Доклады Российской академии наук. Науки о жизни, 2020, T. 491, № 1, стр. 189-193

Исследование поведения системы нейросетей мозга человека – одна из ключевых задач современного естествознания [1, 2]. Функционирование системы межнейронных контактов, синапсов в процессе передачи возбуждения от одного нейрона к другому – ключевой процесс в операционном поведении нейросетей мозга. Принципиально важную многофункциональную роль в нейронных сетях играют процессы на основе нейромедиатора ацетилхолина (холинергические синапсы). Межклеточные контакты синаптической природы осуществляются путем введения (механического впрыскивания) везикул, наполненных ацетилхолином в гелиевую среду синаптической щели, насыщенную высокой концентрацией ацетилхолинэстеразы, гидролизующей ацетилхолин с образованием холина и уксусной кислоты (физические и концентрационные характеристики холинергического синапса см. ниже). Ацетилхолин преодолевает гидролитический барьер ацетилхолинэстеразы, достигает постсинаптической мембраны, связывается с ацетилхолиновыми рецепторами, действие которых вызывает передачу электрического возбуждения другому нейрону [3].

По крайней мере, два физиологических явления определяются работой холинергических синапсов:

1) Передача нейронного возбуждения и реализация механизма нейромышечного сокращения. Механизм передачи сигнала и мышечного сокращения – область большого научного и практического интереса. Механизмы действия нейропаралитических ядов (пестициды, боевые отравляющие вещества, некоторые лекарственные препараты) – предмет широкого и достаточно глубокого изучения в современной научной литературе [3–5]. Нервнопаралитические яды – ингибиторы ацетихолинэстеразы синаптической щели, обеспечивающие почти беспрепятственный транспорт ацетилхолина до постсинаптической мембраны и постоянное сокращение (без расслабления) мышечных волокон.

2) Существуют весьма обоснованные представления об определяющей роли ацетилхолина, холинергических синапсов и рецепторов в осуществлении механизмов памяти и обучения [6].

Наиболее популярной и, на наш взгляд, физически обоснованной представляется теория записи информации по механизму “открыт–закрыт” холинергический синапс, где информация представлена “деревом” (3D-образом) связанных между собой нейронов возбуждаемых специализированным сигналом [7].

В настоящее время достаточно подробно исследована структура ацетилхолинэстеразы человека, возможных полиморфных модификаций и ряда медицинских проявлений, связанных с этими модификаторами.

Наиболее фундаментальные результаты о механизме действия холинэстераз получены методами QM/MM моделирования на основе использования суперкомпьютерных технологий [8–11]. Активный центр ацетилхолинэстеразы включает два ключевых компонента, взаимодействие с которыми может принципиальным образом регулировать каталитическую активность. Для холинэстеразы человека это Ser203, по которому может идти необратимое ингибирование при фосфорилировании и His447, протонирование которого ведет к обратимой блокировке активности.

Нам представляется, что следующим существенным шагом вперед является системное моделирование механизма функционирования синапса как основополагающего элемента функционирования нейрональной сети. Кинетическое поведение ацетилхолинэстеразы определяется двумя особенностями:

1) Фермент характеризуется “неклассической” зависимостью скорости реакции от концентрации субстрата. Это фермент с ингибированием ферментативной активности высокими концентрациями ацетилхолина, при этом ингибирование проявляется при работе фермента в физиологических условиях [5, 12].

2) Как и все сериновые гидролазы, каталитическая функция которых определяется участием имидазольной группы гистидина, холинэстеразы ингибируются ионами водорода с pK_a имидазольной группы около 7 (K_δ ∼ 10^–7 М).

В настоящее время в первом приближении известны основные параметры функционирования холинергического синапса:

1) Толщина синаптической щели для разных категорий межклеточных контактов лежит в диапазоне 20–100 нм, диаметр площадки контакта (0.5–2) ⋅ 10^–4 см [13], при этом контакт нейрон–нейрон (условно назовем это m-контактом) меньше чем контакт нейрон–мышца (нейромышечная передача сигнала с участием мотонейрона (условно назовем это n-j-контактом).

2) Концентрация ацетилхолина, нейромедиатора – субстрата ацетилхолинэстеразы, при инжекции его в синаптическую щель с поверхности пресинаптической мембраны при “разряде” синапса достаточно высока. Концентрация ацетилхолина в везикуле достигает 0.1–1 М [12, 14], при “разряде” нескольких везикул с переносом ацетилхолина в синаптическую щель при известной геометрии щели, концентрация S₀ достигает значения 10–300 Ммоль [14]. При относительной малой толщине щели диффузионное распределение субстрата происходит в высшей степени быстро.

3) Критический параметр – концентрация фермента в синаптической щели. Оценку диапазона концентрации фермента можно сделать на основании сопоставления времени гидролиза (несколько миллисекунд) со скоростью ферментативной реакции. Для того, чтобы фермент при известной k_cat был способен гидролизовать миллимолекулярную концентрацию субстрата за несколько миллисекунд его концентрация не может быть ниже 5–50 ммоль. Таким образом, концентрация ацетилхолинэстеразы в полисахаридном геле синаптической щели также исключительно высока. Для того, чтобы гидролизовать в норме нейромедиатор практически полностью и не дать ему “заселить” ацетилхолиновые рецепторы постсинаптической мембраны, необходима исключительно высокая концентрация фермента (см. ниже) [12, 14].

4) Принципиальной особенностью функционирования холинергического синапса является продукция в синаптической щели ионов водорода в результате образования достаточно сильной уксусной кислоты (pK_a ∼ 4). При проведении реакции гидролиза ацетилхолина в растворе кислотный продукт практически мгновенно нейтрализуется буферными компонентами раствора и практически не сказывается на кинетическом поведении системы [5]. Однако, в условиях высокой концентрации субстрата и фермента в макрокинетических условиях синаптической щели процесс продукции кислоты является принципиально важным и должен быть учтен при описании кинетики процесса. pH-зависимость каталитической активности ацетилхолинэстеразы контролируется ионогенной группой гистидина – 447 с pK_a около 7. При этом протонирование этой каталитически важной группы приводит к полной обратимой блокировке активности фермента.

“Очистка” синапса от продуцированных ацетилхолинэстеразой протонов может происходить в первую очередь путем диффузии протонов из синаптической щели полисахаридного геля, поскольку не являются протон-проводящими средами. Оценка времени освобождения синапса путем диффузии протона в полимерной среде может быть проведена в первую очередь по уравнению

где $\ell $ – диффузионный путь, D – коэффициент диффузии.

Если принять $\ell $ – радиус межклеточного контакта равной 2 ⋅ 10^–5 см, коэффициент диффузии – 5 ⋅ 10^–5 см²/с (предельно высокое значение коэффициента диффузии протона в полимерной среде), оценка ${{\tau }_{{дисс{{{\text{H}}}^{ + }}}}}$ приводит к значению порядка ∼1 ⋅ 10^–5 с [15]. Время “разряда” синапса в разных работах оцениваются по-разному: от 20–50 микросекунд [13, 14] до нескольких миллисекунд [12].

Динамику синаптического “разряда” с учетом кинетики инжекции нейромедиатора в синаптическую щель, pH-зависимости каталитической активности фермента и диффузионного вывода протонов описывает система уравнений

где член αS₀e^–δt отражает скорость ввода субстрата с начальной концентрацией S₀ с гашением скорости, характеризуемым параметром (δ = 9 ⋅ 10³); k_cat – каталитическая константа скорости катализа ацетилхолинэстеразы (k_cat = 7 ⋅ 10³ с^–1 [5]); E₀ – концентрация фермента в синаптической щели; K_m – константа Михаэлиса (K_m = 0.058 ммоль), K_i – коэффициент ингибирования фермента избытком субстрата (K_i = 17.9 ммоль); K_a – константа равновесия связывания протона с имидазольной группой гистидина 447 активного центра. Константу скорости вывода протонов из синаптической щели оценочно можно принять равной β = 1/${{\tau }_{{дисс{{{\text{H}}}^{ + }}}}}$ = 5 ⋅ 10⁵ c^–1. Система уравнений (2) была проинтегрирована численно с начальными условиями S(0) = 0, H⁺(0) = 10^–7.5 M (pH 7.5).

Процесс продукции протонов ацетилхолинэстеразой драматически сказывается на кинетическом поведении системы. На рис. 1 и 2 представлена динамика “разряда” ацетилхолинового синапса при различных концентрациях E₀ и параметра диссипации протонов β. Почти синхронно с вводом в синаптическую щель нейромедиатора растет концентрация протонов и pH падает практически до 5. Продолжительность H⁺- импульса строго коррелирует со временем гидролиза нейромедиатора. В рамках данной модели описать экспериментально наблюдаемый процесс гидролиза нейромедиатора (τ ∼ 3 мс) удается лишь при высоких значениях E₀ и β. Формирование pH-импульса имеет почти прямоугольный характер и характеризуется относительно плоской вершиной (см. рис. 1 и рис. 2).

Проведенный анализ приводит к некоторым важным заключениям.

Функционирование нервно-мышечного синаптического контакта (n–j контакта) может протекать в двух режимах:

1) τ_pH имп < 1/ω, где ω – частота возбуждения нейрона. Это нормальный режим, при котором синапс освобождается от протонов раньше, чем приходит следующий нейромедиатор синапса;

2) τ_pH имп > 1/ω, это патологичное состояние, при котором возбуждение нейрона происходит раньше диссипации протонов. В этом режиме ацетилхолинэстераза блокирована по активному центру, фермент обратимо инактивирован, нейромедиатор практически беспрепятственно преодолевает синаптическую щель и связывается с рецепторами постсинаптической мембраны. Если это происходит при нервно-мышечной передаче – мышца всегда находится в сокращенном состоянии. Это нервно-мышечный паралич. По-видимому, процессы такого характера происходят при инсультных поражениях, коме и родственных нейропатологиях.

Если учесть большую роль ацетилхолина и ацетилхолиновых синапсов в механизмах нейропатологической памяти и обучения [6], H⁺ блокировка холинергического синапса может служить механизмом записи и поддержания информации. В рамках клеточной теории нейрологической памяти информация создается и хранится в виде “3D-образа” открытых нейрональных контактов, поддерживаемых нейросетью определенное время и активируемых сигналом востребованности. Для синаптических холинергических контактов этого типа (m-синапсы) условием сохранения “3D-образа” является устойчивая проницаемость синапсов по всей совокупности нейрональных контактов, задействованных в формировании “3D-образа”. Условием такого рода состояния является τ_{pH имп} > 1/ω для каждого синапса цепи.

Развитая модель достаточно адекватно описывает поведение холинергических синапсов при отравлении организма отравляющими веществами и пестицидами, терапевтические эффекты “ботокса”, лекарственные эффекты ингибиторов ацетилхолинэстеразы при терапии болезни Альцгеймера.

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ

Работа поддержана Российским научным фондом (грант № 18–13–00030).