Текст книги "Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе"

Какой бы ни оказалась формула определения скорости нервного импульса, накопленных наблюдений хватает для утверждения – чем тоньше сосуд, тем меньше скорость. Тогда, следуя закону сохранения энергии придётся допустить в сужающихся нервных волокнах, изменение либо длительности импульса, либо его амплитуды. Но потенциал действия не изменяется, он либо есть, либо его нет. Остаётся длительность. Или всё-таки давление? И тогда можно даже допустить возможность гидроудара в терминали аксона. Какой простой способ для объяснения выброса нейромедиатора!

Возрастание амплитуды нейротона при приближении к терминали может значительно влиять на передачу его к следующей клетке. Возможно настолько, что иногда не потребуется никаких ни химических, ни электрических синапсов для его дальнейшего распространения.

Если же волокно расширяется в направлении распространения нейротона, то его амплитуда и скорость должны уменьшаться, вплоть до прекращения эффекта потенциала действия. И это подтверждается практическими исследованиями. Оказалось, что при расширении волокна гигантского аксона кальмара в 6 раз потенциал действия не может пройти через это расширение (но, возможно, нейротон проходит, просто мы не наблюдаем эффекта ПД). Наверное, поэтому мы всегда говорим о распространении ПД в аксоне и никогда об этом явлении на мембране в районе сомы клетки.

Официальное объяснение изменения скорости нервного импульса при распространении по волокнам, меняющим размер своего сечения, базируется на таких чисто электрических свойствах мембраны как входное сопротивление и ёмкость. То есть объяснение не через физические процессы, а через математическую модель.

Кто бы исследовал зависимость параметров нервного импульса от диаметра волокна в сужающихся волокнах.

Джордж Рассел не только был первооткрывателем солитонов, он установил и некоторые их свойства. Во-первых, заметил, что такая волна движется с постоянной скоростью и без изменения формы [64]. Во-вторых, нашёл зависимость скорости V этой волны от глубины канала h и высоты волны a, где g – ускорение свободного падения (исследования проводились в водных каналах).

,(2.1)

Солитонные модели завораживают своей оригинальностью и новизной, им приписывают едва ли не мистические свойства, и они очень похожи на нервные импульсы.

Так и хочется привязать солитонные модели к нервным импульсам. Красиво, современно и наконец модно. И такие попытки делались и даже не один раз. Например, рассматривались варианты описания распространения самого (электрического) потенциала действия как солитона. Или изменение агрегатного состояния липидного слоя (клеточной мембраны) с упругого на желеобразное в результате действия акустических солитонов.

Как было бы здорово применить уравнение Кортевега – де Фриза для бегущей волны. Именно она могла бы дать объяснение и постоянства скорости волны и её сравнительно малой величины.

Или волновое уравнение – линейное гиперболическое дифференциальное уравнение в частных производных, описывающее малые поперечные колебания тонкой мембраны или струны, а также другие колебательные процессы в сплошных средах.

Или просто применить накопленные знания об ударных волнах, которые к слову так сложны, что понимают их только специалисты по гидродинамике.

Интересен вариант, предложенный Хаймбургом и Эндрю Джексоном.

Солитон, является решением уравнения в частных производных:

где t – время, x – положение вдоль нервного аксона, Δ ρ – изменение плотности мембраны под влиянием потенциала действия, c ₀ – скорость звука нервной мембраны, p и q описывают природу фазового перехода и тем самым нелинейность упругих постоянных нервной мембраны.

Параметры c₀, p и q определяются термодинамическими свойствами нервной мембраны и не могут регулироваться. Они должны быть определены экспериментально. Параметр h – описывает частотную зависимость скорости звука в мембране (дисперсионное соотношение).

Вышеупомянутое уравнение не содержит никаких параметров подбора (в отличие от модели Ходжкина – Хаксли).

Анализируя предложенное уравнение, можно заметить, что Хаймбург и Джексон, рассматривали в качестве солитона волну распространения изменений плотности мембраны (Δ ρ).

Следующий фундаментальный вопрос – как возбуждается нейротон? Для существующей теории Ходжкина – Хаксли было найдено электрохимическое объяснение. Казалось бы, тут всё просто, есть рецепторы – такие образования, способные воспринять энергию раздражения и трансформировать её в электрический (химический) нервный сигнал. Рецептор выбрасывает в синаптическую щель нейромедиатор, что вызывает скачок потенциала на мембране нейрона.

Но так ли всё на самом деле?

Рецепторы кожи, например, обеспечивают три типа чувствительности. Это – тактильная, температурная и болевая чувствительности. Остановим своё внимание на самом распространённом – первом типе.

Тактильные ощущения (осязание) сигнализируют об особенностях нашего непосредственного окружения и обеспечиваются наличием в коже различных типов механорецепторов1.

Механорецепторы делятся на два основных типа. Первые обладают специализированными волосковореснитчатыми структурами, участвующими в актах первичной рецепции. Рецепторы второго типа менее чувствительны к механическим воздействиям и не имеют никаких специальных структур; восприятие стимула в этом случае осуществляет непосредственно механочувствительная мембрана (!) нервного окончания. [65]

Самыми изученными механорецепторами первого типа являются клетки Меркеля.

Клетка Меркеля (или клетка Меркеля-Ранвье) – механорецептор в коже позвоночных, необходимый для улавливания прикосновений. Впервые была описана в 1875 году немецким гистологом Фридрихом Зигмундом Меркелем. Клетка имеет округлую форму, её диаметр составляет около 10 мкм. Особенно много таких клеток содержится в высокочувствительных участках кожи, как, например, в эпидермисе ладоней человека (там их число колеблется от 200 до 400 штук на мм², тогда как на обычной поверхности кожи всего 20 на мм²).

Чаще всего клетки Меркеля связаны с окончаниями сенсо́рных нервов и тогда называются тельцами Меркеля.

А может ли эта клетка генерировать не химические вещества, вызывающие потенциал действия в дендрите, а гидродинамическую волну?

1 Механорецепторы – сенсо́рные структуры животных и человека, воспринимающие различные механические раздражения из внешней среды или от внутренних органов.

Рисунок 60. Клетка Меркеля

Цитирую учебник, «…При растяжении они выбрасывают серотонин в синаптическую щель, тем самым возбуждая электрический потенциал действия в соматосенсо́рных нервах». С таким же успехом предположу, что «При растяжении в них возникает перепад давления, который передаётся в нервную клетку, тем самым возбуждая нейротон».

При чём здесь фотография надутой перчатки? Это не шутка? Нет – это лабораторная модель клетки Меркеля. Представим себе, что эта перчатка не из латекса, а материала менее эластичного и заполнена она не воздухом, а жидкостью. Тогда механическое воздействие на любой палец перчатки вызовет вполне заметное изменение давления внутри неё.

И напоследок о рецепторах замечу, что наиболее распространённый вид кожных рецепторов – это «свободные нервные окончания».

Рисунок 61. Нейрон со свободным окончанием (слева)

Просто надутая перчатка.

И напоследок орецепторах замечу, что наиболее распространённый вид кожных рецепторов – это«свободные нервные окончания».

Свободные нервные окончания часто сильно ветвятся, в результате чего одно нервное волокно может иннервировать большую площадь. Области иннервации отдельных нервных волокон обычно значительно перекрывают друг друга.

Но как же возникают нервные импульсы в свободных нервных окончаниях? Ответ напрашивается такой – мембраны нейронов сами воспринимают механические раздражения, а изменение электрического потенциала возникает вследствие этого раздражения.

Любой скептик скажет, что выводы мои надуманны и ничем не обоснованы. Что ж, давайте обратимся к примеру, из доверенного источника – J.Malmivuo, R.Plonsey. Bioelectromagnetism. Oxford University Press. New York, Oxford. 1995.

Тельце Пачини – механорецептор, который под микроскопом напоминает луковицу. Он имеет длину 0,5—1 мм и толщину 0,3—0,7 мм и состоит из нескольких концентрических слоёв. Центр тéльца включает ядро, в котором расположена немиелинизированная терминальная часть афферентного нейрона. Первый перехват Ранвье также находится внутри ядра. В тельце присутствует несколько митохондрий, что свидетельствует о высокой выработке энергии.

Тельца Пачини – быстро адаптирующиеся рецепторы преимущественно вибрационной чувствительности. Эти образования особенно восприимчивы к вибрации костной ткани: большое их количество расположено в надкостнице длинных трубчатых костей. Тельца Пачини генерируют один или два нервных импульса при сдавливании и столько же – при прекращении воздействия. Рецептор возбуждается при кратковременном механическом смещении на 0, 5 мкм в течении 0,1 мкс.

Рисунок 62. Тельце Пачини

Вернер Р. Левенштейн [66] стимулировал тельце пьезоэлектрическим кристаллом и измерял генерируемый потенциал (у немиелинизированного терминального аксона) и потенциал действия (у узлов Ранвье) с помощью внешнего электрода. Он постепенно отделял слои тельца, и даже после того, как последний слой был удалён, нервное окончание генерировало сигналы, подобные тем, которые наблюдались при неповреждённой капсуле.

Рисунок 63. Эксперименты Левенштейна с тельцем Пачини.

(A) Нормальный отклик генерируемого потенциала на увеличение приложенной силы (a) – (e).

(B) Слои тельца были удалены, оставив нервное окончание нетронутым. Реакция на приложение механической силы не отличается от A.

(C) Частичное разрушение миелинизации не меняет реакцию по сравнению с A или B.

(D) Блокировка первого узла Ранвье исключает начало процесса активации, но не мешают генерации потенциала действия.

(E) Дегенерация нервного окончания прекращает генерацию потенциала.

Графики (a) – (e) показали соотношение силы раздражения и величины генерируемого потенциала.

Напряжение генератора обладает свойствами, аналогичными свойствам возбуждающего постсинаптического напряжения. (слабый стимул генерирует низкое напряжение генератора, тогда как сильный стимул генерирует большое напряжение генератора.)

Когда Левенштейн разрушил нервное окончание, генерация потенциала прекратилась. Это наблюдение послужило основанием для предположения, что сам датчик находился в нервном окончании.

Но можно сделать и другой вывод – в ответ на внешнее механическое воздействие в луковице тельца Пачини генерируется механическое раздражение «понятное» терминальной части нейрона.

Опять никакой химии – нейрон реагирует непосредственно на механическое воздействие.

А как же с температурными рецепторами? Ответ можно подсмотреть в описании гидравлической гипотезы распространения вариабельного потенциала растений: «Если в качестве повреждающего раздражителя используют локальный ожог, то предполагается, что локальное увеличение давления может также развиваться вследствие действия высокой температуры, увеличивающей объём газа и давление во внеклеточном пространстве. Это выражается в увеличении толщины листа и, что более важно, кратковременно увеличивает объём и давление в узких сосудах ксилемы сосудистых пучков. Таким образом, ожог выступает в качестве сильного индуктора гидравлического сигнала, который проявляется в повышении ксилемного давления, тургорного, и толщины листа и/или стебля». [67]

Традиционно, на мой субъективный взгляд, учёные пытаются исследовать мозг по двум фронтам. Одни изучают возможно самый совершенный и самый сложный механизм вцелом, таких любят СМИ. Их инструменты – ЭЭГ, МРТ, рентген и КТ. Другие – лабораторные труженики выискивают для исследований максимально примитивные нервные системы – моллюсков, червей и других малопрезентабельных, для непосвящённого обывателя, существ. Так прославились аплизия, нематода, водоросли нителлы, кальмары.

Приведу цитату из монографии Профессора Петербургского университета Николая Петровича Вагнера «Беспозвоночные Белого Моря», напечатанной в 1885 году. Профессор создал при Соловецком монастыре первую в России морскую биологическую станцию, где и выполнил великолепное для своего времени нейробиологическое исследование клиона (Clione limacina) – крылоногого моллюска, называемого также морским ангелочком. «При первом взгляде на узлы нервной системы клиона каждый наблюдатель наверное будет поражён громадной величиной их клеток… При взгляде на эту громадную величину… мне пришло на мысль исполнить давнишнее желание и разобрать хоть у одного беспозвоночного типа вполне весь комплекс нервной системы. Такой разбор, по всей вероятности, привёл бы к объяснению, хотя гадательному, многих функций нервной системы у большей части, если не у всех, беспозвоночных животных. Правда, мне хотелось сделать эту работу без особого труда, и прозрачность, или, так сказать, откровенность нервной системы клиона давала мне в этом случае надежду на успех [12].

На сегодня, самая изученная нервная система нематоды Caenorhabditis elegans насчитывает 302 нейрона. Найти бы животное с одной-двумя нервными клетками! Ведь ни нервные системы, ни нервные клетки не появились сразу в виде сложных систем. Они, как и все прочие клетки есть продукт дифференциации одной клетки в процессе эволюции.

Их общим предком была одна единственная протоклетка одноклеточного животного. Была она одна-одинёшенька, жила, размножалась делением и ничто не менялось в течении бессчётных поколений её предков. Пока однажды образовавшиеся в результате деления клетки не расстались, как это было всегда, а склеились бочками1. И, оказалось, что это дало двум слипшимся клеткам некоторое эволюционное преимущество. Это не было преимущество многоклеточного животного над одноклеточным, а нечто более простое.

Возможно, так легче найти питание? У одноклеточных животных есть мембранные рецепторы, которые, как правило сосредотачиваются на полюсах клетки, однако это не позволяет им улавливать разницу концентраций между полюсами, поскольку они слишком малы.

Если же клеток множество, то вероятность решения этой задачи упрощается. Но, чтобы её решить, предстояло выработать механизм межклеточного информационного взаимодействия. Механизм этот уже присутствовал, клеткам предстояло научиться им пользоваться.

От простого взаимодействия клеток внутри организма, до переноса информации на значительные расстояния.

Предположим первая клетка, назовём её клетка-А, попала в среду с изменённой ионной концентрацией. Это вызовет изменение нескольких параметров клетки – электрического потенциала на её поверхности, внутриклеточного давления и как следствие изменение объёма. Вторая клетка, назовём её клетка-Б, должна уловить эти изменения. Допустим, она почувствует изменение электрического потенциала на мембране клетки-А.

Таким образом клетка-А оказалась рецептором клетки-Б.

Рассмотрим другую ситуацию – механическое воздействие на клетку-А. Клетка отреагирует изменением своего объёма (сжатие) и изменением внутреннего давления, что в свою очередь изменит ионную концентрацию внутри клетки, а это приведёт к изменению мембранного потенциала. Клетка-Б, уловив изменение мембранного потенциала соседки в обратной последовательности через изменения мембранного потенциала, давления и объёма получит информацию о механическом воздействии на клетку-А. Но есть и более короткая схема: клетка-Б просто почувствует ударную волну от клетки-А.

Если же клетка-А окажется повреждена, это вызовет изменение ионной концентрации возле клетки-Б, а она передаст информацию об этом другим своим соседям клеткам-В, Г и так далее. А если удалённые клетки сами научатся реагировать на такую ситуацию? Если колония клеток отгородится от внешнего мира общей оболочкой, и протоплазма разрушенной клетки распространится внутри колонии? Возможно это прототип гормональной регуляции у животных и вариабельного потенциала у растений.

По мере роста колонии и функциональной дифференциации клеток, возникла задача передачи информации об угрозе, например, не всем подряд клеткам, а конкретным, ответственным за бегство. Для спасения организма, это должно быть сделано быстро и на относительно большое расстояние. Клетки-передатчики, пошли по простому пути, они начали вытягиваться. При этом мембранные рецепторы концентрировались на концах клетки. Постепенно они эволюционировали в известные сегодня электрические сигнальные нейроны.

Будучи примитивными эти прообразы нервных клеток не обладали синапсами, им было свойственно проведение возбуждения в обе стороны. То, что в современных примитивных нервных системах мы называем электрическими синапсами.

Сегодня подобные системы встречаются у примитивных беспозвоночных, они используют электрическую сигнализацию для моторики и других аспектов, необходимых для выживания.

Их нейроны являются изополярными, что означает отсутствие специализации у их отростков, а, следовательно, отростки проводят возбуждение в любую сторону и не образуя при этом длинных проводящих путей.

Отсутствие специализированных отростков приводит к отсутствию специализированной рецепции. Например, у гидры есть отдельные рецепторные клетки, но они не способны различать специфику разных раздражителей. Следствием этого является отсутствие чётко дифференцированной ответной реакции. Кишечнополостные способны формировать реакции побега при воздействии неблагоприятных факторов среды, не дифференцируя сами факторы, а воспринимая лишь их угрожающий эффект.

Не стоит учиться арифметике по учебнику квантовой физики или теории струн. Чтобы понять, как работает мозг, надо узнать, как работает один нейрон. Чтобы разобраться в работе одного нейрона (в составе мозга), следует выяснить как работали его примитивнейшие прообразы. Если начать с азбуки межклеточного взаимодействия, мы возможно раскроем не только тайны мозга. Но и откроем для себя механизмы межклеточного информационного взаимодействия и в других органах, и даже в растениях.

Зачем нам менять представление о природе нервного импульса? Зачем переходить с испытанной временем модели электрических потенциалов действия к каким-то солитонным моделям? Какая разница, если и так ясно откуда и куда бегут нервные сигналы, не изменяется представление о мембранах и ионных каналах? К тому же исследовать электрические сигналы современными инструментами гораздо проще, чем механическими.

Но, возможно, только с точки зрения механики человечеству удастся наконец понять такие вещи:

арифметику взаимодействия нервных импульсов,

информационную составляющую нервных импульсов,

и то, как происходит запоминание.

1 Мы можем поспорить на тему происхождения первого многоклеточного животного, но объективных данных так мало, что спор сведётся к тому, чья фантазия лучше.

Память. Как хранится информация

Как работает память человечеству пока неизвестно. Традиционное представление о хранении информации в мозге нашло воплощение в технологии искусственных нейросетей. Основная идея его такова: запоминание основано на изменении силы существующих и создании новых синаптических связей между нейронами. Так ли это на самом деле? Верю, что время покажет, а пока давайте рассмотрим и другую гипотезу.

Как хранится информация в ЭВМ? Хранение бита (единицы информации) в машине требует устройства, которое может находиться в одном из двух состояний, например, такого как выключатель (включён или выключен), реле (открыто или закрыто) или флаг на флагштоке (поднят или опущен). Одно из состояний используется для обозначения 0, второе для обозначения 1.

В докомпьютерные времена был изобретён электрический триггер – это схема, которая на выходе имеет значение 0 или 1, и это значение остаётся неизменным до тех пор, пока управляющий сигнал, не заставит его переключиться на другое значение. Таким образом, триггер может находиться в одном из двух состояний, первое соответствует запоминанию двоичного нуля, другое – запоминанию двоичной единицы.

Чтение информации – это, по сути, проверка ответа триггера, в каком он сейчас состоянии 1 или 0.

Некоторые современные нейрокомпьютерщики, и я в том числе, считают, что нечто подобное происходит и в нейроне. Хотя большинство традиционно предполагают, что информация хранится в синапсах, или даже что носителем информации является сама связь между двумя нейронами. Это очень интересные модели, поддерживаемые скорее медиками нежели инженерами. Поэтому я в дальнейших рассуждениях буду исходить из гипотезы о том, что именно нейрон является элементарной единицей хранения информации.

Оригинальную и очень интересную мысль высказал в 1960-х годах известный советский вирусолог В. Л. Рыжков. Сущность её заключается в том, что информация в мозге фиксируется не за счёт процессов, имеющих чисто химическую природу, а за счёт процессов, изменяющих конфигурацию нервных клеток. В качестве таковых он предположил изменения некоторых участков хромосом ядра клетки.

Как известно, 60-е годы были временем необычайного прогресса в понимании универсальной информационной системы живых существ – языка наследственности.

Оказалось, что посредством всего четырёх химических «букв» можно записать не только строение каждой клетки живого организма, но и сложные, поражающие своим разнообразием формы его поведения. Но если врождённое знание записано в виде последовательности нуклеотидов, то почему знание приобретённое должно кодироваться как-то иначе?

Однако время показало, что изменений в ДНК нейрона при запоминании не происходит. И про гипотезу просто забыли. А может быть зря.

Ведь главная мысль не оспорена – для того чтобы нейрон сохранил информацию он должен измениться. Изменение это и есть запись.