Луценко виктор Константинович-кандидат биологических наук, старший научный сотрудник нии общей патологии и патологической физиологии амн СССР. Занимается исследованием молекулярных механизмов патологии синапса

Вид материала

Подобный материал:

1 2 3 4 5

ДВП ОКГ

Консолидация______ Воспоминание

12-3456 '~78 9 '

Н -Цис-Тир-(Рен-Глн-Нсн-1с-Про-Йрг-Гли -NH, | . . -

-Илей-

-иПеи-

Рис. 4. Структура аргинин-8-вазопрессина (АВП) и окситоцина (ОКТ).

Окситоцин отличается от вазопрессина двумя аминокислотами. Как показывают эксперименты с обучением, вазопрессин и оксито-цин являются функциональными антагонистами. Изучение эффектов фрагментов вазопрессина привело к выводу, что молекула содержит два участка, оказывающих различное влияние на процессы памяти. Ковалентаая кольцевая структура (цис-...цис-) способствует консолидации? тогда как линейный С-концевой участок —' извлечению информации из памяти (воспоминанию)

На рис. 4 представлена структура аргинин-8-вазо-прессина и окситоцина.

Оба гормона синтезируются в гипоталамусе, перемещаются по аксонам нейронов в заднюю долю гипофиза, где и высвобождаются в кровь. Таким образом, эти гормоны, по сути дела, являются пептидами мозга, а не гипофиза.

Широкое внегипоталамическое представительство нейронов, содержащих вазопрессин, согласуется с данными о его участии в процессах памяти. Убедительным доказательством важной роли вазопрессина в процессах обучения явились эксперименты на крысах линии Брэтлборо с наследственным дефектом, проявляющимся в нарушении синтеза вазопрессина. Такие крысы гораздо хуже, чем здоровые, обучались в различных экспериментальных условиях и значительно быстрее за-

36

бывали приобретенное. У обычных крыс процессы обучения страдали после внутрижелудочкового введения антисыворотки к вазопрессину.

В последнее время процесс консолидации связывают с так называемой парадоксальной фазой сна. Электрофизиологическое исследование показало, что у крыс Брэтлборо эта стадия сна нарушена, но может быть нормализована (электрографически) после введения производного вазопрессина. Благоприятные результаты влияния вазопрессина на обучаемость и память животных побудили проверить его клиническое действие. У престарелых под влиянием вазопрессина происходило некоторое улучшение внимания и памяти. Довольно эффективным оказалось использование вазопрессина при лечении алкоголизма, основанном на выработке отрицательного рефлекса на потребление алкоголя. Первоначально предполагали, что из гипофиза вазопрессин попадает в цереброспинальную жидкость из нее к нейронам. Обнаружение вазопрессина в нейронах и слишком низкие для возбуждения нейронов концентрации вазопрессина в цереброспинальной жидкости поколебали представление о проникноведии вазопрессина в мозг с ликвором. В мозге работает вазопрессин нейронального происхождения.

Введение вазопрессина в отдельные структуры головного мозга позволило выявить мишени его действия, обусловливающие изменения процесса обучения и памяти. По-видимому, оно опосредовано норадренергиче-скими нейронами дорзального норадренергического пучка. После химического разрушения этой структуры влияние вазопрессина на консолидацию полностью уст-страняется, тогда как извлечение информации из памяти страдает в значительно меньшей степени.

В последнее время предположение об участии вазопрессина в процессах памяти подвергается критике. Расширение круга задач, которым обучали животное, показало, что благоприятное влияние вазопрессина на обучение выявляется далеко не всегда. Возникли сомнения и в том, что крысы линии Брэтлборо действительно плохо обучаются. Это более робкие и осторожные животные, что сказывается и на обучении, в особенности когда используют схему опыта с болевым раздражением. Снова, как и при оценке действия АКТГ, приходят к выводу, что вазопрессин действует не на

37

сами процессы памяти, а на эмоциональное состояние, йнимание или мотивационные процессы.

Предпринимаются попытки объяснить действие ва« зопрессина с более общих позиций, например, предполагая его влияние на возбудимость мозга. Исследуя зависимость между силой стимула и ответными реакциями человека, психологи выявили колоколообразную зависимость, то есть сначала ответ возрастает до максимума, а затем снижается. Понятно, что одно и то же воздействие на лиц с'различным исходным уровнем возбудимости приведет либо к усилению реакции, либо к ее снижению в зависимости от того, соответствует ли уровень возбудимости субъекта восходящей или нисходящей ветви «колокола».

Если речь идет об изменении уровня возбудимости под влиянием вазопрессина, его воздействие на процессы обучения—^как положительное, так и отрицательное—становится понятным. У субъектов с низким уров-~ нем возбудимости введение вазопрессина сразу же после процеДУРЬ! обучения в еще большей мере увеличивает возбудимость, ^чг0 способствует как восприятию информация, ^так ^и консолидации памяти. Когда же Уровень возбудимости исходно оптимален, то результат будет противоположным, как это следует из анализа кривой сила—⁰- Эти общие рассуждения имеют не только теоретический характер. Для многих пепти-дов выявлена зависимость характера ответа от состояния животного и колоколообразная зависимость их эффекта от дозы пептида. Возвращаясь к вазопрессину, отметим, что хотя оценить его влияние на уровень возбудимости непросто, ряд данных свидетельствует о его наличии. После введения вазопрессина мышам наблюдалось увеличение их активности, в частности, в стремлении к энергичной чистке кожных покровов. У человека под влиянием вазопрессина иногда изменялось настроение, возникали нездоровое возбуждение, тревожность,

АСИММЕТРИЯ МОЗГА ЛЕВЫЙ МОЗ Г, ПРАВЫЙ МОЗГ

В начале прошлого века провинциальный французский врач Л4. Д³ задумался над вопросом, где повреж

дается мозг, когда кровоизлияние приводит к потере ||<речи. Оказалось, что во всех исследованных им случаях это было связано с поражением левого полушария. Таковы истоки одной из наиболее интересных и интенсивно разрабатываемых проблем последней четверти XX века—проблемы асимметрии мозга. Дальнейшее ее изучение привело к обнаружению в левом полушарии двух центров речи: одного—ответственного за правильное построение фразы, независимо от того, правильно или абсурдно сообщение, и второго—контролирующего смысл. В настоящее время представления о связи речи и мышления с функцией левого полушария считаются общепризнанными. Именно по этой причине «левополу-шарные» люди обладают большими способностями к математике и языкам. Правое полушарие лучше оценивает пространственные отношения, более способно к музыкальному творчеству. Эмоциональное восприятие мира* у полушарий также неодинаково (левое полуша- рие—«оптимист», правое—«пессимист»).

Чрезмерное уважение к рациональному знанию привело к тому, что правым полушарием интересовались значительно меньше, чем левым, пока не установили, что именно бессловесное правое полушарие является подлинным генератором творческих идей. В одном из писем А. Эйнштейн писал: «...Слова, написанные или произнесенные, не играют, видимо, ни малейшей роли в механизме моего мышления. Психическими элементами мышления являются некоторые, более или менее ясные знаки или образы, которые... у меня бывают обычно визуального или изредка двигательного типа».

Муки творчества, вероятно, в значительной степени связаны с попытками извлечения идей из бессознательного, а также их логически безупречного словесного изложения.

Крайние варианты ситуаций, когда «рассудок с сердцем не в ладу», являются предметом интереса медиков, Такие тяжелые психические заболевания, как шизофрения и депрессия, начинают рассматривать как проявление патологической гиперактивности соответственно левого и правого полушарий. В первом случае рассудочная деятельность находится в трагическом разрыве с реальной действительностью, во втором восприятие мира окрашено в столь мрачные тона и он сулит так мало хорошего, что сама жизнь теряет смысл.

39

Оказалось, что довольно эффективным средством борьбы с депрессией является мощное электрическое раздражение структуры правого полушария, вызывающее временное его выключение. Если в клинической картине шизофрении преобладают симптомы чрезмерной активности левого полушария (чрезмерное возбуждение, резонерство, говорливость и т. д.), то прибегают к легкой физиологической активации правого полушария, что приводит к притормаживанию активности левого, и отчасти восстанавливают гармонию содружественной работы мозга.

Сказанное выше не оставляет сомнений, что изучение латерализации мозга (т. е. приуроченности функций мозга к одной из его половин) —важная задача как в научном, так и в практическом отношении.

Возникает вопрос о происхождении латерализации и лежащей в ее основе нейрохимической асимметрии мозговых полушарий. Опыты привели исследователей к выводу, что функциональная асимметрия непосредственно не контролируется генами и что связь с наследственностью скорее всего непрямая. Количественные различия в содержании обычных для организма веществ (гормонов, аминокислот) на ранней стадии индивидуального развития могут подчеркнуть или ослабить дальнейшую функциональную дифференциацию полушарий. Так, фенилкетонурия у молодых самок крыс приводит к большей асимметрии мозга у взрослых животных. По-видимому, левшество у человека является примером противоположного влияния.

По мнению Гешвинда, возникновение левшества обусловлено чрезмерной экспрессией гена, детерминирующего либо необычно высокое содержание тестойте-рона (мужского полового гормона) в организме, либо чрезмерную чувствительность организма к нему. В норме быстрее, развивается левое полушарие мозга, а у будущих левшей тестостерон замедляет его развитие, что проявляется у взрослых в форме леворукости и задержек в овладении речью.

Какие бы механизмы ни приводили к возникновению функциональной асимметрии мозга, она существует, и любопытно узнать, не связана ли она с асимметрией нейромедиаторных систем.

Подобные исследования только начинают проводиться, но полученные данные представляют большой инте-

40

pec. Исследования содержания медиаторов и синтезирующих их ферментов в 9 структурах головного мозга человека показали, что в бледном шаре слева больше дофамина и фермента, синтезирующего ацетилхолин. Поскольку большинство людей — правши, это свидетельствует о преобладании соответствующих нейромедиаторных систем на стороне, противоположной предпочитаемой руке, на стороне, управляющей ее движениями.

Доказательства асимметрии распределения медиаторов и ферментов между левым и правым полушариями человека получены также в отношении двигательной зоны и центра письменной речи. Мы не будем умножать далее примеров нейрохимической асимметрии, укажем лишь, что они, безусловно, имеют функциональное значение. Было установлено, что дофамина у крыс на 12% больше в полосатом теле на стороне, противоположной предпочитаемому ходу в Т-образном лабиринте. С другой стороны, если возникает преобладание дофамина в этой структуре в результате хирургического повреждения дофаминсодержащих клеток на другой стороне, животное будет вращаться в противоположную поврежденному ядру сторону. Как видим, в патологии ярко проявляется особенность поведения, едва заметная в норме. Возникает вопрос: существует ли асимметрия пептидергических систем? Ответ на него совершенно неожиданно был получен при изучении любопытного феномена «переноса асимметрии позы»,

ПЕПТИДЫ «ЛЕВЫЕ» И «ПРАВЫЕ»

Нейрофизиологам и врачам хорошо известно, что пересечение спинного мозга, отделяющее двигательные центры спинного мозга от воздействия головного, приводит к резкому ослаблению мышечного тонуса задних конечностей, которые теперь не в состоянии поддерживать тело. Тонус мышц слева и справа будет совершенно одинаковым. Неожиданно в лаборатории Джерарда было обнаружено интересное исключение из этого правила. Если перед перерезкой спинного мозга к его двигательным центрам поступала асимметричная импуль-сация, то спинной мозг запоминал ее, что проявлялось в сохранении различия в тонусе мышц слева и справа. Задняя конечность, которая была согнута до перерезки

41

спинного мозга, сохраняла большую активность и после отключения головного мозга. Для создания асимметрии тонуса задних конечностей исследователи повреждали переднюю дольку мозжечка на одной стороне. Подробное изучение явления спинальной памяти показало, что оно по ряду признаков сходно с более сложными видами нейрональной памяти. Так, для возникновения поддерживаемой у спинального животного асимметрии мышц задних конечностей требовалось, чтобы односторонняя активация нейронов спинного мозга была довольно длительной—примерно 45 мин. Это время можно считать периодом консолидации спинальной памяти.

Стандартные воздействия, улучшающие или ухудшающие обучение более сложным навыкам, точно так же действовали и на спинальную память.

Бельгийские авторы предприняли попытку отыскать пептид данного вида памяти и обнаружили, что в голов-ком мозге крыс появляется пептидный фактор, значительно укорачивающий время, необходимое для возникновения асимметрии у другого сходным образом оперированного животного. В дальнейшем в лаборатории Г. А. Вартаняна было установлено, что пептидный фактор не только способствует, но и сам по себе вызывает асимметрию мышечного тонуса при нанесении экстракта головного мозга на заднюю поверхность спинного. В соответствии с концепцией Г. Унгара пептид, обнаруживаемый в мозге животных с поврежденным мозжечком, был назван химическим эквивалентом патологического состояния. Авторы полагали, что пептид-эквива-лент течет вниз по цереброспинальной жидкости и, добравшись до спинного мозга, собирает нейроны в систему, скажем, так, как это бывает во время эмбриогенеза. Как видим, при подобном истолковании явления о нейрональной памяти нет и речи, управление деятельностью спинного мозга уподобляется гормональному контролю.

Модели спинальной памяти имеют важное преимущество перед вариантами памяти головного мозга: известна нейрональная система приобретенного поведения. В наших экспериментах асимметрия притока активности создавалась посредством разрушения вестибулярного ядра Дейтерса на одной стороне продолговатого мозга или его активации столбнячным токсином. Нейроны ядра Дейтерса образуют длинные аксоны, нисхо-

42

дящие на той же стороне спинного мозга к нейронам, которые возбуждают разгибательные мышцы задней конечности одноименной стороны. У животных после воздействия на вестибулярное ядро возникала различная клиническая картина. В случае разрушения ядра на поврежденной стороне выпадал тонус мышц-разги-бателей. Животные постоянно лежали на боку, подогнув переднюю и заднюю лапы на той стороне, где было раз-рушено ядро, и распрямив обе противоположные конечности. Если животное беспокоили, то вместо обычного убегания возникало вращение тела вокруг его длинной оси («вращение, как у бочки») в направлении стороны повреждения. Введение токсина в то же ядро никак не проявлялось в покое, но посторонние раздражения вызывали вращение в сторону, противоположную отравленному ядру.

Итак, в обоих случаях у животных возникали вращения, однако постоянные изменения тонуса мышц были только у крыс с разрушением ядра. Будут ли экстракты головного мозга вызывать изменение тонуса мышц и конечностей? Оказалось, что экстракты головного мозга крые с этими формами вестибулопатии при введении в цереброспинальную жидкость вызывают у здоровых животных четко латерализованный ответ, а именно задержку-в подтягивании пассивно оставленной задней конечности (пассивную экстензию), одноименной с той, которая была разогнута у донора. Отставленная конечность имела достаточный мышечный тонус для того, чтобы животное, опираясь на нее, перераспределило тонус других конечностей. Сам ротационный синдром вызвать у здоровых животных не удалось, но специфическим является именно характер изменения мышечного тонуса, определяющий направление вращения. Анализ эффектов экстрактов показал, что независимо от способа односторонней активации ядра Дейтерса (непосредственная активация или разрушение другого ядра) пассивная экстевзия у здорового животного во всех случаях возникала на стороне, соответствующей более активному ядру, определяющему у донора направление вращения.

Предварительное исследование показало, что исследуемый фактор, вызывающий асимметрию мышечного тонуса, теряет активность после воздействия ферментов, ?|?; расщепляющих пептидную связь, однако в отличие от

Ж' '• , 43

белков он имеет небольшую молекулярную массу (порядка 1000 дальтон) и термоустойчив. Таким образом, фактор скорее всего является пептидом или группой пептидов.

Что же мы обнаружили? Вещество «вестибулопа-тии», регулирующее тонус мышц в соответствии с инструкцией, записанной в его структуре? А может быть, ратология лишь подчеркнула некоторое исходное биохимическое различие между сторонами? Если мы имеем дело с патологическим фактором, специально предназначенным для регуляции тонуса мышц задних конечностей, то почему более активны при биотестировании на здоровых животных экстракты мозга животных с активацией вестибулярного ядра, когда у животных-доноров тоническая асимметрия задних конечностей отсутствует?

Начинать следовало с проверки самой простой гипотезы: с предположения об исходной пептидергической асимметрии головного мозга. С этой целью мозг животных (крыса, бык) разделяли на левое и правое полушария, раздельно экстрагировали, высушивали под вакуумом и исследовали действие нейтрализованных растворов при введении препаратов в цереброспиналь-ную жидкость здоровым животным или при нанесении на поясничные сегменты спинного мозга животных, перерезанного на. среднегрудном уровне. У здоровых крыс введение экстракта одного полушария сопровождалось возникновением пассивной экстензии одноименной с полушарием задней конечности. Регистрация электрической активности мышц-сгибателей и разгибателей колена у спинальных животных выявила активацию мышц-разгибателей задней конечности на стороне, одноименной с полушарием, из которого был получен экстракт. Аналогичные данные были получены другими авторами в других экспериментальных условиях.

Мы предприняли попытку химической идентификации пептидного фактора, обусловливающего правостороннюю активацию мышечного тонуса, поскольку содержание пептидов в мозге ничтожно для выделения индивидуального пептида, приходилось, брать большое количество нервной ткани. Так, для выделения фактора «правой стороны» использовали 25 кг ткани правой половины головного мозга быка и 150 л экстрактанта. На последней стадии были определены аминокислотный со-^;

44

став и первичная структура пептида. Фактор «правой стороны» оказался небольшим кислым пепти-дом, отличающимся по структуре от известных в настоящее время биологически активных пептидов.

Проведенные исследования примечательны в двух отношениях. Во-первых, являются доказательством пептидергической асимметрии мозга. Во-вторых, они дают ответ на самый главный вопрос: почему можно специфически перенести приобретенную форму деятельности мозга с помощью пептидов. В самом деле, если некие пептиды одной стороны взаимодействуют со своими рецепторами и регулируют тонус мышц на своей стороне, то загадка специфичности решается просто. Мозг другого животного устроен точно так же, поэтому при введении животному «правых пептидов» они взаимодействуют с рецепторами «правой стороны», изменяя тонус задних конечностей предсказуемым образом.

Вернемся к проблеме спинальной памяти. Допустим, что в спинном мозге также существует асимметрия в распределении пептидов, управляющих мышечным тонусом задних конечностей, что мозг способен запоминать длительную активацию (со стороны головного мозга или при патологическом возбуждении собственных структур), отвечая на нее усилением синтеза пептидных химических сигналов в более активной половине мозга.

Гипотезу эту можно проверить, что и было сделано. Поясничное утолщение спинного мозга крысы, управляющее движением задних конечностей, было точно разделено на левую и правую половины, после чего ткань левой и правой половин раздельно экстрагировали и затем испытывали, вводя ее здоровым крысам (иногда нанося на поверхность их спинного мозга). Результаты эксперимента были однозначными: слева больше пептидов, влияющих на тонус «левых мышц», справа — правой задней конечности. Пептидов, содержащихся в одной половине спинного мозга только од-ной крысы, оказалось достаточно, чтобы вызвать изменение мышечного тонуса одноименной задней конечности у многих десятков здоровых животных. В этом нет ничего удивительного, ведь для беспрепятственного выполнения пептидом функции нейромедиатора должен быть значительный его запас.

В экстрактах целого спинного мозга содержатся

45

медиаторы как левой, так и правой стороны, поэтому при биологических испытаниях этих экстрактов асимметрия мышечного тонуса не возникает. А что будет, если мы избирательно будем усиливать активность левой или правой половины спинного мозга? Каковы будут эффекты экстрактов в этом случае?

Классическим примером долговременного усиления мышечного тонуса одной конечности является местный столбняк, вызванный введением столбнячного токсина в мышцы именно этой конечности. Столбнячный токсин по нервам, снабжающим мышцы конечности, перемещается в центральную нервную систему, где нарушает центральное торможение и, таким образом, вызывает гиперактивность нейронов. На стадии восходящего столбняка волна возбуждения, возникающая в отравленных токсином сегментах, столь мощна, что может распространяться ко всем мотонейронам тела. Однако вызвать эту общую судорогу можно лишь с рецепторов отравленной конечности. Вот эту-то стадию интоксикации, когда активность нейронов спинного мозга максимальна, но все еще асимметрична, и использовали для проведения экспериментов. Экстрагировали ткань головного мозга и спинного мозга животных с восходящим столбняком, испытывали их на здоровых животных. Оказалось, что экстракты спинного мозга способны вызывать асимметрию мышечного тонуса у здоровых крыс, причем был увеличен тонус мышц конечности на той же стороне, где он преобладал у донора. Поскольку экстракты головного мозга были лишены этой способности, вопрос о необходимости транспортирования «вещества памяти» из головного мозга, для того чтобы вызвать асимметрию активности нейронов на спи-нальном уровне, отпадает.

Как показали исследования распространенных фармакологических препаратов, их действие на полушария мозга также асимметрично. Получены первые доказательства появления в ликворе больных с односторонним поражением коры пептидов с асимметричным влиянием на центральную нервную систему. Тем не менее едва ли можно надеяться, что в будущем удастся выявить в левом полушарии пептиды — «эквиваленты слов», а в правом—эквиваленты, например, «тоски» или «музыкальных ассоциаций». Следует согласиться с мнением Э. Кендала: «В конце концов, будет доказано,

46

что... способность чувствовать, думать, обучаться и помнить заключена в строго организованных сетях синац-тических взаимосвязей между нейронами...»

ПЕПТИДЫ И БОЛЬ КОНЦЕПЦИИ БОЛИ

Проблема боли—одна из наиболее актуальных и интенсивно разрабатываемых психологами, физиологами, анестезиологами, фармакологами, нейрохимпками.

Основные концепции о природе боли—теория специфичности и теория паттерна — были сформулированы в конце прошлого века. Современные взгляды—варианты этих представлений.

Коротко суть первой сводится к. следующему. Толстые нервные волокна чувствительных нервов передают информацию о прикосновении, а тонкие—о боли. В нервной системе проведение болевой информации к специализированным центрам головного мозга осуществляется по болевым трактам. Теория паттерна (типа импульсной активности) отрицает существование специфических рецепторов, трактов и центров боли. По мнению ее последователей, повреждение вызывает одновременное длительное возбуждение многих периферических волокон. Это приводит к пространственной и временной суммации возбуждения в нейронах задней половины спинного мозга. По достижении критического уровня нейроны разряжаются и возникает ощущение боли. Этот вариант теории паттерна, отрицающий физиологическую специализацию нервных структур, в настоящее время неприемлем.

В последние годы разрабатывается воротная теория боли, или, точнее сказать, регуляции боли. Снова главная роль в активации нейронов восходящих трактов придается возбуждению тонких волокон. Однако предполагается, что на входе в мозг существует тормозной механизм, который запускается импульсами в толстых волокнах и отключается при стимуляции тонких. Помимо сегментарного тормозного механизма, обнаружены тормозные влияния структур головного мозга. Целостная картина механизмов, участвующих в формировании боли, чрезвычайно сложна, и ее описание является самостоятельной задачей. Мы же рассмотрим лишь то новое, что внесло в ее понимание изучение пептидов.

Blog