Старая истина, что рыба является особым питанием для мозга, не лишена оснований - потому что рыбы были первыми живыми существами с мозгом. Токи их мозга достигали фантастической силы. Сегодня существуют рыбы, электрический потенциал которых в сотни раз выше, чем у древних медуз. Некоторые из них, например, электрический угорь, в состоянии произвести удар током силой 600 вольт, это ни что иное, как живые батареи, часть электрической энергии которых вырабатывает мозг. Человеческий мозг - это тоже электрохимический орган, но который может производить лишь небольшое электрическое напряжение - максимум одну десятую вольта при минимальной силе тока. Эта энергия переносится нервными клетками, или нейронами, которыми, в среднем, человек располагает в количестве 15 миллиардов и которые определенным образом связаны друг с другом. Между ними находятся так называемые глихацелии. Типичная нервная клетка позвоночного животного состоит из клеточного тела и различных клеточных отростков. Более короткие, часто сильно разветвленные и тонкие отростки называются дендритами (древовидными отростками нервной клетки мозга). Они принимают электрическое возбуждение и передают его в клеточное тело, которое перерабатывает все поступающие сигналы. Как ответ на полученные сигналы, оно может со своей стороны давать электрические импульсы. Они движутся от клеточного тела через длинный отросток, так называемый аксон (нервное волокно).
Информация, которая должна быть передана, находится в закодированном виде в частоте (количество электрических импульсов в секунду), которая измеряется в герцах.
На конце одно нервное волокно вступает в контакт с другими (естественно, и с клетками желез, мускулов). Эти места контактов называют синапсами. Окончания нервных волокон в этих местах в большинстве своем имеют шаровидную форму, поэтому их обозначают как синаптические пуговичные окончания.
На рис. 2 мы видим нервную клетку с ее синаптическим окончанием, которое в мозге соединено с другой нервной клеткой, как это видно на оригинальной фотографии рис. 1, сделанной электронным микроскопом.
Нерв состоит из многих нервных волокон, которые параллельны друг другу. При передаче сигнала в нервах речь идет об электрическом процессе. В состоянии покоя позитивные и негативные ионы располагаются таким образом по внутренней и наружной плоскости нервной клетки, что в противоположность внешней поверхности нервной клетки ее внутренняя поверхность заряжена отрицательно. Это напряжение ничтожно (ок. 70-тысячной вольта) и называется потенциалом покоя. Когда достигается определенная высота напряжения, в корне нервного волокна возникает электрический разряд, продолжительность которого составляет одну тысячную секунды. Этот разряд двигается через все нервные волокна к синаптической головке.
С помощью электроэнцефалографа можно зафиксировать эти токи мозга так, как это показано на рисунке 3.
Частота (число колебаний в секунду) токов изменяется соответственно состоянию сознания, в котором находится данное лицо. При "естественном" состоянии сознания, как бодрствование, сон и видение снов, можно зафиксировать очень различные кривые токов мозга. Так, например, состояние бодрствования обозначается быстрыми волнами, так называемыми бетаволнами, напротив, сон - медленными, так называемыми дельта-волнами и т.д. На рисунке 4 можно увидеть образцы волн.
Также при "спровоцированных" (вызванных соответствующими упражнениями по развитию Души, изучаемыми в этом учебнике), так называемых особых состояниях сознания, кривые тока мозга изменяются характерным образом, как показано на ЭЭГ одного лица, которое вначале находится в спокойном состоянии бодрствования, а затем в состоянии медитации.
В этих особых состояниях сознания (ОСС), которые охватывают диапазон от:
1. бодрствования.
2. состояния дневных сновидений,
3. состояний транса,
4. медитативных состояний и до
5. состояний космического сознания, проявляются различные кривые токов мозга, которые мы при обсуждении состояний сознания рассмотрим ближе. При ОСС токи мозга человека могут уподобляться токам космической энергии всей Вселенной, которые могут привлекаться к реализации всех внечувственных феноменов и феноменов Пси
Представление о существовании универсальной космической энергии, которую человек может использовать и с помощью которой реализуются сверхчувственные феномены, имеет глубокие корни в культурах всех народов. Самое известное представление, которое мы находим в индийской философии, это существование праны, которая понимается как космическая энергия, которая существует в пяти различных формах и поддерживает жизненные процессы как "ветер тела".
В священных текстах индусов и буддистов описывается такая же космическая праэнергия обозначенная мистическим слогом "Ом" или "Аум", оба слога должны вызывать в мозгу колебания, которые приводят различные чакры (нервные центры человека) в состояние, позволяющее принимать космическую (жизненную) энергию.
Библия описывает невидимую жизненную силу, которая поддерживает общее божественное начало, как "Святой дух"; "Или вы не знаете, что ваше тело является храмом святого духа, который в вас есть, который вы приняли от Бога и который вам самим не принадлежит?" (1.Кор.6.19).
В японском учении акупунктуры мы находим "Ки", в китайском "Чи", обозначение жизненной энергии как реки, исток которой находится в точке выше пупка, и которая рассредоточивается по всему телу из легких через сети так называемых "меридианов" (нервные каналы). Вся материя рассматривается как проявление этой энергии на материальном уровне.
Аристотель, великий греческий философ и ученый (384-322 до н.э.). использовал обозначение "эфир" для пятой стихии, которая включала вначале все объекты, находившиеся вне земной атмосферы. И человеческий дух, описанный Аристотелем как чистая нематериальная энергия, происходил, в его понимании, из эфира.
Физики средневековья объясняли эфир как субстанцию, наполняющую пространство. Они предполагали, что свет вызывается движениями волн в этом эфире, который может приносить его к земле сквозь вакуум. Поэтому он часто назывался "светоносный эфир".
Оптогенетика - метод исследования возбудимых клеток, использующий белки, которые встраиваются в мембрану клетки и активируются светом (отсюда «опто»). Такие белки (опсины) есть у большинства животных в сетчатке глаз, а также у некоторых растений, например у зеленых водорослей. Чтобы встроить фотоактивируемые протеины в мембраны нейронов, приходится привносить в нейроны гены родопсинов, полученные из других организмов, отсюда «генетика». В 2015 году оптогенетика отметила свой десятилетний юбилей. За это время эффективный инструмент изучения нервной системы окреп и получил ряд применений, которые изначально были недоступны.
Мозг и его элементы
Сознание, личность, интеллект - все это создается нейронами. А значит, если мы хотим изучать эти аспекты человеческого (и не только) существа, обязательно надо понимать, что происходит с нервными клетками объекта исследования. Главная проблема в том, что этих нервных клеток чересчур много и уследить сразу за всеми нейронами невозможно. К тому же нервные клетки имеют тенденцию образовывать скопления, поэтому отделить действие одного нейрона от другого, да и воздействовать на каждую клетку по отдельности в большинстве случаев проблематично. Отсюда есть два выхода: смириться и регистрировать активность групп клеток, получая некую «среднюю температуру по больнице», либо все-таки пытаться исследовать один нейрон, по возможности - очень нужный и важный для организма. Первое чаще применяют при исследованиях мозга млекопитающих, второе - на простых нервных системах (например, отслеживают электрическую активность крупных «командных нейронов» оборонительного поведения виноградной улитки или похожих по свойствам клеток морского брюхоногого моллюска аплизии). Моллюски, черви и дрозофилы с их сравнительно небольшими нервными системами - это, конечно, хорошо, но от человека они весьма далеки. Хочется исследовать кого-то, чей мозг по строению ближе к нашему, и поэтому чаще выбирают первый подход.
Методов исследования нервной системы много, но они почти всегда не очень точны. Есть функциональная магнитнорезонансная томография, которая не дает видеть отдельные клетки и распознает только сравнительно медленные процессы (изменение кровенаполнения мозговых сосудов). Есть электроэнцефалография, она побыстрее, но индивидуальные нейроны тоже не различает и подобна попыткам записать что-то разборчивое, подвесив микрофон над футбольным полем в разгар матча. Наконец, можно применять флуоресцентные красители, меняющие цвет в ответ на изменение концентраций определенных ионов в клетке или на их суммарный заряд (то есть на мембранный потенциал нейрона). Такие красители действуют довольно медленно. Их временно е разрешение (время отклика) недостаточно велико, чтобы обнаружить и «показать» отдельный потенциал действия в нейроне. Точнее, так считалось до недавней публикации, авторы которой все же смогли это сделать (Science , 2015, 350, 6266: 1361–1366, doi: 10.1126/science.aab0810).
Словом, регистрировать активность одной-единственной клетки, не затрагивая соседние нейроны, не так-то просто. Еще сложнее специально изменять эту активность. Можно вводить в мозг фармакологические препараты, действующие только на клетки с определенными свойствами, потом посмотреть на эти клетки под микроскопом или сделать срез части мозга животного и регистрировать его электрическую активность микроэлектродами. Но чтобы получить подобный препарат, зверька надо убить. Даже если отбросить жалость к животным и соображения гуманности, надо признать, что такие эксперименты крайне расточительны. Для того чтобы узнать, как поменялись сигналы небольшого числа клеток, нужно вырастить целый мозг, кормить его и ухаживать за ним, а после подготовки препарата его можно будет использовать час-полтора, редко дольше.
Другой вариант - стимулировать отдельные нейроны электрическими сигналами искусственного происхождения, приводя эти сигналы по соответствующему нерву, или поливать клетки нейромедиаторами в рамках модели искусственного синапса. Но для этого сначала нужно отыскать подходящие клетки, а это задача нетривиальная.
Наконец, существует метод искусственного высвобождения глутамата из синаптических везикул под действием ультрафиолета (этот метод еще называют glutamate uncaging ). По сути, свет в данном случае имитирует действие возбуждающего сигнала, пришедшего на клетку, запуская выброс нейромедиатора в синапсе. Это весьма точное и действенное средство, но и у него есть недостаток. Действием ультрафиолета сейчас умеют высвобождать только глутамат, однако далеко не все нейроны выделяют именно его, а не какой-нибудь другой переносчик сигнала. Помимо всего прочего, искусственное высвобождение глутамата не так сильно активирует нейрон-мишень, как электрическая стимуляция по нерву, и заставить клетку выдавать потенциалы действия в данном случае проблематично.
Из водоросли в нейрон
С 2005 года тонкое манипулирование нейронной активностью стало возможным, и в этом помогли фотоактивируемые вещества, способные улавливать кванты света и реагировать на них. Некоторые из них были известны давно, с начала 1970-х, но применять в нейробиологических исследованиях их научились только в середине 2000-х.
У одноклеточной водоросли Chlamydomonas reinhardtii есть белок ченнелродопсин-2 (ChR2). Из названия понятно, что это родственник родопсина палочек сетчатки. Как и глазной пигмент, ченнелродопсин реагирует на облучение светом, только немного по-другому: он усиливает приток положительных ионов в клетку водоросли. Это влияет на ее мембранный потенциал (потенциал покоя): он в течение тысячных долей секунды от заведомо отрицательного приближается к нулю; специалисты говорят: «клетка деполяризуется». Потенциалов действия клетка хламидомонады при этом не генерирует, но это было бы теоретически возможно: электрические сигналы, подобные потенциалам действия, могут возникать и в растительных клетках (Plant, Cell and Environment , 2007, 30, 249–257, doi: 10.1111/j.1365-3040.2006.01614.x).
Когда ген ченнелродопсина-2 выделили из хламидомонады и клонировали, его последовательность нуклеотидов стала известна нескольким исследовательским коллективам, среди которых была лаборатория Карла Дайссерота (Karl Deisseroth) в Стэнфордском университете. Это событие оказалось решающим для рождения оптогенетики. В то время как другие коллективы стали активно изучать многообразие ченнелродопсинов, руководитель этой лаборатории, нейрофизиолог и по совместительству психиатр (вероятно, практическое мышление Дайссерота-врача сыграло не последнюю роль в выборе объекта изучения), заметил в ChR2 кое-что достойное прикладного использования. Раз у нас есть белок, способный изменять мембранный потенциал клетки, и есть его ген, то почему бы этот ген не внедрить в электрически возбудимую клетку и не посмотреть, что из этого выйдет?
Сказано - сделано. Ген ченнелродопсина-2 прикрепили к промотору (последовательности ДНК, которая указывает РНК-полимеразе, что следующий за ней участок молекулы нужно считать и сделать по его образцу мРНК), вложили в вирус, а сам вирус тонкой иглой ввели в мозг мыши. Только надо еще проверить, куда именно попали вирусные частицы, не промахнулись ли мы с местом инъекции. Чтобы понять это, помимо гена светочувствительного белка нужно ввести в нейрон ген вещества-репортера - это вещество будет указывать на присутствие ченнелродопсина. Удобный репортер - флуоресцентный белок, ведь флуоресценция в клетках видна и на срезах мозга, и - при достаточной концентрации - даже снаружи тела. Ген ChR2 и ген репортера (например, желтого флуоресцентного белка YFP) находятся под одним промотором, поэтому экспрессируются они вместе, и оба белка образуются в клетке одновременно. Если ченнелродопсин в клетке есть - она флуоресцирует.
Справедливости ради надо отметить, что коллектив Дайссерота не первым привнес ченнелродопсин в клетки животных. Настоящий пионер в этой области - Георг Нагель (Georg Nagel), о чем он сам напоминает в статье, посвященной десятилетию метода оптогенетики (Nature Neuroscience , 2015, 18, 1202–1212, doi: 10.1038/ nn.4106). Именно он показал принципиальную возможность применения ChR2 у амфибий и млекопитающих в работе 2003 года (Proceedings of the National Academy of Sciences , 2003, 100, 13940–13945), где ген ченнелродопсина экспрессировался в яйцеклетках лягушки ксенопуса и в клетках культуры HEK293 (human embryonic kidney - почка зародыша человека). Белок ChR2 в этих объектах прекрасно активировался синим светом, микроэлектроды при этом регистрировали ток положительно заряженных частиц через мембрану. Кроме того, именно Нагель предоставил Дайссероту материал для трансфекции нейронов геном ченнелродопсина.
Почти все готово, осталось только встроить в мозг источник света, который будет активировать клетки, несущие ченнелродопсин. Таким источником обычно служит миниатюрный светодиод на оптоволокне, дающий свет с длиной волны около 480 нм (синий). Именно на такое излучение ChR2 реагирует наиболее продуктивно. Волокно вводят в желаемый участок головного мозга и закрепляют с помощью специальной канюли на поверхности черепа (рис. 1). Животное может носить такой прибор очень долго, и, чтобы записать активность его клеток, не нужно его убивать. А это хорошо и с точки зрения этики, и с точки зрения практики. Подопытное существо во время оптогенетического эксперимента может беспрепятственно передвигаться, и его поведение при этом будет заведомо ближе к натуральному, чем если те же самые нейроны изучать в составе срезов мозга или у животного, зафиксированного в стереотаксисе под наркозом.
Одного только источника света недостаточно, чтобы провести полноценный эксперимент. Мы не можем сказать, как «подопытные» нейроны отреагировали на фотостимуляцию, пока не подтвердим появление электрических сигналов в ответ на воздействие светом. Стало быть, параллельно с инструментом для активации нейрона нужно средство для записи его активности, так что в комплекте с источником света в мозг вживляют микроэлектроды. Собственно, используя эти микроэлектроды, Дайссерот и коллеги подтвердили на практике, что с помощью ченнелродопсина можно изменять мембранный потенциал клетки сильно и быстро, вплоть до генерации потенциалов действия, и описали результаты в статье (Nature Neuroscience , 2005, 8, 1263–1268, doi: 10.1038/nn1525). С этой работы началась эра оптогенетики.
Включатели, выключатели и другие
Ченнелродопсин - не единственный фотоактивируемый канал на службе у оптогенетики. Есть еще галородопсин (HR, рис. 2) - белок архей, который при активации желтым светом впускает в клетку отрицательно заряженные ионы хлора (а не положительные натрия и калия, как в случае ченнелродопсина). Это приводит к гиперполяризации клеточной мембраны: разность потенциалов на ней становится более отрицательной, чем в покое, и клетка, которая раньше легко выдавала потенциалы действия, при активации галородопсина «замолкает».
Гены галородопсина и ченнелродопсина можно ввести в одну и ту же клетку, а можно в разные. Два фотоактивируемых канала с различными свойствами лучше, чем один. Но и это еще не все (рис. 3). Существуют также бактериородопсин (BR) и протородопсин (PR). Как и ченнелродопсин, при активации они открывают путь для положительно заряженных ионов, но не для всяких, а только для ионов водорода - протонов. А эффект получается противоположный ченнелродопсину: протоны не входят в клетку, а уходят из нее, за счет чего мембрана гиперполяризуется и способность клетки к возбуждению теряется.
Есть еще экзотические опсины животных под общим названием Opto-XR. Это не ионные каналы, а гибриды родопсина колбочек сетчатки млекопитающих и некоторых рецепторов, сопряженных с G-белками (G-белки используют превращение нуклеотида ГДФ в ГТФ и запускают множество сигнальных процессов в клетках). В частности, ряд Opto-XR несет фрагменты адренорецепторов, а одна необычная разновидность состоит из части родопсина крысы и части рецептора к серотонину типа 1A. Конечно, не будучи каналами, Opto-XR не могут обеспечить потенциал действия, зато их активация имитирует активацию рецепторов, части которых они в себе несут. Иначе говоря, после «засветки» Rh-CT(5-HT1A) клетка будет функционировать так, как будто на ее синапсы пришел серотонин. Показано, что такие белки-гибриды располагаются на мембранах нейронов примерно там же, где и настоящие рецепторы к аналогичным нейромедиаторам. Поэтому с их помощью можно изучать различные системы передачи сигналов в мозге, не опасаясь получить далекие от действительности результаты.
Совсем недавно исследователи из Медицинской школы Техасского университета описали целое семейство новых родопсинов водорослей, которые проводят отрицательно заряженные ионы внутрь клетки. Они реагируют на фотостимуляцию быстрее, чем родопсины, уже применяемые в оптогенетике, и требуют меньше света для активации (Science , 2015, 349, 6248, 647–650, doi: 10.1126/science. aaa7484). Возможно, у них большое будущее.
Оптогенетика и поведение
Но довольно нейрофизиологической теории, пора переходить к практике. Поведение зависит от последовательностей нейронных сигналов, появившихся в нужное время в нужном месте. Получается, что, зная время, место и последовательность этих сигналов, мы можем воссоздать нужную нам форму поведения и получить недостающую информацию о том, за счет каких структур это поведение проявляется.
Занятное исследование на эту тему недавно было опубликовано в Nature (2015, 519, 233–236, doi: 10.1038/ nature14024). Хотя оптогенетические методики изначально тестировали на грызунах, ничто не запрещает делать то же самое на других модельных объектах - например, на дрозофилах. Конечно, для этого придется немного модифицировать технику, ведь нейрофизиология насекомых отличается от нейрофизиологии млекопитающих.
На дрозофил, как и на людей, действует долгое пребывание в тесных скоплениях себе подобных, проще говоря - в толпе. Другими словами, они тоже подвержены стадному чувству. Известно, что углекислый газ для дрозофил имеет запах, притом весьма неприятный. Одинокая муха, почуяв CO 2 , неспешно улетает туда, где воздух свежее. Если это насекомое находилось в стайке, за ним быстро ретируются и другие. Даже если среди ста мух запах чувствует только половина, а у остальных обоняние заблокировано, вся сотня двинется подальше от источника вони. Такая синхронность, как ни странно, достигается вовсе не с помощью обоняния. Реакция избегания в данном случае носит коллективный характер: одни мухи передают другим сигналы о необходимости уйти подальше от источника углекислого газа. Призыв к бегству насекомые передают, трогая друг друга. При этом у мух, получающих сигнал, активируются механосенсорные нейроны на кончиках лапок. Чтобы доказать это, применили несколько методов, в числе которых была и оптогенетика. В частности, в одном из экспериментов мухам, находящимся в атмосфере с нормальным (не избыточным для них) содержанием СО 2 , оптогенетически активировали механосенсорные нейроны кончиков лапок со встроенными в клетки ChR2, и насекомые демонстрировали реакцию избегания, как если бы рядом с ними сильно пахло углекислым газом.
Кроме всего прочего, с помощью фотоактивации можно внедрить в нейроны информацию, которую они не получали в реальности. Проще говоря, оптогенетика позволяет создавать ложные воспоминания. Это на примере мышей доказал коллектив Сусуму Тонегава из Массачусетского технологического университета в 2013 году (Science , 2013, 341, 6144, 387–391, doi: 10.1126/science.1239073). Исследователи внедрили ченнелродопсин-2 в нейроны двух регионов гиппокампа, отвечающих за перевод информации из кратковременной памяти в долговременную, - зубчатую извилину и поле CA1. Ченнелродопсином пометили только те клетки, которые в предварительных экспериментах с записью электрической активности возбуждались, если животное пугали звуком и ударом электрическим током в определенных «декорациях» (еще говорят - в определенном контексте). То есть изначально животное запоминало, что бояться звука в одной обстановке стоит, а в другой - не обязательно. После этого нейроны с ченнелродопсином специально активировали, когда животное находилось в других «декорациях» и, по идее, не должно было демонстрировать страх. Однако во время этой процедуры мыши, находившиеся в новой обстановке (где их никогда не били током), замирали на месте, прятались в угол или пищали.
Раз уж получилось внедрить в голову то, что животное никогда не запоминало, то вернуть утраченную информацию точно можно. Это и сделали сотрудники той же лаборатории двумя годами позже (Science , 2015, 348, 6238, 1007–1013, doi: 10.1126/science.aaa5542). Сначала они научили грызунов определенному навыку, затем ввели им в мозг ингибиторы синтеза белка, которые мешают вспомнить недавно изученное (это доказали во множестве более ранних работ). Тем не менее, забытое воспоминание можно было вернуть, если оптогенетически активировать определенные клетки гиппокампа. Какие именно нейроны нужно задействовать, выясняли примерно так же, как и в предыдущей работе.
Оптогенетика и сон
Оптогенетика помогла и в изучении сна. Было известно, что в боковых областях гипоталамуса есть нейроны, выделяющие вещество орексин, он же гипокретин. Стабильное бодрствование невозможно при пониженном содержании гипокретина в гипоталамусе. Если клетки, выделяющие его, недостаточно активны, у животного (и у человека тоже) развивается нарколепсия - во время бодрствования случаются внезапные приступы сна. Больной либо совсем засыпает, либо у него проявляются некие отдельные признаки сна, например резкое падение тонуса мышц или выпадение из сознания. Приступы нарколепсии невозможно контролировать, и они могут случиться в самый неподходящий момент - скажем, когда человек за рулем.
Но это могло быть и совпадением, и без дополнительных экспериментов нельзя было утверждать, что именно орексиновые нейроны поддерживают бодрствование. Нужно было проверить, что происходит со сном во время их активации. Сотрудники лаборатории Карла Дайссерота встроили в гипокретиновые нейроны гипоталамуса мышей ченнелродопсин-2, после чего периодически стимулировали мозг грызунов светом, пока те спали (Nature , 2007, 450, 420–424, doi: 10.1038/nature06310). Мыши от такого воздействия пробуждались как на стадии медленноволнового сна, так и на стадии быстроволнового. При этом орексиновые нейроны активировались с разной силой в зависимости от того, как часто на них светили. Все это в совокупности дает право утверждать, что выделение орексина (гипокретина) в достаточном количестве действительно обеспечивает поддержание бодрствования.
Оптогенетика и сердце
Метод оптогенетики необязательно применять только к нейронам, он подходит для всех клеток, способных возбуждаться под действием электрических сигналов. Кроме нейронов, у животных это клетки мышц, в том числе - сердечной мышцы. Кардиомиоциты должны возбуждаться синхронно, это обеспечивает их одновременное сокращение. Эксперименты с оптогенетической активацией клеток сердца крысят, людей и собак показали, что волны возбуждения и сокращения, вызванные стимуляцией синим светом, не отличаются по своим параметрам от «настоящих», электрических волн (Circulation. Arrhythmia and electrophysiology , 2011, 4, 5, 753–760, doi: 10.1161/CIRCEP.111.964247, Heart Rhythm , 2012, 9, 11, 1910). Эти работы проводили не на живых объектах, тем не менее результаты показывают, что активность больного сердца теоретически можно будет подправить с помощью оптогенетики.
Оптогенетика и психиатрия
Вероятно, не будет преувеличением сказать, что применение метода оптогенетики в психиатрии - одна из главных конечных целей Дайссерота, учитывая его вторую профессию. Было бы замечательно сначала узнать, как нейроны головного мозга связаны друг с другом, а затем стимулировать (или при необходимости подавлять) передачу сигналов между нужными группами клеток. Задача крайне трудоемкая, но теоретически выполнимая. Разработчики метода оптогенетики сделали в этой области несколько открытий. Некоторые из них касаются клеток, выделяющих дофамин. Этот нейромедиатор, помимо всего прочего, играет огромную роль в поддержании хорошего настроения и дает ощущение вознаграждения за сделанное (говорят, что нейроны, выделяющие дофамин, входят в систему вознаграждения). Наркотики, такие, как кокаин, имитируют действие дофамина на нейроны, вызывая ощущение удовлетворенности. Организм запоминает это ощущение и привыкает к наркотику, образуется психологическая и физиологическая зависимость.
В состав системы вознаграждения мозга входит прилежащее ядро. Если его клетки, выделяющие дофамин, снабдить галородопсином, а потом стимулировать их светом, прилежащее ядро «выключается», а вместе с этим временно пропадает заранее развитая тяга подопытных крыс к кокаину (Nature , 2014, 505, 309–317, doi: 10.1038/nature12982). Можно было бы проделать похожие манипуляции и на людях-наркоманах, но для этого придется изменять геном их нейронов, что пока не разрешается делать.
Достаточное количество дофамина защищает от некоторых форм депрессии, а также от болезни Паркинсона. И если вклад оптогенетики в исследования паркинсонизма пока не очень велик, то депрессивное поведение грызунов небезуспешно пытались устранить с помощью фотоактивируемых каналов (Nature , 2013, 493, 7433, 537–541, doi: 10.1038/nature11740).
Итак, в теории оптогенетика может пролить свет на любые патологические состояния, связанные с возбудимыми клетками. Это не только наркомания и нарколепсия, депрессия и болезнь Паркинсона, но и шизофрения, инфаркты, тревожность, стрессовые расстройства и многое другое. Пока что возможность лечения этих состояний с помощью фотоактивируемых каналов - вопрос технологии и морали. Однако возможно, что лет через 20–30 потенциал оптогенетики будет ограничен только этическими устоями ученых и чиновников, контролирующих научные исследования.
По нервам (отдельным нервным волокнам) сигналы распространяются в виде потенциалов действия и электротонических потенциалов, но на разные предельные расстояния. Способность аксонов и дендритов, а также мембран мышечных клеток проводить электрические сигналы характеризуется их кабельными свойствами .
Кабельные свойства нервных проводников очень существенны для распространения сигналов в нервной системе. Они обусловливают генерацию потенциалов действия в сенсорных нервных окончаниях, или рецепторах, при действии раздражителей, проведение сигналов по аксонам, суммацию сигналов мембраной сомы нейрона.
В основу современных теорий кабельного проведения возбуждения положена гипотеза Германна о существовании круговых токов (токов Германна), текущих от невозбужденных участков мембраны к возбужденным при распространении импульса по аксону.
Из цитологии известно, что каждая возбудимая клетка ограничена плазматической мембраной, к которой примыкают окружающие клетку оболочки. Наиболее часто нервные волокна окружены миелиновой оболочкой, сформированной глиальной клеткой в ЦНС либо оболочкой, образованной Шванновской клеткой на периферии. В местах разветвления аксона, либо в начальной или конечной его части миелиновая оболочка истончается. Сама мембрана состоит из липидов и белков. Все это обусловливает высокое электрическое сопротивление мембраны клеток и высокую распределенную электрическую ее емкость. Эти характеристики определяют проводящие свойства нервного волокна.
Основные закономерности распространения потенциалов, электротонических прежде всего, по нервным волокнам получены в экспериментах на крупных аксонах кальмаров. Было обнаружено, что при нанесении прямоугольного стимула в определенной точке волокна по мере удаления от места стимуляции сигнал регистрируется с искажением. С одной стороны, происходит изменение формы его переднего и заднего фронта (запаздывание достижения максимального значения) и уменьшение его амплитуды. Первая из этих величин определяется постоянной времени, вторая – постоянной длины. Из радиофизики известно, что постоянная времени электрической цепи имеющей емкость (С) и сопротивление R, определяется формулой
τ = RC
и измеряется в секундах.
Из чего складывается сопротивление клеточной мембраны? В клетке существует три пути, по которым может течь ток в продольном направлении по аксону
а) аксоплазма
б)внеклеточная жидкость
в) сама мембрана
Внеклеточная жидкость –электролит, ее сопротивление мало. Удельное сопротивление мембраны толщиной 100 ангстрем приближается к 1000-5000 ом× см, очень велико. Удельное сопротивление аксоплазмы невелико, 200 ом× см. Емкость мембран возбудимых клеток С близка к 1 мкф/см 2 , но не бывает больше 7 мкф/см 2 . Таким образом,τ может быть 0,1-7 мс. Постоянная времени определяет скорость запаздывания развития потенциала до максимального значения и скорость запаздывания его затухания до фоновой величины.
Градиент нарастания потенциала (заряд мембранного конденсатора) определяется экспоненциальным законом:
V/V 0 =(1-e –t/ τ)
Величина потенциала V t в момент времениtменьше первоначального потенциалаV 0 на величину, определяемую выражением (1-e – t / τ).
Примем t=τ, тогда
V t /V 0 =(1-e –1)= 1-1/e=1-1/2.7=0.63
Или 63% от первоначального.
Разряд конденсатора мембраны тоже описывается экспоненциальной формулой:
V t /V 0 =e –t/ τ
Примем t=τ, тогдаV t /V 0 =e –1 =1/2,7=0,37 или 37% от максимального спустя времяt.
Если через мембрану клетки течет емкостной ток электротонического происхождения, за каждый отрезок времени, равный τ, постоянной времени, сигнал электротона увеличивается на 63 % от предыдущего при возрастании сигнала, или уменьшается до 37% от предыдущей величины при его спаде.
Ионный механизм этого явления может упрощенно быть описан таким образом. При введении в клетку положительных зарядов (деполяризация) ионы К + начинают перемещаться по направлению к мембране, которая обладает емкостью, позволяющей эти заряды накапливать, но имеются открытые каналы утечки, пропускающие ионы и демпфирующие накопление заряда. Чтобы произошел реальный сдвиг заряда, должно пройти время. Время нужно и для восстановления первоначальной величины заряда при разряде мембранного конденсатора. Это и естьτ.
На какое расстояние может распространится электротонический потенциал по мембране нервного волокна?
Пассивное распространение сигнала электротона определяется уравнением U x =U 0 ×e - x /λ , в котором мы снова видим экспоненциальную зависимость.
Нетрудно произвести преобразования формулы для случая x= λ и убедится, что электротонический потенциалU x в точке, находящейся от первоначальной на расстоянии x будет меньше первоначальногоU 0 вeраз (до 37% отU 0 , т.е. ½,7), если эта точкаxравнапостоянной длины λ.
Постоянная длины λ , или пространственная константа поляризации зависит от сопротивления мембраны r m , сопротивления внешней среды r o и сопротивления аксоплазмы r i .
Чем больше сопротивление мембраны, меньше сопротивление среды, тем на большее расстояние передается электротонический потенциал. Уменьшение величины электротона в зависимости от расстояния называется декрементом .
Оказалось, что на постоянную длины влияет диаметр проводника, поскольку от него зависит сопротивление аксоплазмы. Поэтому толстые нервные волокна имеют большее расстояние λ, на которое способен расспространяться электротон.
Распространение электротона – прежде всего катэлектротона – важный физиологический феномен. В клетках, не генерирующих ПД (глия, эпителий, тонические мышечные волокна) за счет проведения электротона осуществляется функциональная взаимосвязь между клетками. В дендритном дереве нейронов, например, коры больших полушарий мозга, сигналы в виде электротона могут доходить от дендритов до сомы. В области синапса, зная рассмотренные закономерности, можно определить, на какое расстояние могут распространяться синаптические потенциалы.
Тем не менее, и расчеты, и прямые измерения дают очень небольшие расстояния, на которое способен распространяться электротон. Поэтому, если деполяризация в участке мембраны не достигает точки КУД, нет увеличения проницаемости для Na + , через потенциалзависимые каналы, происходят только пассивные изменения мембранного потенциала. Константа λ варьирует от 0,1 до 5 мм. Совершенно очевидно, что для связи в пределах ЦНС нужен другой механизм передачи сигналов. Эволюция его нашла. Этот механизм – распространение импульса.
Мерой проведения импульса по аксону является скорость. Скорость передачи потенциалов действия играет существенную роль в организации связей в нервной системе. Обычно быстропроводящие нервные волокна со скоростью проведения более 100 м/с обслуживают быстрые рефлексы, те, при осуществлении которых требуется безотлагательная реакция. Например, при неудачной постановке конечности (Вы оступились), чтобы избежать падения; в защитных рефлексах, инициированных повреждающим стимулом, и т.д. Для рефлексов быстрого реагирования требуется высокая скорость в афферентном и двигательном звене, до 120 м/с. Наоборот, некоторые процессы не требуют столь быстрого реагирования. Это относится к механизмам регуляции деятельности внутренних органов, где достаточно бывает скорости проведения около 1 м/с.
Рассмотрим события, связанные с распространением ПД по немиелинизированному нервному волокну (иногда с ошибкой говорят немиелиновому , но это бессмысленно, так как миелин не проводит ток, это оболочка!). Инициация волны возбуждения может быть обусловленной либо активностью рецептора (генераторный потенциал), либо синаптическими процессами. Можно вызвать ПД и электростимуляцией аксона. Если локальное смещение мембранного потенциала (деполяризация) превышает порог, достигает точки КУД, активирует потенциалзависимые натриевые каналы, ПД в виде волны деполяризации-реполяризации возникает и распространяется вдоль нервного волокна. Точка максимума ПД соответствует максимальной реверсии мембранного потенциала (овершут). Получается ситуация, при которой ПД, распространяясь по волокну, порождает перед собой токи Германна, которые разряжают мембранную емкость, приближают мембранные потенциал следующего участка мембраны к КУД, и т.д. Сзади за собой перемещающийся ПД оставляет область мембраны, находящуюся в состоянии относительной рефрактерности.
Для распространения ПД необходимо, чтобы он всякий раз порождал электротонический потенциал в соседней области, той, куда он распространяется, способный сместить мембранный потенциал на величину порога, то есть амплитуда потенциала действия должна превышать порог его возникновения в несколько раз. Отношение ПД/порог носит название гарантийный фактор (Uпд/Uпорог=5..7).
Скорость перемещения электротона и ПД по безмякотным волокнам мала и не превышает 1 м/с. У кальмара, за счет объединения в эмбриогенезе нескольких аксонов в один, что увеличивает общий диаметр проводника, скорость импульса в немиелинизированном волокне может быть до 25 м/с. У млекопитающих скорость повышена за счет миелинизации аксонов. Высокое удельное сопротивление миелина приводит к тому, что мембрана мякотных волокон приобретает высокое сопротивление и малую емкость. В перехватах Ранвье сосредоточены натриевые потенциалзависимые каналы, в приперехватных областях – калиевые, ответственные за реполяризацию. Эти особенности строение приводят к тому, что сальтаторное проведение возбуждения имеет высокую надежность и высокую скорость, которые сочетаются с экономичностью (мякотные аксоны для перемещенияNa + иK + через мембрану обходятся меньшим количеством натрий-калиевой АТФазы). Отличительное биофизическое свойство сальтаторного проведения ПД состоит и в том, что токи замыкаются через межклеточную среду, имеющую низкое сопротивление, при этом токи следуют и вдоль, и поперек волокна.
Скорость передачи импульсов по мякотному волокну зависит от диаметра последнего простым соотношением
V=К× d, гдеd–диаметр, а к-константа.
Для амфибий к=2, для млекопитающих к=6.
Длина участка волокна, вовлеченного в процесс передачи одного ПД равна L=t× V, гдеt-длительность импульса. Этот показатель важен в методическом отношении, поскольку от длины возбужденного участка нерва зависит подбор межполюсного расстояния отводящих (регистрирующих) электродов.
В нервных стволах отдельные афферентные и двигательные нервные волокна расположены в компактно упакованном состоянии. Проведение по отдельным волокнам осуществляется изолированно от соседних, может распространяться в двух направлениях от места возникновения, имеет относительно постоянную скорость в любом участке аксона (кроме окончаний) и возбуждение от нескольких источников возникновения в клетке может подвергаться алгебраическому суммированию. Диапазон различий в скоростях проведения в волокнах велик, что позволило провести несколько классификаций. Наиболее принятыми считаются классификации Эрлангера-Гассера (группы АαβγδВС) и, в меньшей степени, Ллойда (группы I,II,III).
Мизун Ю. Г., Мизун П. Г. КОСМОС И ЗДОРОВЬЕ
Нам предстоит рассмотреть, как магнитное поле может влиять на человеческий организм, каковы возможные пути (механизмы) этого влияния. Для этого нам надо уяснить, какую роль в жизни организма играют электричество и магнетизм. Ведь внешнее магнитное поле может действовать либо на электрические токи и электрические заряды, либо же на магниты, имеющиеся в организме человека.
Рассмотрим, как устроен человеческий организм с этой точки зрения, а именно: какую роль в его жизнедеятельности играют электрические токи и заряды, а также магнитные поля.
Тот факт, что в человеческом, как и в любом живом организме имеются электрические токи, названные биотоками (т. е. электрическими токами в биологических системах), стало известно давно. Эти токи, как и любые электрические токи, представляют собой упорядоченное движение электрических зарядов, и в этом смысле ничем не отличаются от тока в электросети. Роль биотоков в функционировании человеческого организма очень велика.
Роль электрических зарядов (электронов и ионов) в функционировании организма также очень важна. Они являются регулировщиками в проходах клеточных мембран, ведущих из клетки наружу и извне в клетку, определяя, таким образом, все основные процессы жизнедеятельности клетки.
Кроме электрических токов и электрических зарядов, в живом организме имеются маленькие магнитики. Это молекулы тканей организма, прежде всего молекулы воды. Известно, что два магнита взаимодействуют между собой. Именно поэтому магнитная стрелка в поле другого магнита — Земли поворачивается своим южным концом в направлении к северу земного магнита. Так же и маленькие магнитики в организме — молекулы — способны поворачиваться под действием внешнего магнита. Внешнее магнитное поле будет ориентировать молекулы определенным образом, и это скажется на функционировании организма. В живом организме имеются огромные молекулы, состоящие из тысяч и миллионов обычных молекул. Свойства этих макромолекул зависят и от того, как они ориентированы в пространстве. Этим определяется и выполнение ими определенных функций в организме. Если такие макромолекулы имеют магнитный момент (т. е. являются магнитами), как, например, молекулы ДНК, то под действием изменения магнитного поля Земли или любого другого внешнего магнитного поля молекулы будут ориентироваться иначе, чем в отсутствие этого поля. Так как они при этом отклоняются от нужного направления, то они не могут больше нормально выполнять свои функции. От этого страдает человеческий организм.
Кровеносная система является системой, проводящей электрический ток, т. е. является проводником. Из физики известно, что если проводник двигать в магнитном поле, то в этом проводнике возникает электрический ток. Ток возникает и в том случае, если проводник будет неподвижным, а магнитное поле, в котором он находится, изменяется во времени. Это значит, что при движении в магнитном поле дополнительно к полезным биотокам в организме человека (и любого животного) возникают дополнительные электрические токи, влияющие на нормальную работу самого организма. Когда птица находится в полете и пересекает магнитные силовые линии, в ее кровеносной системе возникают электрические токи, которые зависят от направления ее движения относительно направления магнитного поля. Так, пернатые ориентируются в пространстве благодаря магнитному полю Земли. Когда идет магнитная буря, происходит изменение магнитного поля во времени, а это будет вызывать биотоки в организме.
Если пользоваться терминологией радиолюбителей, то можно сказать, что в человеческом организме происходят наводки электрических токов. Радиолюбители и радиоспециалисты владеют секретами устранения этих наводок на радиосхемы, ведь, только устранив эти наводки, можно добиться нормальной работы радиоаппаратуры.
Человеческий организм, который по сложности не идет ни в какое сравнение с любой самой сложной радиосхемой, никто не защищает от наводок, которые возникают в нем во время солнечных и магнитных бурь.
А. Л. Чижевский в 1936 г. писал: «Теперь перед нами встает другой вопрос: как защитить человека от смертоносного влияния среды, если оно связано с атмосферным электричеством и электромагнитной радиацией? Как уберечь человека больного, переживающего процесс болезни? Ведь ясно, что если кризис минует благополучно — а кризис иногда длится только сутки-двое, человек будет жить еще десятки лет… Да, физика знает способы оградить человека от такого рода вредных влияний Солнца или подобных им, откуда бы они не исходили. Спасителем здесь является металл…»
А. Л. Чижевский, предлагая помещать больных на периоды солнечных бурь в экранированные металлическими листами палаты, далее пишет: «Такая палата должна быть со всех шести сторон покрыта слоем металла соответствующей толщины и соответствующей непроницаемости без единого отверстия. Вход и выход из нее должны обеспечить непроникновение вредных радиаций внутрь, что легко достигается хорошо бронированной передней с двумя дверями. Уборная также должна быть бронирована со всех сторон и примыкать вплотную к бронированной палате…»
Но в реальных условиях больные в периоды солнечных и магнитных бурь остаются незащищенными. Надо ли удивляться, что число инфарктов в эти периоды увеличивается в несколько раз, увеличивается в несколько раз число случаев скоропостижной смерти, увеличивается заболеваемость глаукомой и т. д. и т. п.
Теперь рассмотрим конкретно, как построены и функционируют с электрической точки зрения основные звенья человеческого организма. Начнем с клетки. Из клеток состоят все живые организмы и имеют очень много общего, так как клетки их устроены одинаково. Клетки способны размножаться, видоизменяться, реагировать на внешние раздражители.
Структура клетки очень наглядно и доступно описана Е. А. Либерманом в его «Живой клетке» (М., Наука, 1982). Будем следовать этому описанию. Клетку представим в виде средневекового города-государства.
Внешняя граница этого города (клетки) обнесена крепостной стеной, которая удерживает обитателей в пределах городских стен и впускает в город и выпускает из него только по определенному паролю. Эта городская стена — мембрана клетки. Функции клеточных мембран очень серьезные, от них в организме зависит очень многое. В настоящее время сформировалась целая наука, которая изучает мембраны клеток — мембранология. Рассмотрим далее внутреннее устройство клетки. Внутри этого города-клетки имеется дворец, из которого поступают все распоряжения обитателям города. Дворец (ядро клетки) обнесен второй крепостной стеной.
Если смотреть на город (клетку) с высоты птичьего полета, то можно увидеть еще отдельные группы строений, которые обнесены крепостными стенами. В них располагаются учреждения со своими специальными функциями. Эти группы строений также обнесены крепостными стенами. Но эти стены служат не защите от внешнего врага, находящегося за пределами города (клетки), они сдерживают в своих пределах обитателей самих учреждений. Например, в клетке имеются колонии, окруженные двойной мембраной (стеной), которые называются лизосомами. Если лизосомы выберутся за пределы своего учреждения, то они как бешеные начнут разрушать все попадающиеся им на пути вещества, из которых состоит клетка. Через короткое время они способны уничтожить всю клетку.
Зачем же клетке нужны эти лизосомы, которые содержатся в специальных изоляторах за двойной крепостной стеной — двойной мембраной? Они нужны на тот случай, если понадобится убрать ненужные, разлагающиеся вещества в клетке. Тогда они по команде из дворца (ядра) делают это. Часто эти пузырьки в клетке называют «мусорщиками». Но если по какой-либо причине мембрана, сдерживающая их, будет разрушена, эти «мусорщики» могут превратиться в «могильщиков» для всей клетки. Таким разрушителем мембран, сдерживающих лизосомы, может быть магнитное поле. Под его действием мембраны разрушаются и лизосомы обретают свободу действия. Имеются и другие факторы, способные разрушать эти мембраны. Но мы их рассматривать здесь не будем. Укажем только, что если лизосомы разрушают при этом клетки злокачественных опухолей, то в этом случае их можно назвать санитарами.
Во дворце (ядре клетки), который занимает третью часть всего города (клетки), размещен весь управленческий аппарат. Это главным образом знаменитая ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Она предназначена для хранения и передачи информации при делении клетки. Ядро содержит и значительное количество основных белков — гистонов и немного РНК (рибонуклеиновой кислоты).
Клетки работают, строят, размножаются. Это требует энергии. Клетка сама же и вырабатывает нужную ей энергию. В клетке имеются энергетические станции. Эти станции занимают площадь в 50 — 100 раз меньше, чем площадь дворцовых построек, т. е. ядра клетки. Энергетические станции также обнесены двойной крепостной стеной. Но она не только предназначена для ограничения станции, но и является составной ее частью. Поэтому конструкция стенок отвечает технологическому процессу получения энергии.
Энергию клетки получают в системе клеточного дыхания. Она выделяется в результате расщепления глюкозы, жирных кислот и аминокислот, которые получаются в пищеварительном тракте и в печени из углеводов, жиров и белков. Но самым главным поставщиком энергии в клетке является глюкоза.
Совершенно очевидно, насколько важным является образование энергии в клетке. Скажем заранее, что и на этот процесс оказывает влияние внешнее магнитное поле. Это происходит прежде всего потому, что процесс превращения глюкозы в углекислоту (биологическое окисление) проходит с участием электрически заряженных ионов. Процесс, протекающий с участием электронов и ионов, на своем заключительном этапе образует молекулы воды. Если же по какой-то причине на этом заключительном этапе не окажется атомов кислорода, то вода образовываться не сможет. Водород останется свободным и будет накапливаться в виде ионов. Тогда весь процесс биологического окисления прекратится. Значит, прекратится и работа энергетической станции, наступит энергетический кризис.
Интересно, что энергия в клетке вырабатывается малыми порциями — процесс окисления глюкозы включает в общей сложности до 30 реакций. При каждой из этих реакций выделяется небольшое количество энергии. Такая малая «расфасовка» очень удобна для использования энергии. Клетка при этом имеет возможность наиболее рационально использовать освобождающуюся малыми порциями энергию на текущие нужды, а избыток запасенной энергии откладывается клеткой в виде АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). Энергия, запасенная клеткой в виде АТФ,— это своего рода неприкосновенный запас, НЗ.
АТФ — сложное соединение, в молекулу которого входят три остатка фосфорной кислоты. На присоединение каждого из остатков затрачивается энергия в количестве около 800 калорий. Этот процесс называется фосфорилированием. Энергия может быть взята обратно из АТФ при разложении АТФ на два других вещества: АДФ (аденозиндифосфат) и неорганический фосфат.
Аналогично при расщеплении сложных атомных ядер выделяется атомная энергия. Конечно, эта аналогия не полная, так как гидролиз (расщепление) молекул АТФ оставляет неизмененными атомные ядра. Расщепление АТФ происходит в присутствии специального вещества, которое в самой реакции не участвует, но ускоряет ее ход и химиками называется ферментом. В этом случае ферментом является аденозинтрифосфаза (АТФаза). Это вещество бывает различных видов и встречается повсеместно, где протекают реакции с потреблением энергии.
АТФ является универсальной формой хранения энергии. Его используют не только все клетки животных, но и клетки растений.
АТФ образуется в процессе биологического окисления из тех же веществ, на которые он расщепляется при фосфорилировании, а именно: неорганического фосфата и АДФ. Поэтому, для того чтобы происходило биологическое окисление, необходимо наличие на всех стадиях этого процесса АДФ и неорганического фосфата, которые по мере протекания процесса окисления непрерывно расходуются, поскольку из них образуется запас энергии в виде АТФ.
Процесс окислительного фосфорилирования протекает одновременно с биологическим окислением. Оба этих процесса тесно связаны между собой, и с ними связана вся технология получения энергии в клетках. Сопряженность этих процессов является залогом существования и функционирования клетки. В клетке под действием каких-либо внутренних или внешних причин окисление может продолжаться независимо от фосфорилирования. Процесс производства энергии оказывается независимым, не связанным с процессом ее высвобождения. Нормальное функционирование и даже существование клетки при этом невозможно.
Описанный процесс производства и потребления энергии клеткой является на всех его стадиях процессом электрическим. Он основан на реакциях с участием электрически заряженных частиц — электронов и ионов. Магнитное поле любого происхождения действует на электрические заряды и таким путем может влиять на этот процесс производства и расходования энергии клетками. Значит, и энергетические станции клетки плохо защищены от действия внешнего магнитного поля, несмотря на окружающую их двойную крепостную стену.
В настоящее время интенсивно, во многих научных и лечебных центрах ведутся исследования влияния магнитного поля на протекание процесса биологического окисления и фосфорилирования (т. е. производства энергии клеткой и ее расходования) и показано, что магнитное поле способно разобщить этот процесс и тем самым привести клетку к гибели.
Таким же разобщающим действием обладают некоторые лекарственные препараты, антибиотики, яды, а также гормон щитовидной железы — тироксин.
Выше мы говорили, что вход в клетку и выход из нее регулируется электричеством. Рассмотрим это подробнее, поскольку и на этот процесс оказывает влияние магнитное поле. Крепостная стена клетки — мембрана — построена в два кирпича. Кирпичами являются молекулы фосфолипида, которые образуют тонкую пленку, находящуюся в постоянном движении. К этой стенке с обеих сторон (изнутри и снаружи) примыкают белковые молекулы. Можно сказать, что она выстлана молекулами белков. Молекулы белков не упакованы плотно, а составляют сравнительно редкий узор. Этот узор одинаковый у всех клеток однородной ткани, скажем ткани печени. Клетки почек имеют другой узор и т. д. По этой причине разнородные клетки не слипаются между собой. Через поры, имеющиеся в узоре из молекул белков, могут проникать в клетку крупные молекулы, которые способны раствориться в жирах, из которых и состоит стенка.
Белки вырабатываются внутри клетки. Поэтому снаружи клетки они имеются в том случае, если в самой стенке (а не в белковом узоре) имеются проходы. Через них молекулы белка пробираются наружу. Эти проходы очень маленькие. Их размер такой же, как и размер атомов и молекул. Эти проходы, или, как их называют, поры, служат для вывода из клетки ненужных молекул и ионов. Они напоминают туннели; их длина в 10 раз больше их ширины. В мембране клетки таких проходов мало, у некоторых клеток они занимают по площади только одну миллионную часть всей поверхности мембраны. Эти проходы устроены таким образом, что они способны пропускать одни молекулы и ионы и задерживать другие. Паролем служит размер молекул и ионов, а для ионов также их электрический заряд. Дело в том, что сама мембрана находится под напряжением, как будто к ней подключена электрическая батарейка минусом на внутреннюю сторону мембраны, а плюсом на ее внешнюю, наружную сторону. Что собой представляет эта батарейка? Она создается электрическими зарядами, которые несут на себе ионы калия и ионы натрия, растворенные в воде и находящиеся по обе стороны мембраны. Если в любом месте раствора имеется одинаковое количество положительных и отрицательных электрических зарядов, то суммарный электрический заряд равен нулю и электрический потенциал также равен нулю. Это значит, что батарейка не заряжена. Чтобы она зарядилась, надо собрать в одном месте больше положительно заряженных ионов, а в другом месте больше отрицательно заряженных ионов. Эти места и есть не что иное, как полюсы батарейки — плюс и минус. Как же создается и функционирует эта батарейка в клетке?
Водный раствор содержит ионы калия и ионы натрия по обе стороны мембраны, причем внутри клеток содержится в основном калий, а во внеклеточной жидкости — натрий. Ионы калия гораздо меньше ионов натрия, поэтому они проходят через проходы в мембране наружу легче, чем ионы натрия внутрь клетки. А так как внутри клетки остается столько же отрицательных зарядов, сколько ионов калия скопилось на наружной стороне мембраны, в мембране создается электрическое поле. Возникшее как результат разности концентрации калия внутри и вне клетки электрическое поле поддерживает разность потенциалов, которая не меняется с перемещением ионов натрия, так как проницаемость мембраны для них ничтожна. Электрическое поле увеличивает поток калия внутрь клетки и уменьшает поток наружу. Когда внутрь клетки будет проходить столько же ионов калия, сколько выходит наружу, наступит динамическое равновесие, в результате которого снаружи клетки имеется плюс, а на внутренней стенке мембраны минус. Если на клетку в результате внешнего раздражения поступает импульс электрического тока (т. е. биотока), то мембрана на короткое время становится более проницаемой для ионов натрия, поэтому ионы натрия, содержание которых во внеклеточном пространстве в 100 раз больше, чем ионов калия, устремляются через проходы в мембране внутрь клетки или, скажем, нервного волокна, в результате чего заряд мембраны меняется, т. е. во время возбуждения полюса батарейки меняются местами; где был минус, стал плюс, и наоборот. Через некоторое время после прекращения действия раздражителя проницаемость мембраны для ионов калия снова увеличивается (как и до раздражителя), а для ионов натрия падает. Это приводит к быстрому восстановлению того электрического потенциала, который был на мембране до действия раздражителя.
Главный для нас вывод из всего сказанного состоит в том, что проходы (поры) в мембранах, через которые идет обмен клетки с наружным «миром», изменяются под действием электрических (биологических) токов, и они по-разному пропускают ионы в зависимости от величины этих токов. Мы уже говорили неоднократно, что магнитное поле может действовать на электрические токи и на движение электрических зарядов (ионов). Значит, легко понять, что на этот процесс общения клетки с внешним миром существенно влияет магнитное поле. Оно может нарушать протекание этого общения и нарушать условия существования и функционирования клетки.
Описанный выше процесс входит в работу нервной системы и лежит в основе нервного возбуждения, которое по своей физической сущности является процессом электрическим.
Рассмотрим вкратце, как устроена нервная система. Основным звеном нервной системы является нервная клетка — нейрон. Она состоит из тела и отростков. Множество исходящих из клетки нервных отростков короткие и называются дендритами, а один отросток, как правило, имеет большую длину и называется аксоном. Аксон заполнен студенистой жидкостью, которая постоянно создается в клетке и медленно перемещается по волокну. От основного ствола аксона отходит множество боковых нитей, которые вместе с нитями соседних нейронов образуют сложные сети. Эти нити выполняют функции связи, как и дендриты. Аксоны нервных клеток собраны в нервные волокна, по которым текут электрические (биологические) токи. Эти электрические импульсы передаются на большие расстояния. Так, например, аксоны двигательных клеток коры головного мозга имеют длину около 1 м. Скорость распространения электрического тока по нервному волокну зависит от поперечного сечения проводника (т. е. нервного волокна) и от оболочки. Чем тоньше нервное волокно, тем скорость распространения по нему электрического импульса меньше. Электрики для разных целей применяют кабели различного сечения, с различной изоляцией и другими параметрами. В организме также имеются различные нервные волокна, так как для нормальной работы организма надо передавать электрические импульсы в различных участках нервной системы с различной скоростью. Имеются толстые нервные проводники (тип А) с поперечником 16 — 20 мкм, по которым распространяются чувствительные и двигательные импульсы со скоростью 50 — 140 м/с. Они заключены в оболочку, называемую миелиновой. Это волокна соматических нервов, которые обеспечивают организму немедленное приспособление к внешним условиям, в частности быстрые двигательные реакции.
Кроме этого типа, в организме имеются более тонкие волокна с поперечником 5 — 12 мкм, которые также покрыты миелином (тип В), но уже более тонким слоем. Электрический ток по этим волокнам проходит с меньшей скоростью — 10 — 35 м/с. Эти волокна обеспечивают чувствительную иннервацию внутренних органов и называются висцеральными.
Есть и еще более тонкие нервные волокна (около 2 мкм, тип С), которые не имеют оболочки, т. е. это не кабели, а голые провода. Они проводят электрические импульсы со скоростью всего 0,6 — 2 м/с и связывают нервные клетки симпатических ганглиев с внутренними органами, сосудами, сердцем.
Что собой представляет миелиновая оболочка нервного волокна? Она образуется специальными клетками так, что эти клетки обвиваются многократно вокруг нервного волокна и образуют своего рода муфту. В этих местах содержимое из клетки выдавливается. Соседний участок нервного волокна (аксона) изолируется тем же способом, но уже другой клеткой, поэтому миелиновая оболочка систематически прерывается, между соседними муфтами сам аксон не имеет изоляции и его мембрана контактирует с внешней средой. Эти участки между муфтами получили название перехватов Ранвье (по имени описавшего их ученого). Они играют исключительно важную роль в процессе прохождения электрического импульса по нервному волокну.
Нервные волокна образуют частые соединения друг с другом, в результате чего любое нервное волокно имеет связь с множеством других волокон. Вся эта сложная система взаимосвязанных нервных волокон предназначена для восприятия, переработки и передачи информации нервными клетками. Магнитное поле действует на электрические токи. Точнее, взаимодействует внешнее магнитное поле с магнитным полем электрического (биологического) тока. Таким путем магнитное поле вторгается в функционирование нервной клетки.
Вспомним, как впервые было обнаружено влияние магнитных бурь на пациентов, страдающих сердечнососудистыми и другими заболеваниями. В 1915 — 1919 гг. французские медики неоднократно наблюдали, что пациенты, страдающие перемежающимися болями (ревматизм, болезни нервной системы, сердечные, желудочные и кишечные болезни) испытывали приступы болей в одно и то же время независимо от того, в каких условиях они жили. Было установлено, что припадки невралгии, грудной жабы у самых разнообразных больных совпадали во времени с точностью от двух до трех дней. Подобного же рода серии были замечены в ряде несчастных случаев.
Лечащие врачи, обнаружившие эти факты совершенно случайно, обратили внимание на то, что телефонная связь в эти периоды начинала функционировать также с перебоями или даже вовсе прекращала свою работу на несколько часов. При этом в телефонных аппаратах не наблюдалось никакой порчи и правильная их работа восстанавливалась сама собой по истечении этих периодов, без вмешательства человеческой руки. Оказалось поразительным, что дни нарушений в работе телефонных аппаратов совпадали с указанными выше ухудшениями в течении различных заболеваний. Одновременное расстройство в работе электрической аппаратуры и физиологических механизмов в организме человека было вызвано усилением солнечной активности и связанными с ней солнечными бурями. В 84% всех случаев обострения различных симптомов хронических заболеваний и возникновения тяжелых или исключительных осложнений в их течении совпали по времени с прохождением солнечных пятен через центральный меридиан Солнца, т. е. ко времени, когда вероятность магнитных бурь максимальна.
Если телефонная связь выходит из строя в дни магнитных бурь, то надо ли удивляться, что организм человека, который представляет собой систему электрических токов и электрических потенциалов, отказывается нормально работать в условиях магнитной бури. В настоящее время в средних широтах (там действие магнитных бурь меньше, чем в высоких широтах) телефонная связь не выходит из строя во время магнитных бурь. Телефонную сеть научились делать с достаточным запасом прочности. Человеку же за истекшие десятилетия не было предложено ничего для защиты его организма от солнечных и магнитных бурь.
Теперь вернемся к рассмотрению нервной системы.
Что собой представляет нервный импульс? Нервный импульс представляет собой электрический ток, создаваемый разностью потенциалов между внутренней частью нервного волокна и его внешней частью, т. е. окружающей средой. Мы уже рассмотрели выше, откуда берется разность потенциалов между внутренней и внешней стенками клеточной мембраны. Ионы натрия и ионы калия находятся в водном растворе, а молекулы воды несут в себе и положительный и отрицательный электрический заряд. Электрические заряды взаимодействуют между собой: одноименные электрические заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. Поэтому отрицательно заряженные концы молекул воды притягиваются положительными ионами калия, натрия, кальция и др., образуя на них оболочку, как бы шубу. Эти ионы движутся вместе с оболочкой из ориентированных определенным образом молекул воды. Чем больше электрический заряд иона, тем большее количество молекул воды он способен связать. Значит, такой ион образует самую большую водную шубу (оболочку). Самая маленькая водная шуба у ионов калия и гораздо большая — у ионов натрия.
Если батарейку закоротить проводом, то она очень быстро «сядет», потенциал ее исчезнет и она будет неспособной производить электрический ток. Батарейка из ионов калия и натрия также закорочена. Почему она не садится? Она на первый взгляд должна «сесть», потому что, по мере того как в одном месте увеличивается количество положительных электрических зарядов, а в другом месте — отрицательных, возникают силы, стремящиеся вернуть все к первоначальному равномерному распределению ионов в воде. Для того чтобы этого не случилось, т. е. чтобы батарейка не садилась, надо на разных сторонах мембраны клетки принудительно поддерживать разность концентраций ионов, а значит, и разность электрического потенциала, т. е. способность создавать электрический ток. Это значит, что ионы надо принудительно откачивать. Эту функцию выполняют специальные механизмы клетки, находящиеся в мембране — «ионные насосы». Они заставляют ионы двигаться в сторону, обратную той, куда их толкает сила, стремящаяся все выровнять. Как устроены эти насосы? Установлено, что потоки ионов калия в обе стороны (наружу и внутрь клетки) примерно равны. Это объясняется тем, что для ионов калия разность электрохимических потенциалов между клеткой и окружающей средой очень мала. С ионами натрия дело обстоит иначе. Здесь электрические силы и силы диффузии направлены в одну сторону, и их действия складываются. Поэтому разность электрохимических потенциалов у натрия больше, чем у калия.
Ионный насос, откачивающий ионы, должен производить определенную работу. А для работы нужна энергия. Откуда она берется?
Источником этой энергии является уже знакомый нам АТФ. Из него энергия высвобождается при участии фермента транспортной АТФазы (аденозинтридносфатазы); интересно, что активность фермента увеличивается в присутствии ионов натрия и калия, поэтому его называют «натрий и калий зависимой АТФазой». Эта АТФаза и расщепляет АТФ путем предварительного фосфорилирования, которое стимулируется внутриклеточными ионами натрия, и последующего дефосфорилирования в присутствии внеклеточных ионов калия. Вот именно таким путем ионы натрия перемещаются в том направлении, где их больше, т. е. против силы, стремящейся выравнять их концентрацию. Так просто и мудро устроен насос, откачивающий ионы натрия.
Как работают нервные импульсы? Нервный импульс входит внутрь нервного волокна в возбужденном перехвате Ранвье и выходит через невозбужденный перехват. Если же выходящий ток превышает некоторую минимальную (пороговую) величину, то перехват возбуждается и посылает новый электрический импульс по волокну. Таким образом, перехваты Ранвье являются генераторами импульсов электрического тока. Они играют роль промежуточных усилительных станций. Каждый следующий генератор возбуждается импульсом тока, который распространяется от предыдущего перехвата, и посылает новый импульс дальше.
Перехваты Ранвье значительно ускоряют распространение нервных импульсов. В тех же нервных волокнах, которые не имеют миелиновой оболочки, распространение нервного импульса происходит медленнее из-за высокого сопротивления электрическому току.
Из всего сказанного выше ясно, что движущие силы нервного электрического импульса обеспечиваются разностью концентраций ионов. Электрический ток генерируется за счет избирательного и последовательного изменения проницаемости мембраны для ионов натрия и калия, а также вследствие энергетических процессов.
Заметим еще одно обстоятельство. Клетки возбуждаются только в среде, в которой присутствуют ионы кальция. Величина нервного электрического импульса и особенно величина прохода поры в мембране зависит от концентрации ионов кальция. Чем меньше ионов кальция, тем меньше порог возбуждения. И когда в среде, окружающей клетку, кальция совсем мало, то генерацию электрических импульсов начинают вызывать незначительные изменения напряжения на мембране, которые могут возникать в результате теплового шума. Это, конечно, не может считаться нормальным.
Если ионы кальция полностью удалить из раствора, то способность нервного волокна к возбуждению теряется. При этом концентрация калия не меняется. Следовательно, ионы кальция обеспечивают мембране избирательную проницаемость для ионов натрия и ионов калия. Возможно, это происходит таким образом, что ионы кальция закрывают поры для ионов натрия. При этом маленькие ионы калия проходят через другие поры или проникают возле ионов кальция (между «створками ворот»). Чем больше концентрация кальция, тем больше закрытых для натрия пор и тем выше порог возбуждения.
Продолжим рассмотрение нервной системы. Она состоит из вегетативного отдела, который подразделяется на симпатический и парасимпатический, и соматического. Последний подразделяется на периферический (нервные рецепторы и нервы) и центральный (головной и спинной мозг).
Головной мозг анатомически разделяется на пять разделов: передний мозг с полушариями большого мозга, промежуточный мозг, средний мозг, мозжечок и продолговатый мозг с варолиевым мостом.
Наиболее важным отделом центральной нервной системы является передний мозг с полушариями большого мозга. Слой серого вещества, покрывающий полушария головного мозга, состоит из клеток и образует кору — самую сложную и совершенную часть головного мозга.
В толще головного мозга также имеются скопления нервных клеток, называемых подкорковыми центрами. Их деятельность связана с отдельными функциями нашего организма. Белое вещество ткани мозга состоит из густой сети нервных волокон, которые объединяют и связывают различные центры, а также из нервных путей, которые выходят из клеток коры и входят в нее. Кора головного мозга образует глубокие борозды и причудливые извилины. Каждое полушарие разделено на отделы, называемые долями — лобной, теменной, затылочной и височной.
Кора больших полушарий мозга связана нервными путями со всеми нижележащими отделами центральной нервной системы, а через них и со всеми органами тела. Поступающие с периферии импульсы доходят до той или иной точки коры головного мозга. В коре происходит оценка информации, поступающей с периферии по различным путям, их сопоставление с предшествующим опытом, принимается решение, диктуются действия.
Кора больших полушарий играет основную роль в восприятии и осознании боли. Именно в коре формируется ощущение боли.
Все органы и ткани, даже отдельные клетки живого организма, снабжены специальными аппаратами, воспринимающими раздражения, исходящие как из внешней, так и из внутренней среды. Они называются рецепторами и отличаются большим разнообразием устройства, что отражает многообразие их функций. Воспринимаемые ими раздражения передаются по чувствительным (афферентным) проводникам в составе соматических нервов и задних корешков в спинной мозг, который представляет собой главный кабель организма. По восходящим путям спинного мозга нервное возбуждение поступает в головной мозг, а по нисходящим — следуют команды на периферию. Двигательные (эфферентные) нервные проводники, как правило, достигают органов в составе тех же соматических нервов, по которым идут чувствительные проводники. Во внутренней части спинного мозга сгруппированы многочисленные тела нервных клеток, которые образуют похожее на бабочку (на поперечном разрезе) серое вещество. Вокруг него и располагаются лучи и канатики, составляющие мощную систему восходящих и нисходящих проводящих путей.
Кроме соматических нервов, эффекторные пути (т. е. проводящие указания из центра на периферию) идут по симпатическим и парасимпатическим нервам. При этом симпатические нервные клетки, аксоны которых формируют эти нервы, сгруппированы в симпатических ганглиях, или узлах, располагающихся вдоль позвоночника с двух сторон в виде цепочек. Парасимпатические нейроны образуют узлы уже в самих иннервируемых ими органах или вблизи от них (кишечник, сердце и др.) и называются интрамуральными. Хорошо известна зависимость активности того или иного внутреннего органа от состояния мозга. Во время волнения и при одном только воспоминании о чем-нибудь приятном или неприятном сердце бьется по-разному, меняется дыхание. Сильные или повторяющиеся волнения могут вызвать расстройство пищеварения, боли и т. д.
Важным этапом развития представления о роли подкорковых структур в регуляции поведения и других функций явилось открытие физиологических свойств ретикулярной формации мозга. Благодаря этой системе главный информационный центр головного мозга — зрительный бугор, или таламус, — связан со всеми другими отделами и с корой больших полушарий. Таламус — наиболее массивное и сложное подкорковое образование больших полушарий, куда поступает множество импульсов. Здесь они как бы фильтруются, и в кору поступает лишь небольшая часть из них. На большинство импульсов ответ дает сам таламус, причем нередко через расположенные под ним центры, называемые гипоталамусом, или подбугорьем.
В гипоталамусе, этом небольшом участке мозга, сконцентрировано более 150 нервных ядер, имеющих многочисленные связи как с корой больших полушарий, так и с другими отделами головного мозга. Это позволяет гипоталамусу играть ключевую роль в регуляции основных процессов жизнедеятельности и поддержании гомеостаза.
В гипоталамусе происходит переключение нервных импульсов на эндокринно-гуморальные механизмы регуляции; так проявляется тесная связь нервной и эндокринно-гуморальной регуляции. Здесь имеются модифицированные нервные клетки, которые вырабатывают нейросекрет. Они отличаются, в частности, большими размерами по сравнению с обычными нейронами. Нейросекрет поступает в мелкие кровеносные капилляры и далее через систему портальных вен в заднюю долю гипофиза.
Изменения физико-химических процессов в клетках могут отразиться на различных формах деятельности всего организма, особенно в том случае, если изменения эти затрагивают структуры, имеющие отношение к регуляции функции всего организма.
Из приведенного выше очень краткого рассмотрения структуры и функционирования человеческого организма с электрической точки зрения видно, что главные процессы в организме человека связаны с электрическими (биологическими) токами, электрически заряженными положительными и отрицательными ионами. Нервная система управляет практически всеми процессами в организме человека. А она является системой электрических токов, электрических потенциалов, электрических зарядов. После такого анализа становится очевидным, что человеческий организм не может не подвергаться влиянию внешнего магнитного поля и вообще электромагнитных излучений.
Мы рассмотрели лишь общие аспекты воздействия магнитного поля на человека. Не все из них в настоящее время изучены одинаково полно. По этому вопросу имеется большая специальная литература, и интересующиеся смогут обратиться к ней. Как о космосе, так и о влиянии его на человека написано много книг и еще больше научных статей, не всегда доступных широким читательским кругам.
Взявшись за написание этой книги, мы преследовали несколько целей. Главная из них — показать еще раз, что все в природе взаимосвязано. Практически любое действие оказывает влияние на все звенья нашего мироздания, только степень этого влияния бывает различной. Мы в своей повседневной жизни, как правило, учитываем только весьма ограниченный набор действующих на нее факторов. Это атмосферное давление, температура воздуха, иногда еще и наличие стрессовых ситуаций. Редко кто из нас связывает свое состояние с тем, что происходит мировая магнитная буря, что два-три дня назад произошла хромосферная вспышка на Солнце, что над нами текут колоссальные электрические токи и т. д. В настоящее время в разных медицинских научных центрах уже накоплен огромный материал, показывающий, что состояние нашего здоровья сильно зависит от космических факторов. Неблагоприятные для нас периоды можно предсказать и на это время принять соответствующие меры, чтобы защититься от их влияния. Что собой представляют эти меры? Конечно, для разных больных они разные, но суть их состоит в том, чтобы помочь человеку перенести тяготы, связанные с плохой космической погодой.
Прогнозы солнечных и геомагнитных бурь в настоящее время составляются в разных странах мира, и они успешно используются при решении различных вопросов, которые связаны с состоянием ионосферы и околоземного космического пространства, в частности вопросов, связанных с распространением радиоволн. Имеются прогнозы различной заблаговременности — долгосрочные и краткосрочные. Те и другие рассылаются заинтересованным организациям, при этом широко используется оперативная телеграфная связь. В скором будущем на основании этих прогнозов будут составляться медицинские прогнозы, из которых будет следовать, каких изменений в здоровье можно ожидать в результате действия солнечных бурь. Медицинский прогноз будет оперативно доводиться до всех, в том числе до участковых врачей. Они призваны помочь своим пациентам перенести последствия магнитных бурь с минимальными неприятностями.
Но для этого надо еще очень многое сделать. Прежде всего — хорошо представить себе проблему. А этому поможет книга, дающая картину физических процессов в космосе и влияния их на здоровье.
Потенциал действия продвигается вдоль аксона за счет продольного распространения тока. Каждый участок мембраны, генерируя импульс по принципу «все или ничего», своей деполяризацией возбуждает соседний участок. Для понимания механизма распространения импульса, а также синаптической передачи и интеграции, необходимо уяснить принцип пассивного распространения импульсов вдоль нерва.
По мере своего продвижения вдоль аксона или дендрита ток теряет свою силу. Снижение величины тока зависит от ряда причин, в первую очередь от диаметра и свойств мембраны нервного волокна. Продольное распространение тока тем больше, чем больше диаметр волокна и чем выше сопротивление мембраны. Емкостные свойства мембраны влияют на временной ход электрических сигналов, а также на распространение тока. Чтобы оценить, на какое расстояние способен распространиться подпороговый потенциал, необходимо знать геометрию и свойства мембраны нейрона и, кроме того, временной ход изменения потенциала.
Аксоны многих типов нервных клеток у позвоночных покрыты оболочкой из миелина, обладающего высоким сопротивлением и малой емкостью. Миелиновая оболочка играет роль изоляционной обмотки провода и заставляет ток перемещаться вдоль мембраны. При этом ток быстро перескакивает от одного перехвата Ранвье (короткого участка мембраны, лишенного миелина) до другого, и скорость проведения при этом возрастает. Миелинизированные волокна встречаются в тех областях нейронной сети, где скорость проведения играет важную роль.
Электрические сигналы способны также передаваться с одного нейрона на другой в местах тесного контакта между ними, называемых щелевыми контактами. Ток в таких соединениях протекает по особым каналам, коннексонам.
Пассивные электрические свойства нервных и мышечных мембранОсобенности проницаемости нейрональных мембран и то, как они способствуют генерации потенциала действия, обсуждались в предыдущих главах. В данной главе речь пойдет главным образом о том, как токи распространяются вдоль нервного волокна и образуют локальные разности потенциалов.
Пассивные электрические свойства нейронов, а именно, сопротивление и емкость мембраны, а также сопротивление цитоплазмы, играют важнейшую роль в нейрональной сигнализации. В органах чувств эти свойства являются связующим звеном между сенсорным стимулом и генерацией импульса; на уровне аксона они позволяют импульсу распространиться; на уровне синапсов они определяют способность постсинаптического нейрона складывать и вычитать синаптические потенциалы, возникающие на многочисленных синаптических входах, будь то вблизи тела клетки или на самых отдаленных дендритах. Для понимания этих процессов нужно знать принципы распространения электрических сигналов вдоль нейронных отростков. В данной главе речь пойдет главным образом о нервных волокнах с постоянным диаметром на всем своем протяжении, т. е. о цилиндрических проводниках. Кроме того, для данного описания мы примем, что в отсутствие регенерации мембрана действительно пассивна, т. е. изменения потенциала, не достигающие порогового уровня, не активируют потенциалзависимых проводимостей и не изменяют тем самым сопротивления мембраны. Данные принципы применимы и к более сложным структурам, таким как разветвления аксонных окончаний или дендритные ветвления с неоднородными электрическими свойствами. Роль подобных структур в функционировании нервной системы весьма велика, однако количественное описание их электрических свойств потребовало бы более сложного анализа.
Кабельные свойства нервных и мышечных волокон
Цилиндрическое нервное волокно состоит из тех же компонентов, что и подводный электрический кабель: из стержневого проводника и изоляционной оболочки, окруженной проводящей средой. Тем не менее, количественное отличие этих двух систем весьма велико. Стержень кабеля обычно сделан из меди или металла с очень высокой проводимостью, в то время как оболочка сделана из пластика или других материалов с очень высоким сопротивлением. Кроме того, оболочка обычно бывает довольно толстая и потому обладает низкой емкостью. Напряжение, приложенное к такому проводу, способно передаться на значительное расстояние благодаря тому, что сопротивление меди мало, как незначительны и потери через оболочку. Содержимое нервного волокна представляет собой раствор солей, по концентрации похожий на внеклеточную среду и, в отличие от меди, обладающий плохой проводимостью. Мембрана клетки, в свою очередь, не является хорошим изолятором и обладает высокой емкостью ввиду своей малой толщины. Напряжение, приложенное к нервному волокну, не распространяется на значительное расстояние по двум причинам:
1) проводимость содержимого волокна мала, следовательно, сопротивление току велико;
2) ток, протекающий вдоль цитоплазмы, рассеивается благодаря утечке сквозь мембрану, не обеспечивающую достаточной изоляции.
Анализ тока в кабеле был начат лордом Кельвином применительно к трансатлантической телефонной связи и усовершенствован Оливером Хевисайдом. В конце XX в. Хевисайд впервые учел значимость утечки тока через изоляционную оболочку, эквивалентную клеточной мембране, а также внес множество важных дополнений в кабельную теорию, в том числе определил понятие импеданса. Кабельная теория была впервые использована для нервных волокон Ходжкиным и Раштоном, которые экспериментально измерили распространение потенциала действия в аксоне омара с помощью внеклеточных электродов. Позднее для подобных измерений в целом ряде нервных и мышечных волокон использовались внутриклеточные электроды.
Основным правилом здесь является закон Ома: ток i, проходя через сопротивление г, создает напряжение ν = ir. Ниже мы рассмотрим также влияние мембранной емкости на величину и временной ход продольного распространения тока.
Ток в кабеле
Для лучшего понимания принципов прохождения тока по кабелю представим себе, как распространяется тепло вдоль металлического прута в теплоизолирующей оболочке, который помещен в проводящую среду (например, в воду). Если нагревать прут с одного конца, тепло распространяется вдоль прута и, по мере своего распространения, частично рассеивается в окружающую среду, проникая через оболочку. Чем дальше от нагреваемого конца, тем ниже температура; по мере снижения температуры снижается и скорость рассеяния тепла. При условии, что окружающая среда обладает высокой теплопроводностью, расстояние, на которое распространится теплота, будет зависеть главным образом от двух параметров:
1) от теплопроводности прута
2) от изолирующих свойств оболочки.
Протекание тока в кабеле происходит похожим образом. Напряжение, приложенное к одному концу кабеля, вызывает протекание тока по стержню в продольном направлении, который частично теряется сквозь оболочку в окружающую среду. Чем дальше от конца, к которому приложено напряжение, тем меньше ток. Расстояние, на которое распространится ток, будет зависеть от проводимости стержня и от того, насколько эффективно оболочка предотвращает потери тока. Оболочка с низким сопротивлением пропустит весь ток в окружающую среду. Оболочка с более высоким сопротивлением позволит току распространиться на большее расстояние.
Ток в аксоне переносится ионами: при инъекции тока в нервное волокно (например, в аксон омара) через микроэлектрод, инъецированные положительные заряды будут отталкивать другие катионы и притягивать анионы. Самый распространенный из небольших ионов внутри клетки - это калий, который, следовательно, переносит наибольшее количество тока через мембрану. Ток протекает в продольно направлении вдоль аксона, и по мере продвижения часть его теряется благодаря перемещению ионов через мембрану. В мембране с низким сопротивлением и большой ионной проводимостью большая часть тока потеряется до того, как он успеет переместиться на сколь-нибудь значительное расстояние. При более высоком сопротивлении мембраны ток распространится вдоль аксона на большее расстояние, прежде чем рассеяться в окружающую среду.
