Как функционируют нейромедиаторы
Между нервными клетками, или нейронами, связь осуществляется не напрямую, а через специальные структуры — аксоны и дендриты. Пространство между ними называется синаптической щелью. Именно в этой микроскопической зоне и происходит основная передача сигналов. Нейромедиаторы синтезируются внутри нейрона, после чего транспортируются к его окончанию — пресинаптической мембране. При поступлении электрического импульса (потенциала действия) медиаторы высвобождаются в синаптическую щель и взаимодействуют с рецепторами следующего нейрона. Это запускает цепочку реакций, передающих сигнал дальше по нервной системе. После активации рецепторов нейромедиатор либо разрушается ферментами, либо поглощается обратно через процесс обратного захвата. Этот механизм критически важен — если нейромедиатор задержится в щели слишком надолго, сигнал будет искажён или продлится больше необходимого. Хотя сами нейромедиаторы не являются белками, их создание и работа невозможны без белков. Одни ферментативные белки отвечают за их синтез, другие — за транспортировку, третьи — за активацию рецепторов. Это означает, что за функционирование одного нейромедиатора может отвечать целая группа генов.Дофамин
Дофамин — один из самых известных и изученных нейромедиаторов. Он активирует разные области мозга, отвечающие за моторику, эмоциональные реакции и когнитивные функции. Его можно назвать биохимической основой нашего стремления к действию и вознаграждению. Во-первых, дофамин играет ключевую роль в контроле движений. Именно его дефицит связан с развитием болезни Паркинсона — состояния, при котором человек теряет способность точно управлять телом. Во-вторых, он участвует в формировании мотивации и предвкушения. Например, когда мы предвкушаем награду или удовольствие, именно дофамин запускает этот процесс. Благодаря дофамину мы испытываем удовлетворение от еды, секса, решения задач и изучения нового. Он связывает удовольствие с определённым поведением, формируя устойчивую цепочку: действие — результат — награда. На этой же системе основано формирование привычек. Именно дофамин лежит в основе зависимости от наркотиков: вещества вроде амфетамина и кокаина нарушают дофаминовый обмен, провоцируя резкий выброс удовольствия. Однако такой искусственный всплеск имеет цену — при хронической стимуляции дофаминовых систем развивается толерантность, психозы и депрессия. Интересно, что чувствительность к дофамину зависит от гена DRD4, кодирующего рецептор D4. Люди с короткой формой этого гена быстрее получают удовольствие от простых радостей, в то время как обладателям длинной формы нужны более мощные стимулы — экстремальный спорт, путешествия, риск.Норадреналин
Норадреналин — это нейромедиатор быстрого реагирования. Он включается в критических ситуациях, усиливая реакцию организма на стресс. Его функция — мобилизовать силы в кратчайшие сроки: ускорить сердцебиение, повысить давление, направить кровь к мышцам. Этот медиатор участвует в формировании реакции «бей или беги». При его активации человек становится собранным, решительным, чувствует прилив энергии и снижение страха. Поэтому норадреналин особенно важен для спортсменов, военнослужащих и тех, кто работает в условиях риска. Высвобождение норадреналина возможно не только при физической угрозе, но и при мнимой опасности — например, во время азартной игры или в процессе трейдинга. Наш мозг реагирует на воображаемую угрозу почти так же, как на реальную. Избыток норадреналина может привести к тревожности, раздражительности и проблемам с концентрацией. Наоборот, его дефицит проявляется апатией, снижением мотивации и общей вялостью. Ген SLC6A2 кодирует транспортный белок, отвечающий за повторный захват норадреналина. Этот механизм завершает действие нейромедиатора. Мутации в этом гене связаны с риском развития синдрома дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ), а также нарушениями сна и регуляции стресса.Серотонин
Серотонин — это медиатор внутреннего равновесия. Его часто называют «гормоном счастья», хотя, строго говоря, он не гормон, а нейромедиатор. Его задача — не столько вызывать эйфорию, сколько уменьшать влияние негативных эмоций. Серотонин помогает поддерживать спокойствие, улучшает качество сна, снижает тревожность и общую чувствительность к болевым ощущениям. Он также участвует в регуляции аппетита, температуры тела, полового влечения и даже свертываемости крови. Этот нейромедиатор тесно связан с дофамином и норадреналином, усиливая их эффекты или, наоборот, балансируя чрезмерную активность. Его нехватка может привести к депрессии, тревожным расстройствам, раздражительности. Одной из ключевых структур, влияющих на активность серотонина, является ген 5-HTTLPR. Он регулирует количество транспортных белков, обеспечивающих обратный захват медиатора. В зависимости от длины этого гена варьируется устойчивость человека к стрессу. Люди с коротким вариантом чаще испытывают депрессию, а с длинным — легче восстанавливаются после негативных событий.Разрушение нейромедиаторов
Нейромедиаторы выполняют ключевую функцию в передаче сигналов между нейронами, но их воздействие должно быть строго ограничено по времени. Длительная активность нейромедиаторов может привести к дисфункциям в работе мозга, поэтому организму необходимо эффективно завершать их действие.
Одним из таких механизмов является обратный захват — процесс, при котором молекула медиатора возвращается из синаптической щели обратно в пресинаптический нейрон. Это позволяет прекратить передачу сигнала и подготовить клетку к следующей стимуляции. Однако в некоторых случаях этого механизма недостаточно, и тогда в дело вступают специальные ферменты, разрушающие остатки нейромедиаторов. Эти функции выполняются особыми белками, чья активность строго регулируется генетически.
Например, ген COMT (катехол-O-метилтрансфераза) кодирует фермент, расщепляющий такие нейромедиаторы, как дофамин и норадреналин. Этот процесс особенно важен в префронтальной коре — области мозга, ответственной за принятие решений, контроль эмоций и рабочую память. От активности COMT зависят особенности поведения и адаптация к стрессу.
Обладатели активного варианта COMT демонстрируют более быстрый метаболизм дофамина, что делает их менее восприимчивыми к стрессу. Такие люди лучше сохраняют самообладание в сложных ситуациях, обладают высокой стрессоустойчивостью и способностью к социальной адаптации. Однако у них ниже общий уровень дофамина в лобной доле, что может приводить к сниженной мотивации, трудностям в получении удовольствия и склонности к депрессивным состояниям.
В противоположность им, носители менее активной формы COMT имеют более высокий уровень дофамина, что способствует лучшей моторике, креативности и выраженности эмоций. Однако при этом они могут острее переживать стресс, проявлять импульсивность и испытывать сложности с эмоциональной регуляцией. Исследования также связывают неэффективную работу COMT с повышенным риском развития паркинсонизма и гипертонии.
Другой важный фермент — моноаминоксидаза А (MAOA) — отвечает за дезактивацию широкого спектра моноаминов, включая серотонин, дофамин, адреналин, норадреналин, мелатонин и гистамин. Он регулирует эмоциональную устойчивость, влияет на скорость восстановления когнитивного контроля после стресса и участвует в формировании поведенческих реакций.
Эффективная работа MAOA позволяет быстрее «очищать» мозг от избытка нейромедиаторов, возвращая человеку способность к рациональному мышлению. Однако нарушения в активности этого гена могут иметь серьёзные последствия. Некоторые мутации MAOA ассоциируются с повышенной склонностью к агрессии, раздражительности и импульсивному поведению.
В научной литературе MAOA иногда называют «геном агрессии» или даже «геном преступника». Это связано с тем, что определённые мутации действительно чаще встречаются у людей с нарушениями социального поведения. Ген MAOA находится на Х-хромосоме, а значит, мужчины, обладающие лишь одной копией этого гена, более подвержены негативным последствиям мутаций, чем женщины, у которых две копии.
Однако сводить поведение человека только к генетике — упрощение. Исследование новозеландских учёных показало, что агрессивные черты проявляются у носителей «рискового» варианта MAOA только при наличии травматического опыта в детстве. Генетическая предрасположенность без внешних факторов не гарантирует формирование патологических форм поведения.
Глубокое понимание механизмов работы нейромедиаторов и ферментов, регулирующих их активность, помогает переосмыслить причины эмоциональных реакций, особенностей поведения и даже склонностей к тем или иным чертам личности. Генетика не является приговором, но знание своих предрасположенностей открывает возможности для более осознанного управления эмоциями и стрессом.
В первой части статьи мы подробно рассмотрели три наиболее известных нейромедиатора — дофамин, норадреналин и серотонин, которые активно участвуют в формировании эмоций, мотивации и настроения. Теперь пришло время обратить внимание на менее популярные, но не менее важные химические соединения, обеспечивающие тонкую настройку работы мозга. Эти молекулы играют ключевую роль в поддержании баланса между возбуждением и торможением нервной активности, способствуют обучению, концентрации и восстановлению ресурсов организма.
Ацетилхолин
Ацетилхолин стал первым нейромедиатором, который удалось открыть учёным. Его основная функция — передача импульсов от двигательных нейронов к мышцам, благодаря чему возможны любые произвольные движения человека. Однако этим его роль не ограничивается: в центральной нервной системе ацетилхолин выполняет регуляторные задачи — активирует мозг, когда требуется действовать, и подавляет лишние импульсы, когда необходима сосредоточенность.
Два типа рецепторов обеспечивают сбалансированную работу ацетилхолина: никотиновые рецепторы стимулируют активность, а мускариновые — тормозят её. Это позволяет мозгу быстро переключаться между возбуждением и фокусировкой, что особенно важно в процессе обучения, анализа информации и формирования воспоминаний.
Во время интенсивной умственной деятельности — например, при подготовке к экзамену или составлении годового отчёта — уровень ацетилхолина повышается. Если же мозг длительное время остаётся в состоянии бездействия, специальный фермент — ацетилхолинэстераза — расщепляет ацетилхолин, уменьшая его концентрацию. Таким образом, этот нейромедиатор является идеальным помощником в условиях интеллектуальной нагрузки, но в стрессовых ситуациях он уступает место другим веществам, более подходящим для быстрых и решительных действий.
Избыток ацетилхолина может привести к патологической активации всех мышц, судорогам и даже остановке дыхания — именно этот механизм лежит в основе действия некоторых боевых нервно-паралитических агентов. С другой стороны, дефицит ацетилхолина ассоциирован с ухудшением когнитивных функций и может быть связан с нейродегенеративными заболеваниями, включая болезнь Альцгеймера. В таких случаях пациентам назначают ингибиторы ацетилхолинэстеразы — препараты, замедляющие разрушение ацетилхолина и поддерживающие его уровень в мозге.
Ген CHRNA3 кодирует подтип никотинового рецептора ацетилхолина, на который напрямую воздействует никотин. Изначально никотин активирует симпатическую нервную систему, вызывая спазм сосудов и тошноту у начинающих курильщиков. Но со временем он проникает в мозг, где стимулирует ацетилхолиновые рецепторы. В ответ на чрезмерную активацию мозг начинает снижать собственное производство ацетилхолина. В результате развивается зависимость: курильщик тянется за сигаретой, чтобы взбодриться, расслабиться или сконцентрироваться — в зависимости от ситуации.
Полиморфизмы в гене CHRNA3 оказывают влияние на склонность к развитию никотиновой зависимости и могут повышать риск заболеваний дыхательной системы, в частности — рака лёгких.
Аденозин
Аденозин — это не только нейромедиатор, но и ключевой компонент энергетического обмена в организме. В основе всех биохимических процессов лежит молекула аденозинтрифосфата (АТФ), своего рода "валюта энергии", с тремя остатками фосфорной кислоты. По мере расхода энергии АТФ теряет фосфатные группы и превращается сначала в аденозиндифосфат (АДФ), затем в аденозинмонофосфат (АМФ), а в финале — в сам аденозин.
Накопление аденозина в мозге является биохимическим маркером усталости. Именно он формирует ощущение сонливости и сигнализирует организму о необходимости отдыха. Во время сна запасы АТФ восстанавливаются, и уровень аденозина вновь снижается. Благодаря этому мы просыпаемся отдохнувшими и готовыми к новым задачам.
Однако существуют вещества, способные временно заблокировать действие аденозина — например, кофеин. Он блокирует аденозиновые рецепторы, не давая мозгу "почувствовать" усталость. В результате человек ощущает прилив бодрости, несмотря на снижение энергетических запасов. Такая стимуляция "в кредит" приводит к последующему упадку сил и повышенной утомляемости.
Кофеин не создает энергию, а лишь временно подавляет сигналы о её нехватке. Именно поэтому после действия кофеина может наступить резкий спад работоспособности. Тем не менее кофе, чай и шоколад остаются самыми востребованными и социально приемлемыми стимуляторами в мире.
У человека существует четыре типа аденозиновых рецепторов. Наиболее изучен ген ADORA2A, который кодирует рецепторы второго типа. Эти рецепторы играют важную роль в противовоспалительных реакциях, иммунной защите, а также участвуют в регуляции болевой чувствительности и циклов сна. Их активность напрямую влияет на способность организма адаптироваться к стрессу, травмам и восстановлению после физических нагрузок.
Глутамат
Глутаминовая кислота, встречающаяся в продуктах животного происхождения, играет важную роль в питании человека. В пищевой промышленности она наиболее часто используется в виде соли — глутамата натрия. Эта аминокислота является естественным усилителем вкуса: рецепторы на языке распознают её как сигнал о наличии белка в пище — источника энергии и строительного материала для клеток. Именно поэтому еда, богатая глутаматом, кажется нам особенно вкусной и вызывает желание повторить такой опыт.
В XX веке японские учёные выделили особый вкус, возникающий при потреблении глутамата, и дали ему название — умами, что в переводе означает «вкусный» или «аппетитный». Впоследствии глутамат натрия стал популярной добавкой во многих продуктах — от полуфабрикатов до ресторанных блюд. Например, именно он придаёт столь привлекательный вкус лапше быстрого приготовления. Несмотря на опасения потребителей, в адекватных дозах глутамат безопасен: в худшем случае чрезмерное потребление может вызвать головную боль, но серьёзного воздействия на нейроны он не оказывает.
Однако глутамат — это не только компонент пищи. Он также играет ключевую роль как нейромедиатор — химическое вещество, участвующее в передаче сигналов между нейронами. Более 40% клеток головного мозга имеют рецепторы к глутамату. При этом глутамат сам по себе не несёт информации, а лишь усиливает действие других нейромедиаторов, таких как дофамин, серотонин и норадреналин. Благодаря этой «усиливающей» функции глутамат способствует формированию синаптической пластичности — способности нейронных соединений изменять свою эффективность в зависимости от опыта. Именно этот механизм лежит в основе процессов обучения и формирования памяти.
Недостаток глутамата может привести к снижению когнитивной активности, апатии и общей заторможенности. В то же время его избыток способен вызвать перегрузку нейронной сети — феномен, известный как эксайтотоксичность. Такая перегрузка может приводить к гибели нервных клеток — как если бы электрическая сеть вышла из строя от перегрузки. Это состояние наблюдается при некоторых заболеваниях, включая эпилепсию и нейродегенеративные расстройства, такие как болезнь Альцгеймера.
В организме глутамат регулируется с помощью белков-транспортеров, закодированных двумя основными группами генов. Гены группы EAAT отвечают за белки, транспортирующие глутамат с участием ионов натрия, играя важную роль в процессах памяти. Мутации в этих генах связаны с повышенным риском инсульта, а также с нейродегенеративными патологиями — болезнью Гентингтона, боковым амиотрофическим склерозом и другими. Вторая группа — гены, кодирующие везикулярные транспортеры глутамата (VGLUT). Их нарушения ассоциированы с развитием шизофрении.
Гамма-аминомасляная кислота
Если глутамат можно сравнить с газом в автомобиле, то гамма-аминомасляная кислота (ГАМК, или GABA) — это тормозная система. Она выступает главным тормозным медиатором центральной нервной системы и, как и глутамат, не содержит «смысла» в передаваемом сигнале, а лишь регулирует уровень активности других нейронов. Около 40% нейронов головного мозга оснащены рецепторами к ГАМК, что подчёркивает её фундаментальную роль в поддержании баланса возбуждения и торможения в мозге.
Интересно, что обе эти молекулы — глутамат и ГАМК — синтезируются из одного и того же вещества: глутаминовой кислоты. То есть, несмотря на противоположное действие, они являются биохимически тесно связанными. Такое взаимодействие обеспечивает устойчивую работу нейронной сети, защищая её как от чрезмерной стимуляции, так и от торможения.
Влияние ГАМК на психическое состояние человека велико. Она снижает активность нейронов, связанных с тревогой, стрессом и отвлечением, позволяя лучше сосредоточиться. Высокий уровень ГАМК способствует спокойствию и устойчивости к внешним раздражителям. Недостаток же этого медиатора часто ассоциируется с синдромом дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ), а также с повышенной тревожностью. Повысить уровень ГАМК помогают умеренные физические нагрузки, медитация, дыхательные практики, а также полноценный сон.
У ГАМК есть два типа рецепторов: GABA-A — быстрые ионные
рецепторы, и GABA-B — медленные метаботропные рецепторы.
Ген GABRG2 кодирует один из субъединичных белков рецептора
GABA-A, который замедляет передачу импульсов в нейронной сети. Мутации в
этом гене могут приводить к эпилептическим припадкам и судорогам, особенно у
детей при высокой температуре.
В то время как дофамин, серотонин и норадреналин нередко находятся в центре внимания популярной психологии, глутамат и ГАМК остаются в тени — несмотря на их ключевое значение. Эти молекулы не создают эмоции напрямую, но без их сбалансированной работы невозможно ни обучение, ни память, ни способность сохранять спокойствие. Их можно назвать невидимыми дирижёрами нейронного оркестра.
Мы уже подробно рассмотрели моноаминовые нейромедиаторы, а также их помощников — тормозные и возбуждающие вещества. Пришло время рассказать о не менее важных, но гораздо менее известных участниках работы мозга — пептидных нейромедиаторах. Эти крошечные молекулы обладают поразительными свойствами: они могут приносить радость, снимать боль и координировать множество биологических процессов.
Что такое пептиды
Пептиды — это небольшие молекулы, построенные из цепочек аминокислот, соединённых пептидными связями. Их можно рассматривать как младших «родственников» белков: если в цепочке менее 50 аминокислот, молекула считается пептидом, а при превышении этого порога — белком. Пептиды синтезируются в различных тканях организма и формируются из белков-предшественников путём расщепления (гидролиза).
Основная задача пептидов — передача сигнальной информации между клетками. Однако их функциональность гораздо шире. Пептиды участвуют в иммунной защите, подавляя рост патогенных бактерий и вирусов, стимулируют регенерацию тканей, регулируют обмен веществ, аппетит и болевую чувствительность. Сегодня пептиды активно изучаются как потенциальные лекарства, включая инновационные антибиотики, обезболивающие и противовоспалительные препараты.
Опиоидные пептиды
К числу наиболее известных нейропептидов относятся опиоидные пептиды, способные взаимодействовать с опиоидными рецепторами. В эту группу входят эндорфины, энкефалины и динорфины — вещества, обладающие выраженным анальгезирующим и психоактивным действием.
Название «эндорфины» расшифровывается как «эндогенные морфины», то есть морфиноподобные вещества, вырабатываемые самим организмом. Они играют ключевую роль в блокировке болевых импульсов, а также в регуляции эмоционального состояния. Хотя именно с эндорфинами чаще всего связывают чувство эйфории, этот эффект формируется также под влиянием других нейромедиаторов.
Выработка эндорфинов усиливается в ответ на стресс и боль, но её можно стимулировать и другими способами: например, бег на длинные дистанции, смех в компании, прослушивание любимой музыки или танцы — всё это может активировать выработку «гормонов счастья».
Существуют разные типы эндорфинов: альфа-эндорфины влияют на эмоции и двигательную активность, гамма-эндорфины, напротив, снижают эмоциональную реактивность, а бета-эндорфины считаются наиболее мощными — именно они активно связываются с опиоидными рецепторами, оказывая анальгезирующий и стимулирующий эффект. Бета-эндорфины также участвуют в иммунной реакции и первыми реагируют на воспаления.
Энкефалины и динорфины действуют схожим образом, но отличаются структурой и происхождением. Они формируются из других белков-предшественников и по-разному взаимодействуют с подтипами опиоидных рецепторов. Согласно исследованиям, динорфины могут быть в шесть раз эффективнее морфина при блокировке боли.
Опиоидные рецепторы
В организме человека выделяют четыре типа опиоидных рецепторов: мю (μ), дельта (δ), каппа (κ) и рецептор ноцисептина (NOP). Каждый из них отвечает за специфическую реакцию на нейропептиды и лекарственные вещества.
Мю-рецепторы, кодируемые геном OPRM1, играют центральную роль в регуляции боли и формировании чувства удовольствия. Они участвуют в процессах обучения, мотивации, а также социальных взаимодействиях. Мутации в этом гене связаны с повышенным риском зависимости от никотина, алкоголя и наркотиков. С мю-рецепторами взаимодействуют бета-эндорфины и энкефалины.
Дельта-рецепторы также связываются с эндорфинами, но в меньшей степени активируют систему вознаграждения. Каппа-рецепторы, напротив, часто вызывают неприятные ощущения и участвуют в подавлении двигательной активности. Их активация может вызывать тревожность или дискомфорт. Изменения в гене OPRK1 связаны с риском опиоидной и алкогольной зависимости.
Ноцисептин — пептид боли
В отличие от других опиоидных рецепторов, рецептор NOP и его пептидный лиганд — ноцисептин — не уменьшают, а наоборот, усиливают болевые ощущения. Это открытие стало важным шагом в понимании механизмов боли. Исследования показывают, что блокировка NOP-рецептора может стать новым способом обезболивания без риска привыкания.
Агонисты опиоидных рецепторов
Опиоидные рецепторы могут активироваться как природными пептидами, так и синтетическими веществами. К известным агонистам относятся морфин, героин, кодеин и лоперамид. Последний используется как противодиарейное средство: он действует только на рецепторы кишечника, поскольку не проникает через гематоэнцефалический барьер и не оказывает психоактивного действия.