Как работают нервные импульсы?

Обработка информации в головном мозге (равно как и в спинном мозге и сет­чатке) осуществляется уникальными по сво­ему разнообразию клетками, которые назы­ваются нейронами. Попробуем разобрать­ся, как же устроен нейрон. Я схематично изобразил его на рис. 9.8. Его утолщен­ная центральная часть, немного похожая на звезду и часто имеющая форму редиски, называется телом (сомой) нейрона и содер­жит в себе клеточное ядро. С одной сто­роны от тела нейрона отходит сильно вы­тянутое нервное волокно, называемое аксо­ном. Аксон иногда достигает действительно огромной длины (у человека — часто до не­скольких сантиметров), если учесть, что речь идет всего лишь об одной микроскопичес­кой клетке.

Аксон служит «проводом», по которо­му передается исходящий из клетки нервный сигнал. От аксона в стороны могут отходить более мелкие ветви и, кроме того, аксон мо­жет несколько раз разветвляться. На концах каждого из этих нервных волокон находят­ся нервные окончания (терминали). По дру­гую сторону сомы, а часто и отходя от нее во всех направлениях, располагаются корот­кие сильно ветвящиеся отростки — дендриты, по которым в клетку поступают вход­ные данные. (Иногда и на концах дендритов встречаются терминали, образующие так на­зываемые дендро-дендритные синапсы между дендритами. В дальнейшем я не буду их учи­тывать, поскольку связанное с ними услож­нение общей картины несущественно).

Клетка как целое отделена от окруже­ния клеточной мембраной, которая охватывает сому, аксон, нервные окончания, дендриты и все остальное. Для того что­бы сигналы передавались от одного нейрона к другому, надо каким-то образом обеспе­чить им возможность «перехода через ба­рьер» между нейронами. Это достигается с помощью межклеточного соединения, на­зываемого синапсом, в котором терминаль одного нейрона соединена с какой-либо точ­кой на соме или на одном из дендритов другого нейрона (рис. 9.9). На самом деле, между терминалью одного нейрона и сомой или дендритом другого остается очень узкий зазор, который называется синаптической щелью (рис. 9.10). При передаче от одного нейрона к другому сигнал должен преодо­леть этот зазор.

 

В какой форме сигналы передаются по нервным волокнам и через синаптические щели? Что заставляет следующий нейрон передавать сигнал дальше? Для непосвященного, вроде меня, механизмы, которые ис­пользуются здесь природой, кажутся удиви­тельными и совершенно зачаровывающими!

Можно было бы думать, что эти сигналы распространяются точно так же, как элек­трический ток по проводам, но в действи­тельности все гораздо сложнее. Нервное волокно представляет собой цилиндрическую трубку, заполненную рас­твором обычной соли (хлорида натрия), сме­шанной с хлоридом калия (с преоблада­нием последнего), так что внутри трубки находится смесь из ионов натрия, калия и хлора (рис. 9.11). Снаружи волокна на­ходятся те же ионы, но в других соотно­шениях: ионов натрия больше, чем ионов калия. В состоянии покоя содержимое труб­ки имеет суммарный отрицательный заряд (т.е. ионов хлора там больше, чем ионов калия и натрия вместе; напомним, что ионы калия и натрия заряжены положитель­но, тогда как ионы хлора — отрицательно). Клеточная мембрана, образующая поверх­ность цилиндра, имеет «утечки», поэтому ионы перемещаются через мембрану таким образом, чтобы нейтрализовать избыточный заряд. Компенсацию утечек и поддержание избыточного отрицательного заряда внутри трубки осуществляет «ионный насос», ко­торый очень медленно откачивает ионы на­трия через мембрану наружу. Отчасти это же помогает поддерживать избыток ионов ка­лия по сравнению с ионами натрия во вну­треннем растворе. Существует также ион­ный насос, который (более медленно) пере­носит ионы калия из наружной среды внутрь трубки (что, правда, не способствует поддер­жанию разности зарядов).

Сигнал, распространяющийся по нерв­ному волокну, представляет собой область с обратным распределением зарядов (т. е. положительный заряд внутри и отрицатель­ный снаружи), которая перемещается вдоль волокна (рис. 9.12). Вообразите, что вы на­ходитесь на нервном волокне как раз перед такой областью с обратным распределени­ем зарядов. По мере того, как эта область приближается, электрическое поле откры­вает в мембране маленькие «дверцы», назы­ваемые натриевыми каналами. Это позволя­ет ионам натрия перемещаться с наружной стороны мембраны обратно внутрь трубки (в результате совместного действия электри­ческих сил и давления, обусловленного раз­ностью концентраций, т. е. «осмоса»). Это приводит к тому, что заряд снаружи стано­вится отрицательным, а внутри — положи­тельным. Когда это происходит, мы знаем, что область обратного распределения заряда, которая и является сигналом, достигла нас. При этом позади нее открываются крошеч­ные «дверцы» другого типа (калиевые кана­лы), которые выпускают ионы калия наружу, тем самым восстанавливая избыточный от­рицательный заряд внутри. Теперь сигнал прошел! Наконец, когда сигнал уже доста­точно удалился, медленно, но верно работа­ющие ионные насосы постепенно выкачива­ют ионы натрия из трубки наружу, закачивая внутрь ионы калия. Таким образом волокно возвращается в состояние покоя и готово к передаче очередного сигнала.

Обратите внимание, что сигнал пред­ставляет собой просто область обратного распределения заряда, движущуюся вдоль волокна. Вещество как таковое (т. е. ионы) перемещается при этом совсем немного -только внутрь и наружу через клеточную мембрану!

Этот странный, экзотической механизм действует на поверку очень эффективно. Он универсален и используется как у позвоноч­ных, так и у беспозвоночных. Но у позвоноч­ных он был усовершенствован за счет изоля­ции нервных волокон при помощи белова­того жироподобного вещества, называемого миелином. (Именно миелиновым покрыти­ем объясняется цвет «белого вещества» моз­га.) Такая изоляция позволяет нервным им­пульсам распространяться без потерь (от од­ной «ретрансляционной станции» к другой) и с очень приличной скоростью — до 120 метров в секунду.

Когда сигнал достигает терминали, из нее выделяется химическое соединение, на­зываемое нейромедиатором. Это соединение пересекает синаптическую щель и достигает другого нейрона - поверхности дендрита или сомы. При этом у одних нейронов терминаль выделяет нейромедиатор, облегчающий возбуждение следующего нейрона, т.е. посылку нового сигнала вдоль своего аксона. Эти синапсы называются возбуждающими. У других нейронов терминали выделяют нейромедиатор, затрудняющий другому нейрону генерацию собственного импульса, и поэтому называются тормозящими. На каждом нейроне действие активных в данный момент возбуждающих синапсов суммиру­ется, из результата вычитается суммарное действие тормозящих синапсов, и если по­лученная разность превышает определенное критическое значение, то нейрон действи­тельно возбуждается. (Возбуждающие синапсы создают положительную разность по­тенциалов между внутренней и наружной сторонами мембраны следующего нейрона, а тормозящие — отрицательную. Эти разно­сти потенциалов складываются. Нейрон воз­будится только в том случае, если результи­рующая разность потенциалов на мембране в начале его аксона достигнет определен­ной критической величины, при которой ионы калия не успевают выходить нару­жу достаточно быстро, чтобы восстановить равновесие.)