Володимир Матвійович Ковальзон, доктор біологічних наук,
провідний науковий співробітник Ін-ту проблем екології та еволюції ім.А.Н.Северцова РАН
У 1880 р. французький лікар Едуард Желино вперше описав важке і невиліковне неврологічне захворювання і назвав його на нарколепсію. Для цієї хвороби характерні раптові напади катаплексії — повного розслаблення скелетних м’язів, коли людина не може ні поворухнутися, ані заговорити, хоча здатність до мимовільного дихання зберігається. Такий напад триває зазвичай декілька хвилин (рідко — до півгодини) і провокується сильними подразниками: збудженням, збентеженням, страхом, гнівом, фізичними вправами, статевими зносинами, але особливо часто — реготом, коли і у здорової людини, як кажуть, “коліна підгинаються”.
У нашій країні це дуже рідкісне захворювання (можливо, просто тому, що його не вміють діагностувати); в Америці таких хворих більше — близько 125 тис. осіб, або 0.5-1 на 1000 жителів (лише в чотири рази менше, ніж “паркинсоников”); найбільше їх у Японії — 1 на 600 чоловік, а менше — в Ізраїлі: кілька чоловік на всю країну, або 1 на 500 тис. жителів, тобто в 100 разів менше, ніж в Японії! Перші симптоми хвороби з’являються в підлітковому або юнацькому віці, наростають протягом року або двох і потім стабілізуються.
Ось вже сорок років як нарколепсія привертає особливу увагу сомнологів — не тільки клініцистів, але і вчених. В одній з наших попередніх публікацій ми розповідали про результати прямого вивчення нейронів головного мозку, які залучені в регуляцію сну-неспання [1]. Тоді було виявлено, що нормальна робота кори великих півкуль (а точніше, таламо-кортикальної системи мозку, що забезпечують весь спектр свідомої діяльності людини, можлива тільки при наявності постійних (тонічних) потужних впливів з боку певних підкіркових структур, званих активують. Завдяки цим діям мембрана більшості кортикальних нейронів під час неспання деполяризована на 5-15 мВ порівняно з потенціалом спокою (-65/-70 мВ). Тільки в такому стані тонічної деполяризації нейрони здатні обробляти інформацію і відповідати на сигнали, що надходять до них від інших нервових клітин, як рецепторних, так і внутрішньомозкових.
Сьогодні відомо, що тонічної систем деполяризації, або активації кори мозку (їх можна умовно назвати “центрами неспання”), кілька — ймовірно, близько десятка. Розташовуються вони на всіх рівнях мозкової осі: в довгастому мозку, ретикулярної формації моста, середнього і проміжного мозку, в області синього плями і дорзальных ядер шва, в задньому гіпоталамусі і базальних ядрах переднього мозку. В якості медіаторів нейрони цих відділів мозку виділяють глютамінову кислоту, ацетилхолін, норадреналін, серотонін і гістамін (рис.1). Активність їх модулюють численні пептиди, що знаходяться в тих же самих синаптичних пухирцях — везикулах. У людини порушення діяльності будь-якої з цих систем не компенсується за рахунок інших, що несумісне з свідомістю і призводить до коми.
Рис.1. Схема розташування “центрів неспання” в головному мозку людини
і впливу на них орексиновых нейронів (показано червоним).
1 — базальні ядра переднього мозку (виділяють ацетилхолін),
2 — ядра заднього гіпоталамуса (виділяють гістамін),
3 — дорзальные ядра шва (виділяють серотонін),
4 — область покришки мосту (виділяє ацетилхолін),
5 — синє пляма (виділяє норадреналін).
Якщо є “центри неспання”, то повинні бути і “центри сну”, спори про яких велися ще з часів В. П. Павлова. В кінці 80-х років XX ст. був, нарешті, знайдений центр звичайного (повільного) сну (рис.2). З’ясувалося, що нейрони, активність яких незначна в пильнуванні, але різко зростає в період звичайного сну і припиняється під час парадоксального, розташовані в передньому гіпоталамусі, в так званому вентро-латеральному преоптическом ядрі, а їх медіатор — гамма-аміномасляна кислота (ГАМК) — головний гальмовий медіатор головного мозку. Цікаво, що болісне безсоння, виникала у хворих вірусним енцефалітом, епідемія якого виникла під час Першої світової війни, пов’язана з ураженням саме цього ядра. Цей синдром описав знаменитий австрійський невролог фон Економо, який перший припустив існування “центру сну” в передньому гіпоталамусі.
Рис.2. Схема розташування центру повільного сну.
Вгорі — неспання, коли центр сну загальмований і ретикулярна формація РФ (центр неспання) активує кору;
внизу — центр сну збуджений, РФ загальмована і кора не активується.
Як уже зазначалося в попередній статті, практично з моменту відкриття парадоксального (швидкого) сну стала зрозумілою його яскраво виражена активна природа. Запускається він з чітко окресленого центру, розташованого в еволюційно давньої, задній частині мозку, в області так званого варолиева мосту. Хімічним передавачем сигналів цих клітин служить в першу чергу ацетилхолін, а також глутамат. Хоча під час парадоксального сну клітини мозку надзвичайно активні, але інформація від “входів” (органів почуттів) до них не надходить і на “виходи” (м’язову систему) не подається. В цьому і полягає парадоксальність такого стану, відображена в його назві. Мабуть, в період швидкого сну інтенсивно переробляється інформація, отримана в попередньому пильнуванні і зберігається в пам’яті. Підтвердженням тому служать емоційно забарвлені сновидіння, що з’являються у людини в парадоксальному сні.
Порушення роботи “центрів сну” спостерігаються при деяких досить рідких видах патології, в тому числі і при нарколепсії. У різних нарколептиков напади відрізняються деякою своєрідністю: одні зберігають повний контакт з навколишнім середовищем — всі чують, всі відчувають, всі пам’ятають, але не можуть реагувати до закінчення нападу; в інших відбувається “відключення” від зовнішнього світу і виникають так звані гіпнагогічні галюцинації — стан, що здорові люди переживають під час засипання і дрімоти; треті переживають яскраві емоційні сновидіння… Більшість нарколептиков погано спить вночі; нічний сон у них роздроблений, фрагментарна, а дельта-сон (глибокі стадії повільного сну) і парадоксальний сон представлені недостатньо. Відповідно, такі хворі відчувають постійну дуже сильну сонливість вдень. Природно, що їм категорично забороняється водити машину; є й інші обмеження у їх професійній діяльності. Від нарколепсії не вмирають, але життя перетворюється на суцільну муку…
До кінця минулого століття нарколепсія залишалася загадковим захворюванням. Які фактори не пропонувалися лікарями як її причини! Одні неврологи відносили її до психосоматичних захворювань; інші вважали одним із проявів шизофренії; треті вважали, що вона є наслідок порушення нейрохимического рівноваги в головному мозку; четверті висували гіпотезу про вірусне походження; а один німецький психоневролог навіть припустив, що нарколепсію викликає надмірна мастурбація в підлітковому віці! Очевидно було одне — у формуванні нарколепсії грають роль як якісь вроджені фактори, так і якісь зовнішні впливи.
Припустили, що хвороба специфічно пов’язана з поломкою системи, запускає парадоксальну фазу сну. В експериментах на кішках ряд дослідників, в тому числі найбільший сомнолог Мішель Жуве з співробітниками, показали, що окремі прояви парадоксального сну (м’язове розслаблення і посмикування, швидкі рухи очей, характерні зміни електричної активності мозку тощо) викликані активністю окремих, просторово розділених груп нервових клітин в “центрі парадоксального сну”. Нагадаємо, що вони перебувають у стародавніх, задніх відділах мозку (латеродорзальной/педункулопонтинной області покришки мосту) і виділяють в якості медіатора (нейропередатчіка) молекули ацетилхоліну. Детальне вивчення нарколептических нападів показало, що в більшості випадків вони являють собою не що інше, як раптове, абсолютно неадекватне включення механізму парадоксального сну прямо з неспання! А різноманітність форм нападів відображає переважне ураження тих чи інших окремих частин цього механізму.
Для розуміння суті таких порушень потрібна була експериментальна модель нарколепсії. Знайшли її випадково: одного разу в середині 60-х років відомий американський сомнолог Вільям Демент, один з першовідкривачів парадоксального (швидкого) сну, учень легендарного Натаніеля Клейтмана, якось розповідав друзям про пацієнтів-нарколептиках, з якими тоді працював в клініці. Раптом один із знайомих вигукнув: “Дозволь, але ж те, що ти так барвисто описуєш, дуже схоже на напади, які я іноді спостерігаю у свого добермана!”.
Дійсно, з ветеринарної та кінологічної літератури з’ясувалося, що у домашніх тварин — собак, корів та коней — зрідка відзначаються катаплексические напади, схожі на нарколепсію людини. У собак ці напади також провокуються емоційним збудженням,
що відбувається під час гри або, найчастіше, при вигляді улюбленої їжі. Захворювання успадковується за так званим аутосомно-рецесивним типом; значить, для отримання стовідсотково хворого потомства необхідно, щоб “нарколептиками” були обоє батьків. Демент і його співробітники з допомогою класичних методів селекції (схрещування і відбору) вивели на “чисту лінію” собак-нарколептиков — доберман-пінчерів і лабрадорів. Незабаром їх було вже ціла зграя.
Вивчення нарколепсії у собак тривало близько 20 років і принесло чимало цікавих результатів. До того часу було відомо, що в самій задній (каудальної частини мозку, довгастому мозку — є особлива група нейронів, що посилають свої довгі відростки, аксони, в спинний мозок, для здійснення функції гальмування довільних рухів. Основний гальмівний медіатор цієї системи — амінокислота гліцин. Коли людина або тварина рухається, ці нейрони майже не розряджаються, у спокої та під сні посилюють частоту розрядів, а в парадоксальному сні, коли з’являються сновидіння і м’язова діяльність повністю пригнічена, вони максимально активні. Якщо якась частина системи зруйнована — будь то в експерименті (у щурів, котів і собак) або в результаті захворювання (у людини), то під час парадоксального сну виникають рухи, відповідні переживаемому сновидіння… Так от, при нападах катаплексії, як і в парадоксальному сні, у собак відзначалися потужні спалахи активності цих нейронів!
Інша група нейронів, розташована трохи вище по мозкової осі і утворює так зване “синє (або блакитне) пляма”, відома тим, що там синтезується майже весь норадреналін мозку — один з найважливіших “медіаторів неспання”.
Норадренергических нейронів в мозку замало, але завдяки своїм потужним “деревоподібним” ветвлениям вони іннервують величезна кількість інших нейронів у всіх частинах мозку. У нейронів синього плями виявили точно такі ж ефекти, хоча і протилежні за знаком. Вони, як і інші аминергические нейрони в “центрах неспання” (серотонінергічні в дорзальных ядрах шва і гістамінергічні — в туберомаммиллярном ядрі заднього гіпоталамуса) виявляли максимальну активність під час неспання, знижували її уві сні і повністю “замовкали” під час сновидінь (парадоксального сну).
У собак під час нарколептических нападів ці нейрони вели себе так само, як при парадоксальному сні, тобто гальмувалися. Активність серотонінергічних нейронів при цьому не припинялася повністю, але сильно слабшала — приблизно як при звичайному (повільному) сні, а гистаминергических — різко зростала, майже до рівня активного неспання (рис.3)! Стало ясно, що норадренергічну і, почасти, серотонінергічні нейрони, відповідальні за придушення м’язового тонусу, а гістамінергічні — за збереження свідомості при катаплексії (собаки в цьому стані здатні стежити очима за рухом об’єктів у полі зору). Отже, припинення активності збудливих норадренергических нейронів та її посилення в гальмівних глицинергических і ГАМК-ергических — саме той механізм, який знімає м’язовий тонус під час парадоксального сну і нападів нарколепсії.
Рис.3. Електроенцефалограми головного мозку собаки-нарколептика.
Вгорі — під час неспання; в середині — у нападі катаплексії; внизу — в стані звичайного (повільного) сну. Рожевим показана електрична активність мозку (ЕЕГ, верхня крива), очей (ЕОМ, середня крива) і м’язів шиї (ЕМГ, нижня крива); внизу — тільки ЕЕГ і ЕМГ. Праворуч показано, як працюють при цьому поодинокі нейрони — гистаминергический (зеленим) і норадренергический (синім).
Так було зовсім виразно показано, що напади нарколепсії з усіма притаманними їм проявами є, по суті, не що інше, як “пароксизми”, тобто раптові неадекватні включення нейронного центру парадоксального сну під час неспання. Інакше кажучи, у нашому мозку є гальмівний механізм, який не дозволяє нам під час неспання разом “відключатися” від зовнішнього світу і бачити сни. Поломка цього механізму з якихось причин і призводить до нарколептическим нападів… Проте в чому саме вона полягає — залишалося невідомим.
З часів Желино патологоанатоми шукали зміни в головному мозку нарколептиков, які можна було б пов’язати з розвитком цього захворювання. Однак столітні зусилля залишалися марними. В останні 20 років американські дослідники (Білл Демент, Крістіан Гийемино і Еммануель Мінье) та французькі фахівці з лабораторії Демента в Лос-Анджелесі, а також група Томаса Килдаффа в Стенфордському університеті (Сан-Дієго) виявили підвищений вміст основних нейропередатчиков і їх рецепторів у різних відділах головного мозку у собак-нарколептиков.
Нарешті, на початку 90-х років подібні біохімічні та морфологічні зміни знайшли і в мозку хворих людей при посмертному розтині…
Рецепторні білки являють собою “молекулярні замочки”, розташовані на клітинній поверхні. А ключі до цих замочків — нейропередатчики (медіатори), називаються лігандами. Якщо ключ підходить (т. е. відбувається ліганд-рецепторне взаємодія), то або різко змінюється стан клітинної мембрани — відкриваються одні і закриваються інші канали, що регулюють потоки іонів (Na+, K++, Ca++, Cl-) всередину і назовні клітини, або змінюється стан її генетичного апарату — посилюється або слабшає синтез якогось специфічного білка. Відповідно змінюється здатність нейрона відповідати на сигнали, що надходять від інших клітин: вони посилають свої імпульси третім клітинам.
Служать виявлені зміни причиною або наслідком захворювання? Неможливо було відповісти на ці питання, поки у нейробіології не відбулася революція, пов’язана з появою молекулярно-генетичних методів. Після публікації частково розкритого геному собаки Мінье і його співробітники зуміли знайти в одній з хромосом мутацію, імовірно відповідальну за нарколепсію [2]. Однак і це ще не розкривало її механізм. Розгадка, як завжди, прийшла несподівано і стала останньою сенсацією в ряду видатних відкриттів нейробіології XX ст.
У 1998 р. велика група авторів, перші серед яких Луїс Делиси і вже згадуваний Тому Килдафф, опублікувала статтю про присутність в гіпоталамусі матричної РНК (мРНК), кодує білок, що містить два схожих пептиду з невідомими раніше амінокислотними послідовностями [3]. Їх назвали гипокретинами (Гіпоталамічними сеКРЕТИНАМИ), так як спочатку прийняли за представників групи кишкових гормонів секретинов (надалі це подібність спростували). Одночасно група японських дослідників з Техаського університету, яка займалася пошуком лігандів до “сирітським” рецепторів (тобто “підбором ключів до знайдених замків”), знайшла в гіпоталамусі два близьких за будовою пептиду і назвала їх орексинами А і Б (від грец. orex — апетит). Виявилося, що гипокретины 1 і 2 і орексины А і Б — одні і ті ж речовини. Були виявлені два рецептора до орексинам/гипокретинам і кодують їх гени. Рецептор 1-го типу вибірково зв’язується з орексином-А, а 2-го — з обома пептидами. Спочатку вважали, що ці пептиди відіграють важливу роль у регуляції харчової поведінки, так як тіла нейронів, аксони яких виділяють орексин/гипокретин, розташовуються в глибині головного мозку, поблизу так званого “харчового центру”. Там знаходяться клітини, що беруть участь у регуляції голоду і насичення. Однак зараз ця роль поставлена під сумнів [4].
Орексины-гипокретины являють собою олігопептиди; в орексине А — 33 амінокислотних залишку, а в орексине Б — 28. У першого (А) згорнута (петлеподібний) просторова структура, яка утримується дисульфідними містками. Другий (Б) має лінійну структуру. Обидва пептиду утворюються в організмі в результаті розщеплення одного білка-попередника, пре-прогипокретина. Подібно аминергическим нейронів (наприклад, клітин синього плями), орексинергические нейрони досить нечисленні (в полутораграммовом мозку щура їх всього 1700, а в тисячу разів більше за вагою мозку людини — близько 80 тис.). Однак їх довгі відростки — аксони — сильно гілкуються, иннервируя безліч клітин в самих різних відділах мозку, виділяють всі основні медіатори: ацетилхолін, глутамат, ГАМК, мозкові аміни… Цікаво, що з ГАМК-ергическими нейронами “центру повільного сну” в вентролатеральном преоптическом ядрі, розташованому в безпосередній близькості від орексиновых нейронів латерального і вентро-медіального гіпоталамуса, орексиновые нейрони виявилися зовсім не пов’язані [5]!
У більшості нейронів орексин присутній разом з іншим пептидом — динорфином. У всіх орексиновых клітинах гіпоталамуса є особливий секретируемый нейрональний білок NARP (“пентраксин, що регулює нейронну активність”). Він пов’язаний з регуляцією синапсів і кодується одним з “негайних ранніх генів”, які швидко експресуються (активуються) в нейронах при підвищенні їх метаболічної активності. У числі інших орексинергические нейрони проектуються і на норадренергічну клітини синього плями, викликаючи їх деполяризацію — активацію, “подбуживание”. При недостатньої активації нейрони синього плями можуть раптово “замовкати” не тільки під час парадоксального сну (як їм належить), але і при пильнуванні, викликаючи напади нарколепсії [6].
Мінье і його команда виявили, що у собак з-за мутації гена,
кодує один з двох рецепторів орексина, молекула білка NARP втрачає здатність зв’язуватися з своїм лігандом. В цей же час група дослідників з Медичного інституту Говарда Хьюза при Техаському університеті в Далласі, використовуючи опубліковану карту геному мишей, зуміла вивести лінію, у якої з рецепторами орексина було все в порядку, але сам ліганд — орексин — не виділявся. Ці штучно виведені миші також послужили моделлю нарколепсії — у них відзначалися подібні явища.
Хоча прояви нарколепсії у людини і у собаки в цілому майже тотожні, у відношенні подібності їх механізмів виникли серйозні сумніви. Досить сказати, що “собача нарколепсія” — чисто генетичне захворювання, а людська — зовсім ні! Вона не передається у спадок, її не можна назвати сімейним або спорідненим захворюванням. Якщо один з однояйцевих близнюків страждає нарколепсією, то у другого подібна хвороба спостерігається лише в 25% випадків! Отже, у людини, на відміну від собаки, спадковість лише визначає деяку схильність до хвороби, але зовсім її не гарантує [7]. Отже, є ще якийсь ключовий фактор, не пов’язаний з генетичними явищами, руйнує орексиновую систему у людини і таким чином імітує вищеописані мутації у тварин.
У 1999 і 2000 рр. з’явилися повідомлення про те, що нарколепсія, можливо, аутоімунне захворювання, подібне добре відомому паркінсонізму, при якому імунна система помилково атакує деякі клітини мозку, сприймаючи їх як чужорідні. Ще в 1984 р. з’ясувалося, що у 90% нарколептиков є особлива різновид групи генів лейкоцитарного антигену людини (HLA), а в цілому у населення ця різновид зустрічається лише в 25% випадків. Білки, що кодуються генами цій галузі, беруть участь у пред’явленні антигенів клітинам імунної системи, і багато імунні захворювання пов’язані з однією або кількома різновидами (гаплотипами) групи HLA.
Посмертне вивчення мозку нарколептиков з допомогою новітніх імуногістохімічних методів антигенного відновлення, проведене в лабораторії відомого сомнолога Джерома Зигеля з Лос-Анджелеса, виявило катастрофічну втрату 90% орексинергических нейронів і їх аксонів, особливо в тих областях, де спостерігалася висока насиченість рецепторів 2-го типу. Аналіз крові нарколептиков також показав, що концентрація орексина у них нижче рівня чутливості методу (0,5 пг/мл), тоді як у здорових людей в пильнуванні вона становить 50 пг/мл Стало ясно, що, на відміну від експериментальної нарколепсії у собак, що викликається певною точковою мутацією гена рецептора орексина 2-го типу, у людини нарколепсія — аутоімунне захворювання [8]. Але яка речовина служить тим антигеном, проти якого повстає” імунна система мозку людини, попутно вражаючи орексиновые клітини — залишається невідомим. Однак ця задача вже не нейрофізіології, нейрохімії та нейроанатоміі, а нейроімунології. Представники перших трьох наук в найближчі роки, очевидно, продовжать вивчення орексиновой системи “по вертикалі і горизонталі”, тобто її формування в ході онтогенезу (індивідуального розвитку) і порівняльне її вивчення у тварин, що стоять на різних рівнях розвитку, для реконструкції можливого ходу еволюції цієї системи мозку.
Відкриття орексиновой системи — найбільше досягнення нейробіології, яким вона завершила XX століття, настільки багатий для неї революційними успіхами. Природа нарколепсії, хвороби, залишалася загадкою протягом 120 років, було розкрито всього за 2.5 року, продемонструвавши всю міць і гнучкість сучасної науки. Ця історія ще раз (вже!) доводить, що, здавалося б, далекі від практичних завдань роботи у фундаментальній науці сприяють значним досягненням в медицині: розкриття істинних причин тяжких захворювань, нових методів діагностики і лікування, принципово нових лікарських засобів. І навпаки, “економія” на фундаментальних дослідженнях, які здаються невігласам занадто “абстрактними”, призводить до повного припинення будь-якого прогресу в прикладних дослідженнях, до їх повної зупинки “в бессильи розумового глухого кута”…
Література
1. Ковальзон В. М. Природа сну // Природа. 1999. №8. С. 172-179.
2. Mignot E. // Sleep Medicine. 2000. V. 1. №1. P. 87-90.
3. Kilduff T. S., Peyron C. //TINS. 2000. V. 23. №8. P. 359-365.
4. John J. et al. // Neuron. 2004. V. 42. №5. P. 619-634.
5. Scammel T. E. // Current Biology. 2001. V. 11. P. R769-R771.
6. Ferguson A. V., Samson W. K. // Frontiers in Neuroendocrinology. 2003. V. 24. №1. P. 141-150.
7. Siegel J. M. // Annual Review of Psychology. 2004. V. 55. №2. P. 125-148.
8. Siegel J. M. et al. // Neuropsychopharmacology. 2001. V. 25. №S5. P. S14-S20.
http://vivovoco.rsl.ru
