Передача нервного возбуждения от клетки к клетке

В состояние покоя любая живая (нервная, мышечная, железистая, нервное волокно) клетка изнутри заряжена отрицательно, а снаружи положительно. Чтобы в этом убедиться подводят два электрода, к внешней мембране клетки, между ними измерительный прибор, который регистрирует ноль на экране – нет разницы потенциалов между двумя точками на мембране. Затем один электрод вводим внутрь, и касаемся внутренней поверхности мембраны, в результате получаем резкий скачок на экране прибора, показатели которого зависят от клетки, с которой проводится опыт, от –30 до -90 мВ. Вывод: есть разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями мембраны.

Так заложено природой, что внутри клетки (с внутренней стороны мембраны) избыток ионов калия, концентрация ионов калия всегда больше в клетке, чем в окружающей среде. Каким же образом создается разница в потенциалах? Внутри калия много, снаружи калия мало, мембрана в состоянии покоя проницаема для ионов калия. Калий будет выходить из клетки, по законам диффузии. Энергия заложена в разнице концентраций, это происходит без затрат энергии. Калий (внутри он заряжен положительно) выходит из клетки, и выносит с собой положительный заряд, и теперь этот положительный заряд не выпускает калий. Создается равновесность потенциалов по калию, т. е. уравновешиваются две силы:

Первая - это диффузия, которая выталкивает калий из клетки,

Вторая – это электростатическая сила, не выпускает калий из клетки.

В каждой клетки свой равновесный потенциал.

Что можно очень легко изменить, чтобы мембранный потенциал стал меняться? - концентрацию калия в окружающей среде. Если мы увеличиваем концентрацию калия в окружающей среде, из клетки будет меньше выходить калия. Если уравняем концентрацию калия в клетке и в окружающей среде, клетка будет мертвой и ни к чему не способной.

При возбуждении:

Сначала меняется проницаемость мембраны для калия, и для натрия. Для калия проницаемость резко понижается, а для натрия резко возрастает. Если мы будем раздражать мембрану, то повышается проницаемость для натрия, натрий начинает входить в клетку. Теперь мембрана дэполяризуется, внутри у нас будет плюс, а снаружи минус, причем не до нуля.

После ответа на один стимул, мембрана должна вернуться в состояние покоя, чтобы ответить на другой стимул. Для чего нам нужен фермент, который разрушает медиатор? Медиатор возбуждает мембрану постсинаптическую, он должен быть разрушен для восстановления в клетке состояния покоя. Состояние покоя восстанавливается через процесс реполяризации. Этот процесс возникает потому, что инактивируются натриевые каналы. Сначала они закрыты, потом они открыты, а на пике деполяризации они инактивируются, т.е. они не могут дальше открываться. В этот момент открывается канал для калия, калий выходит из клетки и восстанавливается исходный мембранный потенциал. Количество каналов подсчитано, структура их определена за счет блокаторов: -калиевые каналы блокируются тетроэтиламонием, в результате не будет процесса рэполяризации;

-натриевые каналы блокируются – тетродотоксином, в результате не возникает потенциал действия при раздражении мембраны.

При раздражении возникает потенциал действия, который обычно называем или возбуждение, или сигнал, или биопотенциал. При слабом раздражении может открыться недостаточное количество каналов для натрия, т.е. есть критический уровень деполяризации (КУД) или порог. Например на мышцу наносим стимул, а мышца не сокращается, там происходит локальная деполяризация, которая не приводит к сокращению мышцы, локальный процесс дэполяризации не достигает КУД.

Если натрий в состоянии возбуждения входит в клетку, в итоге в клетке повысится концентрация натрия. Если калий уходит из клетки, в итоге в клетке понизится концентрация калия. У нас нарушится та исходная разность концентраций, которая обеспечивает и потенциал покоя и потенциал действия. Калиево-натриевый насос – это белковая молекула, их задача перекачивать калий в клетку, а натрий из клетки, т. е. он работает против концентрационного грэдиента. В этом случае необходима энергия, АТФ. Если мы энергию заблокируем, то насосы работать не будут. Постепенно будет накапливаться в наружной среде калий, во внутренней – натрий, и мышечное волокно постепенно перестает работать.

По отношению к нервной клетке.

Как происходит передача возбуждения при осуществлении движения. Мотонейрон, его аксон выходит из передних рогов, подходит к скелетной мышце. Каждое отдельное нервное волокно иннервирует отдельное мышечное волокно, к мышце подходит целый нерв, который ее иннервирует. Аксонная терминаль, везикулы, в которых содержится ацетилхолин. Именно работая с мотонейронами, Дейл сформулировал свой принцип:

Доказательство ниже. Рисуем: мотонейрон, миэлиновая оболочка, аксонная терминаль. Доказано, что в аксонной терминале выделяется ацетилхолин. Действительно это медиатор? Нужно было найти фермент, который синтезирует ацетилхолин – нашли, и нашли фермент, который разрушает ацетилхолин - это холинэкстераза. Ацетилхолин выделился, провзаимодействовал с Н-холинорецепторами, и дальше происходит возбуждение мышечного волокна. Окончание мотонейрона, мышечное волокно. Постсинаптическая мембрана в невромышечном синаптическом контакте имеет сложное строение для увеличения площади. В постсинаптической мембране содержатся Н-холинорецепторы, ацетилхолин взаимодействует с Н-холинорецепторами в результате чего мышечное волокно обязательно сокращается.

В постсинаптической мембране возникают процессы, результат мы видим – мышечное волокно сократилось. Для того, чтобы Мышечное волокно сократилось в нем тоже должен возникнуть потенциал действия. Вначале возникают потенциалы концевой пластинки ПКП – это маленькие деполяризации. Выделяется медиатор, сначала возникает один ПКП, другой ПКП … Они суммируются и обязательно достигают критического уровня деполяризации, и обязательно возникает потенциал действия.

Цепочка: … потенциал действия в нервном волокне, выделяется медиатор, взаимодействует с Н-холинорецепторами, возникает потенциал в концевой пластинке, они суммируются между собой потенциалы концевой пластинки, все вместе достигают критического уровня деполяризации, в ответ на это возникает потенциал действия в мышечной мембране, мышечное волокно сокращается.

Если потенциал действия не распространяется по аксону мотонейрона. В этом случае выделяются квантомедиаторы, т. е выделяется чуть-чуть ацетилхолина. Никогда не бывает, чтобы мотонейрон был абсолютно заторможен. Даже при самом большом расслабления мышцы чуть-чуть сокращены, есть такой тонус мускулатуры. Когда у нас потенциал действия не приходит, в постсинаптической мембране возникает миниатюрные потенциалы – это маленькая деполяризация, которая не вызывает потенциал действия. Если ацетилхолин выделился, деполяризация все равно должна возникнуть, но эти миниатюрные потенциалы, даже если суммируются, они не могут вызвать такую деполяризацию, чтобы у нас лавинообразно натрий пошел в клетку.

Это то, что происходит на постсинаптической мембране мышечного волокна, а что в нервной клетке происходит?

Нервная клетка, сюда приходит по аксону потенциал действия, после чего выделился медиатор. Если пришел сигнал только по одному, двум, трем аксонам к одной нервной клетке, с ней ничего не произойдет. Потому, что на теле одного аксона заканчиваются до тысячи окончаний других нервных клеток. Мембрана дэполяризуется, но деполяризация возникает и угасает. Такая деполяризация называется ВПСП – возбуждающий постсинаптический потенциал.

В нервной клетке, в нервном волокне, мышечном волокне есть такое явление как рефрактерность, т. е. если нервное волокно возбудилось, то при повторном сигнале оно уже не возбудимо, т. е. натриевые каналы больше уже раскрываться не могут. Самый большой рефрактэрный период был обнаружен у сердечной мышцы. Сердце сокращается затем расслабляется, естественно находится в состоянии невозбудимости, которое необходимо, чтобы закончилась одна систула, после этого миокарт должен прийти в такое состояние, чтобы снова возбуждаться. Для сердца нужны ритмичные сокращение – расслабление, поэтому у сердца самый большой рефрактэрный период. Меньше рефрактерный период у скелетных мышц. Самый маленький рефрактэрный период у нервных волокон, которое возбуждаются с частотой 400 импульсов в сек.

Есть период рефрактерности т. е невозбудимости. Например, придет важный сигнал, а клетка в состоянии рефрактэрности. Поэтому не любой сигнал вызывает возбуждение нервной клетки. Если к большому числу возникают стимулы, в результате процесса суммации деполяризация достигает критического уровня и в клетке возникает потенциал действия.

Суммация может быть пространственной, а может быть временной.

Пространственная возникает тогда когда ВПСП возникает на большей части мембраны нервного волокна.

Временная возникает при повышении частоты раздражающих стимулов, когда следующий стимул приходит, а предыдущие еще не успели угаснуть.

Рефрактэрный период начинается с точки ____. Потенциал действия – это процесс возбуждения, процесс дэполяризации, и ВПСП – это тоже процесс деполяризации.

Разница между потенциалом действия и ВПСП:

- потенциал действия возникает по закону все или ничего, т е если раздражающий стимул достиг порога то потэнциал обязательно возникает и уже не меняется .

- ВПСП – градуальный процесс, он зависит от количества медиаторов.

- Задача потенциала действия, если он возник дальше распространяться.

- ВПСП – это локальный процесс.

- ВПСП, ПКП суммируются

- Потенциалы действия суммироваться не могут.

У мотонейрона, пока миэлиновая оболочка не началась, где-то около сомы, как правило, есть веточка – коллотераль, из нее тоже выделяется ацетилхолин. Отсюда ДЕЙЛ сделал вывод, что в каждом нейроне вырабатывается только один медиатор. В ЦНС существуют медиаторные системы, в каждой из которых вырабатывается свой медиатор, если вырабатывается ацетилхолин – холинэргическая и т. д.

ГАМэрбическая система – тормозная система в мозге. Что происходит при торможении? Если выделяется тормозный медиатор, например гамаминомаслянная кислота приводит к тому что в клетку начинает входить хлор. В результате увеличится разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностью, возникает гиперполяризация мембраны. Возникает ТПСП – тормозные постсинаптические потенциалы. Они тоже обладают свойством суммации, они также локальны, как и ВПСП. Когда возникает ТПСП, порог возбудимости резко повышается, а возбудимость понижается.

Критика принципа ДЕЙЛА

В гипоталамусе обнаружили нейросекреторные клетки, в которых содержатся нейропептиды: статины и либерины. Они выполняют свою эндокринную функцию, статины тормозят выработку гормонов в гипофизе, либерины – усиливают. Эти же нейропептиды были найдены во многих других нервных клетках ЦНС. Потом оказалось, что нейропептиды синтезируются еще и в кишечнике, и в желудке. Последнее, что подвергло сомнению принцип ДЕЙЛА,

было обнаружено: парасимпатическая нервная систем иннервирует слюнные железы, здесь находится ацетилхолин, который усиливает выработку слюнных желез. Здесь же находится вазоинтеспинальный пептид (ВИП), который сначала был обнаружен в кишечнике у свиньи – его задача расширять сосуды в кишечнике. Потом его обнаружили в окончаниях парасимпатической нервной системы вместе с ацетилхолином. Оказалось, что на самом деле в одной аксонной терминале могут сосуществовать в основном классические медиаторы с нейропептидами. Зачем это сосуществование? Эти нейропептиды являются модуляторами – они видоизменяют эффекты классических медиаторов. Каким образом:

1) Повышают чувствительность пре- и пост- синаптической мембраны к медиатору;

2) Усиливают синтез медиатора в аксонной терминале

3) Ускоряют выброс медиатора из аксонной терминали

4) Удлиняют действие медиатора, замедляют его разрушение

5) Оказывают внесинаптическое действие, выходят за пределы синаптического контакта, например, расширяют кровеносные сосуды как ВИП

Эти модуляторы, обладают признаками медиаторов, но не в полной степени, или рецептора нет, или плохо выделяются из аксонной терминали, или мы чего- то не знаем.

И вот эти вещества, которые сосуществуют с классическими медиаторами, их в настоящее время порядка 50-ти, называются кандидаты в медиаторы.

Что с чем сосуществует:

Ацетилхолин + ВИП + люлиберин (лю-гормон, ускоряет процессы в половых железах)

Норадреналин + соматостатин (нейропептид, который тормозит выработку соматотропного гормона роста)

Серотонин + тиролиберин (Тирелоидная железа, там тироксин вырабатывается) + энкефалин

Гаммааминомаслянная кислота ГАМК + дофамин + серотонин + энкефалин

Дофамин и серотонин – классические медиаторы.

Рисуем последнюю схему:

Аксонная терминаль , классический медиатор , нейропептид , постсинаптическая мембрана , где рецептор к нейропептиду, и рецептор к классическому медиатору. Кроме того, есть рецептор и в пресинаптической мембране, потому, что некоторые медиаторы выходят в синаптическую щель, а потом захватываются обратно, чтобы их сохранить. Нейропептид усиливает скорость прохождения медиатора через пресинаптическую мембрану, усиливает синтез классического медиатора, и повышает чувствительность рецептора в постсинаптической мембране к классическому медиатору.

Мы рассмотрели механизмы передачи возбуждения в пределах одной клетки. Что же происходит, когда сигнал доходит до места контакта клетки с другой — нервной, мышечной или иной клеткой организма? Здесь целесообразно сделать небольшое историческое отступление. В начале XX в. крупнейший гистолог С. Рамон-и-Кахаль с помощью светового микроскопа выяснил, что нейроны в нервной ткани окрашиваются как отдельные клетки. Однако многие анатомы продолжали считать, что нервная система представляет собой сеть, в которой цитоплазматическое пространство отростков одной клетки напрямую сообщается с внутриклеточным объемом других клеток. Окончательно этот вопрос был разрешен в 40-х годах с появлением электронного микроскопа, когда были получены четкие данные о наличии мембраны вокруг нервных клеток и их окончаний, а также о существовании особых участков межнейронного взаимодействия, получивших название синапсов.

Прежде чем перейти к описанию структуры и функции синапсов, рассмотрим ситуацию, когда замкнутая клеточная мембрана нервного отростка примыкает к мембране сомы другой нервной клетки или к мембране мышечного волокна. Допустим, в мембране конца нервного отростка (аксона) в результате распространения возбуждения возник потенциал действия. Тогда согласно вышеописанной схеме (см. рис. 2.17) от этого участка через его мембрану и мембрану сомы другой клетки будут пассивно распространяться петли тока (рис. 2.19), деполяризуя мембрану сомы соседней клетки. При

Рис. 2.19. Схема электрического синапса:

стрелкой показано направление распространения потенциала действия в пресинаптическом нервном волокне достижении порогового значения в ней начнется регенеративный процесс повышения проводимости к ионам натрия и возникнет потенциал действия, который может проследовать дальше по отросткам клетки: Такое соединение называется электрический синапс.

Передача через электрический синапс электрического сигнала затруднена несовершенством кабельных свойств клеток. В частности, в том случае, если площадь контакта мембраны нервного волокна и сомы клетки сравнительно небольшая, например контактирует нервный отросток диаметром 5 мкм, общее электрическое сопротивление мембраны этого отростка и участка сомы клетки, к которому он примыкает, составляет миллиарды ом. В то же время сопротивление клеточной мембраны всей сомы клетки будет в несколько десятков раз меньше и сыграет роль короткого замыкания для тока, выходящего из концевой мембраны отростка.

Кроме того, ионный ток будет утекать через пространство между мембранами. Все это, несмотря на высокий фактор надежности — 5. 6 (отношение амплитуды потенциала действия к величине пороговой деполяризации), для потенциала действия чрезвычайно сильно ослабит выходящий из отростка ионный ток и передача возбуждения в этом участке не будет происходить. Для того чтобы передача функционировала более эффективно, необходимо увеличить площадь соприкосновения двух мембран, а также плотнее приблизить сами мембраны. Непосредственная электрическая передача была экспериментально обнаружена сначала на толстых (гигантских) волокнах ракообразных, а затем такие соединения были найдены и у позвоночных животных между нервными клетками в ЦНС, в гладких и сердечных мышцах. Отметим, что электрическая передача возбуждения имеет определенные преимущества. Поскольку ионный ток при такой передаче непосредственно течет из передающей (пресинаптической) клетки в воспринимающую (постсинаптическую) клетку без каких-либо промежуточных этапов, задержка при проведении возбуждения будет минимальная. Таким образом, электрическое проведение более удобно в тех случаях, когда необходимо быстро охватить возбуждением несколько нервных клеток. Вместе с тем в большинстве синапсов нервной и нервно-мышечной систем для передачи сигналов используются специальные химические вещества-посредники — медиаторы. Поскольку следующая часть данной главы посвящена изложению механизмов возбуждения в мышцах, здесь мы остановимся на синаптическом проведении через нервно-мышечный синапс или, как часто называют, через концевую пластинку скелетных мышц позвоночных. О строении и функции синапсов в ЦНС будет подробнее изложено в гл. 12.

Схематически последовательность событий, происходящих при передаче электрического сигнала через химический синапс, можно представить следующим образом (рис. 2.20). После возникно-

Рис. 2.20. Механизм передачи электрического сигнала через химический синапс

вения потенциала действия в пресинаптическом окончании мембрана его деполяризована. При этом помимо натриевых и калиевых каналов активируются (открываются) кальциевые каналы и в окончание из внешней среды входят ионы кальция. Повышение внутриклеточной концентрации кальция вызывает экзоцитоз везикул, наполненных медиатором (выброс из них медиатора). Содержимое везикул поступает во внеклеточное пространство, и часть молекул медиатора, диффундируя к постсинаптической мембране (мембрана мышечной клетки), связывается со специальными (рецепторными) участками этой мембраны. В результате происходит активация ее ионных каналов, связанных с этими молекулами. Движение по каналам соответствующих ионов по их электрохимическим градиентам порождает постсинаптический ток, под действием которого возникает деполяризующий постсинаптический потенциал мышечного волокна. Если этот потенциал превышает пороговый уровень, возникает потенциал действия. Из-за наличия химического звена проведение в химическом синапсе происходит медленнее, чем в электрическом. Однако химическая передача гибче электрической, поскольку с ее помощью легко может осуществляться как возбуждающее, так и тормозное действие. Кроме того, при активации постсинаптических каналов химическими агентами может возникать достаточно сильный ток, способный деполяризовать до порогового уровня крупные клетки. В связи с этим при химической передаче тонкие пресинаптические волокна могут возбуждать большие постсинаптические клетки.

Необходимо отметить, что принятию представленной схемы химической передачи предшествовали в течение шести десятилетий XX в. споры среди ученых о наличии химической передачи и медиаторов в нервно-мышечной системе организма. Первые прямые данные в пользу существования химического медиатора были получены в 20-е годы XX в. О. Леви. Он обнаружил, что при торможении работы сердца лягушки путем раздражения блуждающего нерва из сердца в кровь выделяется вещество, под действием которого частота сокращений сердца другой лягушки также уменьшается. В последующих работах было установлено, что этим веществом — медиатором является ацетилхолин (АцХ). В дальнейшем был обнаружен ряд других медиаторов, накоплено множество данных об их действии и химической природе.

Вернемся вновь к нервно-мышечному синапсу — концевой пластинке. На рисунке 2.21, Л представлено трехмерное изображение концевой пластинки. Она состоит из специализированных участков постсинаптической мембраны, являющейся частью мембраны мышечного волокна, окончания нервного волокна (окончания двигательного нерва — пресинаптической мембраны) и шванновских клеток. От окончания нерва отходят веточки толщиной около 2 мкм, каждая из которых лежит в продольном углублении мембраны мышечного волокна. Мембрана, выстилающая это углубление, с периодичностью 1. 2 мкм образует поперечные субнейрональные складки. В участках нервного окончания, расположенного непосредственно над этими складками, имеются так называемые активные зоны — поперечные участки с несколько утолщенной пресинаптической мембраной, над которыми скапливаются синаптические пузырьки. Пузырьки выделяются из активных зон путем экзоцитоза.

Выделение медиатора из пресинаптического окончания начинается под действием деполяризации этого окончания, вызванной потенциалом действия. Высвободившийся медиатор, в данном случае это АцХ, связывается с рецептором, т. е. со специальной белковой молекулой в постсинаптической мембране концевой пластинки, в результате чего на короткое время открываются каналы, через которые течет ионный ток.

Для выяснения природы ионов, обусловливающих синаптический ток, первоначально изменяли внеклеточные концентрации различных ионов и исследовали влияние этих изменений. Так, было обнаружено, что входящий синаптический ток в концевой пластинке является натриевым ионным током, причем он частично компенсируется выходящим калиевым током. Дальнейшие ис- слёдования показали, что через одни и те же каналы, активируемые в концевой пластинке АцХ, проходят ионы натрия и калия. Значит, эти каналы обладают меньшей избирательностью (селективностью), чем потенциалзависимые натриевые и калиевые каналы при деполяризации мембраны.

Мы уже подробно разбирали механизмы формирования мембранного потенциала в нервных и мышечных клетках и знаем, что

Рис. 2.21. Схема нервно-мышечного синапса (концевой пластинки) и ацетил- хо.1инактивируемого ионного канала:

А — трехмерная реконструкция нервно-мышечного синапса: / — терминальная часть нервного волокна; 2 —синаптические пузырьки; б—синаптические складки; 9— пальцеобразные выросты шванновской клетки; Б— продольный срез участка нервно-мышечного синапса: / — терминаль нервного волокна; 2—синаптические пузырьки; 3— пресинаптичсская мембрана; '/—постсинаптическая мембрана; 5—базальная мембрана; б—синаптическая складка; 7—активная зона; 8, 10 — мышечное волокно; Б а, р, 6, у — белковые субъединицы. На а-белковых субъединицах (одна субъединица не показана) находится участок связывания аиетилхолина (АцХ). Холинрсцегттор взаимодействует с белком цитоскелета (Ц) при изменении мембранной проницаемости для какого-либо иона мембранный потенциал согласно уравнению Голдмана (17) будет смещаться до нового уровня. Если проницаемость для данного иона увеличится, мембранный потенциал сместится ближе к равновесному потенциалу для этого иона. И наоборот, уменьшение проницаемости вызовет смещение в противоположную сторону от равновесного потенциала. В ответ на АцХ каналы концевой пластинки становятся одновременно проницаемы для ионов натрия и калия. При этом возникает смешанный ионный ток, под действием которого потенциал постсинаптической мембраны смещается к новому уровню, так называемому потенциалу реверсии, занимающему промежуточное положение между равновесными потенциалами для этих двух проникающих ионов и равному

10 мВ. В общем случае потенциал реверсии для ионных токов, переносимых двумя ионами, зависит от двух главных факторов: относительной проницаемости активированного канала для проникающих ионов; равновесных потенциалов для этих ионов, зависящих, в свою очередь, от их концентрационных градиентов. Постсинаптические каналы открываются на короткое время (на несколько мс), поскольку АцХ быстро подвергается ферментативному расщеплению ацетилхолинэстеразой (АцХЭ), которая располагается в области субнейрональных складок.

АцХ- активируемый канал. Успехи в совершенствовании методов молекулярной биологии, а также электрофизиологических методов позволили выделить, идентифицировать и изучить АцХ-ак- тивируемый канал — интегральный белок мышечной мембраны. АцХ-активируемый канал состоит из пяти белковых субъединиц, которые образуют трубчатую структуру с общей молекулярной массой около 250000. Канал выступает из мембраны с обеих сторон, причем над наружной ее поверхностью возвышается воронкообразная структура — вход в канал (см. рис. 2.21, В). Рецепторный участок канала состоит из двух белковых субъединиц и располагается на наружной поверхности мембраны. Каждая из белковых субъединиц содержит участок связывания АцХ. Если к этим двум участкам присоединяется АцХ, то канал с высокой вероятностью переходит из закрытого состояния в открытое и через него течет ионный ток.

Кандидат биологических наук Л. Чайлахян, научный сотрудник Института биофизики АН СССР

Мозг человека, без сомнения, высшее достижение природы.

Велика и заманчива цель, но неимоверно сложен объект исследования. Шутка сказать, этот килограмм ткани представляет собой сложнейшую систему связи десятков миллиардов нервных клеток.

Однако первый существенный шаг к познанию работы мозга уже сделан. Может быть, он один из самых легких, но он чрезвычайно важен для всего дальнейшего.

Я имею в виду исследование механизма передачи нервных импульсов — сигналов, бегущих по нервам, как по проводам. Именно эти сигналы являются той азбукой мозга, с помощью которой органы чувств посылают в центральную нервную систему сведения-депеши о событиях во внешнем мире. Нервными импульсами зашифровывает мозг свои приказы мышцам и различным внутренним органам. Наконец, на языке этих сигналов говорят между собой отдельные нервные клетки и нервные центры.

В проблеме изучения механизма нервного импульса и его распространения можно выделить два основных вопроса: природа проведения нервного импульса или возбуждения в пределах одной клетки — по волокну и механизм передачи нервного импульса от клетки к клетке — через синапсы.

Какова природа сигналов, передающихся от клетки к клетка по нервным волокнам?

Этой проблемой человек интересовался уже давно, Декарт предполагал, что распространение сигнала связано с переливанием жидкости по нервам, как по трубкам. Ньютон думал, что это чисто механический процесс. Когда появилась электромагнитная теория, ученые решили, что нервный импульс аналогичен движению тока по проводнику со скоростью, близкой к скорости распространения электромагнитных колебаний. Наконец, с развитием биохимии появилась точка зрения, что движение нервного импульса — это распространение вдоль по нервному волокну особой биохимической реакции.

И всё же ни одно из этих представлений не оправдалось.

В настоящее время природа нервного импульса раскрыта: это удивительно тонкий электрохимический процесс, в основе которого лежит перемещение ионов через оболочку клетки.

Большой вклад в раскрытие этой природы внесли работы трех ученых: Алана Ходжкина, профессора биофизики Кембриджского университета; Эндрью Хаксли, профессора физиологии Лондонского университета, и Джона Экклса, профессора физиологии австралийского университета в Канберре. Им присуждена Нобелевская премия в области медицины за 1963 год,

Впервые предположение об электрохимической природе нервного импульса высказал известный немецкий физиолог Бернштейн в начале нашего столетия.

К началу двадцатого века было довольно многое известно о нервном возбуждении. Ученые уже знали, что нервное волокно можно возбудить электрическим током, причем возбуждение всегда возникает под катодом — под минусом. Было известно, что возбужденная область нерва заряжается отрицательно по отношению к невозбужденному участку. Было установлено, что нервный импульс в каждой точке длится всего 0,001—0,002 секунды, что величина возбуждения не зависит от силы раздражения, как громкость звонка в нашей квартире не зависит от того, как сильно мы нажимаем на кнопку. Наконец, ученые установили, что носителями электрического тока в живых тканях являются ионы; причем внутри клетки основной электролит — соли калия, а в тканевой жидкости — соли натрия. Внутри большинства клеток концентрация ионов калия в 30—50 раз больше, чем в крови и в межклеточной жидкости, омывающей клетки.

И вот на основании всех этих данных Бернштейн предположил, что оболочка нервных и мышечных клеток представляет собой особую полупроницаемую мембрану. Она проницаема только для ионов К + ; для всех остальных ионов, в том числе и для находящихся внутри клетки отрицательно заряженных анионов, путь закрыт. Ясно, что калий по законам диффузии будет стремиться выйти из клетки, в клетке возникает избыток анионов, и по обе стороны мембраны появится разность потенциалов: снаружи — плюс (избыток катионов), внутри — минус (избыток анионов). Эта разность потенциалов получила название потенциала покоя. Таким образом, в покое, в невозбужденном состоянии внутренняя часть клетки всегда заряжена отрицательно по сравнению с наружным раствором.

Бернштейн предположил, что в момент возбуждения нервного волокна происходят структурные изменения поверхностной мембраны, ее поры как бы увеличиваются, и она становится проницаемой для всех ионов. При этом, естественно, разность потенциалов исчезает. Это и вызывает нервный сигнал.

Мембранная теория Бернштейма быстро завоевала признание и просуществовала свыше 40 лет, вплоть до середины нашего столетия.

Но уже в конце 30-х годов теория Бернштейна встретилась с непреодолимыми противоречиями. Сильный удар ей был нанесен в 1939 году тонкими экспериментами Ходжкина и Хаксли. Эти ученые впервые измерили абсолютные величины мембранного потенциала нервного волокна в покое и при возбуждении. Оказалось, что при возбуждении мембранный потенциал не просто уменьшался до нуля, а переходил через ноль на несколько десятков милливольт. То есть внутренняя часть волокна из отрицательной становилась положительной.

Но мало ниспровергнуть теорию, надо заменить ее другой: наука не терпит вакуума. И Ходжкин, Хаксли, Катц в 1949—1953 годах предлагают новую теорию. Она получает название натриевой.

Здесь читатель вправе удивиться: до сих пор о натрии не было речи. В этом все и дело. Ученые установили с помощью меченых атомов, что в передаче нервного импульса замешаны не только ионы калия и анионы, но и ионы натрия и хлора.

В организме достаточно ионов натрия и хлора, все знают, что кровь соленая на вкус. Причем натрия в межклеточной жидкости в 5—10 раз больше, чем внутри нервного волокна.

Что же это может означать? Ученые предположили, что при возбуждении в первый момент резко увеличивается проницаемость мембраны только для натрия. Проницаемость становится в десятки раз больше, чем для ионов калия. А так как натрия снаружи в 5—10 рез больше, чем внутри, то он будет стремиться войти в нервное волокно. И тогда внутренняя часть волокна станет положительной.

А через какое-то время — после возбуждения — равновесие восстанавливается: мембрана начинает пропускать и ионы калия. И они выходят наружу. Тем самым они компенсируют тот положительный заряд, который был внесен внутрь волокна ионами натрия.

Совсем нелегко было прийти к таким представлениям. И вот почему: диаметр иона натрия в растворе раза в полтора больше диаметра ионов калия и хлора. И совершенно непонятно, каким образом больший по размеру ион проходит там, где не может пройти меньший.

Нужно было решительно изменить взгляд на механизм перехода ионов через мембраны. Ясно, что только рассуждениями о порах в мембране здесь не обойтись. И тогда была высказана идея, что ионы могут пересекать мембрану совершенно другим способом, с помощью тайных до поры до времени союзников — особых органических молекул-переносчиков, спрятанных в самой мембране. С помощью такой молекулы ионы могут пересекать мембрану в любом месте, а не только через поры. Причем эти молекулы-такси хорошо различают своих пассажиров, они не путают ионы натрия с ионами калия.

Интересно, что нервные волокна тратят на свою основную работу — проведение нервных импульсов — всего около 15 минут в сутки. Однако готовы к этому волокна в любую секунду: все элементы нервного волокна работают без перерыва — 24 часа в сутки. Нервные волокна в этом смысле подобны самолетам-перехватчикам, у которых непрерывно работают моторы для мгновенного вылета, однако сам вылет может состояться лишь раз в несколько месяцев.

Мы познакомились сейчас с первой половиной таинственного акта прохождения нервного импульса — вдоль одного волокна. А как же передается возбуждение от клетки к клетке, через места стыков — синапсы. Этот вопрос был исследован в блестящих опытах третьего нобелевского лауреата, Джона Экклса.

Возбуждение не может непосредственно перейти с нервных окончаний одной клетки на тело или дендриты другой клетки. Практически весь ток вытекает через синаптическую щель в наружную жидкость, и в соседнюю клетку через синапс попадает ничтожная его доля, неспособная вызвать возбуждение. Таким образом, в области синапсов электрическая непрерывность в распространении нервного импульса нарушается. Здесь, на стыке двух клеток, в силу вступает совершенно другой механизм.

Когда возбуждение подходит к окончанию клетки, к месту синапса, в межклеточную жидкость выделяются физиологически активные вещества — медиаторы, или посредники. Они становятся связующим звеном в передаче информации от клетки к клетке. Медиатор химически взаимодействует со второй нервной клеткой, изменяет ионную проницаемость ее мембраны — как бы пробивает брешь, в которую устремляются многие ионы, в том числе и ионы натрия.

Итак, благодаря работам Ходжкина, Хаксли и Экклса важнейшие состояния нервной клетки — возбуждение и торможение — можно описать в терминах ионных процессов, в терминах структурно-химических перестроек поверхностных мембран. На основании этих работ уже можно делать предположения о возможных механизмах кратковременной и долговременной памяти, о пластических свойствах нервной ткани. Однако это разговор о механизмах в пределах одной или нескольких клеток. Это лишь, азбука мозга. По-видимому, следующий этап, возможно, гораздо более трудный, — вскрытие законов, по которым строится координирующая деятельность тысяч нервных клеток, распознание языка, на котором говорят между собой нервные центры.

Мы сейчас в познании работы мозга находимся на уровне ребенка, который узнал буквы алфавита, но не умеет связывать их в слова. Однако недалеко время, когда ученые с помощью кода — элементарных биохимических актов, происходящих в нервной клетке, прочтут увлекательнейший диалог между нервными центрами мозга.

Детальное описание иллюстраций