Текст книги "Искра жизни. Электричество в теле человека"

Электропроводка организма

Нервные волокна передают электрические сигналы по всему организму. То, что мы обычно называем нервом, на деле представляет собой жгут из множества нервных волокон, окруженных защитной оболочкой, подобный кабелю, составленному из тысяч телефонных проводов. Большинство нервов располагаются в глубине ткани, которая защищает их от повреждения. Исключением являются окончания чувствительных нервов, которые пронизывают внешние слои кожи, и локтевой нерв, который подходит близко к поверхности кожи в локтевом сгибе. Это объясняет, почему при резком ударе локтя (локтевого отростка) острая боль пронизывает всю руку: удар возбуждает нерв точно так же, как и небольшой электрический разряд.

Нервные клетки – кирпичики, из которых строится нервная система, включая мозг. Они бывают разных форм и размеров, но все имеют клеточное тело с несколькими тонкими разветвленными отростками. Обычно один из отростков намного длиннее других, его называют нервным волокном или аксоном. Он может быть очень длинным. Аксоны локтевого нерва человека, например, тянутся от спинного мозга до кончиков пальцев. Блуждающий нерв – самый длинный из черепно-мозговых нервов – идет от мозга до желудка, и у жирафа его длина может превышать три метра. Независимо от длины отдельное нервное волокно очень тонкое – его диаметр не превышает десятой части толщины человеческого волоса.

Хотя нервные волокна могут проводить импульсы в любую сторону, обычно они передают их только в одном направлении. Двигательные нервы передают сигнал в наружном направлении: от головного и спинного мозга к мышцам для управления их сокращением, а чувствительные нервы передают информацию в обратном направлении – от органов чувств к головному мозгу.

Типичная нервная клетка с аксоном и разветвленными дендритами, которые отходят от клеточного тела, и с многочисленными пальцевидными отростками на окончании аксона.

Клеточное тело – это центр управления нервной клеткой: в нем находится ядро с генетическим материалом (ДНК). Многочисленные короткие отростки отходят от тела нервной клетки подобно ветвям дерева, поэтому их и называют дендритами, от греческого слова «дендрон» – дерево. Дендриты получают сигналы от других клеток и служат центрами обработки информации низшего уровня, которые объединяют всю входящую информацию перед ее передачей клеточному телу. Тела нервных клеток находятся почти исключительно в головном и спинном мозге, где их защищает «гематоэнцефалический барьер», отделяющий кровь от цереброспинальной жидкости, в которой находится головной и спинной мозг. Головной мозг выполняет роль командного центра всей нервной системы. В нем сосредоточены миллионы нервных клеток, каждая из которых имеет множество отростков и многочисленные связи с другими клетками мозга.

Импульс к действию

Нервные клетки передают информацию с помощью электрических сигналов, называемых нервными импульсами или потенциалами действия. Они бегут по нервному волокну со скоростью до 400 км/ч. Самыми быстрыми нервами являются те, что заключены в изолирующую миелиновую оболочку. Она формируется слой за слоем из мембран особых клеток (так называемых шванновских клеток), которые плотно обертывают аксон, подобно слоям рулета или туалетной бумаги на трубке рулона. Изолирующая миелиновая оболочка позволяет быстрее передавать электрические импульсы. При ее повреждении проводимость нерва нарушается.

Миелинизированный нерв. Видны слои изолирующего миелина, намотанные на аксон. Небольшой органоид в центре нерва – это митохондрия, один из генераторов энергии клетки.

Многочисленные шванновские клетки расположены вереницей вдоль всей длины аксона. Через каждые несколько микрометров между соседними шванновскими клетками образуется небольшой зазор, называемый перехватом Ранвье, который позволяет оголенной мембране нерва контактировать с внеклеточной жидкостью. Поскольку миелиновая оболочка является хорошим изолятором, электрический ток может течь от нервной клетки к внеклеточной жидкости только в местах перехватов. Перехваты, таким образом, служат ретрансляционными станциями, усиливающими потенциал действия и повышающими его скорость. Фактически нервный импульс движется быстрее в миелинизированных нервах потому, что его передний фронт перепрыгивает последовательно от перехвата к перехвату. Это объясняет, почему миелинизированные нервы передают потенциалы действия намного быстрее немиелинизированных нервных волокон.

Ярким примером критической важности миелина является синдром Гийена – Барре. Это редкое аутоиммунное заболевание обычно начинается с покалывания и слабости в ступнях, за которыми быстро следует паралич нижних конечностей, затем кистей рук и предплечий и под конец мышц грудной клетки, так что больной теряет способность дышать, и его приходится подключать к аппарату искусственного дыхания. В конечном итоге поражаются почти все нервы, включая лицевые. Человек при этом перестает говорить и может реагировать на вопросы только движением глаз. В самом тяжелом случае переход от нормального функционирования нервной системы почти к полному параличу может произойти за один день.

Синдром Гийена – Барре вызывают вырабатываемые организмом антитела, которые предназначены для защиты от чужеродных белков, но по неизвестным причинам атакуют собственные ткани – своего рода клеточный огонь по своим. Это приводит к потере миелина, разрушению оболочки нервов и прекращению передачи импульсов. Головной и спинной мозг не страдают от этого, поскольку антитела не могут преодолеть окружающий их гематоэнцефалический барьер и добраться до миелинизированных волокон. К счастью, этот паралич обычно не является необратимым, и как только антитела удаляются из системы, миелин восстанавливается. Вместе с тем процесс восстановления идет медленно, примерно по сантиметру в день, и высокому человеку может потребоваться больше года, чтобы к некоторым мышцам вернулась работоспособность. Во многих случаях полностью функции так и не восстанавливаются.

Аналогична причина и рассеянного склероза, который возникает в результате постепенного и неумолимого аутоиммунного разрушения миелиновой оболочки, ведущего к прогрессивной деградации проводимости нервов и в конечном итоге к потере координации и расстройству двигательной функции. Он может также приводить к слепоте при повреждении зрительных нервов. Одной из самых известных жертв этого заболевания была одаренная и обаятельная молодая британская виолончелистка Жаклин Дюпре. Когда ей было всего 26, она начала терять чувствительность кончиков пальцев и в скором времени полностью перестала чувствовать струны своего инструмента. Два года спустя она покинула сцену.

Разговоры нервов

Мы, люди, представляем собой цифровые системы с незапамятных времен. Задолго до зарождения идеи компьютера наши нервные волокна передавали импульсы, несущие цифровой код. Потенциалы действия подчиняются закону «все или ничего» – их амплитуда постоянна и не зависит от силы раздражителя. Возрастание силы раздражителя приводит к повышению частоты потенциалов действия. Наглядной аналогией является пулемет. При достаточно сильном нажатии на спусковой крючок пулемет стреляет, но если сила воздействия не достигает определенного порога, то пули (или потенциалы действия) не вылетают. Более того, информация по нервам передается во многом подобно пулеметной очереди – как поток идентичных потенциалов действия. При этом более сильный раздражитель вызывает генерирование большего числа импульсов. Такое частотное кодирование имеет значительные преимущества. Оно гарантирует, например, передачу электрических импульсов на большие расстояния без искажения информации или затухания сигнала.

Чтобы изучать процесс генерирования и распространения нервных импульсов, необходимы измерительные приборы, чувствительность которых достаточно высока для регистрации очень слабых и коротких электрических сигналов. У первых исследователей вроде Гальвани, несмотря на легкость наблюдения результатов воздействия нервного импульса – сокращения мышцы лягушки, не было возможности зарегистрировать его электрически. К середине XIX в. появились специальные приборы, названные (в честь Гальвани) гальванометрами. С их помощью многие исследователи убедились в том, что нервы и мышцы в самом деле генерируют собственные электрические сигналы, но и они не могли точно измерять их. Как ни печально, но если прибор был достаточно чувствителен, то ему не хватало быстродействия, а если он был достаточно быстродействующим, то ему не хватало чувствительности. Чтобы создать усилители, позволяющие точно измерять нервные импульсы, нейрофизиологам пришлось ждать изобретения электронной лампы (триода), первоначально разработанной для радиосвязи.

Эдгар Эдриан и Кит Лукас первыми стали экспериментировать с новой аппаратурой, которая усиливала ничтожный сигнал, генерируемый в нервном волокне, примерно в 2000 раз. Эдриан активно пропагандировал важность технологии в твердой уверенности, что «история электрофизиологии определятся историей развития электроизмерительной аппаратуры». Пропагандой дело не ограничивалось, и его лаборатория «была напичкана последними достижениями техники». Он говорил, что достигнутые им результаты «не являются плодом исключительно его личного упорного труда или проницательности. Это одна из тех вещей, которые иногда происходят в лаборатории, если вы подбираете необходимую аппаратуру и смотрите, что можно получить с ее помощью». Алан Ходжкин, ученик Эдриана, позднее иронично заметил, что большинство людей, даже если они «подбирают аппаратуру и смотрят вокруг, все равно не совершают таких же открытий, как Эдриан». Надо сказать, что к самому Ходжкину это не относилось.

Эдриан начал работать ассистентом Кита Лукаса в 1912 г., когда он еще учился в Кембридже. Лаборатория Лукаса располагалась в крошечном темном сыром подвале, который заливало водой после каждого дождя, и ученым приходилось устраивать дощатые настилы в сырую погоду (не самые подходящие условия для экспериментов с электричеством, которые в наши дни наверняка были бы запрещены в соответствии с требованиями техники безопасности). Лукас поставил перед Эдрианом сложную задачу – исследование распространения нервного импульса. Проведенные к тому времени эксперименты давали основание считать, что нервные волокна либо возбуждаются полностью, либо вообще не возбуждаются, но уверенности в этом не было. Однако, прежде чем им удалось прийти к какому-либо решению, исследование было прервано из-за начала Первой мировой войны. Лукас погиб в воздушной катастрофе при проведении испытаний аппаратуры для ВВС Великобритании. После войны Эдриан возглавил лабораторию своего наставника в Кембридже. В результате скрупулезного выделения отдельных волокон из нервного пучка и их исследования он обнаружил, что при возбуждении нерв генерирует серию очень слабых электрических импульсов постоянной амплитуды, но переменной частоты. Чем больше была сила раздражителя, тем выше становилась частота. Другими словами, интенсивность ощущения пропорциональна частоте импульсов чувствительного нерва.

Эдриан отмечал, что свидетельство этого проявилось совершенно неожиданно, и приводил пример с экспериментом, в котором он размещал электроды на зрительном нерве жабы. «В комнате была почти полная темнота, и меня озадачили повторяющиеся шумы, которые доносились из громкоговорителя, подключенного к усилителю. Они свидетельствовали об интенсивных потоках импульсов. И только связав эти шумы с собственным передвижением по комнате, я понял, что нахожусь в поле зрения глаза жабы и он генерирует сигналы в ответ на мои действия».

Судьба и удача

{7}7
  Ходжкин всегда связывал свой успех с судьбой и удачей.


[Закрыть]

К середине прошлого столетия все понимали, что нервы и мускулы передают информацию с помощью электрических импульсов, однако как нервные импульсы генерируются и распространяются по волокнам, было загадкой.

Первые эксперименты, проложившие путь к решению этой загадки, проводились с использованием нервных волокон кальмара, в результате чего это живое существо заняло особое место в сердцах физиологов. Человеком, обнаружившим, что у обычного кальмара (Loligo forbesii) нервное волокно видно невооруженным глазом, был Джон Янг. Высокий, с копной серебряных волос, полный заразительного энтузиазма, Джон Янг оставлял неизгладимое впечатление. Каждое лето он убегал от всех в Плимут или в Неаполь, чтобы заниматься исследованием осьминогов и кальмаров. Именно там он впервые обратил внимание на то, что мантия кальмара пронизана нервными волокнами огромной толщины. Эти гигантские клетки проводят нервные импульсы очень быстро и позволяют кальмару мгновенно скрываться от врага, с силой выбрасывая струю воды. Они также обеспечивают исследователей бесценным препаратом для изучения процесса генерирования нервных импульсов и дают превосходный предлог для проведения времени на морском побережье. Особой популярностью пользуются две морские лаборатории, где всегда есть свежие кальмары: лаборатории биологии моря в Плимуте (Англия) и в Вудс-Хоуле на полуострове Кейп-Код (США).

Огромные размеры аксона кальмара – диаметр от половины миллиметра до миллиметра – позволяли ввести электрод непосредственно в аксон и измерить разность потенциалов между точками внутри и снаружи клетки. Впервые такой эксперимент провели в начале августа 1939 г. два молодых ученых из Кембриджа: Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли{8}8
  Эндрю Хаксли происходит из очень известного семейства. Он является внуком Томаса Хаксли – «бульдога Дарвина», который страстно защищал и пропагандировал теорию эволюции; его единокровными братьями были романист Олдос Хаксли и биолог Джулиан Хаксли. Ходжкин также происходит из известного семейства ученых, в котором многие были историками.


[Закрыть]. Для Хаксли, который тогда был еще студентом, эксперимент был первой пробой сил в сфере научных исследований. Они осторожно выделили одно гигантское нервное волокно, подвесили его вертикально на крючке и ввели тонкий серебряный электрод (защищенный стеклянным капилляром) в продольном направлении в центр аксона, не касаясь стенок. Второй электрод был помещен в морскую воду, окружавшую аксон. Это позволило определить разность потенциалов просто путем измерения напряжения между электродами.

Потенциал действия. Показаны отрицательный мембранный потенциал покоя и кратковременный положительный скачок, происходящий при генерировании импульса нервной клеткой.

Измерения показали, что внутренний потенциал нервной клетки в спокойном состоянии примерно на 50 мВ более отрицателен, чем наружный потенциал. Такой результат не был неожиданным, поскольку предположения об отрицательном потенциале покоя уже высказывались. Он возникает в результате утечки положительно заряженных ионов калия из клетки в состоянии покоя, как уже говорилось в предыдущей главе. Сюрпризом оказалось то, что при возбуждении нерва с помощью небольшого электрического разряда и генерировании нервного импульса разность потенциалов на мембране кратковременно изменялась на противоположную и внутриклеточный потенциал становился почти на 50 мВ более положительным, чем наружный. Такой «положительный скачок» потенциала полностью перечеркивал существовавшие представления и требовал переосмысления механизмов функционирования нервов.

Ходжкин и Хаксли впервые зарегистрировали потенциал действия 5 августа 1939 г., и это открытие чрезвычайно взволновало их. Они быстро опубликовали в журнале Nature короткую заметку о нем без каких-либо подробностей. А три недели спустя, 1 сентября, Гитлер вторгся в Польшу, Великобритания объявила войну Германии, и ученым пришлось оставить их эксперименты на целых восемь лет. Как ни печально, но у них не было времени на осмысление результатов, поскольку они очень быстро включились в решение более неотложных военных проблем.

В первые месяцы войны Ходжкин все же пытался описать результаты их работы в развернутой статье, однако сделать этого так и не смог – слишком много сил отнимала работа на оборону, а к 1940 г. «военные действия приняли такие масштабы, и потребность в радаре сантиметрового диапазона была настолько острой», что он «потерял всякий интерес к нейрофизиологии» и стал заниматься исключительно радаром. Ходжкину пришлось посвятить массу времени изучению необходимых разделов физики, но он об этом не жалел, поскольку очень быстро попал в команду, которая разрабатывала коротковолновую авиационную радиолокационную систему для ночных истребителей, позволявшую обнаруживать вражеские бомбардировщики в темноте. Работа была опасной – она включала в себя полетные испытания прототипов системы, а в первых образцах высоковольтной аппаратуры нередко случались замыкания в разреженном воздухе на большой высоте, они горели и наполняли самолет едким дымом. Хаксли также был очень занят – он работал над применением радиолокационных систем в корабельных зенитных артиллерийских установках.

Если британские ученые не могли продолжать исследования во время войны, то в Соединенных Штатах исследования не прекращались. Кеннет Коул (известный как Кейси) и его коллега Говард Кертис тоже занимались регистрацией потенциалов действия в аксонах кальмара в вудс-хоулской лаборатории. К сожалению, некоторые их результаты были ошибочными. Они иллюстрировали свои отчеты «типичными» графиками, но, как многие ученые, приводили не репрезентативную выборку, а всего один график, лучший с их точки зрения, т. е. с наибольшими значениями. Однако наибольшее не всегда является наилучшим. Впоследствии Коул допустил возможность плохой калибровки аппаратуры, поскольку по их замерам выходило, что потенциал действия превосходит потенциал покоя почти на 100 мВ. Такой гигантский потенциал действия не укладывался ни в одну известную теорию, что задержало решение загадки работы нервного импульса. Эта поучительная история напоминает ученым о том, что «типичные данные» действительно должны быть типичными.

Укрощение аксона

После окончания войны Ходжкин и Хаксли вновь стали работать вместе и в 1945 г. наконец опубликовали детальные результаты экспериментов, датированных 1939 г. Они выпустили полномасштабный отчет, содержавший четыре возможных объяснения полученных результатов, которые, как ученые позднее признали, были неправильными. Чего им не хватало, так это дополнительных экспериментов. Дело осложнялось тем, что привести лабораторию в Плимуте в рабочее состояние было непросто. Здания сильно пострадали в результате воздушных налетов, кальмары были дефицитом, да к тому же, как заметил Ходжкин, он «забыл многие тонкости метода». Когда наконец появилась возможность возобновить эксперименты (случилось это в 1947 г.), Хаксли наслаждался медовым месяцем, и Ходжкин взял в помощники Бернарда Каца, молодого беженца из нацистской Германии.

Во время войны Ходжкин и Хаксли пришли к убеждению, что потенциал действия должен возникать в результате кратковременного повышения проницаемости мембраны нервной клетки для ионов натрия, и Ходжкину не терпелось проверить эту идею. К его радости, импульсы регистрировались, когда аксон находился в нормальной морской воде, и отсутствовали, когда ионы натрия в морской воде замещались на другие ионы. Все выглядело так, что именно ток, создаваемый ионами натрия, которые двигались из внешнего раствора внутрь аксона, лежал в основе изменения полярности потенциала действия. Между прочим, этот ток действительно возникает в результате открытия натриевых каналов в мембране аксона, но тогда никто, в том числе и Ходжкин с Хаксли, не подозревал о существовании ионных каналов.

Большую проблему для понимания того, как именно работают нервы, представлял характер потенциала действия – все или ничего. Ничто не происходило до тех пор, пока электрический раздражитель не превышал определенный порог, а после этого все протекало мгновенно – мембранный потенциал неожиданно и взрывообразно изменялся от уровня покоя до более положительного примерно на 100 мВ уровня, а затем быстро возвращался к исходному состоянию. Нужно было каким-то образом не допустить вызванное раздражителем изменение мембранного потенциала и сохранить его постоянным, с тем чтобы можно было измерять токи, связанные с изменением потенциала. Этого удалось добиться с помощью оригинального метода, получившего название «фиксация потенциала». Он предполагал подачу тока, равного по амплитуде, но противоположного по направлению тому, что тек через мембрану. Мембранный ток при этом нейтрализовывался, и потенциал не менялся. Более того, величина тока, текущего через мембрану, была прямо пропорциональна подаваемому току, что обеспечивало точное измерение токов, приводящих к возникновению потенциала действия. Проблема, таким образом, получила блестящее решение.

Метод фиксации потенциала был независимо разработан Ходжкином и Кацом в Плимуте и Коулом совместно с Джорджем Мармонтом в Вудс-Хоуле. Американцы быстрее справились с технической частью и первыми начали экспериментировать с фиксацией потенциала (этот термин очень не нравился Коулу), в 1947 г. Коул сообщил Ходжкину о своих экспериментах, и когда в марте 1948 г. тот приехал в Вудс-Хоул, они обменялись информацией о достижениях. Ходжкин быстро понял, что аппаратура Коула была лучше. По возвращении в Англию он и Хаксли модифицировали свою систему с учетом достижений Коула и всего лишь за месяц, в августе 1949 г., получили все данные, необходимые для того, чтобы продемонстрировать, как работают нервы. Секрет их успеха заключался в использовании сложной аппаратуры и подхода, который сильно отличался от подхода Коула.

Коула очень удивила быстрота их продвижения, в своих комментариях он отмечал, что «Ходжкин и Хаксли продвигаются с потрясающей скоростью… Я периодически получал сообщения от них, однако так и не оценил блистательной простоты фундаментальных концепций и эффектных деталей [их анализа…]. Лишь после того, как Ходжкин прислал мне черновой вариант своей рукописи… я начал понимать, во что превратилась моя простая идея по укрощению аксона кальмара». Последнее предложение вместе с заявлением Коула о том, что «свободный обмен методами и результатами позволил им [т. е. его соперникам] в течение года повторить всю мою работу и добиться очень значительных успехов» – это намек на смятение, которое породили в его душе достижения кембриджских ученых.

Изящные эксперименты Ходжкина и Хаксли показали, как именно нерв генерирует электрический импульс. Потенциал действия возникает под действием повышения проницаемости мембраны для ионов натрия. Проницаемость повышается в результате открытия натриевых каналов, которые позволяют потоку положительно заряженных ионов натрия проходить в нервную клетку и смещать мембранный потенциал в положительную сторону (деполяризация). Менее чем через миллисекунду открываются калиевые каналы, выпускающие ионы калия из нервной клетки и возвращающие мембранный потенциал к уровню покоя (реполяризация). Совместно эти противоположные потоки ионов генерируют кратковременное изменение потенциала, которое и составляет нервный импульс.