Мозг человека — сложная сеть из миллиардов нервных клеток, которые общаются друг с другом с помощью химических веществ. Одни из самых известных таких веществ — серотонин и ацетилхолин. Серотонин часто называют «гормоном счастья», но на самом деле он управляет настроением, памятью и обучением. Ацетилхолин помогает мозгу реагировать на важные события. Долгое время считалось, что эти системы работают независимо. Новое исследование учёных из Еврейского университета в Иерусалиме и Университета Стоуни-Брук показало, что ацетилхолин может напрямую «включать» выброс серотонина в определённых участках мозга. Причём делает это настолько сильно, что напоминает захват управления. Полученные данные помогают понять, почему при некоторых психических расстройствах, например при обсессивно-компульсивном расстройстве, у человека возникают трудно контролируемые повторяющиеся действия.

 

Глубинная зона мозга, отвечающая за привычки

В головном мозге есть структура, которая называется стриатум. Она расположена глубоко и играет роль центрального узла для обработки привычек, движений и целенаправленного обучения. Стриатум можно разделить на две части: верхнюю (дорсальную) и нижнюю (вентральную). Верхняя часть больше связана с двигательными навыками и формированием привычек, нижняя — с эмоциями и мотивацией. Внутри стриатума работают особые клетки — холинергические вставочные нейроны. Они выделяют ацетилхолин, который действует как ключ, открывающий замок на поверхности других клеток. Эти нейроны учёные называют «местными дирижёрами»: они управляют потоком информации внутри небольшого участка мозга.

 

Как учёные заставили серотонин светиться

Чтобы увидеть, как ацетилхолин влияет на серотонин, исследователи применили хитрый генетический метод. Они ввели в мозг мышей безвредный вирус, который заставил клетки производить особый зелёный белок. Этот белок начинал светиться только в тот момент, когда к нему присоединялся серотонин. Затем учёные поместили тончайшие срезы мозга под мощный микроскоп.

Когда они подавали короткие электрические импульсы, зелёное свечение резко усиливалось — это означало выброс серотонина. Свечение медленно угасало в течение нескольких десятков секунд, пока вещество естественным образом разрушалось. Чтобы убедиться, что это именно серотонин, а не дофамин, ткань обработали дофамином — свечение не изменилось. Затем применили распространённый антидепрессант, который замедляет обратный захват серотонина, — сигнал затухал медленнее. Так команда подтвердила точность своего метода.

 

Ацетилхолин берёт управление на себя

На следующем этапе учёные добавили в ткань вещество, которое блокирует никотиновые рецепторы ацетилхолина — замки, через которые ацетилхолин передаёт сигнал. Количество высвобождаемого серотонина резко упало. Значит, ацетилхолин был главным двигателем этого выброса. Чтобы доказать, что источник ацетилхолина — именно те самые вставочные нейроны, команда использовала оптогенетику. Это метод, при котором клетки модифицируют так, что они активируются от вспышки света.

Учёные направили синий свет на ткань — холинергические нейроны сработали одновременно, и серотонин хлынул потоком. Затем исследователи добавили смесь веществ, блокирующих рецепторы других нейромедиаторов, например глутамата. Выброс серотонина остался прежним. Но как только снова заблокировали рецепторы ацетилхолина — свечение полностью исчезло. Стало ясно: только эти нейроны целиком отвечают за локальный выброс серотонина.

 

Тонкая настройка: для каждой зоны — свой сценарий

Интересный поворот произошёл, когда те же опыты повторили в нижней части стриатума. Там волокон, выделяющих серотонин, гораздо больше, чем в верхней. Казалось бы, связь с ацетилхолином должна быть ещё крепче. Но блокирующий ацетилхолин препарат вообще не повлиял на уровень серотонина в нижней зоне. Это открытие показало, что взаимодействие двух систем строго локализовано. Плотность серотониновых волокон не определяет силу химической реакции — всё решает конкретный участок мозга.

 

Избыточный сигнал при навязчивых состояниях

Чтобы понять, как этот механизм работает при болезни, учёные взяли мышей, у которых отсутствовал ген, связанный с развитием обсессивно-компульсивного расстройства. Такие мыши, например, вылизывают себя до ран — это напоминает повторяющиеся ритуалы у людей с ОКР. Ранее было известно, что в стриатуме этих мышей слишком много ацетилхолина. Когда исследователи применили электрическую стимуляцию к срезам их мозга, выброс серотонина оказался огромным — гораздо сильнее, чем у обычных мышей. Но стоило заблокировать рецепторы ацетилхолина — разница исчезла.

Фоновая серотониновая система была в норме, но именно избыток ацетилхолина «разгонял» её до критического уровня. Как отметили авторы работы, в норме такая координация помогает организму, но при сбое холинергической системы она превращается в фактор, закрепляющий нежелательное поведение.

 

Что это даёт медицине и где пока остаются вопросы

Современные лекарства от ОКР обычно воздействуют на серотонин по всему мозгу, что ведёт к побочным эффектам. Понимание того, что ацетилхолин управляет серотонином лишь в определённых зонах, открывает путь к более точным методам лечения. Можно будет влиять именно на участки, ответственные за навязчивые действия, не затрагивая весь мозг. Однако исследование проводилось на изолированных срезах мозга, и пока неясно, как этот механизм работает у живых животных и тем более у людей. Учёные предполагают, что в естественной среде запустить такой «захват» может сильный стресс или яркое событие.

Будущие эксперименты должны проверить, происходит ли подобное у человека и не играет ли аномальная холинергическая активность роль в развитии болезни Паркинсона. Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, даёт чёткое представление о том, как разные химические системы мозга могут «перехватывать» управление друг у друга. Этот шаг приближает учёных к созданию более умных и безопасных лекарств.