Значение когнитивных процессов и медиаторные возбуждающие аминокислоты

Значение когнитивных процессов и медиаторные возбуждающие аминокислоты

Введение

В процессах восприятия, обучения, в организации мнестических функций активно участвуют различные медиаторные механизмы (в. 7 и 9). Однако к ВАК исследователи проявляют особый интерес. Это объясняется как ролью различных, не только возбуждающих, но и тормозных аминокислот в организации высшей нервной деятельности, так и в развитии мозговой патологии, а значит и в действии психотропных средств.

Начало же разработке данной проблемы, весьма актуальной в настоящее время, несомненно, положила пионерская работа Д. Кертиса и Д. Уоткинса (Curtis, Watkins, 1960), выполненная еще в 50е годы прошлого века в лаборатории всемирно известного австралийского нейрофизиолога Д.Экклса. Ее авторы, изучив на клеточном уровне значительное число биологически активных соединений, пришли к выводу, что существует целый ряд аминокислот, претендующих в спинном мозге на роль медиаторов, причем одни в возбуждающих, другие в тормозных синапсах. К первым были отнесены дикарбоновые кислоты глутаминовая, аспарагиновая, цистеиновая, ко вторым монокарбоновые (ГАМК, глицин, аланин). Позднее, с внедрением в экспериментальную практику тонких электрофизиологических, нейрохимических и радиолигандных методов удалось определить локализацию основных ВАК глутамата и аспартата и даже картировать в центральной нервной системе оперирующие с их помощью пути (Fagg, Faster, 1983). Сегодня по этой проблеме накоплен внушительный фактический материал, который обобщен в серии монографий (Беспалов А.Ю., Звартау Э. Э., 2000; Ковалев Г. В., 1990; Петров В. И. и др., 1997; Раевский КС, Георгиев В. П., 1986), что избавляет от необходимости ссылок на конкретные работы.

Согласно современным представлениям, образование глутаминовой и аспарагиновой аминокислот в качестве нейротрансмиттеров чрезвычайно тесно сопряжено в одних и тех же пресинаптических окончаниях, связано с возможностью их взаимопревращений и во многом зависит от наличия в нейронах глутамина, аргинина, альфакетоглутарата, а также контролирующих их метаболизм ферментов. Существенную роль в обеспечение ВАКергической передачи играют глиальные клеточные элементы. Астроциты являются основными поставщиками необходимых для синтеза передатчиков компонентов, в первую очередь глутамина.

1. Постсинаптические рецепторы Принципиально важным для понимания функции и фармакологии ВАКергических синапсов служит вопрос об организации постсинаптических рецепторов. Они разделяются на несколько типов. Ионотропные отвечают за миграцию ионов через нейрональную мембрану, а метаботропные посредством G-белков управляют внутриклеточным обменом. При этом те и другие в зависимости от локализации могут неодинаково реагировать на естественные лиганды, агонисты и антагонисты.

Наибольшее внимание исследователей привлекают два типа глутаматных рецепторов. Один из них охотнее взаимодействует с метиласпарагиновой кислотой и потому известен как НМДА рецептор. В его составе находят места связывания (сайты), способные отвечать на некоторые метаболиты, в частности, аминокислоту глицин. Второй имеет большее сродство (аффинитет) к альфа3гидрокси5метил4изоксазолпропионовой кислоте и потому носит аналогичное название АМПАрецептор.

Ионотропные глутаматергические рецепторы играют, пожалуй, ключевую рол ь среди возбуждающих синаптических механизмов центральной нервной системе. С их помощью в первую очередь за счет накопления внутриклеточных ионов натрия осуществляется срочная активация нейронов. Метаботропные рецепторы, связанные с мембранным белкомпосредником, важны для регуляции внутриклеточных кальциевых токов. Накопление в нейронах ионов кальция обусловливает последующую мобилизацию ферментов из семейства протеинкиназ, фосфорилирование белков и усиление клеточной активности. Через такие рецепторы обеспечиваются медленные и устойчивые во времени сдвиги в работе постсинаптических нейронов, в том числе формирование долговременной нотенциации (в. 10), процессы роста нервных окончаний и синаптогенеза.

Знакомство с синаптотропными свойствами ВАК уже априори позволяет предполагать их возможное участие в когнитивных процессах. В этом еще больше убеждает характер распределения ВАКергических нейронов в головном мозге. Прежде всего они широко представлены в таких ведущих для когнитивной деятельности структурах как неокортекс и гиппокамп, обладающих, кстати, сходными чертами организации ВАКергической передачи. В частности, глутаматные афференты, которые происходят из разных источников, и содержащие медиатор клетки широко распространены на территории того и другого образования. По некоторым сведениям, в гиппокампе вообще почти две трети синаптических механизмов контролируются при участии ВАК и глутаматных рецепторов НМДА и АМПА подтипов (в. 2). И, естественно, что в такой ситуации они тесно взаимодействуют с другими нейромедиаторными системами, причем частым объектом подобного взаимодействия служат холин и дофаминергические механизмы (Takita et al., 2002), которые сами активно участвуют в процессах памяти и обучения.

2. Глутамат Не менее важным представляется вклад глутамата в деятельность полосатого тела. Его роль особенно велика в организации восприятия и внимания (в. 3). Различные базальные ганглии (хвостатое ядро, скорлупа, ограда) обладают достаточно высокой плотностью НМДА рецепторов, и большинство их в стриатуме принадлежит глутаматергическим кортикостриатньгм проекциям. Имеется довольно много, в том числе недавно выполненных исследований, авторы которых постулируют существование однозначных синергичных либо антагонистичных отношений между глутаматом и основным медиатором нигростриатных путей дофамином (Будыгин Е. А и др., 1997; Arbuthnott et al., 2000; De Leonibus et al., 2002).

С подобным выводом не совпадает проведенный нами ранее анализ этой проблемы (Отеллин В.А., Арушанян Э. Б., 1989). Он свидетельствует о необходимости более компромиссной оценки глутаматдофаминового взаимодействия. В стриатуме оно носит обоюдный характер, и конечный результат скорее всего целиком определяется исходным функциональным состоянием обеих афферентных систем полосатого тела. Вероятно, сходным образом устроены взаимоотношения той и другой систем в пределах еще одной дофаминергической структуры мозга прилежащего ядра перегородки, также активно заинтересованного в организации сложных форм поведения (Саульская Н.Б., Марсден Ч. А., 1994). Вместе с тем влияние глутаматергических нейронов на внутристриатные промежуточные клетки чаще оказывается однозначно активирующим (Ikarashi et al., 1998).Тесная связь ВАКергических механизмов с деятельностью указанных структур, разумеется, лишь косвенно убеждает в том, что они должны вовлекаться в когнитивные процессы. Однако в пользу этого существуют и другие доказательства. Так, длительное (в течение 2 месяцев) системное введение глутаминовой кислоты способствует обучению крыс избегательному навыку по оперантной методике и более медленному угашению рефлекса (см. Ковалев Г. В., 1990). В принципе это совпадает с давно уже разработанными клиническими рекомендациями по использованию препарата кислоты для терапии различных психоневрологических заболеваний, в том числе при задержке умственного развития у детей. Однако при таком подходе нельзя игнорировать два существенных момента плохое проникновение экзогенного глутамата в мозг через трудно проходимый для него гематоэнцефалический барьер и вероятность немедиаторных, метаболических эффектов вещества. И глутамат, и аспартат в качестве естественных метаболитов способны корректировать углеводноэнергетический и белковый обмен в мозговой ткани и потому среди прочего попутно улучшать мнестическую деятельность.

3. Кортикальные клетки Гораздо определеннее выглядят факты, полученные в опытах с непосредственной аппликацией ВАК к нейронам гиппокампа или новой коры. В частности, микроинъекции глутамата в сочетании со звуковым сигналом облегчали формирование условных реакций кортикальных клеток, что рассматривается в качестве доказательства участия аминокислоты в формировании памятного следа на нейрональном уровне. Улучшение глутаматергической передачи также в случае местной аппликации вещества к зрительной коре обезьян облегчало зрительное различение и визуальную память животных (Дудкин К.Н. и др., 1999; КотлярБ.И., 1986).

С другой стороны, существует целая серия достаточно веских доказательств, по которым нарушение ВАКергической передачи отрицательно сказывается на когнитивной деятельности. Установлено, например, что системные или внутримозговые инъекции неконкурентного антагониста НМДА рецепторов дизоцилпина (МК810) или их селективного антагониста кетамина препятствовали фиксации памятного следа при обучении крыс в водном лабиринте Морриса, не влияя на уже сформированный пространственный навык. Амнезическое действие указанных соединений обнаруживается и в других модельных условиях. Такого рода факты привели к выводу, по которому через НМДА рецепторы специфическим образом осуществляется извлечение из памяти имеющейся информации и фиксация новой в ходе переделки поведенческой программы (см. Петров В. И. и др., 1997; Латышева Н. В. и др., 2002; Morris et al., 1986; SmithRoe etal., 1999).

Вопрос: В какой мере познавательные процессы зависят от состояния ГАМКергических механизмов?

Ответ: Эти механизмы имеют исключительное значение для работы мозга в силу полифункциональных возможностей гаммааминомасляной кислоты. Во-первых, она служит едва ли не самым распространенным медиатором в центральной нервной системе, во-вторых, выполняет в мозговой ткани особую метаболическую миссию, в том числе благодаря вазодилатирующей активности, и, в-третьих, на периферии контролирует поступление в мозг сенсорной, в частности, зрительной информации. Сочетание таких свойств превращает ГАМК в то естественное соединение, без которого невозможна организация эффективной познавательной деятельности. постсинаптический глутамат аминомасляный кортикальный В головном мозге ГАМК образуется из глутаминовой кислоты при участии фермента глутаматдекарбоксилазы. Этим путем происходит трансформация примерно десятой части всего общемозгового пула глутамата, тогда как остальное количество вовлечено в метаболические процессы. Инактивация ГАМК осуществляется в основном за счет реакции трансаминирования с альфа кетоглутаровой кислотой, регулируемой ферментом ГАМКтрансаминазой, а также в результате захвата ГАМК нервными окончаниями и глиальными клеточными элементами. Среди последних в функциональном отношении особенно выделяются астроциты, благодаря своему активному вкладу как в синаптические, так и метаболические эффекты системы глутаматГАМК (см. Раевский К. С., Георгиев В. П., 1986; Magistretti, Pillerin, 1997).

4. Синаптическая роль ГАМК Синаптическая роль ГАМК представляется, безусловно, ее самой важной физиологической функцией, ибо аминокислота служит наиболее распространенным тормозным передатчиком в большинстве мозговых структур. Нельзя не отметить, что на долю ГАМКергических синапсов, по некоторым оценкам, в целом приходится от 30 до 50% (!) всех церебральных синаптических переключений. Столь необыкновенная репрезентативность (для сравнения холинергических синапсов в мозге не более 510%) обусловлена необходимостью, с одной стороны, противодействия чрезмерной активации нейронов многочисленными возбуждающими влияниями, с другой обеспечения широкой межмедиаторной координации.

В качестве синаптического передатчика ГАМК может осуществлять прямое постсинаптическое торможение нервных клеток, а также, деполяризуя аксональные окончания, контролировать работу других нейротрансмиттерных механизмов по типу пресинаптического торможения. Медиаторная миссия ГАМК реализуется посредством различных рецепторных аппаратов. Сейчас описано их огромное количество (несколько сотен подтипов), отличающихся по локализации и фармакологической чувствительности. Наиболее изучены ионотропные ГАМКД рецепторы, главной задачей которых служит обеспечение ингибиторного эффекта. Торможение сопряжено с гиперполяризацией постсинаптической мембраны изза увеличения ионной проходимости в первую очередь для анионов хлора. В составе ГАМКЛ рецептора идентифицированы субъединицы или участки связывания бензодиазепинов, эффективно регулирующие проницаемость хлорных каналов.

ГАМКВ рецепторы до сих пор изучены хуже. Известно, что они сопряжены с гуаниннуклеотидсвязывающим белком нейрональной мембраны, зачастую располагаются на пресинаптических окончаниях многих видов нейронов (холин, дофамин, серотонин, норадренергических) и регулируют выброс других медиаторов. Благодаря совместной с ними иннервации эффекторных клеток, ГАМКергические элементы неизменно участвуют в долговременной потенциации и/или депрессии в различных мозговых образованиях. Что касается еще одного типа ГАМКГ рецепторов, то они обнаружены в основном на мембране горизонтальных клеток наружного слоя сетчатки глаза (Головко А.И. и др., 1999;Силькис И. Г., 2000).

Хотя ГАМКергические нейроны широко представлены в различных мозговых структурах, плотность их распределения существенно варьирует. По результатам, полученным авторадиографическим и гистохимическими методами, наиболее высоким содержанием ГАМК и ферментов, которые участвуют в ее превращениях, отличаются экстрапирамидная и лимбическая системы.

Среди экстрапирамидных ядер по этому критерию лидирует черная субстанция, за ней следуют бледный шар и хвостатое ядро. В пределах нигрострионигральной системы вторым (после дофамина) по функциональной значимости передатчиком надо признать именно ГАМК. С ее помощью оперируют преимущественно интернейроны, которые входят в состав разного рода нигрострионигральных петель на уровне стриатума и черной субстанции. ГАМКергическими являются и эфферентные выходы из ретикулярной зоны черной субстанции к другим структураммишеням.

5. Гамкергические элементы На примере морфофункциональной организации полосатого тела убедительно показано, что гамкергические элементы служат важным фактором межмедиаторного взаимодействия. Они образуют прямые и обратные связи с аксональными дофаминергическими терминалями и дендритами внутристриатных как вставочных, так и эффекторных нейронов, содержащих различные передатчики (см. Отеллин В. А., Арушанян Э. Б., 1989; Rodriguez, GonzalesHemandez, 1999). Коль скоро тому же полосатому телу и всей нигростриатнои системе придается большое значение в познавательной деятельности и временной организации поведения (в. 3 и 5), ГАМКергические механизмы неизбежно должны вовлекаться в эти процессы.

Аналогичным образом стоит вопрос и о роли ГАМК в регуляции функционального состояния лимбических эмоциогенных образований мозга, в особенности гиппокампа. В опытах с введением меченой ГАМК животным различных видов установлено ее чрезвычайно высокое содержание, прежде всего, во фракции нервных окончаний данной структуры. По сравнению с мозжечком уровень аминокислоты здесь оказывается в 34 раза выше. Максимум метки совпадает с клеточными слоями пирамидных и зернистых нейронов обоих гиппокампальных полей (СА1 и САЗ) и зубчатой фасции, но приходится в основном на нейропиль, плотно окружающий тела пирамидных и гранулярных клеток. Поскольку пересечение септальных и кортикальных входов в гиппокамп существенно не отражается на уровне ГАМК и ферментов ее обмена, резонно приписывают их внутренней системе короткоаксонных нейронов и глиальным элементам (см. Виноградова О. С., 1975). Как и в других областях мозга, тормозные ГАМКергические вставочные клетки обеспечивают широкий сдерживающий и координирующий контроль за работой основных эффекторных единиц гиппокампа, во многом определяя его специфические функциональные свойства.

Особенно высокое содержание ГАМК в мозговых центрах. связанных с формированием сложных поведенческих актов, позволяет априорно предполагать значимость аминокислоты для когнитивной деятельности и, прежде всего, процессов памяти. Однако проблема сложнее, чем может показаться на первый взгляд.

Исходя из тормозной функции ГАМК, в том числе в гиппокампе, запуск ГАМКергических механизмов должен, естественно, приводить к ухудшению памяти. Действительно, активация ГАМКбензодиазепинового рецепторного комплекса анксиолитическими средствами бензодиазепинового ряда (типа диазепама), наряду с подавлением тревоги, может вызывать амнезию.

Введение

вальпроата натрия или ингибитора ГАМКтрансаминазы также ухудшает фиксацию памятного следа. Блокаторы ГАМКА рецепторов судорожные яды пикротоксин и коразол, наоборот, улучшают память. Существует давно уже установленная связь между анксиолитическим, противосудорожным и амнестическим эффектами с одной стороны и анксиогенным, конвульсивным и антиамнестическим с другой (см. Раевский К. С., Георгиев В. П., 1986; Chapouthier, Vernault, 2002).

6. ГАМК Между тем накоплены и экспериментальные, и клинические доказательства, по которым сама ГАМК и ее производные, а также бензодиазепиновые анксиолитики способствуют, напротив, улучшению памяти. Это относится к ГАМКергическим соединениям как линейной, так и циклической структуры с надежной репутацией ноотропных средств. Сходным образом ведут себя порой и отдельные противотревожные вещества. Так, согласно предварительным исследованиям, выполненным в нашей лаборатории, грандаксин (тофизопам) одновременно с понижением тревоги оптимизировал мнестические процессы у клинически здоровых людей. Для объяснения кажущейся противоречивости приведенных сведений можно указать на несколько моментов.

Вполне вероятно, что собственная ноотропная активность ГАМКмиметических препаратов зависит от их метаболических, а не синаптотропных свойств. В основе ликвидации амнезии первично могут лежать первичное и хорошо изученное повышение энергетического потенциала нервных клеток, и антигипоксический эффект (в. 19). Причину различий в действии на память отдельных бензодиазепиновых анксиолитиков правомерно искать также в неодинаковом влиянии (при какихто обстоятельствах или в зависимости от частных свойств веществ?) на отдельные субъединицы ГАМКЛ рецептора.

Дело в том, что в его составе обнаружена особая альфа, субъединица, с избирательной активацией которой и может быть связано улучшение когнитивных процессов. Недавно получено целое семейство лигандов для данной субъединицы, названных тиофенами. Они улучшают память и обучение, не меняя чувствительности других подтипов (альфа, и альфа2) ГАМКд рецептора к аминокислоте. Создание на их основе новых селективных ГАМКмиметиков обещает в будущем избежать побочных реакций, в том числе в виде амнезии, присущих некоторым, сегодня используемым препаратам (Maubach, 2003; Chambers etal., 2003).

Еще одна возможная причина антиамнезического действия ГАМКмиметиков кроется, вероятно, в их эмоциотропных свойствах. То обстоятельство, что напряжение, эмоциональный стресс могут не только улучшать, но и ухудшать процесс запоминания факт, не вызывающий сомнений. Существование обратной зависимости между эмоциональным состоянием и памятью подтверждают и наши наблюдения на молодых здоровых людях, а также ряд недавних исследований других авторов (Coles, Heimberg, 2002; Terry, Burns, 2001). ГАМКергические механизмы лимбических структур обеспечивают снижение эмоциональной реактивности. Поэтому, усиливая функцию ГАМКбензодиазепиновых рецепторных комплексов с угнетением эмоциогенных центров и подавлением тревоги, анксиолитики вполне способны давать и вторичный антиамнезический эффект. По нашим сведениям, он выражается в значимом улучшении зрительной и слуховой памяти у тревожных субъектов после приема грандаксина (Арушанян Э.Б., Мастягина О. А., Мастягин С. С, Попова А. П., неопубликованные данные).

7. Значение центральных ГАМКергических механизмов Механизмы для когнитивной деятельности не ограничивается их вкладом в психофизиологические процессы, контролируемые описанными выше образованиями мозга. Они необходимы и для нормальной временной организации поведения, роль и природа которой обсуждаются отдельно (в. 5). В пользу важности хронотропных свойств ГАМКергических механизмов свидетельствует несколько групп фактов, суммированных нами ранее в приложении к ГАМКмиметическим эффектам бензодиазепиновых анксиолитиков (см. Арушанян Э. Б., 2001). В обобщенном виде они сводятся к следующим положениям.

Во-первых, и собственно ГАМКергические препараты (сама ГАМК и ее производные), и бензодиазепины обнаруживают ритмстабилизирующие свойства. В эксперименте это подтверждает изучение временной динамики плавательного поведения животных и околосуточной подвижности, а у людей проявляется в устранении бессонницы как типичного показателя циркадианной дизритмии. Во-вторых, причиной хронотропной активности тех и других веществ, очевидно, служит изменение функционального состояния первичных и вторичных ритморганизующих церебральных аппаратов. Прежде всего, это касается пейсмекерного механизма супрахиазматических ядер гипоталамуса и мозговой железы эпифиза. Каждый компонент данного «тандема» обладает высокой плотностью ГАМКЛ рецепторов и ГАМКбензодиазепиновых рецепторных комплексов. Их включение ведет к ограничению «хода» чрезмерно спешащих биологических часов, затягиванию колебательного процесса, в том числе и в результате повышения выработки эпифизарного гормона мелатонина. Определенную синхронизующую миссию выполняет также ГАМКергическое ограничение возбудимости гиппокампа с его ритмдестабилизирующими возможностями.

Далее, рассматривая участие ГАМКергических механизмов в познавательной деятельности, нельзя сбрасывать со счетов и роль периферических факторов, в частности, модуляцию с их помощью зрительного восприятия. ГАМК контролирует как фоторецепторные элементы сетчатки, так и передачу информации по центральным зрительным путям. Ретинальное содержание аминокислоты сравнительно велико, и в основном она приходится на долю ганглиозных клеток, которые связаны возвратными путями с фоторецепторами. Здесь, как и в мозге, ГАМК выполняет, очевидно, функцию тормозного медиатора и подавляет активность дофаминсодержащих нейронов, которые способствуют понижению светочувствительности сетчатки. Агонист ГАМК мусцимол, подобно дофаминоблокатору спиропиридолу, вызывает заметное удлинение колбочек, имитируя эффект темноты и тем самым увеличивая чувствительность глаза к световым стимулам (см. Арушанян Э. Б., Ованесов К. Б., 1997). В то же время ГАМК способна контролировать функцию зрительных путей. Как показано на срезах супрахиазматических ядер крыс, электрическая стимуляция оптического нерва вызывала в нейронах ответ, амплитуда которого увеличивалась ГАМКмиметиком (баклофеном) и снижалась антагонистом ГАМКрецепторов (бикукул ином) (Cannon etal., 1995).

Наряду с синаптотропными свойствами, большое значение для мозговой деятельности имеют метаболические возможности ГАМК. Знаменательно, что ее концентрация в ткани мозга во много раз превосходит содержание других передатчиков и не только изза распространенности ГАМКергических синапсов. Это служит показателем немедиаторного использования аминокислоты нервными клетками. Активное участие в обменных процессах определяется вовлечением ГАМК в энергетику через цикл трикарбоновых кислот Кребса за счет превращения в янтарную кислоту. ГАМК оказывается промежуточным продуктом так называемого «шунта Робертса» или шунта ГАМК. Ее метаболическая роль предусматривает также участие в транспорте и утилизации глюкозы, дыхании и сопряженном окислительном фосфорилировании. На этом отчасти строятся и антигипоксические свойства ГАМК, контроль за обменом белков (см. Раевский К. С., Георгиев В. П., 1986).

Энергетическая ценность ГАМК существенно дополняется способностью регулировать церебральное кровообращение. Установлено, что ГАМК понижает сопротивление сосудов мозга, увеличивает объемную скорость кровотока. В сосудистой стенке найдены ферменты, участвующие в синтезе и деградации аминокислоты, а для реализации ее эффектов служат специфические рецепторы, описанные в артериях мозга (Мирзоян С.А., 1983, Мирзоян С. А., АкопянВ.П., 1985).

Таким образом, разными путями ГАМКергические механизмы вовлекаются в организацию познавательных процессов, что и предопределяет, очевидно, терапевтические достоинства ГАМКмиметиков при лечении различных форм органической умственной недостаточности.