Текст книги "Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе"

Кабельная теория нервного импульса

Впоследствии распространилось мнение, что подводный кабель схож по своим свойствам с нервным волокном. Он имеет токопроводящие сердцевины, покрытые изолирующей оболочкой, и окружён морской водой. Так же и нейроны находятся в соляном растворе. И, поскольку изоляция кабеля не является совершенной, то существует конечное сопротивление утечки через изолятор. Видимо, учёные увидели в этом аналогию с проницаемостью мембраны. Значительные количественные и качественные различия между кабелем и нейроном состоящие в том, что кабельные жилы сделаны из меди и являются намного лучшим проводником, чем электролитический раствор нейрона, а также то, что кабельное покрытие – это настоящий изолятор, в отличие от мембраны клетки, не были приняты во внимание.

Тот факт, что по центральной жиле кабеля течёт ток, а в нейроне мембранный потенциал распространяется по мембране, также не учли. Эту основу основ электрических свойств нейрона попросту проигнорировали.

Основная задача кабельной теории Томсона – объяснить причины замедления сигнала и увеличить дальность передачи телеграфных сообщений в очень длинных кабельных системах, тоже была отодвинута в сторону. Как и несопоставимость масштабов процессов, происходящих в тысячекилометровых кабельных линиях и сравнительно коротких нейронах. Зато стали активно исследовать процесс затухания нервного импульса в аксоне, в то время как один из основополагающих законов распространения нервного импульса звучит так: Всё или ничего. То есть потенциал действия не может затухать, он либо есть, либо его нет. Но, никакой другой, более подходящей теории на тот момент не нашлось.

Теория местных токов

Что такое местные токи, на основе которых строится кабельная теория распространения потенциала действия? Давайте попробуем разобраться.

Итак, предположим, к аксону приложен стимулирующий электрод. В результате в точке его приложения возникнет некоторый электрический потенциал. Но как этот потенциал будет изменяться по мере удаления от точки раздражения? Ответ найден экспериментально – он уменьшается. Дальше логика исследователей такова: поскольку потенциалы, измеренные в двух разонудаленных точках, отличаются, то существует некоторая разность потенциалов между ними. А дальше совсем просто. Зная разность потенциалов – U и измерив сопротивление мембраны R, по закону Ома вычисляем ток I=U/R.

Чудо! Скажет кто-то. Но это «чудо» объясняют электрикам 1-го (низшего) разряда на инструктаже по технике безопасности. «Подходить к находящемуся под напряжением проводу, лежащему на земле, следует мелкими шажками». Явление это так и называется «шаговое электричество».

Вот эти-то токи, возникающие вблизи возбуждённой области, Лудимар Герман назвал «местными токами», поэтому и его теорию называют теорией местных токов. [23]

Идея Германа состояла в том, что токи, возникающие на некотором отрезке возбуждённого волокна, выступают в роли раздражителя для соседних точек того же са́мого волокна; в результате возбуждение переходит на соседнюю область, которая, в свою очередь, становится раздражителем для следующего ещё невозбуждённого участка волокна, и т. д. И точка максимального потенциала, о которой мы говорили в самом начале начинает двигаться по мембране. «Ну это вряд ли», – скажет вам электрик 1-го разряда. Напряжение будет уменьшаться и уменьшаться по мере удаления, пока совсем не сойдёт на нет, а вместе с ним и ток.

Рисунок 33. Измерение местных токов.

Было установлено, что значение потенциала уменьшается по мере удаления от источника возбуждения по экспоненциальному закону:

ψ _i= ψ _{0 * e} ^-1/λ

где ψ₀ – значение потенциала в точке возбуждения, ψ_l – значение потенциала в точке, расположенной на расстоянии λ от источника возбуждения, λ – константа длины нервного волокна, равная расстоянию, на котором величина потенциала убывает в e раз (е=2,718281828…).

Константа λ зависит от удельного электрического сопротивления оболочки нервного волокна ρ_m, удельного электрического сопротивления цитоплазмы ρ_i и радиуса нервного волокна r:

Чем больше λ, тем больше скорость распространения нервного возбуждения. Как следует из приведённой выше формулы, λ тем больше, чем больше радиус нервного волокна и чем больше удельное электрическое сопротивление мембраны нервного волокна.

Вот тут-то и пригодилась кабельная теория Томсона с её волновыми процессами. Чтобы они возникли надо было добавить в схему нелинейные электрические элементы – ёмкость (С) и индуктивность (L). С индуктивностью вышла промашка, в трансатлантическом кабеле она была, а вот в нейроне, увы, нет (слишком короток). Зато с ёмкостью всё сложилось складно. Именно ёмкость между внутренней жилой и внешней средой стала причиной рождения кабельной теории Томсона. У клетки также есть внутренняя среда и внешнее межклеточное пространство разделённое диэлектриком-мембраной. Стоп, кажется, раньше мембрана не была диэлектриком, а вполне успешно обладала вполне конкретным сопротивлением R. Ну ничего страшного, решили учёные. Значит, мембрана обладает двумя сопротивлениями: одно вдоль, а другое поперёк мембраны и назвали его R_m.

Стоит отметить, в 1923 году (голландские физиологи) И. Гортер и А. Грендел сделали предположение, что липиды в мембране располагаются в два слоя.

Они провели оригинальный эксперимент: поместили эритроциты в пресную воду, при этом по градиенту концентрации вода должна проходить через мембрану в клетку. При этом эритроциты разбухают, мембраны их лопаются и клетки теряют содержимое. Остаются лишь прозрачные наружные мембраны. Это позволило прояснить структуру клеточных мембран. Липиды были экстрагированы ацетоном из мембран эритроцитов. Помещённые на поверхность воды липиды образовывали пятна толщиной в одну молекулу. Измерив площадь этого слоя, авторы определили, что она вдвое больше, чем площадь всех мембран эритроцитов, из которых липиды были извлечены. Было высказано предположение, что липиды в мембранах располагаются в два слоя.

А двойной фосфолипидный слой биологической мембраны вскоре был уподоблен конденсатору, в котором слои́ играют роль обкладок. Это предположение сделали биологи К.С.Кол и Г. Кертис в своих исследованиях электрических параметров биологических мембран в 1939 году. Именно они вычислили высокое электрическое сопротивление монослоя липидов R_m = 10⁷ Ом/м² и большую электрическую ёмкость бислоя мембраны С = 10^—2 Ф/м². Кстати, эти два талантливых учёных вычислили электрическую ёмкость клетки вцелом, а эквивалентную схему с множеством RC-контуров предложили Ходжкин и Хаксли.

Оставалась последняя неувязка – отсутствие в цепи индуктивности. Без неё не работает электрический колебательный контур. Ну и ладно, пусть роль индуктивности играет то самое поперечное сопротивление R_m.

Так возникла первая эквивалентная электрическая схема нервного волокна.

Рисунок 34. Эквивалентный контур, гипотетического кабеля. Сопротивления и ёмкости соединены через продольные наружные и внутренние сопротивления. Мембранное сопротивление R_M, продольное сопротивление R_n и ёмкость С_M произвольно расчленены на отдельные элементы 0, 1, 2, 3, 4. Цветные стрелки показывают направление тока.

Ныне теория местных токов Германа общепризнана и составляет основу электробиологии наряду с мембранной теорией Бернштейна.

И от этой точки начали расти и множиться теории и объяснения процессов, происходящих при распространении нервного импульса.

Безусловно, наука только тогда становится наукой, когда исследуемые процессы описаны на языке математики.

Но в результате спорная, в общем-то, гипотеза получила такое математическое углубление, что уже просто не может не вызывать абсолютного к себе доверия.

Интересно, если бы Кларк написал свою книгу о строительстве нефте– и газопроводов, история пошла бы другим путём? И мы сравнивали бы сейчас нервные волокна с водопроводными трубами?

Но, как бы то ни было, именно предложенная в 1905 году Германом кабельная теория, дала первое объяснение механизма передачи возбуждении по нервному волокну.

Ходжкин и Хаксли (Hodgkin & Huxley)

Ходжкин и Хаксли получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1963 года «за открытия, касающиеся ионных механизмов, участвующих в возбуждении и торможении в периферическом и центральном участках мембраны нервной клетки».

Но что конкретно они сделали, в чём их заслуга? Условно, в работах Ходжкина и Хаксли можно выделить три основные направления:

Они развили и дополнили мембранную теорию Бернштейна объяснив, как распространяется вдоль нервного волокна бегущая волна ПД1.

Объяснили, как восстанавливается ионный баланс, обеспечивающий ПП, после прохождения ПД.

Создали математическую модель описывающую генерацию и распространение потенциалов действия в нейронах.

1 ПД – потенциал действия, ПП – потенциал покоя

Развитие мембранной теории

Предсказание Бернштейна об изменении проницаемости мембраны при возбуждении удалось проверить только спустя четверть века, в 1938 году. Хотя возобновившееся после Первой мировой войны изучение свойств мембраны совершенствовалось, технические трудности были слишком велики: ведь надо было уловить изменение электрического потенциала, которое длится всего несколько миллисекунд!

Первого прорыва достигли в 1937 году американские биологи К.С.Кол и Г. Кертис, которые догадались вместо традиционных нерва или мышцы лягушки исследовать клетку водоросли. То, что растения способны к генерации электрических потенциалов, учёным известно было давно. Знали они и то, что все электрические процессы у растений идут значительно медленнее. Оставалось найти только клетку побольше – такая, с диаметром около полмиллиметра, нашлась у водоросли нителлы.

На этом неожиданном объекте и провели свой опыт Кол и Кертис. Они обнаружили, что при возбуждении сопротивление мембраны, как и предсказывалось, уменьшается, правда, не до нуля, но существенно, почти в 200 раз.

Через год, в 1938 году, одновременно две группы исследователей в двух местах – К.С.Кол и Г. Кертис, работавшие на морской станции Океанологического института в Вудс-Холе, и Ходжкин с Хаксли, работавшие на морской станции в Плимуте, измерили потенциал действия и потенциал покоя на новом модельном объекте – гигантском аксоне кальмара.

Гигантские аксоны есть у многих беспозвоночных. Но у кальмара он особенно крупный – диаметр его у обычных кальмаров рода Loligo (с длиной тела 30—40 см) достигает 1 мм, а у некоторых видов ещё в 2—3 раза больше.

Гигантские аксоны были описаны ещё в начале ХХ века; но об открытии забыли, и все считали их кровеносными сосудами. «Переоткрыл» гигантские аксоны зоолог Джон Янг в 1936 году. И не только переоткрыл, но и предложил физиологам использовать их для работы. Совет оказался очень удачным. Наилучшим образом им воспользовались Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли, получившие за свою работу Нобелевскую премию.

На этом этапе Алану Ходжкину и Эндрю Хаксли по образцу экспериментов Кеннета Кола и Говарда Кертиса удаётся создать миниатюрные электроды и ввести их в аксон. Обе группы с помощью внутриклеточных электродов определяют полный потенциал покоя на гигантских нервных волокнах кальмара и публикуют свои результаты в 1939 и 1940 годах.

Как в своё время Первая мировая война помешала Бернштейну исследовать гипотезу «дырок», так начавшаяся 1 сентября 1939 года Вторая мировая вынудила Ходжкина и Хаксли отложить свои исследования. Во время войны Ходжкин участвовал в разработке радиолокационных станций.

Двухэлектродная фиксация потенциала

Только по окончании войны, в конце 40-х – начале 50-х годов, натриевая гипотеза приобретает современные черты, формируется натриевая теория.

Ведущую роль в дальнейших исследованиях сыграл новый метод фиксации потенциала с помощью двух электродов (в англоязычной литературе TEVC – two-electrode voltage clamp), разработанный в конце 1930-х годов К. С. Колом и Дж. Мармонтом. Этот метод позволял измерять не только потенциал, но и токи при заданном значении мембранного потенциала.

Идея метода «зажима напряжения» приписывается Кеннету Колу и Джорджу Мармонту. Весной 1947 года Кол обнаружил, что можно использовать два электрода и цепь обратной связи для поддержания мембранного потенциала клетки на заданном экспериментатором уровне.

Два электрода были сделаны из тонких проводов, скрученных вокруг изоляционного стержня. Поскольку подобные электроды можно было вставить только в самые большие клетки, первые электрофизиологические эксперименты проводились почти исключительно на аксонах кальмаров.

В клетку помещали два электрода, один из которых измерял потенциал относительно внеклеточного электрода сравнения и передавал его значение на специальный усилитель, который сравнивал измеренный потенциал со значением командного. Это устройство вычисляло величину тока, необходимого для компенсации этой разницы потенциалов, и подавало через второй внутриклеточный электрод ток такой величины, чтобы потенциал на мембране клетки стал равен V_cmd (V_m = V_cmd). По амплитуде тока, необходимого для компенсации сдвига потенциала до V_cmd, можно было судить о токе через мембрану при данном значении мембранного потенциала. Ток при данном значении потенциала равен току, подаваемому на второй электрод, взятому с обратным знаком.

Рисунок 35. Схема фиксации потенциала с помощью двух электродов

Гигантский аксон кальмара стал первым препаратом, который мог быть использован для измерения напряжения и трансмембранного тока, что и стало основой пионерских экспериментов Ходжкина и Хаксли со свойствами потенциала действия. Летом 1952 года Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли опубликовали пять статей, описывающих, как ионные токи вызывают потенциал действия.

PS Метод двухэлектродной записи пережил множество усовершенствований и используется по сей день. А внедрение стеклянных хлорсеребряных электродов, заполненных солевым раствором, позволило использовать метод на более мелких объектах.

Режим фиксации разницы потенциалов на мембране (voltage clamp) идеально подходит для изучения электрофизиологических свойств ионных каналов мембраны. Но иногда требуется решение обратной задачи – записи потенциала при фиксированном значении тока, поэтому большинство современных устройств позволяет работать ещё и в режиме фиксации тока – current clamp. Во многом эти два режима зеркальны: в current clamp на постоянном уровне поддерживается ток, а потенциал записывается, а в voltage clamp – наоборот.

Овершут

Дальнейшие исследования показали, что вариант с «дыркой» в мембране предложенный Ю. Бернштейном не состоятелен: возникновение потенциала действия невозможно объяснить простым «закорачиванием» мембраны. Более того, эксперименты с измерением сопротивления мембраны показали, что в реальности ПД оказался заметно больше ПП.

Надо было как-то объяснить возникновение этого «дополнительного» потенциала. На самом деле для решения этой задачи все данные были уже известны, основные идеи высказаны – оставалось только их сопоставить и сделать решающий вывод.

Суть новой гипотезы заключалась в следующем. Кроме основного потенциала покоя, создаваемого ионами калия внутри клетки, существует ещё один «встречный» потенциал, создаваемый ионами натрия, находящимися во внеклеточной среде. Эти потенциалы суммируются. Пока нейрон пребывает в состоянии покоя, потенциалзависимые каналы мембраны закрыты и поддерживается равновесный суммарный ПП. Когда в результате возбуждения мембранный потенциал увеличивается до порогового уровня, например, с -70 до -55 милливольт, первыми открываются потенциалзависимые натриевые каналы, и ионы натрия устремляются внутрь клетки, вызывая краткое, но резкое увеличение количества положительных зарядов и поднимая мембранный потенциал до +40 милливольт. В ответ на это изменение мембранного потенциала натриевые каналы, открывшись на некоторое время, закрываются, а потенциалзависимые калиевые каналы ненадолго открываются, увеличивая отток положительно заряженных ионов калия из клетки и быстро возвращая мембранный потенциал к состоянию покоя —70 милливольт.

Совсем нелегко было прийти к таким представлениям. И вот почему: диаметр иона натрия в растворе раза в полтора больше диаметра ионов калия и хлора. И совершенно необъяснимо, как бо́льший по размеру ион проходит там, где не может пройти меньший1.

1 О том, как в 1998 разрешена эта загадка узнаем в главе «Исследование биологических мембран»

Рисунок 36. Модель потенциала действия Ходжкина – Хаксли.

Нужно было найти новое объяснение механизма перехода ионов через мембраны. Только осмосом движение ионов через мембрану не объяснить. И тогда была высказана идея, что ионы могут пересекать мембрану с помощью пока неизвестных белковых молекул. Причём эти «молекулы-такси» хорошо различают своих пассажиров, и никогда не путают ионы натрия с ионами калия.

Так элегантно были объяснены значения потенциалов покоя и действия. А следующим шагом стало объяснение распространения нервного импульса путём последовательного открытия натриевого и калиевого каналов мембраны.

Алан Ходжкин прекрасно разбирался в электричестве и дал такую иллюстрацию распространения сигнала в нерве. «Если специалист по электричеству посмотрит на нервную систему, то сразу увидит, что передача сигнала по нервным волокнам является огромной проблемой. Диаметр аксона в нерве варьирует от 0,1 до 20 микрон. Внутреннее содержимое содержит ионы и является неплохим проводником электричества. Однако, волокно невелико и его продольное сопротивление очень большое. Простой расчёт показывает, что в волокне диаметром 1 микрон и сопротивлением 100 Ом/см удельное сопротивление составит около 10¹⁰ Ом/см. Это означает, что электрическое сопротивление маленького нервного волокна длиной в 1 метр равно сопротивлению 10¹⁰ миль 0,2 мм медной проволоки, то есть проволоки длиной в десять раз больше, чем от Земли до планеты Сатурн» [43].

Требовалось найти другое обоснование электрической природы нервного импульса. И надо сказать, он его нашёл. И, решение это, не менее элегантно, чем объяснение овершута.

Ходжкин и Хаксли совместили теорию местных токов, предложенную Лудимаром Германом, кабельную теорию Томсона и собственную мембранную теорию. Ив вот что у них получилось:

После того как потенциал действия возникает на одном участке аксона, создаваемые при этом ионные токи возбуждают соседние участки, вызывая изменение потенциала действия и на них. Происходящая в результате цепная реакция обеспечивает распространение потенциала действия по всей длине нервного волокна от места, где он был вызван первоначально, до терминалий, предающих сигнал другому нейрону (или мышечной клетке).

Возможно, такая схема и работала бы в идеальных условиях, где нет потерь, так почти бесконечно распространялась бы волна от брошенного в океан камня. В реальных же условиях существуют утечки и другие явления, приводящие к тому, что на каждом следующем участке аксона реполяризация будет уменьшаться и бегущая волна постепенно затухнет. И это не единственная проблема.

Возник ряд сложных и до поры до времени неразрешимых вопросов:

– Почему амплитуда нервного импульса не уменьшается в процессе распространения (НИ не затухает)?

–Как восстанавливается исходный потенциал на мембране после прохождения НИ?

Как проходят ионы натрия и калия через мембрану?

В результате Ходжкин и Хаксли, предложили максимально полное на тот момент биофизическое описание потенциала действия, хотя методы исследования молекулярных механизмов нервного импульса стали доступными только в 80-х годах XX века.

Модели подобные Модели Ходжкина – Хаксли были созданы впоследствии и для других электрохимически возбуждаемых клеток – например, для сердечных миоцитов. И вот что примечательно, во многих русскоязычных источниках, все модели такого рода описывают как автоволновые процессы в активных средах. Более того пример автоволновых процессов в биологии напрямую отсылает читателей к модели Ходжкина – Хаксли.

Для того чтобы понять современное представление о распространении нервного импульса нам придётся сделать отступление и узнать кое-что про автоволновые процессы.

Автоволны

Автоволнами называют волны, распространяющиеся в активных средах, т.е. в средах с распределёнными запасами энергии. Простейшим примером активной среды является бикфордов шнур. Ещё Лудимар Герман предложил на рубеже XIX—XX веков этот пример для вероятного описания нервного импульса. В случае бикфордова шнура запасённая в нём химическая энергия в процессе горения расходуется на розжиг соседних ещё не сгоревших участков шнура. В результате возникает волна горения, распространяющаяся вдоль шнура. Подойдут в качестве примера и падающие костяшки домино, и распространяющийся степной пожар.

Обобщая можно сказать, что автоволны представляют собой самоподдерживающиеся сигналы, которые запускают процессы локального высвобождения запасённой в среде энергии, затрачивающейся на запуск аналогичных процессов в соседних областях.

Мы рассмотрели, пример в котором распространяющийся фронт пламени необратимо переключает её в «сгоревшее» состояние. Особый интерес для исследователей представляют так называемые активные среды с восстановлением, в которых протекают медленные процессы, возвращающие среду из низкоэнергетического состояния (после пробега автоволны) в исходное.

Разберём пример активных сред с восстановлением: горелку с медленно подводящими топливо фитилями. Представим себе горелку, устроенную следующим образом. В листе металла на близком расстоянии друг от друга просверлены отверстия, в которые вставлены полосы асбеста. Концы этих полос погружены в ванну с густым маслом. Асбест не горит, но когда он пропитывается маслом, то представляет собой фитиль, который можно поджечь. Скорость горения асбестового фитиля, пропитанного маслом, выше скорости поступления горючего вещества (масла). Поэтому фитиль через некоторое время погаснет. После этого за счёт диффузии он вновь пропитается маслом, и его вновь можно поджечь и т. д. Таким образом, фитиль может находиться в трёх состояниях: горение; пауза (рефрактерный период), когда засасывается масло; готовность вновь вспыхнуть после поджога (стадия покоя). Если в такой демонстрационной горелке поджечь один из фитилей, то от него загорится соседний. Первый фитиль вскоре погаснет (выгорит масло) но к этому времени по горелке уже побежит фронт пламени. Так технически остроумно была реализована активная среда с восстановлением: каждый её элемент (фитиль) может в отличие от бикфордова шнура вспыхнуть не один, а сколько угодно раз. Отметим, что повторный поджог можно осуществить не только от внешнего источника, но и пламенем, подошедшим по среде. Для этого достаточно линию фитилей, вдоль которой бежит пламя, замкнуть в кольцо, и пламя начнёт вращаться по ней [44].

Распространяющийся по аксону импульс также является автоволной; он представляет собой электрохимическую волну перехода между двумя состояниями: покоя, когда разность потенциалов на мембране волокна велика (приблизительно – 0.07 В), и активного состояния – возбуждения, когда разность потенциалов мала (около +0.02 В). При распространении нервного импульса в каждой точке возбудимой мембраны расходуется энергия, исходно запасённая в виде неравномерных концентраций ионов калия и натрия по обе стороны мембраны.

После прохождения нервного импульса мембрана остаётся деполяризованной и неспособной к следующему возбуждению (рефрактерный период). Чтобы восстановить возбудимость клетки, необходимо восстановить исходные потенциалы, то есть восстановить исходную концентрацию ионов (потенциал покоя).

Справится ли с этой задачей простой осмос? Ответ Ходжкина и Хаксли – нет! И тут на сцену выходят «молекулы помощники» – ионные насосы. Белковые молекулы, которые выкачивают из клетки ионы натрия и закачивают ионы калия. Причём делают это чрезвычайно быстро, судя по временному графику нервного импульса. Хотя, можно предположить, что ионные концентрации восстанавливаются за счёт их общего количества во внутри– и внеклеточном пространстве, а поддерживаются насосами.