Текст книги "Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе"

История альтернативных гипотез

Признаюсь, я не первый, кто обращается к идее гидродинамики и солитона для объяснения нервного импульса.

Совершенствование методов исследований на микроскопическом уровне в какой-то момент позволило увидеть, что аксональный потенциал действия сопровождают быстрые изменения диаметра аксона и давления внутри нервного волокна.

Немного лет спустя были зарегистрированы изменения в оптических свойствах волокон. Но, не зная, как и почему это происходит учёные отклонили результаты наблюдений как случайные побочные продукты нервного импульса или как дефекты эксперимента.

Так что, несмотря на накопленный с тех пор большой массив экспериментальных данных, среди учёных нет консенсуса ни по физической природе этих механических волн, ни по их взаимозависимости с электрическими потенциалами мембраны.

Ичиджи Тасаки (Тасаки Ichiji, 10.10.1910 – 4.01.2009) американский биофизик и врач японского происхождения.

Тасаки приписывают открытие изолирующей функции миелиновой оболочки, а также объяснение сальтаторного эффекта при распространении нервного импульса в миелинизированном волокне.

Он родился в Японии в 1910 году. Здесь, по настоянию своей матери, посещал медицинскую школу, в которой в 1938 получил степень доктора медицины. Однако Тасаки решил не заниматься врачебной практикой, а сосредоточился на биофизике.

Тасаки получил степень доктора медицины в Университете Кейо в Японии, где он исследовал нервные волокна позвоночных и объяснил изолирующую функцию миелиновой оболочки. Он был первым, кто показал, что электрические импульсы, распространяющиеся вдоль миелинизированных нервных клеток, как бы «прыгают» между разрывами миелиновой оболочки – перехватами Ранвье. Этот процесс, называемый «сальтаторным проведением», описан в большинстве учебников по физиологии, но ни в одном не упоминается имя Тасаки.

Впервые объяснение сальтаторного эффекта было опубликовано в статье в Американском журнале по физиологии в 1939 году. Во время Второй мировой войны последующие рукописи, написанные на немецком языке, отправлялись для публикации во Франкфурт, сначала через СССР, а затем на немецкой подводной лодке.

После Второй мировой войны он некоторое время работал приглашённым учёным в исследовательских институтах Швейцарии и Англии, а затем в 1951 году переехал в Соединённые Штаты, где продолжил исследования в Вашингтонском университете в Сент-Луисе. Его работа там прояснила ключевые детали того, как вибрации, возникающие в улитке уха в ответ на звук, преобразуются в электрические сигналы, которые мозг может интерпретировать. Эти открытия привели к развитию аудиологии, предоставляя основу для диагностики и лечения многих нарушений слуха.

В 1953 году Тасаки присоединился в качестве приглашённого учёного в тогдашний Национальный институт неврологических заболеваний и слепоты. С 1966 по 1984 год он был начальником лаборатории нейробиологии NIMH, а затем старшим научным сотрудником, пока не «вышел на пенсию» в 2008 году. В возрасте 97 лет он считался самым старым действующим учёным в истории Национальных Институтов Здоровья (США). После отставки он был назван почётным учёным и продолжил свою научную работу до самой смерти.

Он продолжал работать по семь дней в неделю, когда ему было уже далеко за 90. Однажды, в декабре 2008 г., прогуливаясь рядом со своим домом, он потерял равновесие и ударился головой о землю. Через неделю Тасаки умер, в возрасте 98 лет.

Список достижений этого учёного настолько велик, что большинство сочло бы любое из его открытий карьерным событием. Некоторые из них достойны нобелевской премии. Но, признавая «огромный вклад Тасаки в научное понимание» в посвящённом его кончине некрологе больше говорится о том, как долго и как много он работал, а не о том, как много открытий совершил.

Ещё в 1940-х годах учёные заметили, что, когда волна возбуждения проходит по нервному волокну, полупрозрачная клетка ненадолго становится более мутной. К 1968 году Тасаки и другие исследовательские группы нашли доказательства того, что, когда проходит импульс, молекулы в мембране физически перестраиваются, а затем возвращаются в исходное состояние.

Исследователи ожидали, что электрический импульс будет выделять тепло, – так обычно бывает, когда течёт электричество. Однако несколько разных групп учёных обнаружили нечто странное. Температура нервного волокна поднялась на несколько миллионных долей градуса Цельсия в момент прохождения импульса, но затем быстро упала. Тепло не рассеивалось, за несколько тысячных долей секунды нерв поглотил основную его часть.

Такое временное расширение, перестройка молекул, нагревание и охлаждение привели Тасаки к ошеломляющему выводу: нервный сигнал не был просто скачком напряжения, это было очень похоже на механическую волну. Специалисты, изучавшие нервы с помощью электродов, упускали большую часть происходящего.

В течение 1960-х годов Тасаки впервые использовал красители, флуоресцирующие при электрической стимуляции нейронов для наблюдения за физическими изменениями в нервных мембранах при передаче импульсов. Он измерил тепло, генерируемое и поглощаемое при прохождении нервного импульса.

Считается, что именно Ичиджи Тасаки впервые применил термодинамический подход к феномену распространения нервного импульса. Тогда он отметил несколько факторов, не учтённых в модели Ходжкина – Хаксли (изменение температуры и давления при прохождении ПД).

Другое его открытие (1980, Статья «Механические изменения в аксонах гигантских кальмаров, связанные с выработкой потенциалов действия»), описывающие механические изменения в аксонах гигантских кальмаров при прохождении нервного импульса [56], не столь успешно вписалось в общепринятую доктрину распространения нервных импульсов, но возможно именно оно принесёт настоящую славу Ичиджи Тасаки. И, как ни удивительно, это последнее открытие явилось логическим завершением первого, совершенного почти полвека назад – открытия сальтаторной проводимости (1930,40-е годы) которое можно было бы считать пиком его карьеры.

Оказалось, что потенциал действия в гигантских аксонах кальмара сопровождается быстрым и небольшим «набуханием» и смещением поверхности около 0,5 нм, при увеличении давления около 1 дин/см². (По другим данным амплитуда изменения давления составляла около 1 мПа.)

В 1979 году Тасаки провёл необычный эксперимент. Глядя в микроскоп, он осторожно положил крупинку блестящей платины на тонкую белую нить – пучок нервных волокон краба, оголённый в процессе вскрытия конечности животного, и направил лазер на платину. Регистрируя отражение света лазера, он смог обнаружить движения, означавшие, что пучок волокон быстро расширялся и сужался во время прохождения импульса. Вместе со своим тогдашним аспирантом Кунихико Ивасой (Kunihiko Iwasa) он провёл сотни измерений. Спустя неделю ответ был ясен: каждый раз, когда импульс шёл по нервным волокнам, они быстро расширялись, а затем снова сужались за несколько десятых долей секунды. Максимальное набухание достигалось на пике потенциала действия.

Изменения были очень слабыми: поверхность мембраны поднималась всего на семь миллиардных долей метра. Но это абсолютно совпадало с моментом прохождения электрического импульса, подтверждая предположение, которое Тасаки лелеял годами: Ходжкин и Хаксли ошибались.

Тогда Тасаки предположил, что расширение объёма происходит как следствие бокового расширения возбуждённой части волокон, где поверхностный слой превращается в гелеобразную структуру с низкой плотностью.

Всю оставшуюся жизнь Тасаки исследовал эти эффекты. Он пришёл к выводу, что они возникали не в клеточной мембране, а в слое белковых и углеводных волокон, расположенном под ней. Согласно его теории, когда проходит нервный импульс, волокна поглощают ионы калия и воду, набухая и нагреваясь, а когда импульс проходит дальше, процесс оборачивается вспять.

Тасаки, развивая эти идеи, постепенно начал двигаться против общего научного течения. Не в его пользу работали и другие факторы. Он вырос в Японии, и его английская речь была неестественной. «Вам надо было очень много знать, чтобы что-то серьёзно с ним обсуждать, – говорил Питер Бэссер (Peter Basser), руководитель секции нейробиологии в Национальных институтах здравоохранения, который был знаком с Тасаки на протяжении 20 лет. – И я думаю, что многие люди не догадывались, насколько он компетентен и проницателен». И хотя Тасаки сотрудничал со многими учёными, у него не было учеников, которые продвигали бы его идеи.

Ярким примером раскола между Тасаки и другими учёными стало идеологическое соперничество с ещё одним известным нейробиологом из Национальных институтов здоровья, Кеннетом Коулом (Kenneth Cole), сторонником традиционных взглядов. Хотя эти два человека работали в одном и том же лабораторном здании в 1950—1970-х гг., они почти не разговаривали в течение 15 лет, за исключением публичных мероприятий, где они обменивались колкостями.

Со временем работы Тасаки исчезли из поля зрения. «Я не думаю, что кто-то сомневался в достоверности его наблюдений, поскольку его уважали в лаборатории», – говорит Адриан Парсегян (Adrian Parsegian), биофизик из Массачусетского университета в Амхерсте, работавший в Национальных институтах здравоохранения с 1967 по 2009 г. Открытия Тасаки скорее «считались неважными» для передачи нервных сигналов, не более чем побочный эффект изменения заряда. Механизмы явления не были объяснены, говорит Парсегян: «Одна часть информации попала в учебники, а другая – нет».

Основываясь на открытиях Тасаки, Конрад Кауфман в своей неопубликованной рукописи предложил рассмотреть звуковые волны в качестве физической основы для распространения нервного импульса.

В 2005 году Томас Хаймбург (Thomas Heimburg) и Андрю Д. Джексон (Andrew D. Jackson) предложили модель, основанную на предположении, что сигнал по нейронам распространяется по клеточной мембране в виде солитонов – устойчивых волн [57]. (Напомню, что в ещё 1879 г. немецкий физиолог Лудимар Герман рассматривал модель, в которой уподобил нерв телефонному кабелю, в котором, однако, волны должны взаимодействовать нелинейно. Только вот, решать подобные математические задачи в то время, не умели).

Физик Томас Хаймбург, специалист по квантовой механике и биофизике столкнулся с работой Тасаки в середине 1980-х годов, когда занимался своим диссертационным исследованием в Институте биофизической химии Общества им. Макса Планка в Геттингене. Увлёкшись он стал проводить всё больше времени в библиотеке, изучая старые статьи. В конце концов он нашёл иное объяснение открытиям Тасаки. Хаймбург пришёл к выводу, что и механические колебания, и оптические трансформации, и временное изменение температуры могут происходить в липидных мембранах нейронов, а не в белковых и углеводных волокнах под мембраной, как предполагал Тасаки.

К концу 1990-х годов Хаймбург начал проводить собственные эксперименты. Он сжимал искусственные клеточные мембраны, чтобы увидеть, как те будут реагировать на механические волны. В результате было открыто кое-что важное: липиды мембраны обычно находятся в жидком состоянии, их молекулы повёрнуты случайным образом, но они близки к тому, что физики называют фазовым переходом. Достаточно чуть-чуть сжать мембрану, и липиды сконденсируются в высокоупорядоченную жидкокристаллическую структуру.

Проведя эксперименты, Хаймбург стал утверждать, что нервный импульс – это механическая волна, которая идёт по мембране. Продвигаясь, она сжимает липиды мембраны так, что они образуют жидкий кристалл, при этом выделяется небольшое количество тепла, так же как при замерзании воды. Затем, когда волна прошла, через несколько тысячных долей секунды мембрана возвращается в жидкое состояние и при этом поглощается тепло. Быстрый переход в жидкокристаллическую форму и обратно сопровождается расширением мембраны, что и наблюдали Тасаки с Ивасой, освещая лазером крупинку платины.

Хаймбургом было сделано ещё одно оригинальное предположение – механическая волна и фазовый переход могут быть связаны со скачком напряжения, происходящим при прохождении импульса. Хаймбург обнаружил, что может перевести мембрану в жидкокристаллическое состояние, просто изменив мембранный потенциал. По его словам, люди изменяли мембранный потенциал на протяжении почти 70 лет, но никто из электрофизиологов никогда не проверял наличие жидкокристаллической структуры. Возможно мембраны представляют собой пьезоэлектрики – материалы, способные преобразовывать физические воздействия в электрические сигналы и наоборот. Это значит, что электрический импульс, идущий по мембране, вызывает механическую волну. Или наоборот, механическая волна, идущая по мембране, вызывает изменение напряжения.

Зачем Хаймбург занялся наблюдением за нервами при анестезии?

На полках у Хаймбурга были книги по физике, а не по биологии. Среди них были и книги Германа Гельмгольца, который в середине 1800-х годов сформулировал важнейшее правило термодинамики, что энергия может переходить в другую форму, но не может быть создана или уничтожена. Напомню, Гельмгольц тоже измерял скорость нервных импульсов. «Я считаю, что обязательно надо читать эти старые тексты, – говорит Хаймбург. – Они отражают постепенное открытие фундаментальных связей между энергией, температурой, давлением, напряжением и фазовыми переходами». Эти принципы лежат в основе представлений Хаймбурга о работе нейронов, представлений физика, пробивающего себе дорогу в чужой (и недружелюбной) научной области.

Он быстро заметил слабые места в популярных объяснениях действия анестезии. Биологи считают, что анестезия выключает нервы, блокируя ионные каналы – проходы в мембране нейрона, которые закрываются и открываются, пропуская ионы натрия или калия. Но поскольку разные анестетики имеют совершенно разную молекулярную структуру, Хаймбург усомнился, что все они связываются с ионными каналами. Это «совершенно нелепое» объяснение, разочарованно говорил он как о чем-то абсолютно очевидном. Тут должно быть что-то «более глубокое и основательное».

Идеи Хаймбурга отчасти сформировались под влиянием старой книги «Исследования наркоза» (Studien ber die Narkose), опубликованной Эрнестом Овертоном (Ernest Overton) в 1901 г. Описываемый там эксперимент привлёк внимание Хаймбурга. Овертон взял десятки разных анестетиков и каждый из них поместил в колбу, содержащую воду, где сверху был слой оливкового масла. Он потряс каждую колбу, а затем подождал, пока вода и масло снова разделятся. Далее для каждого анестетика он определил, сколько оказалось в воде, а сколько в масле. Чем более сильным действием на животных обладал анестетик, тем больше его оказывалось в масле. Такой поразительный результат был позже подтверждён для новых анестетиков. Оливковое масло и клеточные мембраны состоят из похожих молекул, которые называются «жирные кислоты».1

В начале 1950-х годов датчанин Йенс Скоу (Jens Christian Skou) изучал механизм действия анестетиков. Он также заметил, что действие анестетика связано с его способностью растворяться в липидном слое клеточной мембраны и блокировать натриевые каналы. Сначала Скоу предположил, что канал является белковой молекулой и его перекрытие в нейронах приводит к тому, что нервные клетки теряют способность к возбуждению, а это приводит к анестезии.

Продолжение исследования этого вопроса привело его к нобелевской премии за открытие в 1957 году такой разновидности АТФ-азы, которая активируется катионами натрия и калия. Так был обнаружен первый ионный насос – фермент, который создаёт прямой перенос ионов через клеточную мембрану.

Кстати, Чарльз Овертон, первым в 1902 году наблюдавший свойства анестетиков в масле тоже вошёл в историю, он высказал идею, что клеточные мембраны состоят из тонкого слоя фосфолипидов.

Хаймбург же предположил, что анестетики встраиваются в клеточные мембраны и изменяют их физические свойства.

Данную идею подтвердили эксперименты с искусственными мембранами. Когда Хаймбург ввёл в мембрану анестетик, это помешало ей переходить в жидкокристаллическую форму при понижении температуры до того значения, при котором обычно происходит этот переход, совсем так же, как соль или сахар снижают температуру замерзания воды.

Хаймбург пришёл к выводу – когда в мембране затруднён фазовый переход, механическая волна не проходит по нервному волокну, и это объясняет, почему анестетики выключают нерв. Причём он предсказал, что препятствие можно преодолеть. Для кристаллизации мембраны надо создать более высокое давление, например, увеличив силу тока раздражения. Более сильный электрический ток действительно преодолел влияние анестетика.

Если анестезию можно победить, сильнее ударив током, значит то же самое можно сделать, увеличив физическое давление на мембрану. Биологи открыли это явление ещё в 1942 г. Они использовали два разных анестетика, этанол и уретан, чтобы наркотизировать головастиков до такой степени, что те не могли плавать. Затем учёные поместили животных в гипербарическую камеру с давлением в 136 раз выше атмосферного. Анестезирующий эффект исчез: головастики возобновили плаванье. Когда давление понизили, головастики снова легли неподвижно. «Это удивительно, – говорил Хаймбург улыбаясь. – Как могло прийти в голову воздействовать повышенным давлением на одурманенных головастиков?»

1 Основываясь на этих наблюдениях Э. Овертон выдвинул предположение о том, что клеточная мембрана предоставляет собой одномерный липидный слой.

Когда Хаймбург и его коллега Эндрю Джексон впервые опубликовали свою теорию в 2005 году, они не наблюдали ни одного такого электромеханического импульса в динамике.

Этот пробел восполнил один из бывших студентов Хаймбурга – биофизик Маттиас Шнайдер (Matthias Schneider), работавший тогда в Техническом университете Дортмунда. В 2009 году он сообщил, что может вызвать механическую волну, подав напряжение на искусственную мембрану. Сила импульса была схожа с той, которая наблюдается в нервных клетках. Волна перемещалась со скоростью приблизительно 50 м/с. В 2012 году Шнайдер подтвердил, что механическая волна и электрический импульс – это составляющие одной и той же волны, идущей по мембране.

Однако главное открытие Шнайдер сделал в 2014 году. Ключевая особенность нервного импульса – закон «всё или ничего». Если нейрон получает слабый сигнал, потенциал действия не пойдёт, если сигнал достаточно сильный, то пойдёт. Существует определённый порог. Шнайдер обнаружил, что электромеханические волны на его искусственных мембранах действительно распространялись по принципу «всё или ничего». Казалось, что определяющий фактор – достаточно ли сильно сжата мембрана, чтобы произошёл переход в жидкокристаллическую форму. Только тогда, по словам Шнайдера, «вы получите импульс».

Группа биологической физики Матиаса Шнайдера изучила распространение двумерных звуковых волн в липидных интерфейсах и их возможную роль в биологической сигнализации. В результате была создана первая солитонная модель распространения нервного импульса.

Строилась она на утверждении, что клеточная мембрана имеет «точку замерзания» (пороговую температуру, при которой её консистенция изменяется от жидкой к гелеобразной). Температура эта лишь немного ниже температуры тела организма. И это свойство мембраны является условием распространения солитонов. Потенциал действия, распространяющийся вдоль нервного волокна, вызывает незначительное повышение температуры. В этот момент она «становится жидкой», что приводит к её деформации и диффузии ионов. По прошествии нервного импульса температура снижается, и мембрана возвращается в исходное состояние. Авторы идеи считали величину упругости мембраны нелинейной функцией температуры и давления в окрестности перехода плавления, и доказывали, что эта особенность приводит к возможности распространения солитонов в мембранах.

В таком виде солитонная модель попала под шквал критики. Сторонники модели попытались объяснять с точки зрения термодинамики и физическое расширение нервов при распространении импульса, и обратимое выделение тепла, и эффект анестетиков, и электрическую индукцию потенциалов. Но как объяснить работоспособность модели в условиях широкого диапазона температур (потенциалы действия присутствуют при 0° C)? Не нашлось ответа и на другой довод скептиков: как в рамках предложенной солитонной модели объяснить селективность мембраны к ионам K⁺ и Na⁺.

Хаймбург до сих пор расстроен тем, как биологи реагируют на его идеи. Он столкнулся с яростным противодействием с того момента, как в 2005 году опубликовал свою теорию в Proceedings of the National Academy of Sciences USA, хотя журнал пользуется большим уважением.

Консервативные нейробиологи считают, что вся работа пропитана превосходством физика, который думает, что может просто прийти в другую область и наставить людей на путь истинный.

Одно дело – говорить, что в нервах действуют и механические, и электрические силы, и совсем другое – отвергать представления о том, что ионные каналы играют ключевую роль в проведении сигнала, как это делают Хаймбург и Шнайдер – это их самое большое и наиболее сомнительное отклонение от общепринятой линии в биологии. Для них неважно, что учёные обнаружили сотни белков ионных каналов или что лекарства могут избирательно влиять на потоки ионов, или что учёные создают мутации, изменяющие белки и влияющие на возбудимость нейронов.

Хаймбург и Шнайдер признают, что эти белки должны играть некоторую роль. Но они ссылаются на эксперименты, где показано, что нервные волокна временно «набухают», когда по ним проходят импульсы, потому что молекулы воды текут внутрь сквозь мембрану через те же ионные каналы, которые впускают натрий, а затем вытекают через ионные каналы, выпускающие калий.

Хаймбург и Шнайдер заняли непримиримую позицию. Возможно когда-нибудь они разделят Нобелевскую премию. Или они не придут ни к чему, увязшие в своём упрямстве, как на много десятилетий застрял Тасаки.

Ажиотаж вокруг этой темы немного затих.

Модель Ходжкина – Хаксли устояла и укрепилась. Но, если опустить идею с «точкой замерзания», то есть физический смысл в заявленной гипотезе, то в математическом описании гидродинамической волны как солитона эта модель очень перспективна.

А Хаймбург тем временем продолжает свои исследования. В 2014 году он повторил эксперимент с наркотизированным головастиком, используя искусственные мембраны вместо животных: когда он повысил давление до 160 атмосфер, действие анестетиков прекратилось, но теперь Хаймбург мог связать это с фазовым переходом в мембране. В 2016 году он точно измерил в одиночной клетке механическую волну, которую Тасаки и Иваса впервые описали в 1979 году.

Интересно, что тепловая энергия в передающем сигнал нерве может быть в два раза больше того значения энергии электрического сигнала, которое принято в нейробиологии. То, что эти неэлектрические характеристики попали в немилость, отчасти произошло по историческим причинам. Хаймбург утверждает, что в старых экспериментах систематически недооценивалось количество выделяемого тепла, поскольку там было сразу много нейронов, поглощение тепла после раннего прохождения импульса сглаживало картину выделения тепла от более поздних импульсов.

Тасаки измерял тепло, выделяемое пучком волокон, а Хаймбург планирует с помощью микрочипа оценить изменение температуры одиночного нейрона. Эксперимент должен ответить на главный аргумент критиков его теории: что быстрый переход участка мембраны из жидкого состояния в кристаллическое и обратно должен сопровождаться выделением, а затем поглощением большего количества тепла, чем наблюдал Тасаки. Если измерения подтвердят данный факт, это будет в пользу его утверждения, что по мембране передаётся механическая волна.