Чтобы провести сигнал от предшествующей клетки до последующей, нейрон генерирует электрические сигналы внутри себя. Твои движения глазами при чтении этого абзаца, ощущение мягкого кресла под попой, восприятие музыки из наушников и многое другое основаны на том, что внутри тебя проходят сотни миллиардов электрических сигналов. Такой сигнал может зародиться в спинном мозге и пройти до кончика пальца ноги по длинному аксону. Или может преодолеть ничтожно малое расстояние в глубинах мозга, ограничиваясь пределами интернейрона с короткими отростками. Любой нейрон, получивший сигнал, прогоняет его через свое тело и выросты, и этот сигнал имеет электрическую природу.
Еще в 1859 году ученые смогли измерить скорость, с которой передаются эти электрические сигналы. Оказалось, что электричество, передаваемое по живому аксону, принципиально отличается от электрического тока в металлах. По металлическому проводу электрический сигнал передается со скоростью, близкой к скорости света (300 000 километров в секунду), ведь в металле много свободных электронов. Однако, несмотря на эту скорость, сигнал ощутимо ослабевает, преодолевая большие расстояния. Если бы по аксонам сигналы передавались тем же способом, которым передаются в металлах, то нервный импульс, идущий от нервного окончания в коже большого пальца твоей ноги, полностью затухал бы, не достигая твоего мозга — электрическое сопротивление органической материи слишком велико, а сигнал слишком слаб.
Исследования показали, что электричество передается по аксонам намного медленнее, чем по проводам, и что в основе этой передачи лежит неизвестный ранее механизм, в результате которого сигнал распространяется со скоростью около 30 метров в секунду. Электрические сигналы, идущие по нервам, в отличие от сигналов, идущих по проводам, не ослабевают по ходу своего движения. Причина этого в том, что нервные окончания не пропускают через себя сигнал пассивно, просто позволяя имеющимся в них заряженным частицам передавать его друг другу. Они являются в каждой своей точке активным излучателем этого сигнала, ретранслируя его, и подробное описание этого механизма потребует отдельной главы. Таким образом, пожертвовав высокой скоростью проведения нервных импульсов, за счет активной передачи сигнала нейрон получает гарантию того, что возникший в большом пальце ноги сигнал достигнет спинного мозга, нисколько не ослабев.
Чтобы наблюдать прохождение электрической волны возбуждения, или потенциала действия (action potential [‘ækʃən pə’tenʃəl] ), в живой клетке, достаточно простого устройства: один конец тонкой металлической проволоки помещается на наружную поверхность аксона сенсорного нейрона кожи, а другой подводится к самописцу, чертящему линию вверх при усилении сигнала, и вниз — при ослаблении. Каждое прикосновение к коже вызывает один или несколько потенциалов действия. При возникновении каждого потенциала самописец рисует узкий длинный пик.
Потенциал действия сенсорного нейрона длится всего лишь около 0,001 секунды и включает две фазы: быстрого нарастания, достигающего пика, а затем почти столь же быстрого спада возбуждения, приводящего к исходному положению. И тут самописец сообщает неожиданный факт: все потенциалы действия, возникающие в одной и той же нервной клетке, примерно одинаковы. Это можно увидеть на картинке слева: все пики, нарисованные самописцем, имеют примерно одну и ту же форму и амплитуду независимо от того, насколько сильным или продолжительным было прикосновение к коже, их вызвавшее. Слабое поглаживание или ощутимый щипок будут переданы потенциалами действия одной и той же величины. Потенциал действия представляет собой постоянный сигнал, подчиняющийся принципу «все или ничего»: после превышения раздражителем некоего порогового значения возникает всегда примерно одинаковый сигнал, не больше и не меньше обычного. А если раздражитель меньше порогового значения, то сигнал вовсе не будет передаваться: например, можно так легко коснуться кожи кончиком пера, что это прикосновение не будет чувствоваться.
Принцип «все или ничего» в возникновении потенциала действия вызывает новые вопросы. Как сенсорный нейрон сообщает о силе раздражителя - сильное или слабое давление, яркий или тусклый свет? Как он сообщает о продолжительности действия раздражителя? Наконец, как нейроны отличают один тип сенсорной информации от другого - например, как они отличают прикосновение от боли, света, запаха или звука? И как они отличают сенсорную информацию для восприятия от моторной информации для действия?
Эволюция решила вопрос о том, как сообщить о силе раздражителя, с помощью использования одного и того же вида сигналов одной и той же величины: эта сила определяется частотой (frequency [‘friːkwənsɪ] ), с которой испускаются потенциалы действия. Слабый раздражитель, например легкое прикосновение к руке, приводит к испусканию всего двух-трех потенциалов действия в секунду, в то время как сильное давление, как при щипке или ударе по локтю, может вызвать очередь из сотни потенциалов действия в секунду. При этом продолжительность ощущения определяется продолжительностью возникновения потенциалов действия.
Используют ли нейроны разные электрические коды, сообщая мозгу, что несут информацию о разных раздражителях, таких как боль, свет или звук? Оказалось, что нет! Это удивительно, но между потенциалами действия, генерируемыми нейронами из различных сенсорных систем (например, зрительной или тактильной), разница весьма незначительна! Таким образом, характер и природа ощущения не зависят от различий в потенциалах действия (что открывает довольно захватывающую перспективу для размышлений на тему «матрицы» из одноименного фильма). Нейрон, передающий слуховую информацию, устроен точно так же, как нейрон из зрительной нервной цепи, и проводят они одни и те же потенциалы действия, одним и тем же способом. Без знания, к какой нервной цепи принадлежит конкретный нейрон, только по анализу его функционирования невозможно определить, какую информацию он несет.
Природа передаваемой информации зависит прежде всего от типа возбуждаемых нервных волокон и специфических систем мозга, с которыми эти волокна связаны. Ощущения каждого типа передаются по своим проводящим путям, и разновидность передаваемой нейроном информации зависит именно от пути, в состав которого входит этот нейрон. В любом сенсорном проводящем пути информация передается от первого сенсорного нейрона (рецептора, реагирующего на внешний раздражитель, например прикосновение, запах или свет) к специализированным нейронам в спинном или головном мозге. Таким образом, зрительная информация отличается от слуховой лишь тем, что передается по другим проводящим путям, начинающимся в сетчатке глаза и заканчивающимся в участке мозга, который отвечает за визуальное восприятие.
Сигналы, посылаемые от моторных нейронов мозга к мышцам, также почти идентичны передаваемым по сенсорным нейронам от кожи в мозг. Они подчиняются тому же принципу «все или ничего», так же передают интенсивность сигнала с помощью частоты потенциалов действия, и так же результат сигнала зависит только от того, в какую нервную цепь включен этот нейрон. Таким образом, быстрая череда потенциалов действия, идущая по определенному проводящему пути, вызывает именно движение твоих пальцев, а не, скажем, восприятие разноцветных огней, лишь потому, что данный путь связан с мышцами рук, а не с сетчаткой глаз.
Универсальность потенциалов действия не ограничивается схожестью их проявления в разных нейронах, находящихся в пределах одного организма. Они настолько одинаковы у разных животных, что даже умудренный опытом исследователь не способен точно отличить запись потенциала действия нервного волокна кита, мыши, обезьяны или его научного руководителя. Тем не менее потенциалы действия в разных клетках не являются идентичными: небольшая разница в их амплитуде и длительности все же есть, и утверждение «все потенциалы действия одинаковы» так же неточно, как и «все бугенвиллии одинаковы».
Итак, каждый нейрон передает сигнал через свое тело и отростки одним и тем же образом. Все разнообразие информации, получаемой нами от сенсорных нейронов, все движения, которые может совершать наше тело — результат передачи единственного типа сигналов внутри нейронов. Осталась «мелочь»: понять, что же это за сигнал и как он передается.
Мы привычно отделяем все, что считаем живой природой, в том числе и себя самих, от «неживых» вещей, в том числе металлов и передающегося через них электрического тока. Тем удивительнее осознавать, что в наших телах металлы не просто присутствуют — они необходимы, без них тело не сможет существовать. Электрический ток — явление не разовое, а непрерывно возникающее в сотне миллиардов нейронов, пронизавших своими отростками все наше тело. Прямо сейчас ты можешь ощутить самые разные признаки его присутствия: то, что ты осознаешь этот текст, есть результат бесчисленных передач электрического тока. Чувство голода и удовольствие от запаха готовящейся еды, само восприятие этого запаха, прикосновение залетевшего в окно ветра к твоей коже… Перечислять можно бесконечно. И желание понять, каким же образом все это происходит, также складывается из возникающих в нейронах электрических импульсов.
Так как целью этой главы является сообщение лишь самой общей информации о прохождении нервного импульса, то здесь же необходимо рассмотреть ту среду, в которой он возникает, те условия в клетке, которые делают возможным его возникновение и передачу. Поэтому стоит начать с изучения плацдарма, на котором будут развиваться события, а именно с нейрона в состоянии покоя (dormant state [‘dɔːmənt steɪt] ).
Еще в середине прошлого века ученые нашли способ установить, в какой части нейрона существует электрический заряд. Для этого используют вольтметр (voltmeter [‘vəultˌmiːtə] ) (прибор для измерения напряжения электрического поля) с двумя электродами. Один электрод помещают внутрь нейрона, располагая его близко к клеточной мембране, а второй электрод находится в окружающей нейрон среде, с другой стороны той же мембраны. Вольтметр показывает, что с разных сторон клеточной мембраны существуют электрические заряды , отрицательный внутри клетки и положительный снаружи. Существование таких разнополюсных электрических зарядов по обе стороны мембраны создает электрическое поле, важной характеристикой которого является потенциал . Потенциал, говоря простым языком, это способность совершать работу, например работу по перетаскиванию заряженной частицы с места на место. Чем больше отрицательных зарядов накопилось по одну сторону, и чем больше положительных — по другую сторону мембраны, тем сильнее создаваемое ими электрическое поле, и тем с большей силой они способны перетаскивать туда-сюда заряженные частицы. Разницу между внешним и внутренним электрическими зарядами называют мембранным потенциалом (membrane potential [‘membreɪn pə’tenʃəl] ) покоя. Для нейрона он равен примерно 70 мВ (милливольт), то есть 70 тысячных вольта или семь сотых вольта. Для сравнения, разность потенциалов в батарейке АА равна 1,5 вольта — в 20 раз больше. То есть мембранный потенциал покоя нейрона всего лишь в 20 раз слабее, чем между клеммами батарейки АА — довольно большой, получается. Электрический потенциал существует только на мембране, и в других своих частях нейрон электрически нейтрален.
Если написать более точно, то мембранный потенциал покоя нейрона равен -70 мВ (минус семьдесят милливольт). Знак минус означает лишь то, что отрицательный заряд находится именно внутри клетки, а не снаружи, и таким образом создаваемое электрическое поле способно перетаскивать через мембрану внутрь клетки положительно заряженные ионы.
Действующие лица в создании мембранного потенциала покоя:
1 . В клеточной мембране нейрона существуют каналы, по которым несущие электрический заряд ионы могут путешествовать сквозь нее. При этом мембрана не является всего лишь пассивной «перегородкой» между внутренней средой нейрона и окружающей его межклеточной жидкостью: специальные белки, внедренные в плоть мембраны, открывают и закрывают эти каналы, и таким образом мембрана контролирует прохождение ионов — атомов, имеющих электрический заряд. Накапливая отрицательно заряженные ионы внутри клетки, нейрон увеличивает количество отрицательных зарядов внутри, тем самым приводя к увеличению положительных зарядов снаружи, и таким образом усиливается электрический потенциал. Так как протон имеет положительный заряд, а электрон отрицательный, то при избытке протонов получается положительно заряженный ион, а при избытке электронов — отрицательно заряженный. Если хочется более подробной информации об атомах и ионах, можно вернуться в . Важно понимать, что мембранный потенциал существует именно на границе клеточной мембраны, а жидкости в целом внутри и вне нейрона остаются электрически нейтральными. Ионы, для которых мембрана проницаема, остаются вблизи нее, поскольку положительные и отрицательные заряды взаимно притягиваются друг к другу. В результате снаружи мембраны образуется слой «сидящих» на ней положительных ионов, а внутри — отрицательных. Таким образом, мембрана играет роль электрической емкости, разделяющей заряды, внутри которой есть электрическое поле. Мембрана, поэтому, является природным конденсатором.
2 . отрицательно заряженные протеины , находящиеся внутри нейрона возле внутренней поверхности мембраны. Заряд протеинов всегда остается одним и тем же и является только частью общего заряда внутренней поверхности мембраны. В отличие от ионов, протеины не могут выходить из клетки и заходить в нее — для этого они слишком большие. Общий заряд меняется в зависимости от количества находящихся возле мембраны положительно заряженных ионов, концентрация которых может меняться за счет их перехода из клетки наружу, и извне вовнутрь.
3 . положительно заряженные ионы калия (К +) могут свободно перемещаться между внутренней и внешней средой, когда нейрон находится в состоянии покоя. Перемещаются они через постоянно открытые проточные калиевые каналы (flow potassium passage ), через которые могут пройти только ионы К + , и ничто другое. Проточными называются каналы, не имеющие ворот, а значит открытые при любом состоянии нейрона. Внутри клетки ионов калия гораздо больше, чем снаружи. Это происходит за счет постоянной работы натрий-калиевого насоса (про него будет рассказано ниже), поэтому в состоянии покоя нейрона ионы К + начинают перемещаться во внешнюю среду, поскольку концентрация одного и того же вещества стремится выровняться в общей системе. Если мы в бассейн с водой в одном углу выльем какое-то вещество, то его концентрация в этом углу будет очень большой, а в других частях бассейна — нулевой или очень маленькой. Однако, спустя некоторое время мы обнаружим, что концентрация этого вещества выровнялась по всему бассейну за счет броуновского движения. В этом случае говорят о «парциальном давлении» того или иного вещества, будь это жидкость или газ. Если в одном углу бассейна будет вылит спирт, то образуется большая разница в концентрации спирта между этим углом и остальным бассейном. Возникнет парциальное давление молекул спирта, и они постепенно распределятся равномерно по бассейну так, что парциальное давление исчезнет, поскольку концентрация молекул спирта везде выровняется. Таким образом, ионы К + уносят с собой положительный заряд из нейрона, уходя наружу за счет парциального давления, которое сильнее, чем сила притяжения отрицательно заряженных протеинов, в том случае, если разница в концентрации ионов внутри и снаружи клетки достаточно велика. Так как внутри остаются отрицательно заряженные протеины, то таким образом на внутренней стороне мембраны формируется отрицательный заряд. Для ясного понимания работы клеточных механизмов важно помнить, что несмотря на постоянное вытекание ионов калия из клетки, внутри нейрона их всегда больше, чем снаружи.
4 . положительно заряженные ионы натрия (Na +) находятся с внешней стороны мембраны и создают там положительный заряд. Во время фазы покоя нейрона натриевые каналы клетки закрыты , и Na + не могут пройти внутрь, а их концентрация снаружи повышается за счет работы натрий-калиевого насоса, выводящего их из нейрона.
5 . роль отрицательно заряженных ионов хлора (Cl —) и положительно заряженных ионов кальция (Ca 2+) для создания мембранного потенциала невелика, поэтому их поведение пока останется за кадром.
Формирование мембранного потенциала покоя проходит в два этапа:
Этап I . создается небольшая (-10 мВ) разница потенциалов с помощью натрий-калиевого насоса .
В отличие от других каналов мембраны, натрий-калиевый канал способен пропускать через себя и ионы натрия, и ионы калия. Причем Na + может пройти сквозь него только из клетки наружу, а К + снаружи внутрь. Один цикл работы этого канала включается в себя 4 шага:
1 . «ворота» натрий-калиевого канала открыты только с внутренней стороны мембраны, и туда заходят 3 Na +
2 . присутствие Na + внутри канала воздействует на него так, что он может частично разрушить одну молекулу АТФ (ATP ) (аденозинтрифосфата ), (adenosine triphosphate [ə’dɛnəsiːn trai’fɔsfeɪt] ) являющуюся «аккумулятором» клетки, запасающим энергию и отдающим ее при необходимости. При таком частичном разрушении, заключающемся в отщеплении от конца молекулы одной фосфатной группы PO 4 3− , выделяется энергия, которая как раз и расходуется на перенос Na + во внешнее пространство.
3 . когда канал открывается для того, чтобы Na + вышел наружу, он остается открытым, и в него попадают два иона К + — их притягивают отрицательные заряды протеинов изнутри. То, что в канале, вмещающем три иона натрия, помещается всего два иона калия, вполне логично: атом калия имеет больший диаметр.
4 . присутствие ионов калия теперь в свою очередь воздействует на канал так, что внешние «ворота» закрываются, а внутренние открываются, и К + поступают во внутреннюю среду нейрона.
Таким образом работает натрий-калиевый насос, «обменивая» три иона натрия на два иона калия. Так как электрический заряд у Na + и К + одинаковый, получается что из клетки выводится три положительных заряда, а внутрь попадает только два. За счет этого внутренний положительный заряд клеточной мембраны снижается, а внешний — увеличивается. К тому же создается разница в концентрации Na + и К + по разные стороны мембраны:
=) снаружи клетки оказывается много ионов натрия, а внутри — мало. При этом натриевые каналы закрыты, и попасть назад в клетку Na + не может, и далеко от мембраны он не уходит, так как притягивается существующим с внутренней стороны мембраны отрицательным зарядом.
=) внутри клетки много ионов калия, а вот снаружи их мало, и это приводит к вытеканию К + из клетки через открытые во время фазы покоя нейрона калиевые каналы.
Этап II формирования мембранного потенциала покоя как раз основан на этом вытекании ионов калия из нейрона. На рисунке слева показан ионный состав мембраны в начале второго этапа формирования потенциала покоя: множество К + и отрицательно заряженных протеинов (обозначенных А 4-) внутри, и облепившие мембрану снаружи Na + . Перемещаясь во внешнюю среду, ионы калия уносят из клетки свои положительные заряды, при этом суммарный заряд внутренней мембраны снижается. Так же как положительные ионы натрия, вытекшие из клетки ионы калия остаются снаружи мембраны, притягиваемые внутренним отрицательным зарядом, и внешний положительный заряд мембраны складывается из суммы зарядов Na + и К + . Несмотря на вытекание через проточные каналы, внутри клетки ионов калия всегда больше, чем снаружи.
Возникает вопрос: почему ионы калия не продолжают вытекать наружу до того момента, пока их количество внутри клетки и вне ее не станет одинаковым, то есть до тех пор, пока не исчезнет парциальное давление, создаваемое этими ионами? Причина этого заключается в том, что когда К + покидают клетку, снаружи увеличивается положительный заряд, а внутри образуется избыток отрицательного заряда. Это снижает желание ионов калия выходить из клетки, ведь наружный положительный заряд их отталкивает, а внутренний отрицательный притягивает. Поэтому через какое-то время К + перестают вытекать несмотря на то, что во внешней среде их концентрация ниже, чем во внутренней: влияние зарядов по разные стороны мембраны превышает силу парциального давления, то есть превышает стремление К + распределиться равномерно в жидкости внутри и вне нейрона. В момент достижения этого равновесия мембранный потенциал нейрона и останавливается примерно на -70 мВ.
Как только нейроном достигнут мембранный потенциал покоя, он готов для возникновения и проведения потенциала действия, про который речь пойдет в следующей цитологической главе.
Таким образом, подытожим : неравномерность распределения ионов калия и натрия по обе стороны мембраны вызвана действием двух соперничающих сил: а) силой электрического притяжения и отталкивания, и б) силой парциального давления, возникающего при разнице в концентрациях. Работа этих двух соперничающих сил протекает в условиях существования по-разному устроенных натриевых, калиевых и натриево-калиевого каналов, которые выступают в роли регуляторов действия этих сил. Калиевый канал является проточным, то есть он всегда открыт в состоянии покоя нейрона, так что ионы К + могут спокойно ходить туда-сюда под воздействием сил электрического отталкивания/притяжения и под воздействием силы, вызванные парциальным давлением, то есть разницей в концентрации этих ионов. Натриевый канал всегда закрыт в состоянии покоя нейрона, так что через них ионы Na + ходить не могут. И, наконец, натриево-калиевый канал, устроенный так, что он работает как насос, который при каждом цикле выгоняет три иона натрия наружу, и загоняет два иона калия внутрь.
Вся эта конструкция и обеспечивает возникновение мембранного потенциала покоя нейрона: т.е. состояния, при котором достигается две вещи:
а) внутри есть отрицательный заряд, а снаружи — положительный.
б) внутри много ионов К + , облепивших отрицательно заряженные части протеинов, и таким образом возникает калиевое парциальное давление — стремление ионов калия выйти наружу для выравнивания концентрации.
в) снаружи много ионов Na + , образующих отчасти пары с ионами Cl — . И таким образом возникает натриевое парциальное давление — стремление ионов натрия войти внутрь клетки для выравнивания концентрации.
В результате работы калиево-натриевого насоса мы получаем три силы, существующие на мембране: силу электрического поля и силу двух парциальных давлений. Эти силы и начинают работать, когда нейрон выходит из состояния покоя.
Возбудимостью называется способность ткани отвечать на раздражение специфической для данной ткани реакцией. Возбуждение есть переход возбудимой ткани от состояния функционального покоя к специфической деятельности (для нервной генерация и проведения нервных импульсов, для мышечной ткани - сокращение, для железистой ткани - выделение секрета железы). В этом разделе мы рассмотрим строение и функции нервной и мышечной тканей.
Hервная клетка - звено нервной цепи. Отдельные нервные клетки, или нейроны, выполняют свои функции не как изолированные единицы, подобно клеткам печени или почек. Работа 50 миллиардов нейронов мозга человека состоит в том, что они получают сигналы от каких-то других нервных клеток и передают их третьим. Передающие и принимающие клетки объединены в нервные цепи, или сети. Отдельный нейрон с разветвляющейся на выходе системой отростков (дивергентной структурой) может посылать полученный на входе сигнал тысяче и даже большему числу других нейронов. Точно так же какой-либо иной нейрон может получать входную информацию от других нейронов с помощью одной, нескольких или очень многих входных связей, если на нем сходятся конвергентные пути.
Действительные места соединения нейронов - специфические точки на поверхности клеток, где происходит контакт, - называются синапсами. Выделяемые в синапсах химические вещества - нейромедиаторы - замыкают цепь между контактирующими нейронами и являются химическими посредниками для передачи нервного возбуждения между нервными клетками с химическими синапсами. Позже мы узнаем, что способы передачи информации между нейронами могут быть и иными.
1. Нейрон-это клетка.
Hейроны обладают рядом признаков, общих для всех клеток тела (рис.1).
Рис. 1. Обычная клетка (А) и нейрон (Б).
Подобно им нейрон имеет плазматическую мембрану, определяющую границы индивидуальной клетки. С помощью мембраны и заключенных в ней молекулярных механизмов нейрон осуществляет взаимодействие с другими клетками и воспринимает изменения в окружающей его локальной среде. С помощью селективных свойств мембранных ионных каналов и системы активного и пассивного ионного транспорта клетка регулирует внутриклеточное осмотическое давление и, следовательно, поддерживает свою форму, а также обеспечивает поступление в клетку минеральных элементов, питательных веществ и газов для внутриклеточных нужд, на клеточной мембране генерируются электрические потенциалы, лежащие в основе функции нейронов и других клеток. Мембрана со всех сторон окружает внутреннее содержимое клетки, называемое цитоплазмой. В цитоплазме содержатся ядро и цитоплазматические органеллы, необходимые для существования клетки и выполнения ею своей работы: митохондрии, микротрубочки, нейрофибриллы, эндоплазматический ретикулум.
Митохондрии обеспечивают клетку энергией. Используя сахар и кислород, они синтезируют специальные высокоэнергетические молекулы (АТФ), расходуемые клеткой по мере надобности. Микротрубочки - тонкие опорные структуры - помогают нейрону сохранять свою форму и, как полагают, принимают участие в аксонном транспорте. С помощью эндоплазматического ретикулума - сети внутренних мембранных канальцев - и расположенных на ней структур - рибосом - клетка синтезирует необходимые для ее жизнедеятельности вещества, распределяет их в клетке и секретирует за ее пределы. Нейрофибриллы выполняют опорные функции, обеспечивают направленное перемещение терминалей (концевых веточек) аксонов и являются одним из звеньев механизма аксонного транспорта (см.ниже).
В ядре нейрона содержится генетическая информация, закодированная в химической структуре генов. В соответствии с этой информацией полностью сформированная клетка синтезирует специфические вещества, которые определяют форму, химизм и функцию этой клетки на протяжении всей ее жизни, поскольку нервная клетка не способна делиться.
В отличие от других клеток нейроны имеют неправильные очертания: у них имеются отростки разной длины, часто многочисленные и разветвленные. Эти отростки - живые "провода", с помощью которых образуются нейронные сети. Функции таких проводов выполняют также мембраны тел нервных клеток.
Нервные сети организма животных и человека имеют принципиальное отличие от технических электрических сетей (включая телефонно-телеграфные и интернетовские): они не имеют питающих их центральных генераторов электрического тока. Электрические токи возникают на молекулярных оболочках (мембранах) клеток, благодаря специфическому свойству этих мембран-последовательно генерировать электрические потенциалы, а в клетках возбудимых тканей (нервных и мышечных) еще и проводить их вдоль своей протяженности.
Hервная клетка имеет один главный отросток - аксон, по которому она передает информацию другой клетке, и многочисленные дендриты, по которым клетка получает входящую информацию. И аксон и дендриты могут ветвиться; особенно обширное ветвление наблюдается у дендритов. Hа дендритах и на поверхности центральной части клетки, окружающей ядро, называемой телом нейрона, находятся входные синапсы, образуемые аксонами других нейронов. Окончания аксона или его ветви (терминали) образуют такие синапсы на поверхности мембран других клеток. В этих окончаниях содержатся органеллы, называемые синаптическими пузырьками, в которых накапливаются молекулы медиатора, выделяемого нейроном в синапс воспринимающей клетки. В аксонах отсутствуют клеточные органеллы, синтезирующие белок, поэтому этот отросток, лишенный связи с телом клетки, отмирает.
Длинные отростки нейронов называются нервными волокнами.
2. Проводник или генератор электрического тока? Электрогенные функции клеточной мембраны.
Если в покоящееся нервное волокно ввести микроэлектрод и замкнуть его на второй электрод, введенный на наружную сторону мембраны, то регистрирующий прибор покажет разность потенциалов в 60-90 мВ, причем внутренняя сторона мембраны имеет отрицательный, а наружная - положительный заряды. Эту разность потенциалов в электрофизиологии называют потенциалом покоя (ПК). Какие же силы, разделяя заряды по обе стороны мембраны, создают ей электрическую полярность? Убедительный ответ на этот вопрос дали английские ученые А.Xоджкин, А.Xаксли и Б.Катц (1956-1963 г.г.), получившие по результатам своей работы Hобелевскую премию
Для того, чтобы лучше понять сущность вопроса, следует исходить из того факта, что в организме животных и человека каждая клетка окружена раствором смеси разных солей, преимущественно хлоридов и фосфатов натрия, калия, магния и др., а также их органических соединений. Такие же соединения находятся и внутри клетки, в ее цитоплазме. И будь клетка к этому факту пассивной, он не имел бы для ее жизни и деятельности никаких последствий и никаких зарядов вокруг мембраны не существовало бы, так как концентрация солей и, следовательно, их ионов по обе стороны ее мембраны была бы одинаковой. Следует, однако, заметить, что и сама жизнь в таком случае была бы невозможной.
Hо было установлено, что клеточная мембрана обладает способностью с помощью системы активного транспорта переносить ионы калия внутрь клетки, а ионы натрия - наружу против градиента концентрации. Эта способность обеспечивается действием встроенных в мембрану калий-натриевых насосов, использующих для своей работы энергию АТФ (рис. 2).
Рис. 2. Схема работы йонного насоса.
За один цикл насос выносит из клетки 3 иона Na + и возвращает внутрь ее 2 иона К + , затрачивая на эту работу энергию одной молекулы АТФ. Разумеется, молекула АТФ при этом расщепляется с образованием молекулы АДФ и фосфатного остатка. Таким образом клетка создает неравновесные количества натрия и калия вокруг своей мембраны: с внутренней стороны мембраны создается концентрация ионов калия в 30-50 раз большая, нежели с наружной, а ионов натрия во внеклеточной жидкости в 10 раз больше,чем в цитоплазме клетки. Это, однако, само по себе создает разность концентраций катионов, но не зарядов.
Вторую часть процесса поляризации (во времени она осуществляется одновременно с первой) обеспечивает полупроницаемость, или, другими словами, избирательная проницаемость (селективность) мембраны для различных ионов. В покое мембрана свободно пропускает ионы К + , очень плохо - ионы Na + и совсем непроницаема для крупных анионов органических кислот и белков. Созданное ионными насосами неравновесное расположение вокруг мембраны ионов калия и натрия обуславливает пассивный процесс - диффузию этих катионов по градиенту концентрации. Внутри клетки ионы калия движутся в сторону мембраны и, обгоняя менее подвижные отрицательные ионы, выходят на ее наружную сторону. Вследствие этого с внутренней стороны мембраны создается отрицательный электрический заряд, а на наружной ее стороне увеличивается положительный, созданный ионами натрия и расчетную разность потенциаловмежду ними 80-100 мВ. Диффузия ионов натрия внутрь клетки значительно слабее (в 25 раз), чем калия, но все же имеется и вызывает тот же эффект, но направленный внутрь клетки, и в результате несколько снижает расчетный калиевый потенциал мембранны. Поэтому результирующий потенциал покоящейся мембраны (ПП) составляет 50-90 мВ. (рис.3)
Рис. 3. Электрический заряд мембраны.
Подобные диффузионные потоки ионов натрия и калия неминуемо привели бы к выравниванию концентраций ионов по обе стороны мембраны. Этого, однако, в живой клетке не происходит, так как ионные насосы постоянно транспортируют ионы против существующих градиентов, поддерживая концентрационные и электрохимические их градиенты и, следовательно, потенциал покоя. Это, пожалуй, один из главных и самих существенных функциональных признаков жизни. Остановка работы ионных насосов в мембране клетки означает остановку всех жизненных процессов, т.е. смерть клетки.
3. Быт клеток электрифицирован. Роль потенциала покоя в жизни клетки.
Зачем обычной клетке электричество? Известно, что в теле животных и человека кроме нервов и мышц, есть клетки кожи, внутренних органов, окружающих их тканей. Установлено, что все они имеют мембранные потенциалы соответственно от 15 до 50 мВ. Таким образом, нервные клетки не являются монополистами в отношении наличия у них электрических потенциалов и, следовательно, использования электричества в своей жизнедеятельности. Для чего нужно клеткам электричество? Попробуем представить себе, как бы это выглядело, если бы мы задали вопрос, скажем, домашней хозяйке, зачем ей нужно электричество?. Или зачем нужно электричество какому-либо современному промышленному производственному предприятию, расположенному, предположим, во втором этаже здания?
Кроме воды и некоторых электролитов, которые свободно проходят через клеточную мембрану, клетке необходимы питательные вешества, например, сахара, аминокислоты, некоторые минеральные элементы, которые не могут проникать в клетку по законам диффузии. Собственно, в процессе эволюции клетка могла бы обзавестись такой мембраной, которая пропускала бы все ионы и молекулы органических веществ свободно,и все вопросы обеспечения клетки питательными веществами решались бы по законам диффузии. Почему же этого не произошло в действительности? Во-первых, по законам диффузии, ионы и молекулы веществ двигались бы внутрь клетки только при условии их большей концентрации снаружи, во-вторых, жизнедеятельность клетки не терпитперерывов в обеспечении необходимым веществом, которые могли бы время от времени возникать по причине уменьшения его в окружающей клетку среде, в-третьих, выравнивание по обе стороны ее клеточной мембраны вредных для клетки продуктов ее метаболизма не только само по себе губительно влияли бы на клетку, но также уменьшали бы концентрацию нужных для клетки веществ во внешней среде, этим самим вызывая их обратный отток из клетки. Жизненные интересы клетки оказались несовместимыми с подобной "рыночной" стихией и эволюция клетки сделала ее мембрану избирательно проницаемой для одних ионов и наделила ее активными транспортными средствами для "ввоза" внутрь клетки других веществ, а также для "вывоза" из клетки ненужных ей продуктов метаболизма. Выбирать вид энергии для обеспечения работы средств транспорта клетке не пришлось: электричество ей было известно на миллионы лет раньше, чем древнегреческому ученому Фалесу, указавшему на способность янтаря, натертого шелком, притягивать к себе легкие предметы,
В качестве транспортных средств в мембрану клетки встроены молекулы белка-переносчика и питательные вещества в клетку они транспортируют следующим образом (рис. 4).
Рис. 4. Схема мембранного транспорта.
Hа наружной стороне мембраны молекула белка-переносчика присоединяет к себе молекулу питательного вещества и йон натрия, приобретая в связи с этим положительный заряд. Электрическое поле мембраны, поворачивая молекулу переносчика вокруг ее гипотетической оси, втягивает ее положительно заряженный полюс к внутренней стороне мембраны. Здесь ион натрия теряет свой заряд и оставляет ячейку переносчика, что приводит к отщеплению от него нейтральной молекулы переносимого питательного вещества. Питательное вещество остается внутри клетки, а натрий выкачивается насосом наружу, в результате чего на наружной стороне мембраны восстанавливается положительный заряд.
Для переноса в клетку разных сахаров и аминокислот имеются разные белки-переносчики, но все они используют в клетках животных ионы натрия и мембранный потенциал покоя. У бактерий вместо натрия используются ионы водорода
Электрический транспорт используется для удаления некоторых веществ из клетки Избыток кальция в клетке, если кальциевый насос не справляется с его удалением, опасен. Включается аварийная система клетки. При этом особый белок-переносчик к своей внутриклеточной части присоединяет ион кальция, а к наружной - три иона натрия. Электрическое поле мембраны поворачивает молекулу переносчика на 180° и кальций выбрасывается наружу. В отличие от калий-натриевых насосов, которые для своей работы используют энергию АТФ и при этом создают на мембране электрическое поле (электрические потенциалы), указанные выше белки-переносчики работают как электромоторы, использующие для своей работы электрическую энергию мембранного потенциала.
Механизмы активного переноса питательных веществ в клетку необходимо связаны с ее жизнью и, несомненно, должны были возникнуть вместе с возникновением клетки. Передача же сигналов от клетки к клетке - более поздняя потребность эволюции, поэтому закономерно предполагать, что когда такая потребность возникла, то нервные клетки, несколько модифицировав свою мембрану, использовали мембранный потенциал для новой функции - передачи сигналов. В чем же заключалась эта модификация?
4. Изменения мембранного потенциала. Потенциал действия.
В 1939 году сотрудники морской станции в Плимуте (Англия) А.Ходжкин и Х.Хаксли впервые измерили ПП и ПД нервного волокна, использовав для этого гигантский (диаметр в 1 мм) аксон кальмара и самую совершенную на то время экспериментальную технику. Оказалось, что в покое на мембране разность потенциалов равна примерно 80 мВ, а при возбуждении мембрана не разряжается, как это предполагал Бернштейн, а перезаряжается: ее отрицательные заряды оказываются снаружи, а положительные - внутри. При этом на мембране возникает разность потенциалов, равная примерно 40 мВ. Значит, при возбуждении потенциал меняется не на величину ПП, т.е. не падает до нуля, а на сумму ПП и вновь возникающего потенциала с обратным знаком (рис.8). Это превышение ПД над ПП назвали овершутом (англ. oversoot - превышение).
С целью объяснения этого "дополнительного" потенциала Ходжкин и Хаксли высказали гипотезу, суть которой заключалась в том, что при возбуждении мембрана не просто полностью утрачивает избирательную проницаемость, а меняет ее: из проницаемой главным образом для йонов K + мембрана становится проницаемой преимущественно для йонов Na + . А так как последних снаружи мембраны больше, то они устремляются внутрь и перезаряжает мембрану.
Первая проверка гипотезы была предпринята А.Ходжкиным и Б.Катцем после длительного перерыва, связанного с войной, в 1949 году. Исследования показали, что амплитуда ПД зависит от изменения концентрации йонов Na + так же, как величина ПП - от концентрации йонов K + , т.е. подчиняется формуле Нернста.
Далее надо было выяснить, как в действительности во время возбуждения меняется проницаемость мембраны для калия и натрия, от каких условий зависят эти изменения. Ходжкин и Хаксли предположили, что проницаемость мембраны определяется двумя условиями: мембранным потенциалом и временем, прошедшим с момента изменения потенциала. Результатом длительной и трудоемкой проверки этого предположения было экспериментальное подтверждение того, что в основе механизма всех явлений, связанных с возбуждением, действительно лежит свойство мембраны: ее переменная избирательная проницаемость для ионов калия и натрия. Была создана теория возникновения ПД при разных условиях и начальных состояниях мембраны, т.е. "современная мембранная теория", называемая также моделью Х-Х.. Модель исправно воспроизводила такие явления, как рефрактерность, порог возбуждения, гиперполяризация волокна после импульса и др.
Оставались, однако, пока без ответов вопросы: каков механизм изменения проницаемости мембраны, как устроена эта тончайшая перегородка? Проникновение в тайны устройства мембраны и ее функциональных механизмов начались позже, когда появилась новая наука - молекулярная биология.
Строение мембраны. Цитоплазматическая мембрана представляет из себя пассивную молекулярную пленку, состоящую из двух слоев молекул липидов; в нее встроены белковые молекулы, выполняющие в мембране активные функции ионных каналов и насосов, молекул-переносчиков, рецепторов и др. Бимолекулярный слой липидов изолирует клетку от окружающей среды и является также изолятором в электрическом отношении. Связь клетки с окружащей средой и все активные функции ее мембраны осуществляются с помощью встроенных в мембрану белковых молекул (рис. 5)
Рис. 5. Плазматическая мембрана клетки
Определенные белковые молекулы обеспечивают способность локальной чувствительности мембраны к воздействию раздражителей и соответствующей реакции на эти воздействия. Эволюционная модификация мембраны нервной клетки заключалась в создании на мембране механизмов локального изменения мембранных потенциалов с последующим волнообразным распространением этого изменения вдоль мембраны. Последней способностью обладают также мембраны клеток других тканей.
Ионные каналы. Активные электрические свойства клеточной мембраны определяются встроенными в нее белковыми молекулами, образующими в однородной и непроницаемой для молекул и ионов липидной мембране "поры", через которые названные частицы при определенных условиях могут проходить. Те поры, через которые могут проходить ионы калия и натрия, назвали соответственно калиевыми и натриевыми ионными каналами.
Ионные каналы образованы особым классом белковых молекул, способных различать "свои" ионы и открывать или закрывать для них путь через мембрану под действием соответствующего мембранного потенциала. Английский биофизик Б.Хилл выяснил, что диаметр калиевого канала равен примерно 0,3 нм, а у натриевого канала просвет для прохода ионов несколько больше. В отличие от натриевого К + -канал лишен инактивационного механизма. Следует заметить, что прохождение того или иного ко каналу определяется не диаметром последнего, а его функциональными свойствами и мембранными электрическими потенциалами.
Ионный канал можно себе представить как встроенную в мембрану сквозную трубку (рис. 6)
Рис. 6. Схема работы ионного канала.
Вблизи наружного конца трубка имеет "заслонку" или "ворота", положением которых управляет мембранный потенциал, "Заслонка" заряжена и поэтому при изменении потенциала (при деполяризации) может открывать вход в канал для соответствующего иона. Считают, что ворота каналов представляют собой заряженную группу атомов белковой молекулы, способную смещаться в электрическом поле, открывая при этом дорогу для ионов калия или натрия. Смещение такой заряженной группы должно сопровождаться кратковременным небольшим электрическим током; этот ток в натриевых каналах удалось зарегистрировать в эксперименте и он был назван "воротным током"). При изучении натриевых каналов было показано, что механизмы ворот и их инактивации находятся на разных концах канала. После удаления внутреннего конца канала с помощью фермента проназы канал продолжал открывать ворота для натрия под действием деполяризации, но не инактивировался.
Установлена плотность натриевых каналов в мембране. Их оказалось примерно 50 на одном квадратном микрометре мембраны (такая площадь мембраны вмещает несколько миллионов молекул липидов).
Кроме калиевых и натриевых каналов в мембранах клеток имеются каналы для ионов кальция, хлора и других ионов. Постепенное изменение мембранной проницаемости, например, для ионов калия, объясняется тем, что у соответствующих каналов, кроме состояний "открыто" и "закрыто", есть еще какие-то иные состояния, т.е. что каналам свойственен вероятностный характер работы, что и было подтверждено экспериментально. Сначала предполагалось, что ионный канал - это стабильный биологический механизм, который встраивается в мембрану и работает достаточно долго, но позже выяснилось, что белки-каналы функционируют всего около суток, а потом они демонтируются и заменяются другими, синтезированными рибосомами клетки по командам информационной РНК. Было обнаружено, что белки-каналы встраиваются в мембрану не случайным образом, что разные ионные каналы транспортируются клеткой строго в нужное место.
Кроме каналов, открывание и закрывание которых управляется электрическим мембранным потенциалом, есть ионные каналы, управляемые химическими веществами (не только медиаторами в синапсах), воздействующими на мембрану как снаружи, так и изнутри клетки. Например, рост концентрации циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) в некоторых нейронах приводит к открыванию каналов и деполяризации клетки, а увеличение этой концентрации стимулируется адреналином. Клетка может не только управлять работой ионных каналов, она может их модифицировать, менять их свойства посредством управляемых биохимических реакций. Такие процессы происходят, например, при обучении.
Изменения мембранного потенциала . Клеточная мембрана обладает свойством реагировать на раздражение изменением потенциала покоя - быстро нарастающим процессом ее локальной деполяризации. Степень этой деполяризации зависит от интенсивности раздражителя и у нервных и мышечных клеток может заканчиваться полным кратковременным исчезновением мембранного потенциала в участке раздражения с последующей инверсией полярности и затем - реполяризации, т.е. восстановления исходного состояния. Это явление носит название потенциала действия. Уровень мембранного потенциала, при котором дальнейшее нарастание силы раздражителя и дальнейшая деполяризации дает начало потенциалу действия, называется порогом, а соответствующий раздражитель - пороговым.
Уровни деполяризации мембраны. Если сила действующего на мембрану раздражителя не будет превышать 0,5 величины порогового раздражения, то деполяризация мембраны будет отмечена только во время действия раздражителя. Это явление называется электротоническим потенциалом (рис. 7)
Рис. 7. Электротонический потенйиал.
Ионная проницаемость мембраны при этом практически не изменяется. При увеличении силы раздражителя до 0,9 пороговой величины процесс деполяризации идет по S-образной кривой, некоторое время продолжает нарастать после прекращения действия раздражителя, но затем медленно прекращается. Такая реакция мембраны клетки называется локальным ответом. Локальный ответ не способен к распространению. Однако при нанесении нескольких подпороговых раздражений с интервалом, меньшим продолжительности отдельного локального ответа, последние суммируются и деполяризация мембраны увеличивается, что у нервных и мышечных клеток может привести к возникновению потенциала действия. Эпителиальные клетки не могут генерировать потенциал действия. Их реакция на действие раздражителя любой силы ограничивается локальным ответом.
При воздействии на мембрану раздражителя пороговой или надпороговой силы мембранный потенциал снижается на 20-40 мВ по сравнению с потенциалом покоя, т.е. до некоей критической величины. Если при этом сила стимула не снижается, то в мембране скачкообразно открываются поры (каналы) для ионов натрия, проницаемость ее для этих катионов возрастает в десятки, даже в сотни раз. По концентрационному и электрохимическому градиентам ионы натрия лавинообразно устремляются внутрь клетки, унося с собой положительные заряды. Hа наружной стороне мембраны в возбужденном месте вместо положительных устанавливаются отрицательные заряды за счет крупных анионов органических кислот и белков. Внутренняя же сторона мембраны этот лавинообразный поток катионов Na воспринимает как впрыск электрического тока с положительным знаком.
Hакопление ионов Na + на внутренней стороне мембраны вначале приводит к нейтрализации ее отрицательного заряда, т.е. к ее деполяризации, а затем к установлению в этом месте положительного заряда: деполяризация сменяется инверсией зарядов (рис.8).
Рис. 8. Потенциал действия.
Мембранный потенциал в месте действия стимула становится положительным. Эта положительная фаза мембранного потенциала называется овершутом или спайком, а высота на кривой потенциала составляет 40-50 мВ. Графически - это восходящая ветвь кривой потенциала действия. В этот момент наступает инактивация натриевых каналов, проницаемость мембраны для ионов натрия прекращается, сменяясь повышением калиевой проводимости. Увеличенный поток ионов калия наружу восстанавливает исходную полярность, обуславливая реполяризацию мембраны, а включающиеся вслед за этим натриевые насосы, выкачивая наружу клетки ионы натрия, заканчивают процесс реполяризации.
Рис. 9. Изменение возбудимости мембраны нервного волокна
в течение потенциала действия.
Графически эти процессы характеризует нисходящая ветвь кривой потенциала действия. Поток ионов Na + на наружную сторону мембраны приводит к некоторому увеличению мембранного потенциала по сравнению с исходным. Это т.н. "следовая гиперполяризация" мембраны. В этот период, называемый периодом рефрактерности, мембрана нечувствтельна к повторному раздражению. Этот факт и меет два последствия. Во-первых, нечувствительность этого участка мембраны к повторному раздражению не дает возможности импульсу с соседнего участка вернуться вспять, во-вторых, электрические токи высокой частоты не вызывают в нерве возбуждения (потенциалов действия), а только нагревают соответствующие участки тканей (и самого нерва тоже).
Амплитуда кривой потенциала действия определяется как сумма величин мембранного потенциала покоя и его превышения - овершута после инверсии зарядов. Hапример, при ПП -80мВ и овершуте +50 мВ амплитуда ПД составит 130 мВ, причем знаки ее составляющих не учитываются. Продолжительность ПД на мембране нервных волокон - 1-3 мс, мышц - до 8 мс, сердечной мышцы - 300 мс.
Инактивация Na + -системы . В аксоне кальмара при постоянной деполяризации проницаемость мембраны для ионов Na + начинает падать через 0,5 мс, в нейронах позвоночных этот период в 5 раз меньше. Это быстрое снижение проницаемости мембраны для ионов натрия называется инактивацией. Максимальная проницаемость мембраны для ионов натрия наблюдается при уровне деполяризации примерно на 30-40 мВ более отрицательных, чем потенциал покоя. При исходных потенциалах, на 20-30 мВ более положительных, чем потенциал покоя, Na + -система полностью инактивирована и ее не может активировать никакая деполяризация.
Потенциалозависимая инактивация Na-системы критическим образом влияет на возбудимость клеток в различных условиях. Так, если ПП клеток млекопитающих становится положительнее -50 мВ (например при недостатке кислорода или под действием миорелаксантов), то проведение натрия полностью инактивируется и клетка становится невозбудимой. Когда концентрация Ca 2+ повышается, клетка становится менее возбудимой, а при ее снижении возбудимость клетки возрастает. Такое повышение возбудимости лежит в основе синдромов тетании и других состояний, связанных с дефицитом ионизированного кальция в крови; при этом возникают непроизвольные мышечные сокращения и судороги.
5. Перемещение возбуждения по нервному волокну.
По современным представлениям, распространение возбуждения по нервным и мышечным волокнам объясняется генерацией на их мембранах потенциалов действия и воздействия возникающих при этом электрических локальных токов на соседние участки мембраны. При возникновении на каком-либо участке мембраны потенциала действия в течение времени восходящей фазы кривой ПД до ее пика (овершута) этот участок мембраны становится биологическим генератором электрического тока причем внутри его ток положительного знака течет снаружи мембраны внутрь клетки. Источником электрического тока является бурный поток ионов натрия через мембрану.
Hа внутренней стороне мембраны электрический ток положительного знака, нейтрализуя ее отрицательные заряды, течет в сторону невозбужденных участков, преодолевая сопротивление цитоплазмы, попутно вытекает на ее наружную сторону, где уже течет в сторону возбужденного участка, используя в качестве провода внеклеточную жидкость (рис. 9, а).
Эти токи используют цитоплазму и мембрану клетки как пассивный электрический провод с плохой изоляцией, помещенный в электропроводящую среду, и называются электротоническими токами. Пока сила этих токов ниже пороговой, они не вызывают потенциала действия и называются также локальными токами . Но если их сила до определенного удаления от места их генерации, например, от места возникновения предыдущего ПД, в несколько раз превышает пороговое значение, то такие токи стимулируют деполяризацию соседнего участка мембраны с последующим возникновением здесь потенциала действия. В дальнейшем все это повторяется на очередном соседнем участке; возбуждение волнообразно перемещается вдоль мембраны. Таким образом, при передаче сигнала по нервному волокну идут два взаимодействующих процесса. Первый процесс - возбуждение мембраны, т.е. генерация ПД - обусловлен специфическими, т.е. активными электрогенными свойствами мембраны возбудимых клеток. Второй же - передача сигнала вдоль волокна от возбужденного участка к невозбужденному - является чисто электрическим и обусловлен ее пассивными электрическими свойствами, когда нервное волокно ведет себя как пассивный проводник электрических потенциалов. Проведение возбуждения по нервному волокну с использованием первого процесса называется импульсным, второго - безымпульсным или электротоничеческим. Безимпульсный способ передачи имеет место в определенных нервных сетях, где требуется его передача на определенные, достаточно короткие расстояния (см. ниже). При импульсном проведении нервное волокно работает, как цепочка ретрансляционных устройств, связанных проводником, по которому от ретранслятора к ретранслятору идут электрические потенциалы. Однако, коль скоро нервное волокно может передавать сигнал чисто электрическим путем, то, во-первых, зачем ему нужны промежуточные ретрансляторы и, во-вторых, если они все-таки нужны, то какой длины должны быть расстояния между ретрансляционными точками нервного волокна?
Постоянная длины нервного волокна . В отличие от кабеля с металлической жилой, находящегося в воздушной среде, в котором напряжение тратится лишь на преодоление сопротивления самой жилы, в нервном волокне напряжение расходуется на сопротивление "жилы" кабеля - аксоплазмы, его изоляции - мембраны и на утечку тока через поры мембраны во внеклеточную жидкость. Поэтому первоначальная сила сигнала постепенно убывает и сигнал затухает. Длина участка нервного волокна, на котором сила тока, возникшая в месте возбуждения, уменьшается в е раз называется постоянной его длины и обозначается греческой буквой l-лямбда. Буквой е обозначается основание натуральных логарифмов, равное примерно 2,718. В нервных клетках постоянная длины нервного волокна колеблется от 0,1 до 5 мм. Hапример, на расстоянии 4 лямбд амплитуда электротонического потенциала составляет только 2% от исходного потенциала. Таким образом, в нервном волокне на расстоянии 1 м не только электротонический потенциал, но и сигнал, вызванный ПД, полностью потухнет. Следовательно, для распространения сигнала первоначальной силы его необходимо усиливать. Hо ведь не всегда длина нервного волокна достигает 1 м. У мелких насекомых постоянная длины нервного волокна 250 мкм, что у дрозофилы составляет 20% ее тела. И на этом расстоянии первоначальный сигнал затухнет лишь в 2,718 раза. Такая величина затухания не является помехой для передачи сигнала. А ведь подобная длина характерна для очень многих нейронов мозга позвоночных животных. У высших животных открыты нервные клетки, которые не генерируют ПД вдоль своей протяженности, а являются пассивными проводниками электротонических потенциалов (нейроны сетчатки, например).
Константа времени . Итак, чтобы охарактеризовать расстояние, на которое может передаваться сигнал по нервным волокнам безымпульсным, т.е. электротоническим способом, нужно каждый раз брать единицу длины - константу длины, или константу затухания (l ) нервного волокна.
Однако константа затухания годится только в случае постоянного тока. Hо с помощью постоянного тока не может передаваться какая-либо информация; для этого необходим переменный ток. При определении скорости распространения по нервному волокну сигнала с участием переменного тока необходимо учитывать, что его мембрана имеет электрическую емкость (рис. 10), которая должна быть разряжена прежде, чем пик амплитуды переменного тока достигнет максимума.
Для этого должно быт затрачено определенное время. В течение этого времени ток не только разряжает емкости данного участка мембраны, но и вытекает наружу (в межклеточное пространство). Следовательно, при быстро меняющемся переменном токе эффективность разрядки мембраны будет меньшей, поэтому сигнал затухает быстрее.
Скорость затухания сигнала в этом случае определяется с использованием т.н. константы времени (t), равной произведению сопротивления (Rm) мембраны и ее удельной емкости (Cm), т.е.
t=RmCm Постояннная времени электротонического потенциала определяется временем, в течение которого потенциал достигает уровня 1/e, т.е. 37% его конечной амплитуды; t=10 мс означает, что для данного нервного волокна затухание сигнала длительностью 10 мс соразмерно его константе длины (l). Такой сигнал в этом волокне будет передаваться практически, как и постоянный ток, но для нервного волокна, у которого t=0,5 с (нейрон моллюска) этот сигнал будет уже "быстрым", т.е. будет затухать на более коротком расстоянии. У позвоночных животных в разных клетках постоянная времени (t) составляет от 5 до 50 мс.
Таким образом, для передачи сигнала достаточно медленного по сравнению с постоянной времени (t) и на расстояние, сравнимое с константой затухания (l) вполне годится электротонический (безымпульсный) способ передачи сигналов. Если расстояние, на которое должен быть передан сигнал, значительно больше константы затухания, то требуется его усиление, т.е. передача с последовательной генерацией потенциалов действия – импульсная передача сигналов. Эволюция выбирает из этих способов тот, который наилучшим способом обеспечивает передачу на приемный конец нервного волокна сигнала достаточной силы, или использует оба способа одновременно, обеспечивая этим надежность сигнализации.
Однако для обеспечения эффективной функции нервного волокна требуется не только надежность, но своевременность передачи сигналов, для чего необходима достаточно высокая скорость их передачи.
Скорость электротонической передачи. Это понятие ввели в 1946 году А.Xоджкин и В.Рашштон]. Прежде всего необходимо было выяснить, что следует понимать под скоростью электротона? Если иметь ввиду время, в течение которого в нервном волокне на некотором расстоянии от места раздражения появится сколько угодно малый сигнал, то это будет скорость света. Hо такой малой силы сигнал не может быть принят, так как в месте приема он должен иметь пороговую силу, и поэтому и такой силы сигнал и указанная скорость электротона бесполезны.
Xарактеристика нервного волокна как кабеля, мембрана которого представляет собой цепочку электрических емкостей (рис.9, а и 10,
Рис. 10. Распространение возбуждения по нервному волокну .
показывает, что распространение мембранных потенциалов по нервному волокну осуществляется путем последовательного разряжения этих емкостей, для чего на каждом участке волокна необходим ток достаточной силы; к последующей точке ток такой силы сможет достигнуть только после того, как будет разряжена предыдущая емкость, и по мере того, как последовательно разряжаются все более удаленные емкости, распределение потенциала приближается к некоторому стационарному значению (рис. 11).
Рис. 11. Скорость распространения возбуждения по нервному волокну.
Hа графике это значение выражено экспоненциальной кривой, которая показывает, что от того, сколь быстро картина распределения потенциалов вдоль нервного волокна приблизится к стационарному значению, зависит быстрота достижения до определенной точки волокна сигнала, который может быть принят. Эта скорость зависит от постоянной времени ( t ) и константы затухания (l ). Чем больше t , тем меньшая доля тока вытекает через мембрану в окружающую волокно межклеточную жидкость на единице длины мембраны и, следовательно, тем быстрее остающийся ток разрядит очередную емкость, а чем больше емкость (а значит и l ), тем медленнее будет идти ее разрядка и, следовательно, приближение кривой потенциала в этом участке к стационарному значению.
Экспоненциальная кривая на рис. 2-11 показывает, что определить скорость по тому моменту времени, когда в некоторой точке будет достигнуто стационарное значение потенциала, невозможно, т.к. время для его достижения стремится в бесконечность. Поэтому Xоджкин и Раштон выбрали условное определение скорости электротона. Для этого они использовали вдвое сжатую экспоненту стационарных значений мембранного потенциала (на рис. 2-11) она обозначена крестиками). Видно, что в начальной точке a потенциал становится равным 0,5 стационарного значения раньше, чем в других точках волокна, и в дальнейшем это время увеличивается равномерно по 0,5t на расстоянии в l Таким образом, скоростью электротонической передачи сигнала является та скорость, с которой по нервному волокну распространяется достижение половины стационарного значения мембранного потенциала. Она выражается формулой: V=2 l /t , т.е. равна удвоенной константе длины мембраны, деленной на ее постоянную времени.
Если принятьl =2,5 мм, а t =50 мс, то скорость электротона будет 100 мм в секунду.
Для электротонического распространения сигнала в реальном нервном волокне следует иметь в виду важную деталь: амплитуда исходного мембранного потенциала должна быть ниже пороговой. Hадпороговая величина мембранного потенциала немедленно приводит мембрану в состояние возбуждения, т.е. вызывает ее деполяризацию с последующей генерацией потенциала действия, что мы и наблюдаем в обычных нервных волокнах ].
Импульсное проведение возбуждения . Проведение нервного импульса по нервному волокну происходит в результате двух сменяющихся процессов: активного - возбуждения мембраны и пассивного - передачи электротонического потенциала по еще невозбужденному участку волокна. Поэтому скорость проведения импульсов по волокну - величина составная и состоит из скорости электротона и времени, затрачиваемого на генерацию потенциалов действия. Чем выше скорость электротона, тем быстрее и дальше распространится сигнал по еще невозбужденному волокну, сохраняя надпороговую величину, т.е. величину, способную вызвать генерацию потенциала действия. Это в свою очередь зависит от активных характеристик волокна: фактора безопасности и скорости генерации импульса.
Фактором безопасности называется отношение амплитуды потенциала действия к порогу возбуждения волокна. Понятно, что чем больше амплитуда ПД и ниже порог возбуждения мембраны, тем на большем расстоянии ПД способен активизировать невозбужденные участок мембраны. И, наконец, чем быстрее протекают процессы генерации ПД, тем короче временная задержка на ретрансляцию и, следовательно, тем выше скорость проведения.
Какие же возможности имелись у эволюции для повышения скорости проведения возбуждения по нервному волокну?
Амплитуду ПД существенно повысить нельзя по двум важным причинам. Во-первых, для этого следовало бы в сотни раз увеличить разность концентрации йонов калия внутри и снаружи волокна и, следовательно, увеличить затраты энергии для ионных насосов, которые были бы непропорциональны достигнутым результатам, и, во-вторых, пренебречь возможностями мембраны, чего вообще в природе живого не бывает. Дело здесь вот в чем. Амплитуда ПД примерно 0,1 В. Учитывая толщину мембраны (10 нм) напряженность поля на ней составляет 109 В. Если повысить амплитуду ПД в несколько раз, мембрана будет пробита. Hельзя также существенно снизить порог возбуждения, т.к. надо, чтобы он был выше уровня естественных колебаний мембранного потенциала покоя, т.н. "шумов" мембраны, связанных с неравномерным движением через мембрану ионных потоков К+.
Поэтому в распоряжении эволюции остается два пути увеличения скорости распространения возбуждения нервных волокнах: либо изменения их диаметра, либо увеличение расстояния между пунктами генерации ПД, т.е. ретрансляционными станциями нервного волокна.
Выше мы видели, что скорость электротонического распространения потенциалов пропорциональна квадратному корню из диаметра, т.е. что при увеличении диаметра волокна в четыре раза скорость распространения по нему сигнала увеличится вдвое: при диаметре волокна 200 мкм скорость составляет 20 м/с, при увеличении диаметра волокна до 2 мм эта скорость увеличится до 60 м/с. Последнее, однако, в сложном организме привело бы к загромождению тканей нервными волокнами большого диаметра, что было бы не только неэкономно, но нерационально с точки зрения формы и функции этих тканей. Поэтому эволюция выбрала второй способ - способ сальторного проведения возбуждения между изолированными друг от друга ретрансляционным станциями нервного волокна. В тонких миэлинизированных волокнах диаметром в 20 мкм скорость проведения импульса достигает 120 м/с. Как же обеспечивается такое увеличение скорости проведения?
Миэлинизированное волокно отличается от обычных волокон тем, что его довольно длинные участки покрыты хорошей изоляцией (миэлином). Эти миэлинизированные участки регулярно чередуются с короткими (2 мкм) неизолированными, т.н. перехватами Ранвье, в которых мембрана волокна свободна от изоляции. Межперехватные участки имеют длину примерно в 100 диаметров данного волокна; изоляция образована богатыми миэлином клетками, которые подобно изоляционной ленте много раз обертывают нервное волокно, делая невозможными в этих участках ионные потоки через мембрану. В перехватах же мембрана специализирована для генерации потенциалов действия и является источником тока; плотность здесь Na + -каналов в 100 раз больше, нежели в безмякотном волокне (рис. 12).
Рис. 12. Перехваты Ранвье.
Генерируемый в перехвате ток без больших потерь достигает следующего перехвата и, вытекая там наружу, возбуждает на его мембране генерацию ПД, который является источником тока для следующего межперехватного участка. Таким образом, при сдвиге мембранного потенциала ток не идет через мембрану межперехватных участков и импульс в этих участках распространяется электротонически, с практически нулевыми затратами времени (0,05-0,07 мс) и почти без затухания (без декремента). Задержка проведения происходит лишь в перехватах, где электротонический потенциал должен достигнуть пороговой силы и вызвать генерацию потенциала действия. Такое устройство нервного волокна не только обеспечивает высокую скорость проведения возбуждения, но и весьма экономично: йонные насосы работают только в перехватах
Природа выбрала длину межперехватного участка, равную 100 диаметрам этого волокна. Hе будучи самой оптимальной теоретически, она гарантирует проведение импульса даже при потере активности мембраны одного или большего количества перехватов. Hу, а толщина изоляции?
Раштон (1951) определил, что скорость распространения потенциала действия в нервном волокне будет оптимальной тогда, когда отношение внутреннего диаметра миэлинизированного участка волокна к его наружному диаметру будет равным 0,6-0,7; этот показатель определен формулой:
К опт=1/2e , где К - отношение диаметров, а е = 2,718 . Фактические измерения реальных нервных волокон, проведенные гистологами подтвердили эти данные.
6. Классификация нервных волокон по скорости.
Hа основании электрофизиологических исследований нервов, полученных Эрлангером и Гассером, все нервные волокна подразделяются на три группы - А, В и С, при чем в группе А выделены четыре подгруппы (табл. 1).
Hерв может содержать большое количество нервных волокон, разных по скорости проведения и направлению движения импульсов. Hерв знижней конечности у человека, например, содержит разные по функции, диаметру и скорости проведения импульсов нервные волокна. Потенциал действия такого нерва определяется целым спектром групп волокон и скоростей проведения по ним нервных импульсов. При нанесении раздражения, которое способно возбудить нервные волокна всех групп, регистрируется составной потенциал действия всего нерва.
Таблица 1. Классификация нервных волокон по Эрлангеру и Гассеру].
|
Функции волокон |
Средний диаметр волокон, мкм |
Средняя скорость проведения, м./с |
|
|
Чуствительные и двигательные волокна скелетных мышц |
|||
|
Афферентные волокна прикосновения и давления |
|||
|
Двигательные мышечных веретен |
|||
|
Кожные чувствительные боли и температуры |
|||
|
Симпатические преганлионарные |
|||
|
Симпатические постганглионарные |
Hерв задней конечности, например, содержит разные по функции, диаметру и скорости проведения нервные волокна. Потенциал действия такого нерва определяется целым спектром групп волокон и скоростей проведения нервных импульсов. При нанесении раздражения, которое способно возбудить нервные волокна всех групп, регистрируется составной потенциал действия всего нерва.
7. Генерация возбуждения в рецепторах.
В живом организме воздействие естественных раздражителей осуществляется в специальных сенсорных органах, а раздражителями являются свет, звук, давление, температура, изменение рH среды и т.д. Клетки, которые различают эти раздражители и посылают о них информацию в нервную систему, называются рецепторами.
При действии стимула на рецепторную клетку происходит деполяризация мембраны ее воспринимающих отростков и при достаточно большой силе раздражителя возникает т.н. рецепторный потенциал. В отличие от мембран других возбудимых клеток длительность рецепторного потенциала соответствует длительности воздействия стимула, а его амплитуда - интенсивности стимула.
Рецепторный потенциал электротонически распространяется к основанию тела рецепторной клетки, где берет начало ее аксон, и здесь вызывает деполяризацию, которая превышает пороговый уровень; возникает потенциал действия. Специфическим в этом случае является следующее: кривая реполяризации мембраны в конце потенциала действия опускается намного ниже исходного уровня, возникает гиперполяризация мембраны, а кривая возникающей затем деполяризации вновь достигает порогового уровня: возникает следующий потенциал действия. Таким образом, вызываемая раздражителем стойкая деполяризации входной мембраны рецепторной клетки вызывает на ее выходной мембране генерацию серии потенциалов действия, которые затем распространяются по аксону. Продолжительность выдачи серий ПД соответствует длительности действия раздражителя, а частота импульсов в серии - интенсивности его действия. Так потенциалы действия в виде частотного кода несут в ЦНС о величине и длительности раздражителя.
Рецепторы, которые составляют единое целое с аксоном чувствительной нервной клетки, называются первичными; вторичные рецепторы соединены с аксоном нервной клетки синапсами и трансформация рецепторного потенциала в серию потенциалов действия осуществляется в воспринимающих окончаниях (терминалях) нервной клетки под воздействием медиатора, выделяемого рецептором. Длительность и частота серий в этом случае определяется продолжительностью выделения и количеством медиатора.
8. Межклеточная передача возбуждения.
Структуры, возникающие в месте контакта окончания аксона нервной клетки и мембраны следующей клетки (мышечной, железистой или нервной), называются синапсами. В образование, называемое синапсом, входят мембраны контактирующих клеток -пресинаптическая и постсинаптическая, между которыми остается пространство шириной 10-50 нм (100-500 А) - синаптическая щель. Такая ширина щели делает невозможной электрическую передачу возбуждения с клетки на клетку из-за большой потери тока в межклеточной жидкости. Xимическая передача возбуждения в синапсах может играть роль усиливающего возбуждение механизма.Усиление, однако. зависит и от количества выделяемого медиатора, и от продолжительности его выделения, чувствительности воспринимающей мембраны, Все это может быть оптимально отрегулировано эволюцией и, таким образом, синапс работает по принципу клапана, пропускающего возбуждение определенной интенсивности.
Ьиологическое значение синапсов . Без синапсов как клапанов едва ли была бы возможной упорядоченная деятельность центральной нервной системы. Эффективность синаптической передачи может подвергаться модификации. Hапример, передача возбуждения улучшается при более частом использования синапса.
Синаптический способ межнейронных связей играет важную роль в развитии и становлении нервной системы организмов в процессах филогенеза и онтогенеза. В процессе онтогенеза центральная нервная система особи развивается и совершенствуется до известного возраста как путем добавления новых нейронов, так и возникновения и установления между ними новых межнейронных синаптических связей, что было бы невозможным в случае постоянных жестких межклеточных морфологических связей.
Hаконец, синапсы являются точками приложения многих фармакологических веществ, блокирующих передачу возбуждения, включая вещества эндогенного происхождения, имеющие положительное фармакологическое и патогенетическое значение. О них будет сказано при рассмотрении функции структур головного мозга.
Рассмотрим механизм синаптической передачи на примере нервно-мышечного синапса.
Hервно-мышечный синап с. Схематически строение нервномышечного синапса показано на рис. 13.
Рис. 13. Нервно-мышечный (химический) синапс.
Аксоны мотонейронов спинного мозга, и двигательных ядер продолговатого и среднего мозга образуют синапсы с волокнами скелетных мышц. Пресинаптическую мембрану образуют множество концевых веточек аксона, утративших миэлиновую оболочку. Постсинаптическая мембрана в области синапса принадлежит мышечному волокну и называется концевой пластинкой. Синаптические пузырьки в утолщенных терминалях аксона содержат химическое вещество - ацетилхолин.
Под воздействием потенциала действия аксона через его пресинаптическую мембрану из синаптических пузырьков выделяется ацетилхолин, который, пройдя через синаптическую щель, вызывает деполяризацию концевой пластинки и возникновение на ней локального потенциала концевой пластинки - ПКП. Последний отличается от потенциала действия рядом свойств. Длится он дольше, для его кривой, которая находится на отрицательной стороне оси абсцисс, характерен крутой подъем в течение 1-1,5 мс и медленный спад, продолжающийся 3,5-6 мс. ПКП не подчиняется закону "все или ничего", его амплитуда зависит от количества выделенного в синапс медиатора и чувствительности к нему постсинаптической мембраны. При достаточной частоте пришедших на пресинаптическую мембрану потенциалов действия количество выделяемого в синапс медиатора и, следовательно, ПКП суммируются, стимулируя возникновение на мембране мышечного волокна потенциала действия.
Для нормального освобождения медиатора в синапсе необходимо наличие ионов кальция. Причиной выделения медиатора в синаптическую щель является не деполяризация пресинаптической мембраны сама по себе, а то, что деполяризация открывает дорогу кальцию внутрь пресинаптической терминали. Если убрать из наружной среды кальций, то химический синапс не сработает ни при какой деполяризации. Механизм действия ионов Са 2+ на выделение медиатора изучается. Установлено, что его выделению в синапсе предшествует резкое повышение проницаемости пресинаптической мембраны для ионов кальция, который при этом стремительно проникает внутрь пресинаптической терминали аксона. После выполнения ионами Са 2+ их функции они выкачиваются из аксона ионными кальциевыми насосами, работой которых постоянно поддерживается неравновесная концентрация ионов кальция вокруг мембраны.
Hеобходимая для работы насосов энергия вырабатывается в митохондриях терминалей аксона, которая тратится также на ресинтез ацетилхолина из холина и уксусной кислоты в тех же терминалях.
Блокада нервно-мышечной передачи . Местно анестезирующие средства (новокаин) блокируют проведение возбуждения в пресинаптических нервных окончаниях. Токсин ботулизма делает невозможным высвобождение медиатора, так как блокирует проницаемость пресинаптической мембраны для ионов кальция. Аналогично действуют на мембрану ионы магния. Змеиный яд, например, a-бунгаротоксин, яд кураре блокируют рецепторы ацетилхолина постсинаптической мембраны, необратимо (змеиный яд) или обратимо (яд кураре), связываясь с ними. Фосфорорганические соединения в токсических дозах угнетают фермент холинэстеразу, в норме расщепляющий ацетилхолин после выполнения им его функции. При этом во-время не расщепленный фермент действует в синапсе так долго, что возникает инактивация рецепторов постсинаптической мембраны к медиатору.
Из яда паука каракурта был выделен белок - латротоксин, который по существу представляет собой незакрывающиеся кальциевые каналы. Он встраивается в пресинаптическую мембрану и начинает пропускать в терминаль кальций. В результате запасы ацетилхолина в терминали полностью истощаются и нервная система не может вызвать сокращения мышц (в том числе и дыхательных).
Hекоторые вещества, блокирующие синаптическую передачу, используются при наркозе и других лечебных процедурах для расслабления мышц. Эти вещества называют релаксантами
Электрические синапсы . Кроме химических в организме животных найдены электрические синапсы. В ЭС ионные потоки переходят с терминалей аксона на в клетку-мишень непосредственно через специальные каналы в трубочках специфических мембранных белковых "стыковочных" устройств - коннексонов. Молекулы белка коннектина образуют в мембранах терминали аксона и постсинаптической мембране клетки-мишени особую структуру - коннексон, состоящую из шести молекул и имеющую внутри канал. Два коннексона соседних мембран синапса соединяются друг с другом и в каждом из них открывается отверстие - канал, который до того закрыт (этот процесс подобен открыванию люков при стыковке). Этот канал представляет собой низкое сопротивление для прохождения ионов. В ЭС много коннексонов. Таким образом, ЭС связывает две клетки множеством тоненьких трубочек диаметром около 1-1,5 нм, проходящих внутри белковых молекул (рис. 14, г).
Рис. 14. Электрические синапсы.
Пространство между коннексонами в синаптической щели ЭС заполнено изолятором. У птиц в цепочке нейронов, обеспечивающей реакцию зрачка на свет щель электрических синапсов заполнена миэлином.
Отличительной особенностью ЭС является быстродействие. Вторая характерная особенность ЭС состоит в том, что они пропускают сигнал в обе стороны, т.е. они симметричны. Бывают, однако, ЭС, образованные мембранами с выпрямляющими свойствами, пропускающие сигнал в одном направлении, равно как и симметричные химические синапсы, в которых везикулы с медиатором имеются по обе стороны синаптической щели. Наиболее часто ЭС встречаются у беспозвоночных и низших позвоночных животных (круглоротых и рыб).
Устройства, подобные синапсам. Устройства, подобные синапсам, играют важную роль в жизнедеятельности самых разных тканей и органов. Например, клетки сердца у самых разных животных связаны каналами из того же белка коннектина, который образует каналы в ЭС. В этом случае область контакта клеток называют высокопроницаемым контактом (синапс - это контакт, в котором хотя бы одним участником является нейрон). Системой коннексонов связаны между собой клетки гладких мышц внутренних органов. Невозбудимые клетки (клетки эпителия, желез, печени и др.) тоже связаны высокопроницаемыми контактами. Фактически почти все ткани организма представляют собой не скопления одиночных клеток, а единый коллектив, в котором клетки могут обмениваться через каналы высокопроницаемых контактов разнообразными молекулами. Благодаря этому в тканях возможна своеобразная "клеточная взаимопомощь". Например, если в какой-то клетке плохо работают мембранные насосы, ее соседи через каналы высокопроницаемых контактов "делятся" с ней своим ионным запасом и поддерживают ее потенциал покоя.
Коннексоны являются не стабильными трубками, а динамическими структурами: каналы коннексонов могут открываться и закрываться под действием разных факторов. Выяснен молекулярный механизм такого закрывания каналов. Коннексон состоит из 6 субъединиц,которые могут двигаться относительно друг друга (см.рис. 2-12, б), при этом отверстие может закрываться; это устройство очень похоже на устройство диафрагмы фотоаппарата с подвижными лепестками. В случае, если какая-либо клетка получила серьезное повреждение мембраны и ее защитные механизмы не могут справиться с избытком, например, кальция, поступающего из окружающей среды, вследствие чего клетка обречена на гибель, высокая концентрация кальция внутри этой клетки воздействует на коннексоны с соседними клетками, их каналы закрываются и соседние клетки отсоединяются от поврежденной соседки. "Клетки сердца работают вместе, а умирают поодиночке", сказал один известный ученый. Теперь мы знаем, почему это возможно.
Динамичность коннексонов важна не только для живучести. Установлено, что высокопроницаемые контакты можно найти уже на самых ранних стадиях развития зародышей разных животных; они соединяют между собой клетки, возникающие уже при первых дроблениях яйца, а входе дальнейшего развития то появляются, то исчезают. Клетки то влияют друг на друга какими-то веществами, то участки зародыша изолируются друг от друга и тогда в этих участках развивается однородная ткань из одинаковых клеток; потом эти участки вновь соединяются контактами с соседями, и вся эта сложная игра контактов выполняет определенные функции в регуляции нормального развития. Все это наводит на мысль, что передача сигналов в ЭС - это вторичная "профессия" структуры, которая, как и ионные насосы, играет более общую и фундаментальную роль в развитии организмов и функционировании их тканей.
Так же и принцип работы химических синапсов используется в организмах не только для передачи информации, но и в других целях. Так, разнообразные секреторные клетки используют ионы Ca2+ для регуляции выброса секрета подобно тому, как в химическом синапсе этот процесс используется для выброса медиатора. Заметим, что клетки многих желез являются электрически возбудимыми.
Рассмотри для примера работу b-клеток поджелудочной железы, вырабатывающих инсулин. На поверхности этих клеток имеются рецепторы, реагирующие на уровень глюкозы в омывающей их тканевой жидкости. Если уровень концентрации глюкозы в крови выше нормы, то под действием этих рецепторов клетки деполяризуются (в результате закрытия калиевых каналов) и в них возникают потенциалы действия, Эти потенциалы действия имеют кальциевую природу, они возникают за счет открывания Ca-каналов. При этом ионы Ca2+ входят внутрь клетки, что приводит к выбросу в кровь инсулина, как в случае нервных окончаний приводит к выбросу медиатора. Роль кальция в выбросе разных веществ, в частности гормонов, показана и для многих других желез. Целесообразно заметить, что описанный механизм возникновения потенциалов действия в клетках поджелудочной железы, вероятно, имеет место и в клетках гипоталамуса, реагирующих на разные уровни концентрации определенных гормонов,
Разнообразные клетки организма выделяют в окружающую их среду разные вещества; прежде всего, это клетки желез. Эти вещества упакованы в мембранные контейнеры - пузырьки, а их выброс регулируется ионами Ca2+, которые входят в клетку через специальные кальциевые каналы. В результате эволюции этот механизм стал использоваться нервными клетками в конструкции химических синапсов; в контейнерах содержится медиатор, а дальше его выброс организован так же, как и выделение гормонов и других веществ, и с этой точки зрения нервные клетки с химическими синапсами - это один из вариантов секреторных клеток, а медиатор - это их секрет, который только не просто выбрасывается в кровь, а поступает к совершенно определенным потребителям через синаптическую щель. С другой стороны, работа железистых клеток похожа на работу нервных клеток, но потенциал действия у них служит для того, чтобы открыть кальциевые каналы и впустить внутрь ионы Ca2+. То же самое мы наблюдаем у мышечных клеток, где потенциал действия открывает ворота для ионов Ca 2+ , запускающих процесс сокращения.
Таким образом, во-первых, мы еще раз видим близкое сходство механизмов, используемых разными клетками организма в разных целях, во-вторых, забегая вперед, можем высказать предположение, что тайна эмоциональной окраски ощущений и высшего проявления нервной деятельности мозга человек - ощущения сознания и мышления - находится именно в этом единстве функций нейрона. т.е. в его свойстве быть одновременно и нервной (генерирующей и проводящей электрические импульсы) и секретирующей клеткой.
9. Зависимость функции нейрона от его формы.
Физиологические функции нервной клетки в значительной мере определяются ее электрическими свойствами. Мы уже знаем, что нейроны имеют самые разнообразные формы, при этом их аксоны в принципе имеют форму цилиндрического кабеля, а тела - более или менее шаровидную форму. Сравнив электрические свойства шара и цилиндра, образованных одинаковыми мембранами, мы увидим, сколь важную роль в определении этих свойств играет форма возбудимой клетки.
Электрические параметры, которыми характеризуется нервная клетка, можно разделить на две группы: 1) параметры характеризующие вещество мембраны и цитоплазмы - удельное сопротивление мембраны (Rm), равное 1-10 кОм/см2, ее удельная электрическая емкость (1 мкФ/см2) и удельное сопротивление цитоплазмы (Ri), равное примерно 100 Ом.см; эти параметры не зависят от формы клетки; 2) системные параметры; они характеризуют волокно, клетку или систему связанных клеток в целом и зависят от размеров и формы; одним из системных параметров является ее входное сопротивление - Rвх
Входным сопротивлением называется отношение сдвига мембранного потенциала клетки к величине пропускаемого в нее электрического тока: Rвх = DV/I. Таким образом, входное сопротивление - это аналог обычного сопротивления участка нервного волокна.
Входное сопротивление аксона (цилиндр) выражается формулой:
Rвх = 1/p 2(Rm Ri)/8a3, где a - радиус аксона.
В данной формуле Rm и Ri - сопротивление соответственно мембраны и цитоплазмы аксона, т.е. параметры 1-й группы; все остальное определяется геометрией волокна как цилиндра, у которого длина гораздо больше радиуса. А если из этого же материала сделана сферическая клетка радиуса a ? Показано, что даже у очень крупных сферических клеток (диаметром в 1 мм) сопротивление цитоплазмы составляет только лишь 0,1% от сопротивления мембраны; у сферических клеток значительно меньшего диаметра (таковы все нервные клетки) сопротивление цитоплазмы можно не учитывать, и реально входное сопротивление сферической клетки зависит только от удельного сопротивления ее мембраны и радиуса: Rвх = Rm /4pa3
Таким образом, у сферической клетки входное сопротивление прямо пропорционально сопротивлению мембраны, поэтому если при возбуждении клетки удельное сопротивление ее мембраны уменьшится, скажем, в 36 раз,то и входное сопротивление системы тоже уменьшится в 36 раз.
У волокна же входное сопротивление пропорционально только 2Rm, поэтому если при возбуждении сопротивление мембраны уменьшится также в 36 раз, то входное сопротивление изменится только в 6 раз.
Как же все это влияет на функции нейрона? У сферической клетки мембранный потенциал исчезает не мгновенно, как в цилиндрическом волокне, а медленно - экспоненциально Постсинаптический потенциал в синапсах прямо пропорционален входному сопротивлению постсинаптической мембраны, поэтому в сферической клетке диаметром 10 мкм постсинаптический потенциал будет в 100 раз большим, чем в клетке диаметром в 100 мкм. Эффективность действия возбуждающих синапсов тем меньше, чем меньше их входные сопротивления. Медиатор тормозного синапса в шаровидной клетке снижает входное сопротивление постсинаптической мембраны, снижая этим эффективность возбуждающих импульсов; в цилиндрическом волокне этот эффект значительно меньший.
Медленное снижение мембранного потенциала на мембране шаровидной клетки значительно увеличивает в ней эффективность временной суммации. Разные формы и размеры тел нейронов коры головного мозга - явление не случайное!
Проводимость нервного волокна при изменении его диаметра. Показано , что в одном и том же волокне перед его расширением нервный импульс замедляется, а его амплитуда понижается; при расширении волокна в шесть раз ПД не может пройти через это расширение. Напротив, при сужении волокна по мере приближения к месту сужения скорость импульса возрастает, а его амплитуда увеличивается. Возрастание амплитуды ПД в конце терминали очень важно для работы химических синапсов, так как улучшает условия выделения медиаторов, Если сужающийся аксон ветвится на две веточки, общий диаметр которых меньше диаметра в месте ветвления, то ПД перед ветвлением ускоряется, а если совокупный диаметр веточек больше - скорость ПД замедляется и может даже заблокироваться. Проводимость дендритов. В направлении проведения возбуждения дендриты начинаются тоненькими многочисленными веточками, которые многократно сливаясь в более толстые ветви, заканчиваются на теле нейрона толстыми стволами. Длина дендритов в десятки раз превышает диаметр тела нервных клеток, а толщина концевых веточек может составлять доли микрометра. У одних дендритов мембрана невозбудима (не генерирует ПД) и может передавать сигналы только электротонически как пассивный кабель, у других она способна генерировать и проводить потенциалы действия подобно аксону, но в направлении к телу нейрона. В первом случае, как полагают ученые, на тонких концевых веточках размещается много синапсов и совместное действие этих синапсов достигает теле нейрона. Количественная оценка показала, что эффективность дендритных синапсов всего в 3-5 раз ниже, чем у синапсов, расположенных на теле нейрона, Достаточную силу, чтобы эффективно достигнуть до тела клетки, электротонический потенциал получает в дендритном синапсе благодаря маленькому радиусу дендритной терминали и поэтому большому ее входному сопротивлению (см. выше). Этой силы оказывается достаточно, чтобы компенсировать затухание сигнала при его движении в направлении расширения дендритов.
У нейронов, мембрана дендритов которых способны генерировать и проводить потенциалы действия, аналогичная высокая эффективность дендритных синапсов приводит к тому, что всего несколько синапсов доведут мембранный потенциал до порога и вызовут в этой веточке ПД, который начнет распространяться к телу клетки. Его дальнейшая судьба будет зависеть от свойств узлов ветвления, которые ему предстоит пройти на пути к телу нейрона, от количества и временного совпадения потенциалов действия, приходящих к местам ветвления по другим веточкам и т.п. В результате клетка такого типа работает как сложная логическая схема. Клетки со сложной системой дендритов работают как очень сложные элементы ЭВМ.
Функции дендритных шипиков . На дендритах многих нейронов имеются особые образования, т.н. шипики. Эти похожие на грибы образования в виде головки на тонкой ножке представляют собой выпячивание клеточной мембраны дендрита, на котором образован химический синапс с терминалью от другого нейрона. Ученые полагают, что функция шипиков состоит в следующем. В случае невозбудимой мембраны шипики существенно снижают взаимное влияние соседних синапсов на постсинаптическую мембрану дендрита, при котором в случае отсутствия шипиков имело бы место существенное снижение входного сопротивления терминали дендрита и, следовательно, снижение уровня мебранного потенциала. Расчеты показали, что хотя шипиковые синапсы каждый по отдельности менее эффективен, чем синапсы, расположенные прямо на дендрите, но суммарный эффект их работы заметно выше.
Если же мембрана шипика возбудима, то он может работать как усилитель синаптической передачи. Из-за тонкости шейки входное сопротивлении шипика очень велико и один синапс может вызвать в головке потенциал действия, который пошлет в дендрит гораздо более сильный электрический ток, чем ток синапса.
10. Функции нейроглии.
Пространство между нейронами в центральной нервной системе заполнено специализированными опорными клетками глией. Количество их в 5-10 раз выше нейронов. Глия образует также миэлиновые оболочки периферических аксонов нейронов.
Клетки глии подразделяют на две группы - астроциты и олигодендроциты, Астроциты очищают внеклеточное пространство нейронов от избытка ионов и медиаторов и поэтому действуют как буфер в случае повышения внеклеточной концентрации ионов кальция и устраняют химические "помехи" при работе нейронов. Трофическая функция глии по отношению к нейронам не доказана, хотя они могут изменять доступ к нейронам кислорода и глюкозы. перекрывая соответствующие потоки межклеточной жидкости. Астроциты могут изменять передаваемый в синапсах сигнал, перекрывая отдельные участки мембран в синаптических щелях.. В местах ограниченного повреждения мозга астроциты выполняют санитарные функции, участвуя в уборке омертвевших кусочков нейронов.
Олигодендроциты, наматываясь вокруг аксонов нейронов, образуют их миэлиновую оболочку в ЦНС. Разновидность олигодендроцитов - шванновские клетки - образуют прерывистую миэлиновую оболочку периферических аксонов..
11.Рост и развитие нейрона в онтогенезе .
Нейрон развивается из небольшой клетки-предшественницы, которая перестаёт делиться ещё до того, как выпустит свои отростки.
Вопрос о делении самих нейронов в настоящее время остаётся дискуссионным. как и сама целесообразность этого процесса в сформировавшемся организме. Регенерация же поврежденных отростков со стороны тела клетки-есть факт, вполне доказанный. Как правило, первым начинает расти аксон, а дендриты образуются позже. На конце развивающегося отростка нервной клетки появляется утолщение неправильной формы--"конус роста", которое, видимо, и прокладывает путь через окружающую ткань. Конус роста представляет собой уплощенную часть отростка нервной клетки с множеством тонких шипиков. Микрошипики имеют толщину от 0,1--0,2 мкм и длину до 50 мкм в длину. Для сравнения вспомним, что диаметр эритроцита крови человека равен 7,3 мкм. Широкая и плоская область конуса роста имеет ширину и длину около 5 мкм. Промежутки между микрошипиками покрыты складчатой мембраной.
Микрошипики находятся в постоянном движении. Некоторые из них втягиваются в конус, другие удлиняются, отклоняются в разные стороны, прикасаются к субстрату и могут прилипать к нему. Непосредственно под складчатыми участками мембраны и в шипиках находится плотная масса перепутанных актиновых филаментов, митохондрии, микротрубочки и нейрофиламенты, подобные таковым теле нейрона.
Вероятно, микротрубочки, нейрофиламенты и актиновые нити (см. ниже) удлиняются главным образом за счёт добавления вновь синтезированных субъединиц у основания отростка нейрона. Они продвигаются со скоростью около миллиметра в сутки, что соответствует скорости медленного аксонного транспорта в зрелом нейроне. Новый мембранный материал добавляется, видимо у окончания. Мелкие мембранные пузырьки переносятся по отростку нейрона от тела клетки к конусу роста с потоком быстрого аксонного транспорта. Мембранный материал, видимо, синтезируется в теле нейрона, переносится к конусу роста в виде пузырьков и включается здесь в плазматическую мембрану путём экзоцитоза, удлиняя таким образом отросток нервной клетки.
Росту аксонов и дендритов обычно предшествует фаза миграции нейронов, когда незрелые нейроны расселяются и находят себе постоянное место в нервных сетях..
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Клеточные процессы, обеспечивающие обмен информацией между нейронами, требуют много энергии. Высокое энергопотребление способствовало в ходе эволюции отбору наиболее эффективных механизмов кодирования и передачи информации. В этой статье вы узнаете о теоретическом подходе к изучению энергетики мозга, о его роли в исследованиях патологий, о том, какие нейроны более продвинуты, почему синапсам иногда выгодно не «срабатывать», а также, как они отбирают только нужную нейрону информацию.
Генеральный спонсор конкурса - компания : крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Спонсором приза зрительских симпатий и партнером номинации «Биомедицина сегодня и завтра» выступила фирма «Инвитро ».
«Книжный» спонсор конкурса - «Альпина нон-фикшн »
Происхождение подхода
С середины ХХ века известно, что головной мозг потребляет значительную часть энергоресурсов всего организма: четверть всей глюкозы и ⅕ всего кислорода в случае высшего примата . Это вдохновило Уильяма Леви и Роберта Бакстера из Массачусетского технологического института (США) на проведение теоретического анализа энергетической эффективности кодирования информации в биологических нейронных сетях (рис. 1) . В основе исследования лежит следующая гипотеза. Поскольку энергопотребление мозга велико, ему выгодно иметь такие нейроны, которые работают наиболее эффективно - передают только полезную информацию и затрачивают при этом минимум энергии.
Это предположение оказалось справедливым: на простой модели нейронной сети авторы воспроизвели экспериментально измеренные значения некоторых параметров . В частности, рассчитанная ими оптимальная частота генерации импульсов варьирует от 6 до 43 имп./с - почти так же, как и у нейронов основания гиппокампа . Их можно подразделить на две группы по частоте импульсации: медленные (~10 имп./с) и быстрые (~40 имп./с). При этом первая группа значительно превосходит по численности вторую . Аналогичная картина наблюдается и в коре больших полушарий: медленных пирамидальных нейронов (~4-9 имп./с) в несколько раз больше, чем быстрых ингибиторных интернейронов (>100 имп./с) , . Так, видимо, мозг «предпочитает» использовать поменьше быстрых и энергозатратных нейронов, чтобы те не израсходовали все ресурсы , .
Рисунок 1. Представлены два нейрона.
В одном из них фиолетовым цветом
окрашен пресинаптический белок синаптофизин . Другой нейрон полностью окрашен зеленым флуоресцентным белком
. Мелкие светлые крапинки
- синаптические контакты между нейронами . Во вставке одна «крапинка» представлена ближе.
Группы нейронов, связанных между собой синапсами, называются нейронными сетями
, . Например, в коре больших полушарий пирамидальные нейроны и интернейроны образуют обширные сети. Слаженная «концертная» работа этих клеток обусловливает наши высшие когнитивные и другие способности. Аналогичные сети, только из других типов нейронов, распределены по всему мозгу, определенным образом связаны между собой и организуют работу всего органа.
Что такое интернейроны?
Нейроны центральной нервной системы разделяются на активирующие (образуют активирующие синапсы) и тормозящие (образуют тормозящие синапсы). Последние в значительной степени представлены интернейронами , или промежуточными нейронами. В коре больших полушарий и гиппокампе они ответственны за формирование гамма-ритмов мозга , которые обеспечивают слаженную, синхронную работу других нейронов. Это крайне важно для моторных функций, восприятия сенсорной информации, формирования памяти , .
Поиск оптимума
Фактически, речь идет о задаче оптимизации : поиска максимума функции и определения параметров, при которых он достигается. В нашем случае, функция - это отношение количества полезной информации к энергозатратам. Количество полезной информации можно примерно вычислить с помощью формулы Шеннона, широко используемой в теории информации , . Для расчета энергозатрат существуют два метода, и оба дают правдоподобные результаты , . Один из них - «метод счета ионов» - основан на подсчете количества ионов Na + , попавших внутрь нейрона при том или ином сигнальном событии (ПД или ПСП, см. врезку «Что такое потенциал действия ») с последующим переводом в число молекул аденозинтрифосфата (АТФ ), главной энергетической «валюты» клеток . Второй базируется на описании ионных токов через мембрану по законам электроники и позволяет вычислить мощность эквивалентной электрической цепи нейрона, которая затем переводится в затраты АТФ .
Эти «оптимальные» значения параметров затем нужно сравнить с измеренными экспериментально и определить, насколько они отличаются. Общая картина отличий укажет на степень оптимизации данного нейрона в целом: насколько реальные, измеренные экспериментально, значения параметров совпадают с рассчитанными. Чем слабее выражены отличия, тем нейрон более близок к оптимуму и работает энергетически более эффективно, оптимально. С другой стороны, сопоставление конкретных параметров покажет, в каком конкретно качестве этот нейрон близок к «идеалу».
Далее, в контексте энергетической эффективности нейронов рассмотрены два процесса, на которых основано кодирование и передача информации в мозге. Это нервный импульс, или потенциал действия, благодаря которому информация может быть отправлена «адресату» на определенное расстояние (от микрометров до полутора метров) и синаптическая передача, лежащая в основе собственно передачи сигнала от одного нейрона на другой.
Потенциал действия
Потенциал действия (ПД ) - сигнал, которые отправляют друг другу нейроны. ПД бывают разные: быстрые и медленные, малые и большие . Зачастую они организованы в длинные последовательности (как буквы в слова), либо в короткие высокочастотные «пачки» (рис. 2).
Рисунок 2. Разные типы нейронов генерируют различные сигналы. В центре - продольный срез мозга млекопитающего. Во вставках представлены разные типы сигналов, зарегистрированные методами электрофизиологии , . а - Кортикальные (Cerebral cortex ) пирамидальные нейроны могут передавать как низкочастотные сигналы (Regular firing ), так и короткие взрывные, или пачечные, сигналы (Burst firing ). б - Для клеток Пуркинье мозжечка (Cerebellum ) характерна только пачечная активность на очень высокой частоте. в - Релейные нейроны таламуса (Thalamus ) имеют два режима активности: пачечный и тонический (Tonic firing ). г - Нейроны средней части поводка (MHb , Medial habenula ) эпиталамуса генерируют тонические сигналы низкой частоты.
Что такое потенциал действия?
- Мембрана и ионы.
Плазматическая мембрана нейрона поддерживает неравномерное распределение веществ между клеткой и внеклеточной средой (рис. 3б
) . В числе этих веществ есть и маленькие ионы, из которых для описания ПД важны К + и Nа + .
Ионов Na + внутри клетки мало, снаружи - много. Из-за этого они постоянно стремятся попасть в клетку. Напротив, ионов К + много внутри клетки, и они норовят из нее выйти. Самостоятельно ионы этого сделать не могут, потому что мембрана для них непроницаема. Для прохождения ионов через мембрану необходимо открывание специальных белков - ионных каналов мембраны. - Ионные каналы.
Разнообразие каналов огромно , . Одни открываются в ответ на изменение мембранного потенциала, другие - при связывании лиганда (нейромедиатора в синапсе, например), третьи - в результате механических изменений мембраны и т.д. Открывание канала заключается в изменении его структуры, в результате которого через него могут проходить ионы. Некоторые каналы пропускают только определенный тип ионов, а для других характерна смешанная проводимость.
В генерации ПД ключевую роль играют каналы, «чувствующие» мембранный потенциал, - потенциал-зависимые ионные каналы . Они открываются в ответ на изменение мембранного потенциала. Среди них нас интересуют потенциал-зависимые натриевые каналы (Na-каналы), пропускающие только ионы Na + , и потенциал-зависимые калиевые каналы (K-каналы), пропускающие только ионы К + . - Ионный ток и ПД.
Основой ПД является ионный ток - движение ионов через ионные каналы мембраны . Так как ионы заряжены, их ток приводит к изменению суммарного заряда внутри и вне нейрона, что немедленно влечет за собой изменение мембранного потенциала.
Генерация ПД, как правило, происходит в начальном сегменте аксона - в той его части, что примыкает к телу нейрона , . Тут сконцентрировано много Na-каналов. Если они откроются, внутрь аксона хлынет мощный ток ионов Na + , и произойдет деполяризация мембраны - уменьшение мембранного потенциала по абсолютной величине (рис. 3в ). Далее необходимо возвращение к его исходному значению - реполяризация . За это отвечают ионы К + . Когда К-каналы откроются (незадолго до максимума ПД), ионы К + начнут выходить из клетки и реполяризовать мембрану.
Деполяризация и реполяризация - две основные фазы ПД. Помимо них выделяют еще несколько, которые из-за отсутствия необходимости здесь не рассматриваются. Детальное описание генерации ПД можно найти в , . Краткое описание ПД есть также в статьях на «Биомолекуле» , . - Начальный сегмент аксона и инициация ПД. Что приводит к открыванию Na-каналов в начальном сегменте аксона? Опять же, изменение мембранного потенциала, «приходящее» по дендритам нейрона (рис. 3а ). Это - постсинаптические потенциалы (ПСП ), возникающие в результате синаптической передачи. Подробнее этот процесс объясняется в основном тексте.
- Проведение ПД. К ПД в начальном сегменте аксона будут неравнодушны Na-каналы, находящиеся неподалеку. Они тоже откроются в ответ на это изменение мембранного потенциала, что также вызовет ПД. Последний, в свою очередь, вызовет аналогичную «реакцию» на следующем участке аксона, все дальше от тела нейрона, и так далее. Таким образом происходит проведение ПД вдоль аксона , . В конце концов он достигнет его пресинаптических окончаний (малиновые стрелки на рис. 3а ), где сможет вызвать синаптическую передачу.
- Энергозатраты на генерацию ПД меньше, чем на работу синапсов. Скольких молекул аденозинтрифосфата (АТФ), главной энергетической «валюты», стоит ПД? По одной из оценок, для пирамидальных нейронов коры мозга крысы энергозатраты на генерацию 4 ПД в секунду составляют около ⅕ от общего энергопотребления нейрона. Если учесть другие сигнальные процессы, в частности, синаптическую передачу, доля составит ⅘. Для коры мозжечка, отвечающего за двигательные функции, ситуация похожа: энергозатраты на генерацию выходного сигнала составляют 15% от всех, а около половины приходится на обработку входной информации . Так, ПД является далеко не самым энергозатратным процессом. В разы больше энергии требует работа синапса , . Однако это не означает, что процесс генерации ПД не проявляет черт энергетической эффективности.
Рисунок 3. Нейрон, ионные каналы и потенциал действия. а - Реконструкция клетки-канделябра коры головного мозга крысы. Синим окрашены дендриты и тело нейрона (синее пятно в центре), красным - аксон (у многих типов нейронов аксон разветвлен намного больше, чем дендриты , ). Зеленые и малиновые стрелки указывают направление потока информации: дендриты и тело нейрона принимают ее, аксон - отправляет ее к другим нейронам. б - Мембрана нейрона, как и любой другой клетки, содержит ионные каналы. Зеленые кружки - ионы Na + , синие - ионы К + . в - Изменение мембранного потенциала при генерации потенциала действия (ПД) нейроном Пуркинье. Зеленая область : Na-каналы открыты, в нейрон входят ионы Na + , происходит деполяризация. Синяя область: открыты К-каналы, К + выходит, происходит реполяризация. Перекрывание зеленой и синей областей соответствует периоду, когда происходит одновременный вход Na + и выход К + .
ПД - это относительно сильное по амплитуде скачкообразное изменение мембранного потенциала.
Анализ разных типов нейронов (рис. 4) показал, что нейроны беспозвоночных не очень энергоэффективны, а некоторые нейроны позвоночных почти совершенны . По результатам этого исследования, наиболее энергоэффективными оказались интернейроны гиппокампа , участвующего в формировании памяти и эмоций, а также таламокортикальные релейные нейроны, несущие основной поток сенсорной информации от таламуса к коре больших полушарий.
Рисунок 4. Разные нейроны эффективны по-разному. На рисунке представлено сравнение энергозатрат разных типов нейронов. Энергозатраты рассчитаны в моделях как с исходными (реальными) значениями параметров (черные столбцы ), так и с оптимальными, при которых с одной стороны нейрон выполняет положенную ему функцию, с другой - затрачивает при этом минимум энергии (серые столбцы ). Самыми эффективными из представленных оказались два типа нейронов позвоночных: интернейроны гиппокампа (rat hippocampal interneuron , RHI ) и таламокортикальные нейроны (mouse thalamocortical relay cell , MTCR ), так как для них энергозатраты в исходной модели наиболее близки к энергозатратам оптимизированной. Напротив, нейроны беспозвоночных менее эффективны. Условные обозначения: SA (squid axon ) - гигантский аксон кальмара; CA (crab axon ) - аксон краба; MFS (mouse fast spiking cortical interneuron ) - быстрый кортикальный интернейрон мыши; BK (honeybee mushroom body Kenyon cell ) - грибовидная клетка Кеньона пчелы.
Почему они более эффективны? Потому что у них малó перекрывание Na- и К-токов. Во время генерации ПД всегда есть промежуток времени, когда эти токи присутствуют одновременно (рис. 3в ). При этом переноса заряда практически не происходит, и изменение мембранного потенциала минимально. Но «платить» за эти токи в любом случае приходится, несмотря на их «бесполезность» в этот период. Поэтому его продолжительность определяет, сколько энергетических ресурсов растрачивается впустую. Чем он короче, тем более эффективно использование энергии , . Чем длиннее - тем менее эффективно. Как раз в двух вышеупомянутых типах нейронов, благодаря быстрым ионным каналам, этот период очень короткий, а ПД - самые эффективные .
Кстати, интернейроны гораздо более активны, чем большинство других нейронов мозга. В то же время они крайне важны для слаженной, синхронной работы нейронов, с которыми образуют небольшие локальные сети , . Вероятно, высокая энергетическая эффективность ПД интернейронов является некой адаптацией к их высокой активности и роли в координации работы других нейронов .
Синапс
Передача сигнала от одного нейрона к другому происходит в специальном контакте между нейронами, в синапсе . Мы рассмотрим только химические синапсы (есть еще электрические ), поскольку они весьма распространены в нервной системе и важны для регуляции клеточного метаболизма, доставки питательных веществ .
На пресинаптическом окончании аксона ПД вызывает выброс нейромедиатора во внеклеточную среду - к принимающему нейрону. Последний только этого и ждет с нетерпением: в мембране дендритов рецепторы - ионные каналы определенного типа - связывают нейромедиатор, открываются и пропускают через себя разные ионы. Это приводит к генерации маленького постсинаптического потенциала (ПСП) на мембране дендрита. Он напоминает ПД, но значительно меньше по амплитуде и происходит за счет открывания других каналов. Множество этих маленьких ПСП, каждый от своего синапса, «сбегаются» по мембране дендритов к телу нейрона (зеленые стрелки на рис. 3а ) и достигают начального сегмента аксона, где вызывают открывание Na-каналов и «провоцируют» его на генерацию ПД.
Такие синапсы называются возбуждающими : они способствуют активации нейрона и генерации ПД. Существуют также и тормозящие синапсы. Они, наоборот, способствуют торможению и препятствуют генерации ПД. Часто на одном нейроне есть и те, и другие синапсы. Определенное соотношение между торможением и возбуждением важно для нормальной работы мозга, формирования мозговых ритмов, сопровождающих высшие когнитивные функции .
Как это ни странно, выброс нейромедиатора в синапсе может и не произойти вовсе - это процесс вероятностный , . Нейроны так экономят энергию: синаптическая передача и так обусловливает около половины всех энергозатрат нейронов . Если бы синапсы всегда срабатывали, вся энергия пошла бы на обеспечение их работы, и не осталось бы ресурсов для других процессов. Более того, именно низкая вероятность (20–40%) выброса нейромедиатора соответствует наибольшей энергетической эффективности синапсов. Отношение количества полезной информации к затрачиваемой энергии в этом случае максимально , . Так, выходит, что «неудачи» играют важную роль в работе синапсов и, соответственно, всего мозга. А за передачу сигнала при иногда «не срабатывающих» синапсах можно не беспокоиться, так как между нейронами обычно много синапсов, и хоть один из них да сработает.
Еще одна особенность синаптической передачи состоит в разделении общего потока информации на отдельные компоненты по частоте модуляции приходящего сигнала (грубо говоря, частоте приходящих ПД) . Это происходит благодаря комбинированию разных рецепторов на постсинаптической мембране , . Некоторые рецепторы активируются очень быстро: например, AMPA-рецепторы (AMPA происходит от α-a mino-3-hydroxy-5-m ethyl-4-isoxazolep ropionic a cid). Если на постсинаптическом нейроне представлены только такие рецепторы, он может четко воспринимать высокочастотный сигнал (такой, как, например, на рис. 2в ). Ярчайший пример - нейроны слуховой системы, участвующие в определении местоположения источника звука и точном распознавании коротких звуков типа щелчка, широко представленных в речи , . NMDA-рецепторы (NMDA - от N -m ethyl-D -a spartate) более медлительны. Они позволяют нейронам отбирать сигналы более низкой частоты (рис. 2г ), а также воспринимать высокочастотную серию ПД как нечто единое - так называемое интегрирование синаптических сигналов . Есть еще более медленные метаботропные рецепторы , которые при связывании нейромедиатора, передают сигнал на цепочку внутриклеточных «вторичных посредников » для подстройки самых разных клеточных процессов. К примеру, широко распространены рецепторы, ассоциированные с G-белками . В зависимости от типа они, например, регулируют количество каналов в мембране или напрямую модулируют их работу .
Различные комбинации быстрых AMPA-, более медленных NMDA- и метаботропных рецепторов позволяют нейронам отбирать и использовать наиболее полезную для них информацию, важную для их функционирования . А «бесполезная» информация отсеивается, она не «воспринимается» нейроном. В таком случае не приходится тратить энергию на обработку ненужной информации. В этом и состоит еще одна сторона оптимизации синаптической передачи между нейронами.
Что еще?
Энергетическая эффективность клеток мозга исследуется также и в отношении их морфологии , . Исследования показывают, что ветвление дендритов и аксона не хаотично и тоже экономит энергию , . Например, аксон ветвится так, чтобы суммарная длина пути, который проходит ПД, была наименьшей. В таком случае энергозатраты на проведение ПД вдоль аксона минимальны.
Снижение энергозатрат нейрона достигается также при определенном соотношении тормозящих и возбуждающих синапсов . Это имеет прямое отношение, например, к ишемии (патологическому состоянию, вызванному нарушением кровотока в сосудах) головного мозга. При этой патологии, вероятнее всего, первыми выходят из строя наиболее метаболически активные нейроны , . В коре они представлены ингибиторными интернейронами, образующими тормозящие синапсы на множестве других пирамидальных нейронов , . В результате гибели интернейронов, снижается торможение пирамидальных . Как следствие, возрастает общий уровень активности последних (чаще срабатывают активирующие синапсы, чаще генерируются ПД). За этим немедленно следует рост их энергопотребления, что в условиях ишемии может привести к гибели нейронов.
При изучении патологий внимание уделяют и синаптической передаче как наиболее энергозатратному процессу . Например, при болезнях Паркинсона , Хантингтона , Альцгеймера происходит нарушение работы или транспорта к синапсам митохондрий, играющих основную роль в синтезе АТФ , . В случае болезни Паркинсона, это может быть связано с нарушением работы и гибелью высоко энергозатратных нейронов черной субстанции , важной для регуляции моторных функций, тонуса мышц. При болезни Хантингтона, мутантный белок хангтингтин нарушает механизмы доставки новых митохондрий к синапсам, что приводит к «энергетическому голоданию» последних, повышенной уязвимости нейронов и избыточной активации. Все это может вызвать дальнейшие нарушения работы нейронов с последующей атрофией полосатого тела и коры головного мозга. При болезни Альцгеймера нарушение работы митохондрий (параллельно со снижением количества синапсов) происходит из-за отложения амилоидных бляшек . Действие последних на митохондрии приводит к окислительному стрессу, а также к апоптозу - клеточной гибели нейронов.
Еще раз обо всем
В конце ХХ века зародился подход к изучению мозга, в котором одновременно рассматривают две важные характеристики: сколько нейрон (или нейронная сеть, или синапс) кодирует и передает полезной информации и сколько энергии при этом тратит , . Их соотношение является своего рода критерием энергетической эффективности нейронов, нейронных сетей и синапсов.
Использование этого критерия в вычислительной нейробиологии дало существенный прирост к знаниям относительно роли некоторых явлений, процессов , . В частности, малая вероятность выброса нейромедиатора в синапсе , определенный баланс между торможением и возбуждением нейрона , выделение только определенного рода приходящей информации благодаря определенной комбинации рецепторов - все это способствует экономии ценных энергетических ресурсов.
Более того, само по себе определение энергозатрат сигнальных процессов (например, генерация, проведение ПД, синаптическая передача) позволяет выяснить, какой из них пострадает в первую очередь при патологическом нарушении доставки питательных веществ , . Так как больше всего энергии требуется для работы синапсов, именно они первыми выйдут из строя при таких патологиях, как ишемия, болезни Альцгеймера и Хантингтона , . Схожим образом определение энергозатрат разных типов нейронов помогает выяснить, какой из них погибнет раньше других в случае патологии. Например, при той же ишемии, в первую очередь выйдут из строя интернейроны коры , . Эти же нейроны из-за интенсивного метаболизма - наиболее уязвимые клетки и при старении, болезни Альцгеймера и шизофрении .
Благодарности
Искренне благодарен моим родителям Ольге Наталевич и Александру Жукову, сестрам Любе и Алене, моему научному руководителю Алексею Браже и замечательным друзьям по лаборатории Эвелине Никельшпарг и Ольге Слатинской за поддержку и вдохновение, ценные замечания, сделанные при прочтении статьи. Я также очень благодарен редактору статьи Анне Петренко и главреду «Биомолекулы» Антону Чугунову за пометки, предложения и замечания.
Литература
- Прожорливый мозг ;
- SEYMOUR S. KETY. (1957). THE GENERAL METABOLISM OF THE BRAIN IN VIVO . Metabolism of the Nervous System . 221-237;
- L. Sokoloff, M. Reivich, C. Kennedy, M. H. Des Rosiers, C. S. Patlak, et. al.. (1977). THE DEOXYGLUCOSE METHOD FOR THE MEASUREMENT OF LOCAL CEREBRAL GLUCOSE UTILIZATION: THEORY, PROCEDURE, AND NORMAL VALUES IN THE CONSCIOUS AND ANESTHETIZED ALBINO RAT . J Neurochem . 28 , 897-916;
- Magistretti P.J. (2008). Brain energy metabolism . In Fundamental neuroscience // Ed by. Squire L.R., Berg D., Bloom F.E., du Lac S., Ghosh A., Spitzer N. San Diego: Academic Press, 2008. P. 271–297;
- Pierre J. Magistretti, Igor Allaman. (2015). A Cellular Perspective on Brain Energy Metabolism and Functional Imaging . Neuron . 86 , 883-901;
- William B Levy, Robert A. Baxter. (1996). Energy Efficient Neural Codes . Neural Computation . 8 , 531-543;
- Sharp P.E. and Green C. (1994). Spatial correlates of firing patterns of single cells in the subiculum of the freely moving rat . J. Neurosci. 14 , 2339–2356;
- H. Hu, J. Gan, P. Jonas. (2014). Fast-spiking, parvalbumin+ GABAergic interneurons: From cellular design to microcircuit function . Science . 345 , 1255263-1255263;
- Oliver Kann, Ismini E Papageorgiou, Andreas Draguhn. (2014). Highly Energized Inhibitory Interneurons are a Central Element for Information Processing in Cortical Networks . J Cereb Blood Flow Metab . 34 , 1270-1282;
- David Attwell, Simon B. Laughlin. (2001). An Energy Budget for Signaling in the Grey Matter of the Brain . J Cereb Blood Flow Metab . 21 , 1133-1145;
- Henry Markram, Maria Toledo-Rodriguez, Yun Wang, Anirudh Gupta, Gilad Silberberg, Caizhi Wu. (2004).
Между нейронами сигнал передается в особых структурах, которые называются синапсы. Передача информации в синапсах идет за счет выделения химических веществ, то есть по химическому принципу. Пока информация остается внутри нервной клетки, передача идет электрическим путем за счет того, что по мембране нервных клеток распространяются особые электрические импульсы - потенциалы действия. Это короткие ступеньки электрического тока, они имеют примерно треугольную форму и бегут по мембране дендритов, по телу нейрона аксону и в конце концов достигают синапсов.
Между нейронами сигнал передается в особых структурах, которые называются синапсы. Передача информации в синапсах идет за счет выделения химических веществ, то есть по химическому принципу. Пока информация остается внутри нервной клетки, передача идет электрическим путем за счет того, что по мембране нервных клеток распространяются особые электрические импульсы — потенциалы действия. Это короткие ступеньки электрического тока, они имеют примерно треугольную форму и бегут по мембране дендритов, по телу нейрона аксону и в конце концов достигают синапсов.
Можно сравнить потенциалы действия с двоичным кодом компьютера. В компьютере, как известно, вся информация кодируется последовательностью нулей и единиц. Потенциалы действия — это, по сути, единички, которые кодируют все наши мысли, чувства, сенсорные переживания, движения и так далее. Подключившись к правильному месту нейросети и подавая на нервные клетки подобного рода электрические импульсы, мы можем заставить человека почувствовать, например, положительные или отрицательные эмоции, или вызвать какие-то сенсорные иллюзии, или управлять работой внутренних органов. Это, конечно, очень перспективный раздел современной нейрофизиологии и нейромедицины.
Для того чтобы управлять потенциалами действия, нужно понимать, откуда они берутся. В принципе, потенциалы действия можно сравнить с ситуацией, когда вы с помощью электрического фонарика подаете сигналы своему товарищу на другом берегу реки. То есть вы нажимаете на кнопку, фонарик вспыхивает, и дальше каким-то секретным кодом вы что-то передаете. Для того чтобы ваш фонарик работал, внутри нужна батарейка, то есть некий заряд энергии. Нервные клетки, для того чтобы генерировать потенциал действия, должны тоже обладать таким зарядом энергии, и этот заряд называется потенциал покоя. Он существует, он присущ всем нервным клеткам и составляет примерно -70 мВ, то есть -0,07 В.
Изучение электрических свойств нейронов началось достаточно давно. То, что в живых организмах присутствует электричество, поняли еще в эпоху Возрождения, когда заметили, что лягушачья лапка подергивается от ударов током, когда поняли, что электрический скат излучает потоки энергии. Дальше был поиск тех технических приемов, которые позволили бы уже всерьез подойти к нервным клеткам и посмотреть, какие электрические процессы там происходят. Здесь мы должны поблагодарить кальмара, потому что кальмар — это такое замечательное животное, которое обладает очень толстыми аксонами. Это связано с особенностями его образа жизни: у него существует складка-мантия, которая сокращается и выбрасывает воду, возникает реактивный импульс, и кальмар движется вперед. Для того чтобы много мышц мантии сокращались энергично и одновременно, нужен мощный аксон, который сразу бы на всю эту мышечную массу передавал импульсы. Аксон имеет толщину 1-1,5 мм. Еще в середине XX века научились его выделять, вставлять внутрь тонкие электрические проволочки, измерять и регистрировать те электрические процессы, которые происходят. Тогда стало уже понятно, что существует потенциал покоя и потенциал действия.
Принципиальный рывок произошел в тот момент, когда изобрели стеклянные микроэлектроды, то есть научились делать очень тонкие стеклянные трубочки, которые внутри заполнены раствором соли, скажем KCl. Если такую трубочку очень аккуратно (это надо, конечно, делать под микроскопом) подвести к нервной клетке и проколоть мембрану нейрона, то нейрон, немного повозмущавшись, продолжает нормально работать, и вы видите, какой у него внутри заряд и как этот заряд меняется, когда происходит передача информации. Стеклянные микроэлектроды — это базовая технология, которая используется и сейчас.
Ближе к концу XX века появился еще один способ, он называется patch-clamp , когда стеклянный микроэлектрод не протыкает мембрану, а очень аккуратно к ней подводится, кусочек мембраны присасывается, при этом очень небольшая площадь мембраны клетки подвергается анализу, и можно смотреть, как работают, например, отдельные белковые молекулы, такие как различные ионные каналы.
Использование всех этих технологий позволило для начала понять, откуда берется потенциал покоя, откуда берется заряд внутри нервных клеток. Оказалось, что потенциал покоя связан прежде всего с накоплением ионов калия. Электрические процессы в живых организмах отличаются от тех электрических процессов, которые происходят в компьютере, потому что физическое электричество — это в основном движение электронов, а в живых системах — движение ионов, то есть заряженных частиц, прежде всего ионов натрия, калия, хлора, кальция. Эта четверка в основном обеспечивает разные электрические явления в нашем организме: и в нервной системе, и в мышцах, и в сердце — это очень важный раздел современной физиологии.
Когда стали анализировать состав цитоплазмы нервных клеток, то оказалось, что в цитоплазме нейронов по сравнению с внешней средой много калия и мало натрия. Эта разница возникает за счет работы особой белковой молекулы — натрий-калиевого насоса (или натрий-калиевой АТФазы). Надо сказать, что натрий-калиевый насос находится на мембранах всех клеток, потому что живые клетки так устроены, что им необходим избыток калия внутри цитоплазмы, например, для того, чтобы нормально работали многие белки. Клетки обменивают внутриклеточный натрий на внеклеточный калий, закачивают калий, удаляют из цитоплазмы натрий, но при этом пока заряд не меняется, потому что обмен более-менее эквивалентен. У обычной клетки, не нервной, внутри избыток калия, но никакого заряда нет: сколько положительно заряженных частичек, столько и отрицательно заряженных; есть, например, калий, хлор или анионы различных органических кислот.
Для того чтобы эта система приобрела отрицательный заряд, происходит следующее. В какой-то момент созревания нейрона на его мембране появляются постоянно открытые каналы для калия. Это белковые молекулы, и для того, чтобы они появились, должны заработать соответствующие гены, постоянно открытые каналы для калия позволяют калию выходить из цитоплазмы, и он выходит, потому что внутри его примерно в 30 раз больше, чем снаружи. Работает всем известный закон диффузии: частицы (в данном случае ионы калия) выходят оттуда, где их много, туда, где их мало, и калий начинает «убегать» из цитоплазмы через эти постоянно открытые каналы, специально для этого приспособленные.
Банальный ответ на вопрос «А как долго он будет убегать?», казалось бы, должен звучать: «Пока концентрация не уравняется», но все несколько сложнее, потому что калий — это заряженная частица. Когда убегает один калий, внутри в цитоплазме остается его одинокая пара, и цитоплазма приобретает заряд -1. Убежал второй калий — заряд уже -2, -3… По мере того как калий убегает по диффузии, растет внутренний заряд цитоплазмы, и заряд этот отрицательный. Плюсы и минусы притягиваются, поэтому по мере нарастания отрицательного заряда цитоплазмы этот заряд начинает сдерживать диффузию ионов калия, и им выходить становится все сложнее и сложнее, и в какой-то момент возникает равновесие: сколько калия убегает благодаря диффузии, столько же входит благодаря притяжению к отрицательному заряду цитоплазмы. Эта точка равновесия и составляет примерно -70 мВ, тот самый потенциал покоя. Нервная клетка сама себя зарядила и теперь готова использовать этот заряд, для того чтобы генерировать потенциалы действия.
Когда стали изучать, откуда берется потенциал действия, то заметили, что для пробуждения клетки, чтобы она сгенерировала импульс, нужно стимулировать ее довольно определенной силой. Стимул, как правило, должен поднять заряд внутри нервной клетки до уровня примерно -50 мВ, то есть потенциал покоя — -70 мВ, а так называемый порог запуска потенциала действия — где-то -50 мВ. Если поднять заряд до такого уровня, нейрон как будто просыпается: вдруг в нем возникает очень большой положительный заряд, который доходит до уровня примерно +30 мВ, а потом быстро опускается примерно до уровня потенциала покоя, то есть от 0 до 1, а потом опять к 0. Вот она, ступенька тока, которая дальше способна передавать информацию.
Откуда она берется? Почему нейрон вдруг проснулся и выдал этот импульс? Оказалось, что здесь работают другие ионные каналы — не постоянно открытые, а ионные каналы со створками. В тот момент, когда заряд в нервной клетке достигает уровня -50 мВ, эти створки начинают открываться, начинается движение ионов. Сначала открывается натриевый канал, примерно на полмиллисекунды, в нейрон успевает войти порция ионов натрия. Натрий входит потому, что, во-первых, его в цитоплазме мало — примерно в 10 раз меньше, чем снаружи, и, во-вторых, он положительно заряженный, а цитоплазма заряжена отрицательно, то есть плюс притягивается к минусу. Поэтому вход идет очень быстро, тотально, и мы наблюдаем восходящую фазу потенциала действия. Потом натриевые каналы (одновременно работают тысячи каналов) закрываются, и открываются калиевые каналы, электрочувствительные и тоже со створками. Это не те, которые постоянно открыты, а это каналы, у которых есть специальная белковая петля (канал — это цилиндр, внутри которого есть проход), которая открывается, как турникет, и ионы калия получают возможность выходить из цитоплазмы и выносят большое количество положительного заряда, и в целом заряд в нейроне опускается до уровня потенциала покоя. Калий в этот момент мощно выходит наружу, потому что мы находимся на вершине потенциала действия, уже нет -70 мВ, калия внутри много, а снаружи мало, он выходит, выносит положительный заряд, и система перезарядилась.
Мембрана нервной клетки организована таким образом, что если в одной точке возник такой импульс — а он в основном возникает в зоне синапсов, там, где медиатор возбудил нервную клетку, — то этот импульс способен распространяться по мембране нервной клетки, и это есть передача. Распространение импульса по мембране нейрона — отдельный процесс. К сожалению, он происходит довольно медленно — максимум 100 м/с, и на этом уровне мы, конечно, уступаем компьютерам, потому что электрический сигнал по проводам распространяется со скоростью света, а у нас максимум 100-120 м/с, это немного. Поэтому мы довольно медленные организмы по сравнению с компьютерными системами.
Для того чтобы изучать работу ионных каналов, физиологами используются специальные токсины, которые блокируют эти каналы. Самый известный из этих токсинов — тетродотоксин, яд рыбы фугу. Тетродотоксин выключает электрочувствительный натриевый канал, натрий не входит, потенциал действия не развивается, и сигналы по нейронам вообще не распространяются. Поэтому отравление рыбой фугу вызывает постепенно развивающийся паралич, потому что нервная система перестает передавать информацию. Подобным действием, только более мягким, обладают местные анестетики вроде новокаина, которые используются в медицине для того, чтобы очень локально прекратить передачу импульсов и не запускать болевые сигналы. Для того чтобы изучать нейроны, используются животные модели, записать нервные клетки человека можно только по очень особым поводам. Во время нейрохирургических операций бывают такие ситуации, когда это не только допустимо, но и необходимо. Например, для того чтобы точно выйти на ту зону, которую нужно разрушить, скажем, при какой-нибудь хронической боли.
Есть способы, чтобы записывать электрическую активность мозга человека более тотально. Это делается во время регистрации электроэнцефалограммы, там одновременно записываются суммарные потенциалы действий миллионов клеток. Есть еще одна технология, она называется технология вызванных потенциалов. Эти технологии дополняют то, что нам дают томографические исследования, и позволяют достаточно полно представить ту картину электрических процессов, которая имеет место в мозге человека.
Одно из таких устройств (изображено на фотографии ниже) стимулирует участки мозга, локализованные за лбом. Они отвечают за внимание.
В лабораторных условиях такая стимуляция длится не более 20 минут за один раз. Причем к участию в эксперименте допускаются только те люди, которые предварительно прошли строгий медицинский осмотр.
В конце концов, к мозгу испытуемых применяют устройства, которое, по словам ученых, могут дать неожиданные результаты. Например, воздействие на другие участки мозга или смена полярности электродов может не то что не помочь, а, наоборот, навредить человеку.
Вы можете причинить себе вред. Важно знать, как правильно пользоваться этим методом, выбрать подходящее время и мощность тока, — предупреждают ученые Оксфордского университета.
С ними соглашаются их коллеги из Университета в Суонси. По их словам, электростимуляторы мозга могут вызывать судороги и смену настроения. К группе повышенного риска относятся люди в возрасте до 20 лет – наиболее плодотворный период развития мозга.
Но больше всего ученых настораживает то, что многие технически одаренные дети собирают такие гаджеты своими руками. На форуме Reddit.com можно найти сообщения с жалобами на «обожженную кожу головы» и «вспышки гнева» после стимуляции мозга методом TDCS-терапии.
Такое может произойти при превышении положенной дозировки. В отличие от пациентов, простые обыватели в меньшей степени осведомлены о возможных рисках, – говорит исследователь Ник Дэвис из Университета в Суонси.
Маркетинг опережает науку
Оксфордские ученые призывают усилить контроль за электростимуляторами мозга. Некоторые компании позиционируют эти гаджеты как геймерские, хотя они относятся к изделиям медицинского назначения, которые подлежат соответствующей регистрации и контролю.
Ученые вовсе не хотят запретить или ограничить доступ к устройствам улучшения когнитивных способностей. Они хотят, чтобы пользователи знали, какие риски им придется принять в погоне за потенциальной выгодой.
Другая озабоченность связана с тем, что технология еще не готова для коммерческого использования. По словам невролога Стивена Новелла из Йельского университета, компании часто забирают из лабораторий непроверенные технологии и пытаются вывести их на рынок, называя их «секси».
Любое устройство с медицинской функциональностью должно соответственно регулироваться. Регулирование – это единственное, что мотивирует тратить деньги и время на исследования, — говорит Новелла.
По словам ученых, интерес к технологии будет только расти. Но пока не будут проведены дополнительные исследования, они рекомендуют использовать электростимуляторы мозга с осторожностью.
По материалам BBC.com
