Швидко й неймовірно: блискавична мова нейронів

Коротко:

• Нейрони спілкуються за допомогою хімічних сигналів, які переносять нейромедіатори в синаптичних пухирцях.
• Кальцій і білок синаптотагмін запускають надзвичайно швидке злиття пухирців із мембраною нейрона.
• Різні синаптотагміни працюють із різною швидкістю, а гнучкість синапсів лежить в основі навчання й пам’яті.

У вашому мозку мільярди клітин, які називаються нейронами, постійно спілкуються між собою за допомогою хімічних повідомлень. Ці повідомлення переміщуються всередині клітин у крихітних пухирцеподібних пакетах, які називаються пухирцями. Коли надходить сигнал, пухирці розкриваються й вивільняють свої хімічні повідомлення через місце з’єднання до сусіднього нейрона — і все це менш ніж за тисячну частку секунди! У цій статті ми пояснимо, який молекулярний механізм забезпечує таку неймовірну швидкість, а також розповімо, як було відкрито особливий білок, що відчуває кальцій і допомагає запускати це вивільнення. Сподіваюся, ви разом зі мною захопитеся цією швидкою й тонко налаштованою системою зв’язку, яка з неймовірною точністю працює всередині мозку.

Професор Томас К. Зюдгоф (Thomas C. Südhof) отримав Нобелівську премію з фізіології або медицини 2013 року разом із професорами Джеймсом Е. Ротманом і Ренді В. Шекманом «за відкриття механізмів регуляції везикулярного транспорту — важливої транспортної системи в наших клітинах».

Хімічні повідомлення: як спілкуються нейрони

Прямо зараз, коли ви читаєте ці слова, мільярди клітин, які називаються нейронами, активно спілкуються між собою у вашому мозку. Так само як ви можете розмовляти з другом, який стоїть поруч, нейрони обмінюються сигналами через крихітний простір між ними, що називається синапсом (рисунок 1A). Вони надсилають повідомлення за допомогою хімічних речовин, відомих як нейромедіатори (рисунок 1B). Визначні експерименти Бернарда Каца у 1950-х і 1960-х роках [1, 2] підтвердили, що нейрони спілкуються за допомогою хімічних посередників.

Але це породило цікаве питання, яке багато років обговорювали відомі нейробіологи — науковці, що досліджують мозок і нервову систему: чому мозок покладається на хімічні речовини, які проходять через проміжок, замість того щоб просто передавати електричний сигнал безпосередньо від одного нейрона до іншого? Прямі електричні з’єднання, які називаються щілинними контактами, є в усіх тварин і переважають у простих тварин, наприклад у червів. Вони навіть з’єднують деякі клітини у вашому мозку. То чому б не використовувати такі з’єднання для всього зв’язку між нейронами? Зрештою суперечку розв’язав Кац, який за важливий внесок у вивчення зв’язку між нейронами отримав Нобелівську премію з фізіології або медицини 1970 року. Але чому мозок «обирає» для спілкування хімічні речовини, а не електрику?

Відповідь: гнучкість і «потужність мозку». Щілинний контакт має лише два стани, як простий перемикач — або електрика проходить, або ні. Хімічний синапс має набагато більше можливих станів, оскільки хімічні сигнали надходять у крихітних пакетах, які називаються синаптичними пухирцями. Коли нейрон, що надсилає сигнал, вивільняє багато пухирців за короткий час, сигнал стає сильнішим. Коли пухирців вивільняється менше, сигнал слабшає. Нейрон, що приймає сигнал, реагує по-різному залежно від того, наскільки сильний сигнал він отримує (рисунок 1C). Це означає, що кожен синапс може змінювати силу сигналу залежно від того, як його використовують, від часу надходження сигналів і впливів з-поза синапсу — наприклад, сигналів від інших нейронів, хімічних речовин організму чи впливу довкілля. Завдяки цьому кожен синапс стає схожим на «нанокомп’ютер», який обробляє інформацію, а не просто передає її (рисунок 1D). Така здатність регулювати сигнали надає мозку набагато більшу потужність, або здатність до обчислень, ніж якби синапси лише передавали незмінні електричні сигнали.

Злиття: клітинний механізм «блискавки»

Праця таких видатних науковців, як Бернард Кац, показала, що вивільнення нейромедіаторів із пухирців відбувається завдяки процесу, який називається злиттям пухирця. Під час цього процесу пухирець усередині нейрона, що надсилає сигнал, об’єднується, або зливається, із клітинною мембраною цього нейрона, вивільняючи нейромедіатори в синапс (щоб дізнатися більше про злиття пухирців, прочитайте цю статтю). Також було відомо, що злиття і вивільнення нейромедіаторів залежать від кальцію. Багато хто знає кальцій як мінерал, що допомагає формувати міцні кістки й зуби, але всередині клітин кальцій також діє як важливий сигнал. У нейронах раптовий приплив кальцію повідомляє пухирцям, що настав час вивільнити нейромедіатори. Вражає, що весь цей процес відбувається з неймовірною швидкістю — менш ніж за 1 мс!

Коли я почав досліджувати вивільнення нейромедіаторів, було невідомо, як саме цей неймовірно швидкий процес відбувається на молекулярному рівні. Багато видатних науковців, які вивчали злиття, зокрема Райнхард Ян, Джеймс Ротман і Ренді Шекман, відкрили білки, які називаються SNARE-білками. Вони розташовані на мембрані пухирця й необхідні для злиття пухирців. Завдяки спільній роботі ми виявили, що SNARE-білки зв’язуються з іншою групою білків, які називаються SM-білками й розташовані на клітинній мембрані нейрона [3]. У стані спокою пухирець утримується дуже близько до мембрани завдяки силам зв’язування цих двох груп білків. SNARE-комплекс можна уявити як блискавку, яка застібається від кінця, найвіддаленішого від мембрани, у напрямку до самої мембрани. У стані спокою ця блискавка застебнута лише наполовину: вона міцно прикріплює пухирець, але ще не дає йому злитися з мембраною. То що змушує блискавку застібнутися повністю й вивільнити нейромедіатори?

Запуск кальцієм: швидко, точно й узгоджено

Ми вирішили відповісти на це питання, з’ясувавши, з чого складаються синаптичні пухирці. Разом із колегами ми систематично визначили кожен білок, наявний у цих пухирцях. Деякі науковці сумнівалися, що такий підхід буде успішним, але наукові відкриття часто потребують перевірки ідей, які інші вважають ризикованими. Ми вирішили дослідити це й побачити, що зможемо дізнатися. Ми виділяли білок за білком і вивчали функцію кожного. Деякі виявилися не надто активними — це розчаровувало, але є природною частиною науки.

Одним із білків, які ми знайшли в синаптичних пухирцях, був синаптотагмін. Коли ми визначили його структуру, то дуже зацікавилися, адже він мав дві схожі на руки ділянки, які називаються доменами C2. Домени C2 раніше виявляли в іншому білку, про який було відомо, що він реагує на кальцій. Це наштовхнуло нас на думку, що синаптотагмін може зв’язуватися з кальцієм під час злиття синаптичного пухирця.

Ми продовжили досліджувати синаптотагмін і вперше показали, що за наявності кальцію він зв’язується з молекулами мембрани, які називаються фосфоліпідами. Це привело нас до важливої гіпотези: синаптотагмін може бути своєрідним сенсором, який реагує на кальцій і запускає вивільнення нейромедіаторів [4, 5]. Логіка була чіткою: злиття передбачає об’єднання мембран, вивільнення нейромедіаторів залежить від кальцію, а синаптотагмін зв’язується з мембранами саме за наявності кальцію. Щоб довести правильність цієї гіпотези, знадобилося близько 15 років і ще багато експериментів. Синаптотагмін справді є кальцієвим сенсором, який запускає вивільнення нейромедіаторів.

Але синаптотагмін не працює сам — він співпрацює з іншим білком, який називається комплексином (рисунок 2) [6]. Комплексин зв’язується із SNARE-білками, утримуючи їх напоготові до злиття. Коли кальцій зв’язується із синаптотагміном, синаптотагмін і комплексин разом завершують «застібання» SNARE-комплексу, завдяки чому синаптичний пухирець і клітинна мембрана зливаються, а нейромедіатор вивільняється через синапс (щоб побачити, як відбувається злиття, перегляньте це відео). Ми знаємо, що комплексин є необхідним партнером, хоча досі не до кінця розуміємо подробиці його роботи на молекулярному рівні. Це одна з цікавих загадок, які залишаються для майбутніх науковців!

Родичі синаптотагміну

За роки досліджень ми відкрили 16 різних синаптотагмінів, які називаються синаптотагмін-1 — синаптотагмін-16. Вісім із них зв’язують кальцій, а чотири беруть участь саме у вивільненні нейромедіаторів у мозку: синаптотагміни 1, 2, 7 і 9. Цікаво, що деякі їхні функції подібні, а інші відрізняються.

Синаптотагміни-1 і -2 майже взаємозамінні, за винятком того, що синаптотагмін-2 працює набагато швидше (рисунок 3). Саме тому синаптотагмін-2 міститься в місці контакту між нервовими клітинами й м’язами, де допомагає м’язам дуже швидко скорочуватися! Синаптотагмін-7 — найповільніший із чотирьох. Він активується, коли через синапси відбувається відносно тривале повторюване вивільнення нейромедіаторів — наприклад, під час безперервних рухів, таких як ходьба або гра на музичному інструменті. Синаптотагмін-9 має середню швидкість. Оскільки кожен синаптотагмін працює зі своєю швидкістю, вони містяться в різних ділянках мозку — залежно від потреб кожного синапсу. Цікаво, що ці чотири синаптотагміни також беруть участь у злитті пухирців в інших типах клітин поза мозком, робота яких залежить від запуску кальцієм. Один із прикладів — клітини, що вивільняють такі гормони, як інсулін і адреналін.

Чи може злиття відбуватися неправильно?

Механізм злиття в нейронах настільки фундаментальний, що його порушення може мати серйозні наслідки. Науковці виявили родини з мутаціями в генах синаптотагмінів, які спричиняють тяжкі захворювання мозку в дитинстві. Існують також розлади, за яких захисна система організму помилково атакує синаптотагмін, перешкоджаючи передаванню сигналів від нервів до м’язів і спричиняючи м’язову слабкість.

Інші захворювання уражають інші білки злиття. Наприклад, ботулізм і правець спричиняються бактеріальними токсинами, які атакують SNARE-білки, блокують зв’язок між нейронами й призводять до нездатності рухатися, що називається паралічем. На щастя, такі випадки рідкісні — механізм злиття настільки необхідний, що в разі його порушення людина, ймовірно, недовго проживе.

Наш мозок і комп’ютери

Пам’ятаєте, що кожен синапс може працювати як крихітний «нанокомп’ютер», по-різному регулюючи силу своїх сигналів? Ця гнучкість — одна з причин великої потужності мозку. Комп’ютери зазвичай працюють із простими сигналами «увімкнено-вимкнено», тоді як синапси можуть постійно тонко налаштовувати свій зв’язок. Щоразу після використання синапси можуть ставати сильнішими, слабшими або змінюватися в інші способи. Ця здатність до змін називається пластичністю і є однією з основ навчання та пам’яті.

Молекулярний механізм, про який ви дізналися в цій статті, і забезпечує таку гнучкість. Білки, зокрема синаптотагмін, SNARE-білки й комплексин, гарантують, що нейромедіатори вивільняються з неймовірною швидкістю й точністю, а кожен синапс може регулювати силу свого зв’язку. Оскільки мільярди синапсів можуть незалежно налаштовувати свої сигнали, мозок — це не просто сукупність дротів. Це величезна мережа крихітних одиниць обробки інформації, які постійно змінюються, коли ми навчаємося й пізнаємо світ.

Саме тому ваш мозок може робити багато того, із чим сучасні системи штучного інтелекту досі мають труднощі: навчатися лише з кількох прикладів, пристосовуватися до несподіваних ситуацій і поєднувати спогади, емоції та знання, щоб розуміти світ. Але сила мозку має і слабкість: наші спогади — не ідеальні записи, подібні до файлів, збережених на комп’ютері. Вони гнучкі та змінні — іноді через це неточні, але водночас саме це дає нам змогу продовжувати навчатися й розвиватися протягом усього життя.

Як молодий науковець, ви приходите в нейронауку в захопливий час. Одне з великих завдань для майбутніх науковців — зрозуміти, як працює мозок: від крихітних змін, що відбуваються в окремих синапсах, до того, як мільярди синапсів працюють разом у величезних мережах. Розв’язання цієї загадки може розповісти нам набагато більше про те, ким ми є як люди. Можливо, саме ви допоможете відкрити наступну велику таємницю мозку!