Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе

Александр Иванович Волошин

• О том, как работает сознание, знают все.• Как работает мозг знают многие.• Что такое нервный импульс толком не знает никто!• В этой книге мы с вами исследуем эволюцию человеческих представлений и заблуждений о природе нервного импульса.•Только научные факты, никакой эзотерики.• Вы узнаете, откуда в нервной системе электричество, о взаимодействии нейронов, о нейронных сетях и об искусственном интеллекте.• Впервые на русском языке современные неожиданные гипотезы сущности нервного импульса.

История синапса

Синапс (греч. σύναψις, от συνάπτειν — соединение, связь) — место контакта между двумя нейронами или между нейроном и получающей сигнал эффекторной клеткой.

Термин синапс ввёл известный английский нейрофизиолог Чарльз Шеррингтон (Charles Scott Sherrington, 1857 — 1952) в 1897 году для обозначения гипотетического образования, специализирующегося на обмене сигналами между нервными клетками.

В 1906 году Шеррингтон сформулировал основные принципы нейрофизиологии в до сих пор изучаемой всеми специалистами-неврологами книге «Интегративная деятельность нервной системы» (The Integrative Action of the Nervous System).

Следует отметить, что в те времена господствовала гипотеза о передаче информации с помощью биоэлектрических импульсов. Большинство исследователей склонялось в XIX столетии к мысли, что переход возбуждения с нервного волокна на мышцу — это физический процесс, представляющий собой электрическое явление. Поэтому понятие, введённое Шеррингтоном, изначально обозначало место электрического контакта между клетками, обеспечивающего передачу нервного импульса.

Позднее, в 1932 году Шеррингтон (совместно с Э. Эдрианом) «За открытия, касающиеся функций нейронов» удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Кураре

В 1851 году французский физиолог Клод Бернар (Claude Bernard; 1813—1878), получив кураре в подарок от Наполеона III, своими опытами однозначно доказал, что яд никак не влияет ни на мышцу, ни на нерв.

Бернар заметил, что у животных, отравленных ядом кураре, уже через минуту после смерти нервы прекращают реагировать на любые раздражения. Изучив это странное явление, Бернар пришёл к выводу, что кураре не отключает способность самой мышцы сокращаться, а нерва — проводить возбуждение. Вывод: ни нерв, ни мышца не затронуты действием яда, нарушен только переход возбуждения с нерва на мышцу. Но тогда было непонятно, каким образом кураре убивал жертву. Даже спустя двадцать с лишним лет, после опыта Бернара это оставалось загадкой.

В 1877 году Дюбуа-Реймон писал по этому поводу: «Из известных естественных процессов, которые могли бы передавать возбуждение, сто́ит, по-моему, говорить только о двух. Либо на границе сокращающейся ткани имеет место раздражающая секреция… сильно возбуждающего вещества, либо это явление имеет электрическую природу».

Дальнейшие опыты с кураре дали учёным повод предположить, что между мышцей и нервным окончанием имеется пространство, заполненное неким веществом, чувствительным к действию яда кураре.

Именно, допустив существование синапса и гипотетического вещества, находящегося в нём, можно было объяснить, каким образом кураре убивает. Яд, попавший в организм, лишает вещество синапса способности передавать нервный импульс от нерва к мышце.

Впервые такую мысль сформулировал английский физиолог Т.Р.Элиот в 1904 году. Эта гипотеза основывалась на сходстве с действием адреналина на изолированное сердце. Тем не менее идея не была воспринята его современниками.

Прямое доказательство тому, что при раздражении нервов выделяется химическое соединение, оказывающее действие на изолированное сердце, было получено в работах австрийского фармаколога Отто Лёви (об этой леденящей сердце истории расскажу чуть ниже).

«Повара» и «радисты»

Сантьяго Рамон-и-Кахаль выяснил, что нейроны являются отдельными клетками. В конечном счёте между ними оставался микроскопический промежуток, названный синапсом. Но как именно нейроны передают сигналы через этот промежуток — с помощью химических веществ или электрических импульсов — оставалось неясным. Сторонников разных направлений называли «поварами» и «радистами» соответственно, и их противостояние повлияло на добрых 50 лет развития неврологии.

Сначала «радисты» имели преимущество. Передача электрических импульсов была модным новшеством, а химическое взаимодействие выглядело устаревшим, сродни учению о «четырёх телесных жидкостях». Кроме того, сторонники электрической теории имели экспериментальные свидетельства того, что нейроны при возбуждении всегда вырабатывают электрический импульс. Этот импульс распространяется по аксону, и не было причин сомневаться в том, что нейроны могут пользоваться электричеством и для внешних сообщений друг с другом. [6]

Целый ряд мрачных экспериментов с сердцами лягушек, казалось, также служил подтверждением этой теории. К началу ХХ века биологи знали, что, если извлечь сердце у лягушки и погрузить его в физиологический раствор, оно продолжит биться само по себе. Сердце просто плавает там, сокращаясь — лишённое тела, оно каким-то фантастическим образом сохраняет жизненную силу. Учёные обнаружили, что можно замедлять или ускорять частоту сокращений, посылая электрические сигналы в разные нервные окончания, ведущие к сердцу.

Между тем было замечено, что и небольшое количество определённых химических веществ также может сходным образом ускорять или замедлять сердцебиение. Но поскольку эти вещества были искусственными, их воздействие сочли лишь странным совпадением.

Сон Отто Лёви, открытие химического синапса

Отто Лёви (Otto Loewi, 1873 — 1961), молодой учёный, посетивший Англию в 1903 году, нашёл эксперименты с сердцами лягушек весьма увлекательными, и по возвращении в Австрию решил исследовать связь между нервами, электричеством и химическими веществами. Однако Лёви был человеком рассеянным и мечтательным и на долгие годы отложил эту идею, тем более что вскоре он стал успешным фармакологом. Между тем доктрина «радистов» набирала популярность.

В конце концов, Лёви вернулся-таки к исследованию сердец лягушек в 1920-х годах, хотя и при необычных обстоятельствах.

Согласно рассказу самого Лёви, однажды ночью в 1921 году он заснул за чтением книги. Ему приснился сон, в котором он представил эксперимент, который может положить конец спорам о том, как нервы общаются друг с другом. Он проснулся посреди ночи, набросал несколько заметок об этом потенциально революционном эксперименте, а затем снова заснул. К его великому разочарованию, когда он проснулся утром, то не смог разобрать собственные ночные записи.

Следующей ночью он проснулся в 3 часа после того, как снова представил эксперимент. На этот раз он не стал полагаться на свой почерк, поэтому бросился в лабораторию, чтобы попробовать эксперимент. Лёви извлёк два бьющихся сердца лягушек и опустил их в их в две мензурки с физиологическим раствором, где они продолжали биться. Затем он стимулировал блуждающий нерв в одном из сердец — процедура, которая замедляет частоту сердечных сокращений. Он извлёк солевой раствор из сосуда с сердцем, чей блуждающий нерв он стимулировал, и перелил его ко второму сердцу. Это вызвало замедление его сокращений. Тогда он воздействовал электричеством на другие нервные волокна в первом сердце ускорив его биение. Перенос солевого раствора заставил второе сердце ускориться, как он и увидел во сне.

Лёви интерпретировал эти результаты так, что блуждающий нерв выделил какое-то вещество, которое вызвало изменение частоты сердечных сокращений. Тот факт, что вещество могло затем быть перенесено ко второму сердцу с помощью солевого раствора, укрепило его уверенность, что воздействие было химическим. Лёви назвал предполагаемое химическое вещество «vagusstoff» (в переводе с немецкого означает «вещество вагуса»).

Прошло ещё несколько лет, прежде чем сэр Генри Дейл (Henry Hallett Dale, 1875 — 1968) выделил это вещество и назвал его ацетилхолином.

Лёви и Дейл разделили Нобелевскую премию в 1936 году за то, что продемонстрировали важность химической передачи в нервной системе, а история Лёви об эксперименте, который ему привиделся во сне, будет впоследствии почитаться в истории нейробиологии. По правде говоря, Лёви, вероятно, не проводил эксперимент в ранние утренние часы, как он утверждал. Но он был известен как рассказчик склонный к драматизму. По словам Дейла, Лёви сказал ему, что он проснулся второй ночью и просто постарался сделать записи аккуратно, чтобы спокойно провести эксперимент на следующий день. Тем не менее, популярная версия этой истории немного более запоминающаяся, и любому, кто занимается ежедневной скукой лабораторных исследований, будет непросто обвинить Лёви в том, что он хотел сделать своё открытие чуть более драматичным.

Эксперимент Лёви оказал бесценную поддержку «поварам» и послужил доказательством, что нервная система, по крайней мере у некоторых животных, использует химические вещества для передачи сообщений.

P.S. Нейробиологи до сих пор восхищаются оригинальностью эксперимента Лёви. Но сны не приходят ниоткуда, и никогда не снятся неподготовленным учёным. Решение, найденное во сне это всегда результат обобщения и осмысления большого багажа предварительно накопленных знаний.

Замечательному сну Отто Лёви тоже кое-что предшествовало…

В лаборатории И. П. Павлова в 1895 году студент Военно-медицинской академии И. Л. Долинский провёл эксперимент, в результате которого он установил, что введение кислоты в двенадцатиперстную кишку вызывает значительную секрецию поджелудочной железы.

Развили это наблюдение английские физиологи Уильям Бейлисс и Эрнест Старлинг которые в январе 1901 года повторив опыт Долинского сделали вывод, что существует некоторое вещество, выделяемое двенадцатиперстной кишкой, которое стимулирует секрецию поджелудочной железы.

Учёные пошли дальше — они извлекли часть двенадцатиперстной кишки у только что забитого животного, измельчили её и погрузили в раствор соляной кислоты. Небольшое количество кислотного экстракта набрали в шприц и ввели в кровь другого животного.

Его поджелудочная железа сразу отреагировала выделением пищеварительного сока, хотя животное перед опытом не кормили. Исследователи пришли к выводу: слизистая оболочка кишки, обработанная кислотой, продуцирует некое химическое вещество, которое поступает в кровь. Кровоток доставляет это вещество по системе кровообращения ко всем участкам тела, включая и поджелудочную железу. Когда вещество достигает её, оно каким-то образом стимулирует выделение ею пищеварительного сока.

Так в 1902 году было обнаружено вещество, названное секретином. Позднее Уильям Харди (William Hardy) предложил все подобные вещества называть гормонами.

А как раз накануне знаменитого сна Леви — буквально за год до него, произошло следующее подозрительно похожее событие.

Известный канадский физиолог Фредерик Бантинг долгое время безрезультатно искал лекарство от сахарного диабета. Но однажды в 1920 году во сне он увидел решение — проснувшись посреди ночи, Бантинг записал методику проведения эксперимента: «Перевязать протоки поджелудочной железы у собаки. Подождать шесть-восемь недель. Удалить и экстрагировать».

Следуя этой инструкции он и его помощник Чарльз Бест перевязали протоки поджелудочной железы у подопытной собаки. Через несколько недель, когда железа атрофировалась, учёные, выделили из неё экстракт, а затем удалили орган. Вскоре собака стала умирать от сахарного диабета, тогда Бантинг ввёл ей сохранённый экстракт — уровень глюкозы упал, и собака успешно вышла из диабетической комы. Так появился инсулин.

Этот сон принёс Фредерику Бантингу Нобелевскую премию.

Чрезвычайно продуктивные сны снились учёным в 1920—21 годах.

Победа «поваров»

Тем временем, для Лёви и его сторонников сражение на поприще науки было выиграно лишь наполовину. «Радисты» допускали, что организм может пользоваться химическими сигналами на периферии нервной системы, контролирующей конечности и внутренние органы. Но в мозге, по их мнению, нервные импульсы могли предаваться только с помощью электричества. Они располагали вескими аргументами в пользу такого мнения — нейроны вырабатывали электричество при любой активности.

«Радисты» также иронично утверждали, что химические вещества — «материал для слюны, соплей, мочи и пота» — действуют слишком медленно для процессов, происходящих в мозге. Только электричество, которое распространяется мгновенно, может стоять за мышлением. Как когда-то сторонники ретикулярной теории Гольджи, «радисты» были убеждены, что работа нервных клеток отличается от деятельности прочих клеток организма.

Так, например, А. А. Ухтомский в 1935 году, не отрицая существования нейротрансмиттеров полагал, что они в лучшем случае подготавливают нейрон к восприятию электрического сигнала.

Но тем, кто считал мозг чем-то исключительным с биологической точки зрения, пришлось постепенно сдавать свои позиции. На роль посредников «между электричеством и электричеством» химические вещества всё-таки приняли. За следующие несколько десятилетий было открыто множество нейротрансмиттеров — веществ, передававших сигналы исключительно в мозге. Эти открытия подорвали доминирование «радистов», и в 1960-е годы большинство учёных включали нейротрансмиттеры в своё понимание работы нейронов. [6]

Учёные сошлись на том, что при возбуждении по аксону нейрона от сомы до терминали распространяется электрический импульс — то самое электричество, за которое ратовали «радисты». Но электрический сигнал не может преодолеть синаптическую щель даже если её ширина всего 0,00002 миллиметра. Поэтому аксону приходится переводить электрические сигналы на язык химических соединений, которые могут преодолеть этот промежуток.

А самые упорные «повара» даже стали настаивать, что во время работы нервов, или при прохождении нервного импульса, в них происходит «химические процессы распада и восстановления нервного вещества».

Ныне считается, что большинство синапсов, в том числе те, что исследовались в разгар этого спора, имеют химическую природу. Но некоторые нейроны образуют с другими электрические синапсы. В таких синапсах между двумя клетками появляются небольшие мостики, позволяющие электрическому току проходить из одной клетки в другую — примерно так, как некогда предсказывал Гольджи [8].

Таким образом, как это иногда бывает с научными спорами, обе стороны оказались в чём-то правы.

Так или иначе, химический аспект оказался гораздо более сложным. В мозге обнаружены сотни видов нейронов, электрические импульсы в их передаются практически одинаково. Но при этом для взаимодействия между ними в синапсах задействованы сотни разных нейротрансмиттеров, передающих различные нюансы.

Нейротрансмиттеры воздействуют на электрическую возбудимость нейрона всего двумя способами: возбудить или ингибировать. Каждую секунду нейрон получает тысячи возбуждающих и ингибирующих сигналов одновременно, некоторые считают, что по умолчанию тело клетки ингибировано. При этом разные типы нейронов используют разные нейромедиаторы. Так что каждый нейрон должен тщательно «распробовать суп» из окружающих его возбуждающих и тормозящих веществ, прежде чем ответить на управляющее раздражение.

В становлении концепции химической передачи в синапсах, значительную роль сыграли исследования российских учёных — А.Ф.Самойлова, А.В.Кибякова, А.Г.Гинецинского.

Например, Самойлов изучая температурные изменения в процессе передачи возбуждения с нерва на мышцу пришёл к выводу, что они в большей степени подчёркивают химическую, а не физическую природу передачи возбуждения.

Работами А. В.Кибякова (1933) было показано, что передача возбуждения с помощью химических веществ осуществляется не только в нервно-мышечных соединениях, но и в соединениях между нервными клетками.

Гинецинский в 1935 году обнаружил, что химические вещества в нервно-мышечных синапсах вызывают на небольшом участке мембраны изменение потенциала, названного впоследствии потенциалом концевой пластинки.

Австралийский нейрофизиолог Джон Эклз был одним из самых ярых сторонников идеи электрических синапсов. В 1930-х и 1940-х годах он решительно выступал против того, что нервные клетки связываются друг с другом химически. По мнению Эклза, передача нервных импульсов была слишком быстрой, чтобы молекулы могли участвовать в этом процессе. Только электрическое взаимодействие могло обеспечить распространение нервных сигналов с такой скоростью. Он даже измерил эту скорость в 1935 году.

Невзирая на доказательства Отто Лёви и Генри Дейла продемонстрировавшие химическую связь нервной системы с двигательными нейронами, Экклз утверждал, что всё это неприменимо для нейронов мозга.

В 1944 г. он познакомился с Карлом Поппером — одним из крупнейших философов XX века, занимавшихся проблемами науки. Поппер полагал, что определяющая роль в научном прогрессе принадлежит опровержению гипотез. Он смог убедить Экклза попытаться опровергнуть собственную гипотезу, уверив его в том, что это ничуть не менее важно, чем найти доводы в её пользу.

При изучении нейронных цепей Экклз обнаружил, что некоторые из этих цепей являются не возбуждающими, а тормозными. В этих случаях возбуждение пресинаптического нейрона вызывает так называемый тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП). С позиции «радистов» невозможно было объяснить, каким образом возбуждающий потенциал действия пресинаптической клетки может в синапсе превращаться в тормозящий постсинаптической.

За эту работу, опровергающую идею, которую он долгие годы отстаивал, спустя 12 лет, в 1963 году Экклз получит Нобелевскую премию.

Можно было говорить о решительной победе химической теории передачи информации в синапсах.

Электрический синапс

Но вот в 1957 году был открыт синапс, в котором сигнал передавался почти без задержки, передача мало зависела от температуры и почти не блокировалась магнием. Был открыт первый чисто электрический синапс.

Спор между «радистами» и «поварами» возобновился с новой силой. В 1959 году Дэвид Поттер и Эдвин Фершпан обнаружили эффективную электрическую связь между гигантским аксоном и аксоном моторного нейрона в брюшной цепочке рака. Было установлено, что возбуждение в виде электрического потенциала беспрепятственно и мгновенно передаётся в месте контакта от одного аксона к другому без всяких нейромедиаторов.

В нервной системе млекопитающих электрические синапсы тоже обнаружены, чаще всего они образуются между дендритами однотипных, близко расположенных нейронов, тогда как химические и смешанные — между аксонами и дендритами при их последовательном соединении. Однако, в ЦНС млекопитающих и человека имеется всего около 1% электрических синапсов, они более характерны и преобладают в нервных системах низкоорганизованных животных.

Появился новый термин — электрические синапсы — это места высокоспециализированных контактов между нейронами, где происходит прямая передача электрических потенциалов от одной клетки к другой. Электрические синапсы могут связывать между собой не только нейроны, но и многие другие типы клеток. Такими синапсами связаны рецепторные клетки, кардиомиоциты, гладкомышечные клетки, клетки печени, глиальные, эпителиальные и др.

Электрические синапсы также, как и химические имеют пресинаптическое образование, синаптическую щель и постсинаптическую мембрану. Синаптическая щель у них значительно уже, чем у химических (у электрических синапсов — от 2 до 5 нм, тогда как у химических синапсов — 20—50 нм). Отличительная особенность пресинаптического образования — отсутствие пузырьков с медиатором.

Выделяют следующие свойства электрических синапсов.

· Отсутствие центральной задержки. · Проведение возбуждения в обе стороны. · Относительно высокая лабильность[1]. · Являются практически неутомляемыми образованиями. · Не чувствительны к химическим соединениям. · В электрических синапсах отсутствует явление посттетанической потенциации. · Более низкая надёжность в передаче информации.

Полученные в результате экспериментов доказательства фактов передачи сигнала через электрический синапс противоречили господствовавшей к этому моменту теории. Сложилась тупиковая ситуация: электрические синапсы есть, функционируют, их существование доказано прямыми экспериментами, а расчёты показывают, что они не должны работать!

Современная электронная микроскопия показала, что непосредственного контакта между клетками нет: между ними есть зазор, заполненный жидкостью, через которую ток пойдёт не только в клетку-мишень, но и «вытечет куда-то на сторону». Расчёты, проведённые в разных лабораториях мира, дали обескураживающие результаты. Оказалось, что при реальных экспериментально определённых значениях сопротивлений мембран (которые были получены, впрочем, не для области синапса, а для аксона или тела клетки), межклеточной среды и размеров синаптических контактов и щелей, в клетку-мишень будет затекать не более 0,01% всего тока, вытекающего из терминали. Электрический потенциал распространится по всей поверхности клетки и не сможет вызвать изменения её потенциала, необходимого для возбуждения или сопоставимого с реально наблюдаемыми изменениями.

За решение этой задачи в 1965 году взялась группа молодых сотрудников Теоретического отдела Института биофизики АН СССР. [14]

Их идея состояла в решении обратной задачи — выяснить при каком электрическом сопротивлении мембраны при тех же свойствах межклеточного вещества и размерах синаптической области (диаметр около 1 мкм и ширина щели порядка 5 нм) возможна работа электрического синапса.

Выяснилось, что, хотя и существует некоторое оптимальное сопротивление мембраны в синапсе, при котором в клетку-мишень попадала бы самая большая часть тока, всё равно эффективность такого синапса была несопоставима с реальной. Если же сопротивление мембраны бралось ниже оптимального, то увеличивалась утечка тока через щель, если сопротивление увеличивалось, то падала общая сила тока, вытекающего из терминали.

Исследования показали, что электрический синапс не должен работать ни при каком сопротивлении мембраны.

Было выдвинуто предположение, что в синаптической щели есть вещество значительно увеличивающее сопротивление межсинаптического пространства. Это могло бы дать математическое обоснование возможности электрической передачи нервного импульса. Но таких веществ обнаружено не было и идею отбросили.

И тогда было сделано единственное оставшееся предположение, что сопротивление мембраны неоднородны — она имеет участки с низким сопротивлением в центральных областях и высокое сопротивление у края синапса.

Эта гипотеза оказалась верной. С усовершенствованием методов электронной микроскопии в разных лабораториях мира было обнаружено, что, действительно, в электрических синапсах используется неоднородная мембрана. Неоднородность её создаётся особым способом: с помощью специального белка — коннектина. Его молекулы присутствуют и в мембране терминали, и в мембране клетки-мишени, образуя там специальную структуру — коннексон, состоящую из шести молекул, формирующих внутри канал. Когда аксон достигает клетки-мишени, два коннексона соседних мембран соединяются друг с другом и в каждом из них открывается канал (этот процесс подобен открыванию шлюзов при стыковке). Этот канал имеет низкое сопротивление для прохождения ионов. Таким образом, электрический синапс связывает две клетки множеством тоненьких трубочек диаметром около 1 — 1,5 нм, проходящих внутри белковых молекул.

Казалось бы, всё, тема закрыта ко всеобщему удовлетворению. Но…

У птиц в цепочке нейронов, обеспечивающих реакцию зрачка на свет, был обнаружен очень большой по диаметру электрический синапс (площадью около 1000 мкм²), щель которого заполнена миелином, т. е. изолятором.

Ответа искать не стали, просто решили, что гипотеза с заполнением синаптической щели изолятором тоже верная.

Но и на этом история не остановилась. В относительно недавнем январе 2019 года (первая публикация статьи — октябрь 2018) в выпуске The Journal of Physiology сообщается об удивительном феномене: авторам статьи удалось наблюдать передачу электрического сигнала между нейронами вообще в отсутствие синапсов — как химических, так и электрических… Сначала авторы просто регистрировали распространение активности в аксоне, а затем полностью перерезали его пополам, и стали постепенно раздвигать разрез. Сигнал всё равно распространялся. Только раздвинув края разреза на 400 микрон друг от друга, распространение сигнала удалось прекратить.

Так что точка в споре между «поварами» и «радистами» ещё не поставлена, наступило скорее перемирие, чем мир. У каждой стороны есть свой лауреат Нобелевской премии. И что очень важно, обе стороны спора правы (Правда, удобная позиция?).

А что если обе неправы?

[1] Скорость протекания элементарных циклов возбуждения в нервной и мышечной тканях.