Феномен аксонного транспорта был открыт более 30 лет назад П. Вейсом (P. Weiss) и его сотрудниками из Чикагского университета. До этого все считали, что аксоплазма - желеобразная жидкость внутри аксона - служит лишь неподвижной механической опорой для возбудимой мембраны, по которой распространяется нервный импульс. Но когда Вейс пережал аксон в определенной точке, он отметил, что через несколько дней волокно разбухло около места сжатия со стороны тела клетки и сузилось с противоположной стороны. Когда же он устранил сжатие, задержанная аксоплазма возобновила свое течение.
Аксонный транспорт обеспечивает передвижение компонентов клетки, таких, как пузырьки и ферменты, от места их образования в теле нейрона к окончанию аксона на расстояние в несколько миллиметров или сантиметров. В обратном направлении - от окончаний аксона к телу клетки-переносятся вещества, нужные для поддержания нормального состояния нейрона. Аксонный транспорт можно использовать, чтобы проследить ход проводящих путей, наблюдая за движением вдоль аксонов меченных изотопами молекул или таких ферментов, как пероксидаза хрена.
Известно, что аксоплазма служит артерией для оживленного движения молекул в обе стороны между телом нервной клетки и окончаниями ее аксона. В этом принимают участие несколько разных систем, в том числе система медленного транспорта, когда вещество течет от тела клетки со скоростью около одного миллиметра в сутки, и система быстрого транспорта, когда вещество движется в обе стороны со скоростью от 10 до 20 сантиметров в сутки. Система медленного транспорта - это течение основной массы аксоплазмы с переносом компонентов, играющих важную роль в росте и регенерации аксона; система быстрого транспорта охватывает движение более специализированных компонентов клетки, к которым относится ряд ферментов, участвующих в выработке медиаторов.
Пока еще не ясно, как достигаются эти разные скорости транспорта, но, по-видимому, и в медленном и в быстром механизмах участвуют многочисленные фибриллярные белки аксона, видимые на электронных микрофотографиях. Прослеживая транспорт белков с радиоактивной меткой вдоль аксона, удалось точно установить анатомические связи между нейронами в головном мозгу. При помощи фермента пероксидазы хрена, который обладает особым свойством быстро передвигаться по аксону в ретроградном направлении, можно составить карту связей между окончаниями нейрона в одном участке мозга и телом клетки - в другом.
Исследовать функциональный химизм головного мозга чрезвычайно трудно. Дело не только в том, что медиаторные вещества содержатся в нем в ничтожно малых количествах, но и в том, что ткань мозга структурно и химически очень сложна, и выделить для исследования определенную медиаторную систему не легко. Однако для преодоления этих устрашающих препятствий разработаны новые методики. Большой шаг вперед был сделан в начале 1960-х годов благодаря открытию В. Уиттейкера (V. Whittaker) из Кембриджского университета и Э. де Робертиса (Е. de Robertis) из Университета в Буэнос-Айресе. Оно заключается в том, что при осторожном разрушении ткани мозга путем гомогенизации в растворе сахарозы многие нервные окончания отрываются от своих аксонов и образуют особые замкнутые частицы, названные "синаптосомами". Синаптосомы содержат механизмы синтеза, хранения, высвобождения и инактивации медиатора, связанные с нервным окончанием; центрифугированием их можно очистить от других компонентов нейрона. Эта методика дала нейрохимикам возможность изучать механизмы синаптической передачи в пробирке.
Пожалуй, самым плодотворным методическим достижением явилась разработка приемов, позволяющих избирательно окрашивать нейроны, содержащие определенный медиатор. Один из подходов к этому состоит в том, что естественный медиатор преобразуется в его флуоресцирующее производное, которое светится в ультрафиолетовых лучах флуоресцентного микроскопа. Другой подход состоит в том, что в головной мозг подопытного животного вводят молекулы медиатора с радиоактивной меткой, которые избирательно захватываются нейронными окончаниями, выделяющими этот медиатор; такие содержащие метку окончания можно затем обнаружить, поместив тонкие срезы ткани на чувствительную пленку. Третий подход использует высокую специфичность антител. Фермент, участвующий в синтезе данного медиа-гора, выделяют из ткани мозга и вводят в организм животного, где он вызывает образование антител, способных специфически реагировать с данным ферментом. Затем антитела подвергают очистке, метят флуоресцирующим красителем или используют какую-либо другую метку и применяют для избирательного окрашивания нейронов, содержащих данный фермент.
Эти методики избирательного окрашивания позволили получить поток сведений о детальном анатомическом распределении отдельных медиаторов в сложных нейронных цепях головного мозга. Они показали, что медиаторы распределены не диффузно по всей ткани мозга, а в высшей степени локально в ограниченных центрах и путях. Из всех медиаторов наиболее полно составлены карты для моноаминов - норадреналина, дофамина и серотонина (названных так. потому что все они содержат по одной аминогруппе). Б. Фальк (В. Falck) из Лундского университета и Н. Хжлларп (N. Hillarp) из Каролинского института в Швеции впервые показали, что воздействуя формальдегидом или глиоксиловой кислотой, можно превратить эти медиаторы в их флуоресцирующие производные, и тогда нейроны, содержащие моноамины, дают зеленую или желтую флуоресценцию. Такие работы показали, что многие содержащие норадреналин клетки мозга сосредоточены в стволе и образуют скопление, известное как locus coeruleus. Аксоны этих нейронов сильно ветвятся и проецируются в различные области гипоталамус, мозжечок и передний мозг. Норадреналиновые нейроны оказались причастными к поддержанию бодрствования, к системе поощрения (центр удовольствия), к сновидениям и к регуляции настроения.
Нейроны, содержащие моноамин дофамин, сосредоточены в областях среднего мозга, известных под названиями substantia nigra и вентральной покрышки. Многие содержащие дофамин нейроны посылают свои аксоны в передний мозг, где, как предполагают, участвуют в регуляции эмоциональных реакций. Другие дофаминовые волокна оканчиваются в головном мозгу, в области полосатого тела. Здесь дофамин, очевидно, играет решающую роль в регуляции сложных движений. Дегенерация приходящих в эту область дофаминовых волокон приводит к ригидности мышц и тремору, столь характерным для болезни Паркинсона.
Моноаминовый медиатор серотонин сосредоточен в области ствола мозга, где находятся так называемые "ядра шва". Нейроны этого центра проецируются в гипоталамус, таламус и многие другие области мозга. Как полагают, серотонин участвует в терморегуляции, сенсорном восприятии и засыпании.
Идентифицировано еще много других медиаторов, часть из них считаются "предполагаемыми", поскольку их причастность к синаптической передаче в мозгу еще не доказана. Так, например, некоторые аминокислоты - блоки, из которых построены белки, - по-видимому, действуют как медиаторы. Обычно содержащиеся в организме в большом количестве аминокислоты - глутаминовая и аспарагиновая - оказывают сильное возбуждающее действие на большинство нейронов, и весьма возможно, что они являются наиболее распространенными возбудительными медиаторами в синапсах головного мозга. Известно, что самая простая из всех аминокислот, глицин, служит тормозным медиатором в спинном мозгу.
Медиаторы представляют собой вещества, молекулы которых имеют небольшой размер и положительно заряженный атом азота. Каждое такое вещество оказывает характерное либо возбуждающее, либо тормозное действие на нейроны; правда, есть медиаторы, которые действуют как возбуждающие в одной области мозга и как тормозные в другой. Принадлежность гистамина и таурина к медиаторам точно не доказана. Согласно принципу Дэйла, на всех окончаниях одного аксона выделяется один и тот же медиатор. Однако недавно обнаружены исключения из этого правила.
Дофаминовые проводящие пути показаны на рисунке схематически. Тела нейронов, содержащих дофамин, образуют скопления в двух небольших участках среднего мозга - substantia nigra и покрышке. От этих нейронов отходят широко ветвящиеся волокна, которые оканчиваются в полосатом теле, регулирующем двигательную активность, и в лимбической системе переднего мозга, связанной с эмоциями. Небольшая группа дофаминовых нейронов в гипоталамусе регулирует также секрецию гормонов гипофизом. Дофамин связывают с двумя заболеваниями: дефицит медиатора в полосатом теле создает ригидность и тремор, характерные для болезни Паркинсона, а избыток дофамина в лимбической системе переднего мозга, возможно, причастен к шизофрении.