Биохимический механизм двп
После того как с изумительной точностью были картированы нейрофизиологические параметры ДВП, внимание сосредоточилось на его клеточных механизмах. Поскольку ДВП представляет собой целиком физиологически индуцируемую реакцию и в этом смысле может считаться искусственным феноменом, некоторые из критериев памяти, сформулированных в начале этой главы, в данном случае несостоятельны. Интерес представляют клеточные процессы инициирования и поддержания ДВП, а также последствия их подавления. К тому же чем больше становится отделов мозга, в которых обнаруживают ДВП-подобные эффекты, тем важнее знать, что такое ДВП - единый процесс или ряд различных, хотя и сходных, явлений. Иными словами, одинаков ли механизм инициации и поддержания ДВП в различных отделах мозга?
ДВП - это постсинаптический эффект, т. е. он развивается в нейроне в результате поступления внешнего сигнала от другого нейрона, образующего на нем синапс. Одна из первоочередных задач состояла в идентификации нейромедиатора, передающего этот сигнал. Вскоре было установлено, что такой ключевой молекулой служит глутаминовая кислота (глутамат) - аминокислота, хорошо известная как один из самых обычных возбуждающих медиаторов головного мозга, которая в больших количествах содержится в нейронах. Подобно всем медиаторам, глутамат высвобождается из пресинаптического окончания, когда туда приходят по аксону нервные импульсы. Аннет Долфин, работавшая с Тимом Блиссом, показала, что при стимуляции перфорантного пути in vivo усиливается высвобождение глутамата в гиппокампе. Биохимические механизмы этого процесса были довольно подробно исследованы Мариной Линч. Глутамат выделяется с пресинаптической стороны синапса между приходящим сюда волокном перфорантного нерва и нейроном гиппокампа. Исходя из этих данных, Линч и Блисс утверждали (как ранее Кэндел в случае серотонина у аплизий), что для ДВП важное значение имеет пресинаптическая пластичность, а постсинаптическая клетка просто реагирует надлежащим образом на более сильную стимуляцию глутаматом.
Но в биологии все непросто. Глутамат - всего лишь один из многих десятков медиаторов, и он взаимодействует с постсинаптической клеткой несколькими различными способами. Существует по меньшей мере три разных типа постсинаптических рецепторов глутамата; их распределение между чувствительными к этому веществу клетками различно, у них разные фармакологические свойства, и каждый из них вызывает специфическую постсинаптическую реакцию. Таким образом, хотя рецепторы всех трех типов взаимодействуют с глутаматом, некоторые из них реагируют и с другими химически сходными молекулами, а есть и рецепторы с иными формами специфичности. Один из классов рецепторов для глутамата известен как NMDA-рецепторы, поскольку действие глутамата на них можно имитировать инъекцией сходного с ним соединения N-метил-D-аспарагиновой кислоты. Введение веществ, специфически связываемых NMDA-рецепторами, блокирует индукцию ДВП, но не подавляет уже развившуюся потенциацию. Препараты, реагирующие с другими типами рецепторов глутамата, не обладают таким действием. Поэтому можно заключить, что рецепторы NMDA-типа играют важную роль в инициировании ДВП. В отличие от группы Блисса другие лаборатории продемонстрировали увеличение количества этих рецепторов на нейронах гиппокампа после индукции ДВП, что переместило центр интереса с пресинаптических механизмов на постсинаптические.
Каким образом усиление секреции глутамата или увеличение количества взаимодействующих с ним рецепторов вызывает последующие пре- и постсинаптические изменения? Как и у аплизий, ключевую роль здесь играют ионы кальция. Если концентрация кальция в инкубационной среде для срезов гиппокампа возрастает, индукция ДВП облегчается, тогда как после удаления кальция вызвать ДВП не удается. Введение в постсинаптическую клетку молекул, связывающих ионы кальция и выводящих их из раствора, тоже блокирует ДВП. Это позволило Гэри Линчу1, работающему в Ирвине (Калифорния), предположить, что ДВП инициируется каким-то процессом, включающим усиленное поглощение кальция постсинаптической клеткой. По мере появления новых данных модель Линча обогащалась деталями, но в ее раннем варианте, который он разработал вместе со своим давним сотрудником Мишелем Бодри [24], предполагаемое действие кальция состояло в активации фермента на постсинаптической стороне, разрушающего белки.
*1) Двое Линчей, Марина и Гэри, насколько им самим известно, не родственники; помимо разной национальности (она ирландка, а он из Калифорнии), их разделяют и убеждения: первая «пресинаптистка», а второй «постсинаптист».
Согласно этой модели, активированный фермент действовал на уровне синаптической мембраны, где в результате возрастало количество доступных связывающих участков NMDA-рецепторов, которые до того оставались погруженными в поверхностный слой мембраны и потому неактивными. А большее число связывающих участков означало повышенную чувствительность постсинаптической клетки к глутамату и, следовательно, большую вероятность ее возбуждения.
Между тем известны многообразные внутриклеточные эффекты кальция, поэтому возможны и другие пути его воздействия на синаптическую мембрану. К наиболее важным молекулярным компонентам мембраны относятся различные белки, способные обратимо присоединять фосфатные группы. При связывании фосфата (этот процесс называется фосфорилированием) форма белка изменяется, что может приводить к закрытию или открытию каналов, пронизывающих всю толщу мембраны от ее наружной поверхности до внутренней. Эти каналы обусловливают проницаемость мембраны для ионов или молекул, которые могут проникать в клетку и действовать как сигналы для инициации биохимических каскадов, что в конечном итоге приводит к синтезу новых компонентов синаптической мембраны и тем самым к перестройке синапса. В следующей главе я расскажу, как это происходит. Фосфорилированию подвержены многие мембранные белки, постсинаптические и пресинаптические, а ферменты, катализирующие этот процесс, носят общее название протеинкиназ. Одна из них специфически активируется кальцием (и потому ее также сокращенно обозначают Са-ПК). В конце восьмидесятых годов благодаря работам нескольких лабораторий стало ясно, что вещества, подавляющие активность этого фермента, блокируют и ДВП. В связи с этим пришлось пересмотреть модели механизмов ДВП и включить в них эффект, опосредуемый через фосфорилирование специфических пре- и постсинаптических мембранных белков [25]. Хотя еще в полном разгаре споры о том, что важнее - пре- или постсинаптические изменения, не исключено (как это нередко, хотя и не всегда, бывает в науке), что в чем-то правы оба лагеря. Механизмы памяти скорее всего связаны с изменениями по обе стороны синапса.