К.В.Анохин, доктор медицинских наук
Институт нормальной физиологии им. П.К.Анохина РАМН Москва

Журнал ПРИРОДА • №1 • 2001

Нобелевская премия по физиологии и медицине за 2000 год
А.Карлссон, П.Грингард, Э.Кендел

Нобелевская премия по физиологии и медицине за 2000 г. присуждена трем исследователям: шведскому фармакологу Арвиду Карлссону и двум американским нейробиологам — Полу Грингарду и Эрику Кенделу за открытия, касающиеся «передачи сигналов в нервной системе».

Арвид Карлссон (Arvid Carlsson), один из патриархов нейропсихофармакологии, родился в 1923 г. в Упсале (Швеция). В 1951 г. окончил медицинский факультет Лундского университета, в котором начал работать ассистентом профессора на кафедре фармакологии. В 1959 г. получил должность профессора фармакологии в Гётеборгском университете, где и проработал бессменным заведующим кафедрой до своей отставки в 1989 г. В настоящее время продолжает научные исследования на этой кафедре.

Американский биохимик Пол Грингард (Paul Greengard) родился в 1925 г, в Нью-Йорке. Степень доктора философии получил в 1953 г. в Университете им. Дж.Гопкинса в Балтиморе, после чего проработал шесть лет в разных биохимических лабораториях в Лондоне и в Бетесде. Несколько лет возглавлял биохимические исследования в фармацевтической компании Гейги, а в 1968 г. продолжил карьеру университетского ученого, вначале в Йеле, а с 1983 г. (и до сих пор) руководит лабораторией молекулярной и клеточной нейробиологии в Рокфеллеровском университете в Нью-Йорке.

Признанный пионер исследований синаптических основ обучения Эрик Кендел (Eric Kandel) родился в 1929 г. в Вене, но вскоре эмигрировал с родителями в США, где в 1956 г. окончил медицинский факультет Нью-Йоркского университета. До 1965 г. работал психиатром в Гарвардском медицинском институте в Бостоне, а затем связал свою судьбу с Колумбийским университетом в Нью-Йорке, где и сейчас возглавляет одну из ведущих лабораторий мира, занимающихся изучением механизмов памяти.

Какие работы объединяют всех трех лауреатов? По решению Нобелевского комитета, премия присуждена за пионерные открытия, касающиеся определенного вида передачи сигналов от одной нервной клетки к другой, обозначаемого как «медленная синаптическая передача». Чтобы понять, каково место и значение такой клеточной коммуникации в работе мозга, обратимся к истории исследования синаптических связей. История эта полна драматизма, научных коллизий, и многие из ее этапов уже были отмечены Нобелевскими премиями.

В XIX в. сложность строения и переплетения клеток в нервной системе давала основания думать, что нервные клетки соединены между собой ретикулярными или протоплазматическими связями в единую сеть. Одним из основных защитников этой теории был итальянский нейроанатом К.Гольджи, который изобрел получивший его имя способ окраски отдельных нервных клеток. Рухнула "ретикулярная теория" в значительной степени благодаря работам блестящего испанского нейроанатома С.Рамон-и-Кахаля: он использовал метод Гольджи для демонстрации дискретности нейронов, взаимодействующих друг с другом через специализированные контакты. "В 1906 г. Рамон-и-Кахаль получил Нобелевскую премию, которую по иронии судьбы разделил со своим непримиримым оппонентом Гольджи.

Термин для обозначения зон контактов между нервными клетками ввел английский нейрофизиолог Ч.Шеррингтон. В 1890-х годах при подготовке раздела о нервной системе для руководства по физиологии он столкнулся с необходимостью как-то обозначить соединение между нейронами. Как позже вспоминал сам сэр Чарльз, он предложил редактору руководства М.Фостеру термин "синдесм". Однако приятель Фостера, знаток Эврипида и специалист по древнегреческой литературе Верелл посоветовал использовать слово "синапс" — термин, ставший с тех пор одним из ключевых в науке о мозге. В 1952 г. Шеррингтону (совместно с Э.Д.Эдрианом) была присуждена Нобелевская премия за исследования функций нервных клеток.

В начале XX в. среди физиологов господствовало представление, что сигналы от клетки к клетке передаются через синапс с помощью электрических импульсов. Однако исследования немецкого физиолога О.Леви, русского ученого А.Ф.Самойлова и английского исследователя Г.Дейла показали, что из окончаний нейронов выделяются химические вещества, которые передают информацию к постсинаптической клетке. Эти вещества получили название нейромедиаторов. Хрестоматийным примером стала история о том, что схему эксперимента, приведшего Леви к открытию первого нейромедиатора — ацетилхолина, — он увидел во всех деталях во сне. К середине 30-х годов химическая передача нервного импульса получила уже столько подтверждений, что в 1936 г. двум из ее первооткрывателей — О.Леви и Г.Деплу — была присуждена Нобелевская премия.

Может быть, последним известным ученым, который, вопреки неумолимым доказательствам. упорно выступал против химической природы синаптической передач, был ученик Шеррингтона Дж.Эклс. Его отрицание зашло так далеко, что отказываться от своих взглядов было невозможно. Так, по крайней мере, казалось Эклсу до тех пор, пока он не встретился во время работы в Канберре с одним из самых неортодоксальных философов XX в. К.Поппером, эмигрировавшим в Австралию из Австрии. Поппер сумел быстро доказать своему новому другу, что главный порок и науке — не совершать ошибки, а упорствовать в них. "Те из нас, кто боится подвергнуть риску опровержения свои идеи, — говорил Поппер, — не участвуют в научной игре". И в 1945 г. Эклс публично заявил об отказе от своих прошлых взглядов и приступил к изучению химических механизмов синаптической передачи. Его блестящие исследования принесли ему в 1963 г. Нобелевскую премию. Эта награда зафиксировала достигнутые нейрофизиологией успехи в понимании механизмов передачи медиаторами (на примере ацетилхолина) электрических сигналов между нервными клетками.

Однако уже в 50-е годы стали появляться доказательства того, что центральная нервная система использует в синапсах не один или два, а гораздо больше нейромедиаторов. Причем некоторые из них ведут себя иначе, чем ацетилхолин.

Особенно необычными оказались катехоламиновые нейромедиаторы — дофамин, норадреналин и адреналин, — которые образуются в нервных клетках из поступающей с пищей аминокислоты тирозина посредством следующей цепи реакций: тирозин —> дигидроксифенилаланин —> дофамин —> норадреналин —> адреналин.

Одна из особенностей катехоламинов состоит в том, что в мозге очень мало нейронов, синтезирующих их. Из приблизительно 50—100 млрд. нервных клеток в мозге человека, вероятно, только около 0,001% нейронов, расположенных локальными группами, используют эти медиаторы. Однако это компенсируется тем, что окончания катехоламиновых нейронов очень широко распространены по нервным структурам, буквально «заливая» выделяемым медиатором клетки мозга. Например, каждый из около 10 тыс. синтезирующих дофамин нейронов в черной субстанции мозга крыс образует примерно 500 тыс. синаптических бутонов в неостриатуме — структуре переднего мозга, связанной с регуляцией движений. У человека число бутонов одной дофаминовой клетки может достигать 5 млн. Сначала полагали, что в цепи реакций синтеза катехоламинов дофамин лишь предшественник норадреналина и не выполняет медиаторных функций. Однако шведский фармаколог Арвид Карлссон, разработав высокочувствительный метод определения дофамина в нервной ткани, показал, что картина его распределения в мозге не повторяет таковую для других катехоламинов. В частности, чрезвычайно высоким оказалось содержание дофамина в неостриатуме. И, как и для других катехоламинов, концентрация дофамина резко падала под воздействием резерпина — препарата, истощающего запасы катехоламиновых медиаторов в синаптических пузырьках. При этом одним из побочных действий резерпина было появление у животных симптомов, напоминающих болезнь Паркинсона — заболевания нервной системы, характеризующегося тяжелыми расстройствами регуляции движений. Сопоставив все эти факты, Карлссон выступил в 1958 г. на Катехоламиновом симпозиуме в Бетесде (США) со смелой гипотезой, согласно которой дофамин — самостоятельный медиатор в мозге, чьи функции связаны с экстрапирамидной системой регуляции движений. Он также предположил, что болезнь Паркинсона вызвана ненормально низкими концентрациями дофамина в базальных ганглиях. Эта гипотеза получила подтверждение уже в 19б1 г., когда в мозге пациентов, умерших от болезни Паркинсона, была измерена концентрация дофамина.

Но Карлссон сделал следующий шаг: стал давать крысам с истощенными резерпином запасами дофампна L-дигид-роксифенилаланин (L-ДОФА) — предшественник синтеза дофамина. Это не только восстановило концентрацию дофамина в мозге, но и вернуло животным способность к нормальным движениям. Отсюда следовало логическое предположение, что больных паркинсонизмом можно лечить с помощью L-ДОФА. И действительно, первые испытания, проведенные в конце 60-х годов, показали, что у таких больных, получавших в течение нескольких недель высокие дозы L-ДОФА, наступает значительное улучшение. Сегодня этот прием остается одним из самых эффективных методов терапии при паркинсонизме.

Помимо успешной борьбы с паркинсонизмом, работы Карлссона привели к пониманию действия целого ряда других основных психотропных препаратов. Например, он показал, что нейролептики — лекарства, используемые при лечении шизофрении — влияют на синаптическую передачу в мозге, блокируй дофаминовые рецепторы. В 1975 г. он ввел понятие «ауторецептор» для обозначения катехоламиновых рецепторов, расположенных на самих синтезирующих катехоламин нейронах и играющих важную роль в их работе. Кроме того, Карлссон внес большой вклад в создание нового поколения антидепрессивных препаратов, избирательно блокирующих обратный захват клетками из синапса еще одного медиатора — серотонина.

Итак, к началу 70-х годов выяснили, что дофамин, норадреналин и серотонин — медиаторы в центральной нервной системе, оказывающие необычное воздействие на клеткимишени. В отличие от быстрых, наступающих за миллисекунды, эффектов классических аминокислотных медиаторов и ацетилхолина действие катехоламинов нередко развивается за сотни миллисекунд или секунды и может длиться даже часами. Такой способ передачи сигналов между нейронами назвали «медленной синаптической передачей».

В 1979 г. Эклс в соавторстве с двумя канадскими биохимиками, супругами Мак-Гир, опубликовал статью, в которой предложил называть эффекты классических быстрых медиаторов ионотропными, имея в виду, что они воздействуют на ионные каналы в синаптической мембране, а медленные эффекты — метаботропными, предполагая, что они требуют вовлечения метаболических процессов внутри постсинаптического нейрона. Как писали эти авторы в 1978 г., полная история катехоламинов не может быть рассказана, потому что наиболее важные открытия — расшифровка их эффектов на постсинаптические клетки — еще не сделаны.

Завесу неизвестности над этим вопросом приоткрыл Пол Грингард. Он показал, что медленная синаптическая передача через метаботропные рецепторы вызывает внутри нервных клеток химическую реакцию, фосфорилирование, т.е. присоединение к белкам фосфатных групп с последующим изменением формы и функции этих белков. Грингард с сотрудниками обнаружили, что связывание дофамина с рецепторами на клеточной мембране повышает в клетке содержание «вторичного посредника» — циклического аденозинмонофосфата (цАМФ). Это активирует фермент протеинкиназу А, которая способна фосфорилировать многие белки в нервной клетке. Среди фосфорилируемых белков находятся, в частности, мембранные белки различных ионных каналов, которые контролируют возбудимость нервной клетки и обеспечивают генерацию и передачу нервных импульсов нейроном. Поэтому дофамин и другие медиаторы, действующие через метаботропные рецепторы,способны модулировать посредством этого механизма возбудимость нервных клеток и их реакции на медиаторы, действующие через ионотропные рецепторы.

Впоследствии Грингард показал, что в клетках мозга протекают еще более сложные процессы. Медиаторы, подобные дофамину, действующие через метаботропные рецепторы, могут вызывать не только фосфорилирование, но и дефосфорилирование белков. При этом многие из их сложных эффектов внутри клетки опосредуются воздействием на регуляторный белок DARPP-32, который в свою очередь влияет на функции многих других белков в клетке. Эти работы Грингарда позволили также понять эффекты некоторых антипсихотропных препаратов, которые, как оказалось, специфически влияют на фосфорилирование белков в различных нервных клетках.

Таким образом, исследования Грингарда раскрыли окно в новый мир внутриклеточных эффектов медиаторов, осуществляющих медленную синаптическую передачу. Они продемонстрировали, что, помимо классических эффектов, реализующихся через ионотропные рецепторы и непосредственное изменение электрических мембранных потенциалов, многие нейромедиаторы (катехоламины, серотонин и некоторые нейропептиды) оказывают влияние и на биохимические процессы в цитоплазме нейронов. Именно этими метаботропными эффектами и обусловлено необычно медленное действие таких медиаторов и их длительное, модулирующее влияние на функции нервных клеток. Поэтому такие нейромедиаторы часто вовлечены не в передачу быстрых сигналов для восприятия, движения, речи, а в оркестровку сложных состояний нервной системы — эмоций, настроений, мотиваций. Иллюстрацией этому тезису может служить недавняя статья Грингерда и его сотрудников в «Science», показывающая, что дофамин и DARPP-52 участвуют в регуляции полового поведения у крыс.

Одну из важнейших функций мозга, в которой задействованы механизмы медленной синаптической передачи и фосфорилирования белков, многие годы исследовал третий нобелевский лауреат, американский нейробиолог Эрик Кендел. Это процессы формирования памяти.

Кендел начал изучать механизмы обучения на млекопитающих, но затем понял, что их мозг слишком сложен для расшифровки фундаментальных клеточных основ памяти. Поэтому в начале 60-х годов он поехал во Францию к выдающемуся нейробиологу чешского происхождения Ладиславу Тауку, чтобы научиться у него работать с морским зайцем (Aplysia). У этого моллюска относительно простая нервная система, состоящая примерно из 20 тыс. нервных клеток. Многие из них настолько велики, что видны невооруженным глазом и могут быть идентифицированы по положению в нервных ганглиях. При этом морской заяц имеет простые защитные реакции, которые можно использовать для исследования фундаментальных механизмов обучения.

Кендел обнаружил, что определенные стимулы усиливают защитный рефлекс втягивания жабры у аплизии. Эта измененная реакция сохраняется на протяжении часов или даже дней и поэтому служит удобной моделью для изучения механизмов памяти и обучения. Исследования лаборатории Кендела показали, что в основе такой длительной реакции лежит повышение эффективности синаптической передачи между сенсорными нейронами моллюска и двигательными нервными клетками, которые активируют мышцы для защитной реакции.

Сначала Кендел и его сотрудники исследовали модификации защитного рефлекса, сохраняющиеся на протяжении минут или часов — аналог так называемой кратковременной памяти. Они установили, что в основе этой формы пластичности лежит усиленный вход ионов кальция в клетку, который повышает выделение нейромедиатора сенсорным нейроном при каждом нервном импульсе и, следовательно, усиливает оборонительную реакцию. Эти изменения происходят за счет фосфорилирования белков определенных ионных каналов по механизму, описанному Грингардом.

Более сильные и продолжительные стимулы формируют у моллюска разновидности долговременной памяти, которая может длиться дни и даже недели. Эти стимулы увеличивают содержание в клетке цАМФ и активируют протеинкиназу А. Далее такие сигналы через фосфорилирование определенных белков, так называемых транскрипционных факторов, достигают ядра нервной клетки, где меняют активность ряда генов. В результате синтез некоторых из белков заметно увеличивается, а других уменьшается. Многие из этих генов кодируют белки, участвующие в построении и функции синапсов. Благодаря каскаду молекулярных реакций изменяются функции и форма синапсов нейрона, что ведет к долговременным изменениям синаптической эффективности, лежащей в основе длительных модификаций защитного рефлекса у аплизии.

Таким образом, в отличие от кратковременной памяти, требующей фосфорилирования уже присутствующих в клетке белков, долговременная память основывается на экспрессии генов и синтезе новых белков. Значит, если заблокировать синтез белков в нервной системе, исчезает долговременная память, а кратковременная остается неповрежденной. Замечательная особенность этой цепи клеточных процессов состоит в том, что фундаментальные ее звенья и компоненты чрезвычайно схожи при обучении у моллюсков и у млекопитающих, оставаясь, по-видимому, неизменными на протяжении многих миллионов лет эволюции нервной системы. Это позволило Кенделу начиная с 90-х годов перенести значительную часть обнаруженных им на морском моллюске закономерностей на модели сложного обучения у мышей. Используя технологию гомологических рекомбинаций, позволяющую удалять у этих животных отдельные гены, Кендел и его сотрудники показали, что основные компоненты молекулярного каскада формирования памяти, описанные ими для аплизии, необходимы и при консолидации памяти у млекопитающих.

Подобная универсальность роли медленной синаптической передачи в формировании памяти, безусловно, открывает новые возможности биохимической коррекции нарушенной памяти у человека. Действительно, несколько лет назад Кендел основал биотехнологическую компанию, направленную на поиск принципиально новых средств регуляции памяти. Эти исследования особенно важны потому, что болезнь Альцгеймера и другие виды возрастных патологий (особенно характерных для развитых стран) начинаются именно с нарушений памяти.

Итак, Нобелевская премия 2000 г. за исследование механизмов "медленной синаптической передачи", достойно завершила историю изучения клеточных основ деятельности мозга в XX в. Что же дальше? Хочу закончить свой короткий рассказ о лауреатах премии 2000 г. следующим эпизодом.

Кендел еще в 1963 г., после известия о награждении Нобелевской премией А.Ходжкина, А.Хаксли и Дж.Эклса за изучение мембранных процессов нервного возбуждения и торможения, заявил, что следующая премия будет присуждена за исследование синаптических механизмов памяти. И взялся за изучение этого вопроса. Теперь понятно, что, хотя его труд по достоинству увенчался наградой, о которой он мечтал, Кендел ошибся как минимум дважды. Как это не раз бывало с присуждением Нобелевских премий, он получил ее за исследование не той проблемы, которой посвятил всю свою жизнь. Более того, за 37 лет, истекших с момента его предсказания, около дюжины Нобелевских премий присуждено за исследования мозга и ни одна из них — за расшифровку механизмов памяти. Современная нейронаука слишком мало знает о механизмах высших функций мозга, и на долю следующего века остается еще много фундаментальных открытий, касающихся этого самого сложного из всех известных нам во Вселенной объектов.

К.В.Анохин

доктор медицинских наук
Институт нормальной физиологии им. П.К.Анохина РАМН
Москва

Журнал ПРИРОДА • №1 • 2001