Ученые открыли новый механизм регуляции синапсов головного мозга
Как работает мозг человека, как формируется память и что такое разум, остается, наверное, одной из самых больших загадок в современной науке. В настоящее время над этой загадкой бьется множество ученых – биологов, нейрофизиологов, кибернетиков, математиков.
Больших успехов в понимании процессов работы мозга уже удалось добиться: те исследования и задачи, которые ставили перед собой ученые, еще несколько лет назад казались научной фантастикой, а сейчас становятся настоящей реальностью.
Об одном из исследований по изучению мозга в рамках масштабного проекта Brain Research Program на Всемирном научном форуме рассказал известный ученый, руководитель проекта и директор Института экспериментальной медицины (Венгрия, Будапешт) профессор Тамаш Фред (Tamas Freund).
Brain Research Program – это крупный проект, который в 2012 году инициировала Венгерская академия наук. Финансирование на четыре года составило 40 миллионов евро. Проект стал самым дорогостоящим за всю историю финансирования научных исследований в Венгрии.
В настоящее время интерес к изучению мозга в европейских странах и в США явно растет. Например, в 2013 году Евросоюз объявил о запуске программы по изучению мозга человека (Human Brain Project), бюджет которой составил 1,2 миллиарда евро на десять лет. В США в 2013 году была запущена аналогичная программа с бюджетом 3 миллиарда евро на 10 лет.
В проекте Венгерской академии наук принимают участие пять университетов, несколько исследовательских институтов, крупная фармацевтическая компания и множество лабораторий по всей стране. Консорциум работает в пяти направлениях – это научные разработки, клиническая нейрофизиология, фармакологические исследования, биоинформатика, эпидемиология.
Одним из самых значимых достижений венгерского проекта стало открытие нового механизма регуляции работы синапсов. Открытие стало значимым не только для фундаментальной науки, но и для клинической практики. На основе этих знаний был создан новый препарат для лечения эпилепсии, который действует таргенто на определенные мишени, не затрагивая здоровые клетки и органы, поэтому вызывает меньше побочных эффектов.
Появлению нового препарата предшествовали серьезные научные исследования механизмов передачи нервных импульсов в коре головного мозга.
Путешествие по нейронной сети
В коре головного мозга находится примерно 100 миллиардов нейронов, и каждый из них образует связи еще с 50-100 тысячами других нейронов. Более того, у каждого нейрона есть выросты – дендриты, которые получают сигнал от порядка 20 тысяч своих соседей. Кроме дендритов нейроны имеют и другие «хвосты» - аксоны, которые пропускают через себя импульсы, поступающие к ним от более 40 тысяч нейронов.
Даже такого короткого описания достаточно, чтобы понять, насколько сложно устроена нейронная сеть.
Ключевым процессом в ее работе является взаимодействие одного нейрона с другим или процесс формирования синапсов.
Синапсы – это контакты между нейронами, через которые химическим путем передается нервный импульс.
Сейчас уже известно, что в синапсах «локализуется» память человека и определяется их проводимостью. Современные исследования показывают также, что новые синапсы формируются в процессе обучения. А вот нарушения работы синапсов - опасны и могут приводить к различным заболеваниям, например, эпилепсии.
Как же формируются синапсы?
Представим себе нейрон. Когда импульс приходит в его пресинаптическую часть, там появляется скопление везикул – пузырьков с нейромедиаторами. Эти везикулы «выплевывают» содержащиеся в них нейромедиаторы в синаптическую щель – пространство между нейронами. Нейромедиаторы «садятся» на соответствующие рецепторы постсинаптической мембраны. Активация рецепторов вызывает изменение трансмембранных ионных токов, и, в зависимости от медиатора и рецептора, окрестный участок мембраны либо деполяризуется (тогда мы имеем дело с возбудительным постсинаптическим потенциалом), либо гиперполяризуется (тогда перед нами тормозной постсинаптический потенциал).
При возникновении синапса в образующих его участках нейронов происходит множество изменений. Но молекулярные и биохимические механизмы этих изменений долгое время оставались загадкой.
Если система слишком возбуждена
Команда Томаша Фреда исследовала как раз эти механизмы. Ученые изучали, как регулирует формирование синапсов нейромедиатор глутамат.
Этот вопрос является очень важным, поскольку известно, что правильный баланс между глутаматными (возбудительными) и ГАМК-овыми (тормозными) синапсами — одно из необходимых условий для правильной работы мозга. Нарушение этого баланса может стать причиной большого количества заболеваний, в том числе и эпилепсии.
Оказалось, что здесь важную роль играют эндоканабиоиды. Удивительно, что эти вещества из группы терпенфенольных соединений, аналогичные тем, которые встречаются в природе в растениях семейства коноплевых (Сannabaceae), но вырабатываются человеческим организмом. Самые известные eCB — анандамид (АЕА) и 2‑арахноидоноилглицерол (2‑Arachidonoylglycerol или 2-AG). Они избирательно связываются с канабиноидными рецепторами и вызывают тот же психотропный эффект, что и марихуана.
«Наше исследование показало, что эндоканабиоиды могут заглушать избыточное выделение нейромедиатора глутамата», - говорит Тамаш Фред.
Чтобы научиться управлять этим процессом, перед учеными встал вопрос – где эти эндоканабиоиды синтезируются, и где находятся их рецепторы.
«Наше исследование показало, что эндоканабиоиды локализуются в пресинаптическом узле. А к их синтезу приводит активация целого каскада реакций. Причем, в пресинаптическом узле работает, как нам удалось выяснить, особый механизм. Как раз он регулирует активность высвобождения глутамата», - добавляет Тамаш Фред.
Эти важные результаты были опубликованы в журнале Nature.
Путь от науки к клинической практике
Как показали дальнейшие исследования, у больных с эпилепсией уровень активности рецепторов эндоканабиоидов снижен, соответственно и количество самих эндоканабиоидов у них меньше, чем в норме. Поэтому у таких больных плохо контролируется высвобождение глутамата при формировании синапсов - его образуется больше, чем нужно.
Следовательно, совершенно логично следующее предположение ученых: справиться с эпилепсией можно, наладив у пациентов работу рецепторов эндоканабиоидов. То есть эти рецепторы и должны стать теми мишенями, на которые необходимо направить действие лекарства.
Вскоре вещество, которое действует на рецепторы эндоканабиоидов, было найдено. И как показали клинические испытания, оно действовало эффективно. Препарат на основе этого вещества успешно прошел клинические испытания и сейчас уже применяется в клинической практике.