Текст книги "Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе"

Биохимический перенос памяти

Перенос памяти – гипотетическая возможность переноса памяти между организмами одного вида посредством молекул белка или РНК, популярная в 1960 – 1970 годах. Теория рассматривалась во многих странах мира, включая СССР. Некоторые эксперименты были опубликованы в весьма авторитетных журналах (Nature), но впоследствии названы авторами розыгрышами. Эти представления потеряли актуальность после признания того, что память формируется устойчивыми межнейронными контактами.

В конце 1950-х годов шведский биохимик Хольгер Хюде́н (швед. Holger Hydén, 1917 – 2000) выявил связь между степенью выработки двигательных навыков и количеством РНК в нейронах соответствующих моторных центров. Хюде́н заметил, что в процессе обучения содержание РНК в нейронах обучаемых животных заметно увеличивалось. Также он установил, что в организме наиболее активными продуцентами РНК являются нейроны, а в одной нервной клетке содержание РНК может быть в пределах от 20 до 20 000 пикограмм. На основании этих наблюдений Хюден выдвинул гипотезу о том, что именно молекула РНК является главным нейрохимическим субстратом памяти.

Вся эта увлекательная история с переносом памяти с помощью биохимических молекул началась с того, что американский биолог Джеймс В. Макконнелл (James V. McConnell, 1925 – 1990), специалист по уникальным возможностям планарий к регенерации, проверил, нельзя ли физически перенести память от одной планарии к другой.

Планарии – это небольшие свободноживущие плоские черви, обитающие в водоёмах по всему миру. Планарии умеют регенерировать утраченные части тела. Именно эта их особенность оказалась полезной для анализа механизмов переноса памяти.

Выработав у планарий простейший условный рефлекс — съёживаться под действием освещения, за которым следовало неприятное раздражение электричеством, исследователи разрезали подопытных животных пополам. Они предполагали проверить, сохранится ли условный рефлекс после процесса регенерации. Вдруг «обученная» нервная ткань с помощью каких-то химических веществ передаст возникшим в процессе регенерации новым отделам нервной системы выработанные знания. Рефлекс сохранился не только у животных, выросших из головного отрезка, но и из хвостового!

Тот вид планарий, с которыми работал Макконнелл, выделялся ещё одним редким свойством – каннибализмом. Учёный снова выработал у части планарий условный рефлекс. Затем порезал их на кусочки и скормил необученным. Планарии вскормленные таким образом воспроизвели результат обучения своих жертв. На ум сразу приходит мысль о ритуальном каннибализме, когда племя поедало мозг и сердце поверженного храброго воина или мудрого вождя дабы приобрести их мужество и мудрость!

Макконнелл предположил, что первичными элементами памяти в нервной системе являются молекулы рибонуклеиновых кислот. Неоднократные попытки воспроизвести опыт в других лабораториях, в том числе и прямыми инъекциями РНК, не дали никаких устойчивых результатов, и репутация Макконнелла оказалось сильно подорванной.

Опыты Макконнелла породили в научных кругах больше насмешек и забавных анекдотов, чем новых теорий. У всех на устах были вопросы меню. Студенты поговаривали, что следует съесть своих профессоров.

Однако, планарии до сих пор привлекают внимание исследователей как объекты, на которых удобно изучать процессы и регенерации, и памяти.

Джорджес Унгар из Бейлоровского университета в Хьюстоне был первым, кто отказался от популярной в те годы идеи, что переносчиками памяти служат рибонуклеиновые кислоты, и предложил на эту роль белки и пептиды, его основной посыл: «Один пептид – один акт поведения». [38]

Для своих экспериментов Унгар выбрал группу крыс у которых выработал противоестественный условный рефлекс – избегания темноты. Из мозга этих животных был выделен уникальный нейропептид, который никогда не наблюдался в мозге обычных крыс. Унгар расшифровал структуру этого пептида и назвал его скотофобин.

Описание этого эксперимента довольно долго считалось достоверным и даже входило в научные пособия.

К сожалению, вскоре Дж. Унгар – основоположник идеи молекулярного переноса памяти скончался. Но настоящий учёный воспитал достойных учеников.

Его дело продолжила Диана Десидерио, ученица и соратник Унгара, итальянка по происхождению – молодая обаятельная женщина. В итоге группа Десидерио сумела выделить и расшифровать более десятка пептидов, обеспечивающих перенос разнообразных навыков. Таким образом, Диана Десидерио развеяла тень сомнений над результатами пионерских исследований своего учителя.

Работы Унгара и Десидерио оказались отправной точкой, с которой в Институте экспериментальной медицины имени И.П.Павлова стартовали исследования молекул «прямого переноса памяти» в СССР.

После долгих, но безуспешных экспериментов исследователи убедились, что скотофобин не вызывает прямого переноса, а эффективность его действия проявляется лишь при частичном подкреплении реципиентов.

В тот момент учёным казалось, что дело за малым, нужно только подобрать подходящую экспериментальную модель, и интерес к теме сохранялся, несмотря на то, что она уже находилась под давлением критики.

За основу для новых исследований была выбрана «безмотивационная модель» по́зной асимметрии, базирующуюся на том, что результат раздражения оценивается по степени выраженности сгибания задней конечности. [38]

Но вновь не добившись результатов, исследователи сосредоточились на поиске влияния тех же пептидов на долговременную посттетаническую потенциацию (ДПП), одну из многообразных форм проявления пластичности и неассоциативного обучения.

После смерти Вартаняна в 1995 году все работы, связанные с исследованием переноса памяти, фактически закончились. Доказательств прямого переноса так и не получили [39].

Но поиски материальных следов памяти в мозге продолжились много лет спустя.1

1 См. главу Молекула памяти.

Усилитель мозга

Ещё древние люди чтобы вызвать дождь имитировали гром. Вероятно, такая способность человека к подмене причин и следствий находится у нас в подсознании.

Поэтому лишь вопрос времени был в том, кто первым предложит технологию обратную ЭЭГ – воздействие на мозг электрическими токами, посылаемыми через кожу головы с целью стимуляции его нервных клеток.

И вот в 2014 году появляются публикации о создании такой «технологии транскраниальной стимуляции мозга постоянным током» (Transcranial direct current stimulation, TDCS).1

Маркетинг победил науку. Разработчики обещали, воздействуя слабым электрическим током на правое полушарие мозга, изменить порог чувствительности нейронов, и, как следствие, улучшить когнитивные функции. Коммерческие компании начали продвигать эту технологию в кругу геймеров, обещая им фору перед соперниками в игре.

Одна из компаний-производителей и сейчас рекламирует обруч с электродами, который поможет «разогнать» мозг, «повысив его производительность на 20—40 процентов». Гаджет «улучшает общее самочувствие и снимает усталость» – гласит рекламное объявление, ссылающееся на результаты исследований.

В Сети вы найдёте массу восторженных отзывов от адептов технологии. Но не будем забывать историю. Например, о том, как помогала людям «электризация» лейденскими банками во времена Джузеппе Гальвани.

А что официальная наука, какова реакция учёных? Консервативные и профессиональные просто проигнорировали такую чушь. А более неуверенные попросили тех, кто решит испытать это на себе, быть осторожнее и не переусердствовать с дозировками. Есть и третья группа – это те, которые знают, что такое ТЭС-терапия и применяют её для лечения людей. Они тоже отмалчиваются, по известным только им причинам.

Дело в том, что TDCS под другим названием – «Микрополяризация» (термин, впервые предложенный в лаборатории Н. П. Бехтеревой) применяется как лечебный метод, позволяющий изменять функциональное состояние различных звеньев ЦНС под действием малого постоянного тока (до 1 мА).

Культивируется он в качестве физиотерапии в основном в России (Институт мозга человека им. Н. П. Бехтеревой РАН; Институт медицинской реабилитации «Возвращение» имени профессора Богданова; Научно-исследовательский психоневрологический институт им. В. М. Бехтерева, Санкт-Петербург).

От себя замечу, хотите поумнеть – больше читайте, лучше учитесь, тренируйте память – это единственная проверенная технология, которая делает человека умнее.

1 О медицинском аспекте и истории ТМС см. главу Транскраниальная электрическая стимуляция

Посмертные волны

Забавная новость прокатилась по Интернету несколько лет назад. Привожу её по данным сайта КП только для развлечения, и чтобы снова продемонстрировать дремучесть современного человечества.

Голландские учёные Антон Конен (Anton Coenen) и Тайник ван Рижн (Tineke van Rijn) из Университета Неймегена (Radboud University Nijmegen in the Netherlands) в 2011 году по заданию университетского комитета по этике искали ответы на два практических вопроса. Насколько сильно мучаются лабораторные крысы, которых приходится приносить в жертву науке? И каков наиболее гуманный способ их умерщвления?

Ответы, в итоге, были получены. Выяснилось, что для лабораторных животных нет ничего лучше декапитации. То есть, обезглавливания, неприятные ощущения от которого, как выяснилось, длятся (у крыс) не более 4 секунд.

Однако, сняв энцефалограммы с только-что отсечённых голов, экспериментаторы с удивлением обнаружили в них всплески мозговой активности.

Если бы Антон и Тайник лучше изучали историю, то знали бы что, ещё в 1875 году на 43-й ежегодной конференции Британской медицинской ассоциации Ричард Катон сделал доклад, в котором обратил внимание на увеличение электрической активности мозга в момент смерти.

Между тем результаты, полученные голландцами, сильно подпортили впечатление от нашумевших накануне экспериментов американских коллег из Университета Джорджа Вашингтона. За два года до описываемых событий американцы снимали энцефалограммы – картины электрической активности мозга – у семерых пациентов, которые умирали от рака или последствий сердечного приступа. Спасти этих людей было уже нереально. Они в итоге скончались. Но после смерти у всех несчастных фиксировалась чрезвычайно высокая активность мозга. В нём возникали невероятно мощные всплески электрических импульсов – при жизни таких не было. Учёные предположили, на радость СМИ всего мира, что нашли физиологическую основу мистических виде́ний, связанных с околосмертным опытом. А это стало настоящей сенсаций. Поскольку тут же родилась гипотеза: энцефалограммы запечатлели не что иное, как процесс отделения души от тела.

А теперь и крысы демонстрируют аналогичную мистику. Тут одно из двух: либо у крыс тоже есть душа, либо оптимизм по поводу существования этой нематериальной части человеческой сущности преждевременен.

В отрубленной голове крысы «всплеск» возникает спустя примерно минуту после декапитации. И продолжается около 10 секунд. У человека мозг «вспыхивает» через две – три минуты после остановки сердца и прекращения тока крови к мозгу (это равносильно отделению головы от тела). Активность продолжается примерно три минуты.

Учёные назвали обнаруженные аномалии «волнами смерти». И теперь гадают, что бы они значили.

Гипотеза о душе, которой нужно время, чтобы покинуть тело, выглядит, конечно, красиво. Тут даже крыс можно «стерпеть», допустив всё-таки, что в загробном мире есть место и для них. В этом смысле весьма логично выглядит то, что большая – человеческая – душа отлетает за три минуты, а маленькая – крысиная – гораздо быстрее.

С материалистической же точки зрения, эффект, наблюдаемый и у людей, и у животных, свидетельствует лишь о том, что существует некое явление, связанное с физиологическими процессами, происходящими в умирающем мозге.

Возможно, в этот момент в мозге наблюдается коллапс нейронных электропотенциалов.

Ведь в каждом нейроне присутствует потенциал покоя – порядка 70 милливольт. Погибшие нейроны очень быстро разряжаются. Возможно, в результате этого процесса и возникает «волна смерти».

Словом, ничего возвышенного – электричество, и только. Только есть одно «но». Не только нервные клетки несут в себе электрический заряд. Любая живая клетка, включая растительную тоже имеет потенциал покоя. И называется это биоэлектрогенез.

В общем, сам факт таких волн официально не опровергнут, а загадки «волн смерти», нельзя считать разгаданными.

А чуть ранее… Отрубленные головы помогали выиграть в лотерею. Похоже, что с «волнами смерти», ещё не зная о том, что это реальное биофизическое явление, экспериментировали 15 лет назад российские исследователи. Они тоже рубили головы крысам, как и их голландские коллеги. Но цель имели другую – совсем уж мистическую. И если верить составленному потом отчёту, то она, эта цель, была достигнута.

Эксперименты провели заведующий лабораторией терминальных состояний Владимир Нестеров и его коллега Юрий Бут в Омской медицинской академии на кафедре топографической анатомии и оперативной хирургии. Их финансировала некая загадочная американская фирма YGH, возглавляемая голландцами.

В основу экспериментов было положено «открытие», приписываемое Нобелевскому лауреату по физике Денешу Габору1. Мол, ещё в 1971 году он обнаружил, что любой биологический объект в момент гибели и независимо от вида смерти генерирует фотонное излучение повышенной мощности.

Нестеров и Бут никаких «излучений смерти» от убитых ими зверьков приборами не регистрировали. Но якобы наблюдали реакцию на него со стороны добровольцев.

Суть экспериментов была следующей: крысу, которой рубят голову, помещают между виском испытуемого и генератором электромагнитных волн. Последний усиливает «излучение смерти» и направляет его в мозг добровольца. Далее смотрят, какое влияние оно оказывает.

«Заявленный способ был „успешно“ апробирован авторами при угадывании выигрышных номеров денежно-вещевых лотерей, – записали в отчёте исследователи. – Число выигрышей в группе испытуемых, подвергшихся воздействию магнитного поля при наличии биологического инициатора (трупный материал), было в 3,72 раза выше, чем у лиц контрольной группы».

– Уровень интуитивного восприятия повышается на несколько порядков, – поясняли Нестеров и Бут. – Каждый человек может стать в этих условиях ясновидящим, как Ванга.

Какова дальнейшая судьба скандальных экспериментов, не известно. Не исключено, что они канули в Лету, как и другие, им подобные, которые были проведены в 90-е годы прошлого века во время буйного расцвета псевдонаучных теорий и кипучей деятельности кашпировских, чумаков, изобретателей антигравитации, торсионных полей и вечных двигателей, качающих энергию из эфира. Тогда всё это казалось многообещающим и перспективным. Но в итоге не выдержало поверок серьёзной науки.

1 Денеш Габор (Dennis Gabor, 1900—1979) – известный учёный. В 1971 году получил Нобелевскую премию за изобретение голографии. То есть, за работы со светом. Но обнаруживал ли он «фотонное излучение» от умерших, не известно. Ни одного упоминания об этом в работах учёного нет.

История мембранной теории биопотенциалов

Главенствующая и единственная на сегодняшний день теория распространения нервного импульса заслуживает отдельной истории.

Она интересна во многих аспектах: и как победившая идеология, и как очень элегантная, даже изящная, или изощрённая, логическая модель. Также интересна эта история полным отсутствием альтернативных идей и, следовательно, она не выверена в спорах с оппонентами. Сплошные единомышленники. Вспоминается один из абсурдных советских лозунгов: «Учение Ленина истинно потому, что оно верно!». И продолжая ленинскую терминологию, давайте рассмотрим три источника, три составные части мембранной теории – осмос, теорию электролитической диссоциации и гипотезу Бернштейна.

Осмос

Началом этой истории послужило открытие осмоса. Думаю, что не все наши читатели слышали это слово раньше, так вот, осмос – это процесс, в котором при определённом давлении растворитель проходит через полупроницаемую мембрану из более концентрированного в менее концентрированный раствор. При этом мембрана пропускает растворитель, но не пропускает растворённые в нём вещества.

Впервые в 1748 году осмос наблюдал Жан-Антуан Нолле (Jean-Antoine Nollet, 1700—1770) – французский священник (аббат) и физик, член Парижской академии наук с 1739 года.

Легенда гласит, что однажды аббат Нолле слил недопитое им вино во фляжку из свиного мочевого пузыря и погрузил его охладить в бочку с водой. Наутро вынув пузырь из бочки, он обратил внимание, что тот раздулся. Попробовав вино, аббат понял, что напиток стал менее крепким. Нолле сделал вывод, что вино стало разбавленным из-за того, что вода проникла в него сквозь стенку сосуда под действием некой силы, которая возникла из-за разницы концентрации воды в бочке и в вине. При этом аббат заметил, что через стенку пузыря проникла только вода. Если ли бы пузырь с вином, который Нолле положил в воду, не обладал способностью растягиваться, проникающая вода подняла бы давление и процесс бы остановился. Давление, которое необходимо приложить, чтобы не пустить воду в вино называется осмотическим. Оно зависит от разности концентраций растворённых веществ по обе стороны мембраны.

Пример осмоса: к яичной скорлупе с внутренней стороны прилегает плёнка – это тоже полупроницаемая мембрана, она пропускает молекулы воды и задерживает молекулы сахара. Если такой мембраной разделить растворы сахара с концентрацией 5 и 10% соответственно, то через неё в обоих направлениях будут проходить только молекулы воды. В результате в более разбавленном растворе концентрация сахара повысится, а в более концентрированном, наоборот, понизится. При этом объёмы разделённых мембраной растворов изменятся. Когда концентрация сахара в обоих растворах станет одинаковой, наступит равновесие.

Однако целенаправленное исследование этого явления было начато лишь спустя столетие.

В середине XIX века осмотическую проницаемость клеточных мембран изучали физиолог Моль и ботаник Негели. А с конца XIX века к ним присоединились физики и химики, одним из которых был немецкий учёный Адольф Фик. В 1855 году исследуя перенос через искусственные мембраны из нитроцеллюлозы, он сформулировал феноменологические законы диффузии, названные впоследствии его именем.

Одним из выдающихся учёных, работавших в этой области, был Вильгельм Пфеффер (нем. Wilhelm Friedrich Philipp Pfeffer, 1845 – 1920) – немецкий ботаник и физиолог растений. Он изучал осмотические явления, обусловливающие поглощение растениями воды и минеральных веществ. Работы Пфеффера заложили основы мембранной теории клеточной проницаемости.

В 1877 году он изготовил искусственную полупроницаемую мембрану. Для этого в пористый фарфоровый сосуд он налил раствор медного купороса и поместил его в другой сосуд, заполненный раствором ферроцианида калия. В порах первого фарфорового сосуда растворы контактировали и взаимодействовали друг с другом. В результате в них образовывалась плёнка из ферроцианида меди, которая обладала полупроницаемостью.

Далее, полученный сосуд, в порах которого образовалась полупроницаемая мембрана, заполненный раствором сахарозы, помещали в воду.

Такой прибор получил название осмометра. Схема осмометра Пфеффера на Рис.29: 1 – сосуд с растворителем; 2 – мембрана; 3 – ячейка с раствором; 4 – манометр.

В результате своих исследований, Пфеффер установил, что поступление воды в раствор через полупроницаемую перегородку обусловлено разностью концентраций растворов.

Однако Пфеффер не обнаружил какой-либо количественной зависимости осмотического давления от концентрации и температуры. Данную задачу спустя двадцать лет разрешил Вант-Гофф (Jacobus Henricus (Henry) van't Hoff; 1852 – 1911).

В 70-х годах 19 века молодой голландский ботаник X. Де Фриз исследовал влияние осмоса на изменение объёма клеток растений в растворах разной концентрации.

В 1894 году Де Фриз рассказал о работах Пфеффера молодому химику Я. Вант-Гоффу. Внимательно изучив исследования Пфеффера, Вант-Гофф обратил внимание, что осмотическое давление в разных растворах получается одинаковым, если измерять концентрацию не в граммах на литр, а в молях, т. е. существенной является не масса, а число молекул растворённого вещества. Допустив, что молекулы растворённого вещества ведут себя как молекулы идеального газа он решил, что для выражения осмотического давления можно использовать уравнение Менделеева-Клапейрона. [7]

Рисунок 29. Осмометр Пфеффера.

За теорию растворов Вант-Гофф спустя 15 лет получил Нобелевскую премию по химии. Вот такой важный вклад в науку внёс Де Фриз, поговорив с Вант-Гоффом.

Осмос играет исключительно важную роль в живой природе. Это явление лежит в основе корневой системы питания растений. Благодаря осмосу влага в растениях поднимается и удерживается на высоте в десятки метров.

Питание представителей царства животных также происходит благодаря осмосу. Кровь и лимфа животных – это растворы органических и неорганических веществ. Если концентрация веществ в пищеварительном тракте ниже, чем в крови, влага с питательными веществами всасывается в кровь. Если же концентрация веществ в крови по каким-то причинам окажется ниже, чем в кишечнике (животное объелось соли), всасывание меняет направление, организм обезвоживается, животное погибает.

Осмос оказался причиной внутреннего давления в клетке, именно благодаря ему наши клетки выглядят округлыми и упругими.

Растворы, имеющие одинаковое осмотическое давление, называются изотоническими. Если два раствора имеют различное осмотическое давление, то раствор с бо́льшим осмотическим давлением является гипертоническим, а с меньшим – гипотоническим. При нахождении клеток в изотоническом растворе они сохраняют свой размер и нормально функционируют.

Если же поместить клетки в гипотонический раствор, вода из менее концентрированного внешнего раствора станет переходить внутрь клеток, что приведёт к их набуханию, некоторое время клетка ещё может сохранять целостность, но если процесс не прекращается клеточная оболочка разорвётся и её содержимое вытечет наружу. Такое разрушение клеток называется лизисом.

При помещении клеток в гипертонический раствор вода из клеток уходит в более концентрированный раствор, и наблюдается сморщивание (обезвоживание) клеток. Это явление называется плазмолизом.

Живая клетка представляет собой осмотическую систему. Её мембрана хорошо проницаема как для воды, так и для растворённых питательных веществ.

Осмос, в свою очередь, это результат диффузии воды или другого растворителя через полупроницаемую перепонку, вызванной разностью концентраций или разностью химических потенциалов. Наблюдения за данными явлениями позволяют изучить многие свойства клетки.