Наши нейроны оказались еще более совершенными, чем мы предполагали
Недавно в журнале Neuron была опубликована важнейшая статья, в которой авторы делают обзор новейших открытий в области мультимедиаторных нейронов. Классическая парадигма, в рамках которой считалось, что нейроны делятся исключительно на возбуждающие и тормозящие, больше не актуальна. Последние исследования показывают, что исходящие синапсы нейронов могут выделять более одного вида нейромедиатора.
(A) Три примера мультитрансмиттерных нейронов, использующих везикулярную совместную упаковку двух нейротрансмиттеров на пресинаптических окончаниях.
(B) Мультитрансмиттерные нейроны АЦХ/ГАМК, обнаруженные в коре головного мозга, высвобождают АЦХ и ГАМК на разных пресинаптических окончаниях и независимо упаковывают эти нейротрансмиттеры в отдельные пулы пузырьков.
(C) Многие дофаминовые нейроны среднего мозга выделяют три нейротрансмиттера; дофамин и ГАМК совместно упакованы в одном и том же пузырьке, тогда как глутамат упакован независимо и высвобождается в разных пресинаптических участках. Credit: Michael L. Wallace, Bernardo L. Sabatini / Neuron 2023
Нейротрансмиттеры или нейромедиаторы — это химические молекулы, высвобождаемые нейронами, которые позволяют им общаться друг с другом. Это химические «посланники», которые передают сообщения между нейронами и другими клетками нашего тела, влияя на все: от настроения до непроизвольных движений. Этот процесс обычно называют нейротрансмиссией или синаптической передачей.
Высвобождающиеся нейротрансмиттеры связываются с рецепторами другого нейрона. Нейроны, которые выделяют нейротрансмиттеры, называются пресинаптическими нейронами, а нейроны, которые получают нейротрансмиттерные сигналы, называются постсинаптическими нейронами. В зависимости от типа нейротрансмиттера и рецептора сигнал может или активировать, или тормозить воспринимающую клетку.
Нейротрансмиттеры (они же нейромедиаторы), а точнее — конкретное вещество, передающее сигнал от клетки к клетке (речь шла об ацетилхолине) обнаружил в 1921 году биолог Отто Леви, который позднее получил Нобелевскую премию за свое открытие. До этого велась дискуссия между двумя мнениями, второе из которых гласило, что коммуникация между нейронами осуществляется посредством электрической передачи сигнала. Леви установил, что эта концепция ошибочна, и доказал, что нейроны взаимодействуют друг с другом посредством высвобождения химических веществ, которые и называются нейротрансмиттерами или нейромедиаторами. С 1921 года по сегодняшний день обнаружено уже более 60 различных типов нейротрансмиттеров.
Нейроны часто определяются по типу нейротрансмиттера, которые они высвобождают (например, глутаматергический, ГАМКергический, холинергический и т. д.), при этом эта метка определяет функцию нейрона в цепи. Однако обозначение молекулы как «основного» нейротрансмиттера нейрона затемняет истинное разнообразие синаптической передачи сигналов, поскольку оказывается, что многие, если не все, нейроны выделяют более одного нейротрансмиттера.
Майкл Уоллес (медицинский факультет Бостонского университета) и Бернардо Сабатини (медицинская школа Гарварда) представили детальный обзор недавних открытий различных мультитрансмиттерных нейронов, обнаруженных по всей центральной нервной системе млекопитающих.
ГАМК/глутамат
Ранее считалось, что высвобождение нейротрансмиттера (по крайней мере, через воздействия на ионотропные рецепторы) оказывает либо тормозящее, либо возбуждающее действие на постсинаптические клетки. Возможно, наиболее сбивающими с толку примерами мультитрансмиттерных нейронов можно считать копередающие нейроны ГАМК/глутамата.
Недавно проведенный с помощью комбинации генетических скрещиваний и гибридизации in situ скрининг нейронов, высвобождающих ГАМК и глутамат, показал, что в 30 различных областях мозга находятся нейроны, которые экспрессируют гены, для «упаковки» синаптических пузырьков как ГАМК, так и глутамата. Эти результаты продемонстрировали, что котрансмиссия ГАМК/глутамата может быть более распространенной, чем считалось ранее.
Котрансмиссию многих из этих идентифицированных типов клеток еще только предстоит подтвердить физиологически. Но, как минимум, есть три области, где наиболее убедительно продемонстрировано существование ГАМК/глутаматных копередающих нейронов: это надмаммилярное ядро гипоталамуса (SuM), вентральная область покрышки (VTA) и энтопедункулярное ядро (EP).
ГАМК/глицин
Исследования 1990-х годов продемонстрировали котрансмиссию ГАМК и глицина из тормозных интернейронов в спинном мозге. Эти исследования были одними из первых, описывающих феномен «совместной упаковки», когда два разных нейротрансмиттера загружаются в отдельные синаптические пузырьки. Котрансмиссия ГАМК/глицина с тех пор наблюдалась в других областях, включая слуховой ствол мозга и мозжечок.
Во взрослом возрасте оба передатчика считаются тормозными. Кинетика рецепторов глицина быстрее, чем у рецепторов ГАМК, что приводит к тормозному постсинаптическому току с быстрыми и медленными компонентами. Примечательно, что ГАМК и глицин конкурируют за упаковку в синаптические везикулы, поскольку оба транспортируются одними и теми же везикулярными транспортерами (рис. 1А). Следовательно, упаковка ГАМК и/или глицина в везикулы в значительной степени зависит от их внутриклеточной (внутриаксональной) концентрации, которая контролируется либо внутриклеточным синтезом, либо переносчиками плазматической мембраны соответственно.
Эти результаты предполагают, что эффективность синапса зависит не только от числа постсинаптических рецепторов, но также от концентрации пресинаптического медиатора, а еще от того, сколько медиатора загружено в везикулу.
АЦХ/Глутамат
Холинергические нейроны играют важную роль во многих процессах и когнитивных функциях мозга, таких как обучение и память, сенсорное восприятие, синаптическая пластичность, возбуждение. Однако многие из этих нейронов также содержат везикулярные транспортеры глутамата (vGluT), которые коэкспрессируются с молекулярным механизмом синтеза ацетилхолина, везикулярной упаковки и высвобождения во многих областях мозга, включая стриатум, базальные отделы переднего мозга и медиальную головку мозга.
Несколько научных групп обнаружили, что vGluT и VAChT действуют синергично и что истощение одного транспортера или нейротрансмиттера также истощает загрузку и высвобождение другого. Эти данные противоречат результатам, описанным выше для нейронов, которые совместно упаковывают ГАМК и глицин, которые демонстрируют антагонистические отношения в отношении совместной упаковки. Вместе эти примеры иллюстрируют важность синергизма/антагонизма везикулярных транспортеров для нейронов, которые упаковывают два нейротрансмиттера в синаптические пузырьки.
Также в обзорной статье приводятся примеры исследований совместной нейротрансмиссии серотонина и глутамата, ацетилхолина и ГАМК, глутамата и глицина, дофамина и глутамата, дофамина и ГАМК, а также подробно рассматриваются механизмы совместной везикулярной упаковки, синергия и антагонизм везикулярных транспортеров, ключевые функции нейротрансмиссии.
Котрансмиссия ГАМК/глутамат как основа для обучения биологической нейронной сети
Помимо вышеперечисленного, открытие того, что отдельные синаптические везикулы нейронов габенулы (lateral habenula) содержат как ГАМК, так и глутамат, демонстрирует интересные возможности синаптической пластичности, при которой знак и вес синапса могут динамически устанавливаться в зависимости от активности.
В отличие от других областей мозга, которые разделяют ГАМК и глутамат на отдельные сигнальные каналы, эта функция делает этот синапс похожим на те, которые можно найти в искусственных нейронных сетях, в которых каждый синапс может принимать знаковое и градуированное значение.
Кроме того, нейроны, передающие ГАМК/глутамат, редко встречаются в головном мозге, но габенула получает много проекций от таких нейронов, что указывает на специализированную функцию котрансмиссии для вычислений, выполняемых этой цепью.
Дальнейшие шаги и цели
Секвенирование отдельных клеток считается важным новым инструментом для генетического определения типов клеток в тканях организма. Исследования, проведенные в головном мозге, привели к открытию новых классов нейронов, новых характеристик известных типов нейронов и, что, возможно, наиболее важно, к первоначальной беспристрастной основе для дальнейшего изучения разнообразия нейронов в мозге. Эти исследования также показали повсеместное распространение типов нейронов, имеющих генетические компоненты, необходимые для высвобождения более чем одного нейротрансмиттера.
К счастью, подходы, использующие оптогенетику, позволяют нацеливать генетическую стимуляцию исключительно на интересующий нас класс нейронов, но для убедительной стимуляции отдельных аксонов/синапсов требуется тщательная пространственно-временная калибровка оптической стимуляции. Необходимо также развить понимание того, как клетки с несколькими классами синаптических везикул могут направлять их к различным окончаниям, а также какие факторы определяют, содержит ли каждый синаптический везикул один или несколько классов транспортеров нейротрансмиттеров.
Еще более интересно, как эти свойства поддерживаются в течение сложного жизненного цикла синаптических пузырьков. Также важно подтвердить, что отдельные нейроны экспрессируют все гены, необходимые для высвобождения более чем одного нейротрансмиттера, поскольку анализ одной только популяции может привести к неверным выводам относительно котрансмиссии.
Если мы хотим в конечном итоге понять функцию, которую копередающие нейроны играют в нейронных цепях и поведении, то необходимо определить механизм, с помощью которого два или более нейротрансмиттеров высвобождаются одним аксоном или одним синапсом. Функциональное определение того, высвобождаются ли оба передатчика одновременно аксоном/синапсом и упакованы ли они в одни и те же или разные синаптические везикулы, ограничивает модели и гипотезы, связанные с функцией котрансмиссии в данном контуре.
Чтобы определить эти свойства аксонов/синапсов, часто необходимы эксперименты с минимальной стимуляцией для изучения содержания нейромедиаторов в отдельном месте высвобождения. К сожалению, классические подходы с минимальной стимуляцией, использующие внеклеточную стимуляцию, не работают, когда аксоны многих различных типов пресинаптических нейронов перекрываются, что делает невозможным определение того, подвергается ли воздействию только один аксон при стимуляции.
Отдельно необходимо сочетание экспериментальной и теоретической работы для понимания многообразия функций мультимедиаторных нейронов. Например, дофамин, ГАМК и глутамат, высвобождаемые DAN, могут вызывать длительные волны постсинаптических эффектов, каскадом от миллисекундных изменений возбудимости, запускаемых ионотропными рецепторами, до десятков секунд биохимической передачи сигналов и возбудимости. Эти временные волны могут быть разными для каждой постсинаптической мишени, которая сенсибилизируется к разным видам передатчиков и типам экспрессируемых рецепторов. И наоборот, ГАМК и АЦХ, совместно высвобождаемые в коре, могут действовать параллельно на разные мишени для достижения единого результата.
Наконец, совместное высвобождение ГАМК и глутамата может служить для обострения постсинаптических потенциалов, но может также создавать подписанные и градуированные синапсы, которые обеспечивают идеальный субстрат для пластичности. Многое еще предстоит исследовать как в особенной клеточной биохимии мультитрансмиттерных нейронов, так и в их функциях, в цепочках и, в конечном счете, в поведении человека.
Текст: Виктория Киричок
Synaptic and circuit functions of multitransmitter neurons in the mammalian brain by Michael L. Wallace, Bernardo L. Sabatini in Neuron (2023) https://doi.org/10.1016/j.neuron.2023.06.003