразно: рыба, овощи, бобовые, цельные злаки, орехи.
08
Контролируйте артериальное давление, сахар и холестерин.
09
Поддерживайте общение с людьми: социальные связи тренируют мозг.
Когда срочно нужно к врачу
Срочно обратитесь к врачу или вызовите скорую помощь, если появились:
Краткое резюме
Синапс — контакт, через который нейрон передаёт сигнал другой клетке. Он не просто проводит импульс, а усиливает, ослабляет или гасит его. В мозге порядка сотни триллионов синапсов, и именно их сеть хранит навыки и память. Большинство синапсов химические, сигнал в них несёт нейромедиатор.
Импульс открывает кальциевые каналы окончания, кальций запускает слияние пузырьков с мембраной, и медиатор выходит в щель. Он связывается с рецепторами: быстрые ионотропные меняют заряд, медленные метаботропные запускают реакции внутри клетки. Нейрон суммирует тысячи возбуждающих и тормозных сигналов. Медиатор затем захватывается обратно, разрушается ферментом или поглощается астроцитами.
Главный возбуждающий медиатор — глутамат, тормозной — ГАМК и глицин. Ацетилхолин управляет мышцами и вниманием, дофамин, норадреналин и серотонин настраивают бодрость, мотивацию и настроение. Синапс регулирует себя через ауторецепторы, а пластичность позволяет ему усиливаться при обучении.
В детстве синапсов больше всего, затем лишние удаляются. С возрастом медиаторов меньше. Сон перенастраивает силу связей, кофеин, алкоголь и никотин вмешиваются в передачу, а при постоянном приёме успокоительных рецепторы теряют чувствительность, поэтому резкая отмена опасна.
Перекос возбуждения ведёт к эпилепсии, потеря дофамина — к болезни Паркинсона, потеря синапсов — к болезни Альцгеймера, антитела к рецепторам — к миастении. Поддерживают синапсы не добавки, а сон, регулярное движение, обучение новому, общение, отказ от курения и контроль давления, сахара и холестерина.
Источники
- Kandel E. R., Koester J. D., Mack S. H., Siegelbaum S. A. Principles of Neural Science. 6th edition. McGraw Hill. США, 2021.
- Hall J. E., Hall M. E. Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology. 14th edition. Elsevier. США, 2020.
- Purves D., Augustine G. J., Fitzpatrick D. et al. Neuroscience. 6th edition. Oxford University Press. США, 2018.
- Ткаченко Б. И. (ред.) Нормальная физиология человека. 2-е издание. Медицина. Россия, 2005.
- Sherrington C. S. The Integrative Action of the Nervous System. Yale University Press. США, 1906.
- Südhof T. C. Neurotransmitter release: the last millisecond in the life of a synaptic vesicle. Neuron. США, 2013.
- Bliss T. V. P., Lømo T. Long-lasting potentiation of synaptic transmission in the dentate area of the anaesthetized rabbit following stimulation of the perforant path. Journal of Physiology. Великобритания, 1973.
- Huttenlocher P. R., Dabholkar A. S. Regional differences in synaptogenesis in human cerebral cortex. Journal of Comparative Neurology. США, 1997.
- Tononi G., Cirelli C. Sleep and the price of plasticity: from synaptic and cellular homeostasis to memory consolidation and integration. Neuron. США, 2014.
- Araque A., Parpura V., Sanzgiri R. P., Haydon P. G. Tripartite synapses: glia, the unacknowledged partner. Trends in Neurosciences. Великобритания, 1999.
- Литвицкий П. Ф. Патофизиология. 5-е издание. ГЭОТАР-Медиа. Россия, 2016.
- Гусев Е. И., Коновалов А. Н., Скворцова В. И. (ред.) Неврология. Национальное руководство. 2-е издание. ГЭОТАР-Медиа. Россия, 2018.
- Gilhus N. E. Myasthenia gravis. New England Journal of Medicine. США, 2016.
- Poewe W., Seppi K., Tanner C. M. et al. Parkinson disease. Nature Reviews Disease Primers. Великобритания, 2017.
- Selkoe D. J. Alzheimer’s disease is a synaptic failure. Science. США, 2002.
- EFSA Panel on Dietetic Products, Nutrition and Allergies. Scientific Opinion on the safety of caffeine. EFSA Journal. Италия, 2015.
Материал носит информационно-просветительский характер и не заменяет очной консультации врача. Диагноз и лечение определяет только врач.
Читайте также
- Рефлекс и рефлекторная дуга
- Как работает клетка: мембрана, обмен веществами с окружающей средой
- Как устроена боль: от рецептора до мозга
- Кома
Автор:
