Беседы о третьем элементе

Матчасть номер один (механика нервных импульсов)

Типичная нервная клетка состоит из собственно клеточного тела, из которого с одной стороны выходят воспринимающие тонкие отростки (дендриты), а с другой — один толстый, хорошо проводящий ток отросток с жировой изоляцией (аксон), по сути живой электрический провод. Из-за жирового покрытия аксоны имеют соответствующий цвет, поэтому участки мозга, составленные из такой проводки, называются белым веществом, а из тел нейронов, — серым. Дендриты воспринимают сигналы от других нейронов через синапсы (специальные контакты для передачи информации) и затем, изменяя электрическое напряжение на клеточной мембране, передают сообщение на тело нейрона. В нем постоянно анализируются сообщения, пришедшие со всех дендритов, и в случае существенного события принимается решение — передать сообщение другим нервным или функциональным клеткам. Делается это через аксон, на котором формируется мощный электрический импульс.

Первый, самый внутренний слой нервных клеток, прилегающий к пигментному, составляют рецепторные нейроны, имеющие отростки, способные непосредственно ощущать свет (рецепторы), палочки и колбочки. Палочки и колбочки, по всей видимости, возникли из дендритов, научившихся воспринимать информацию непосредственно со Светлой стороны, для этого они вырабатывают светочувствительные вещества родопсин и йодопсин. Первый содержится в палочках и реагирует почти на всю часть видимого спектра, от фиолетового до красно-желтого. Второй — в колбочках, и он бывает трех видов, чувствительных к синему, зеленому и красному цветам.

В живых организмах возбуждение нервных клеток и передача сигнала осуществляется с помощью очень древнего механизма создания электрического напряжения на клеточной мебране, реализуемого при помощи игры с ионами солей. Всем нам известны вещества под этим названием (к примеру, поваренная соль, хлорид натрия). Они составлены из атомов, имеющих диаметрально противоположную жизненную позицию по отношению к электрону: натрий его отдает, а хлор — забирает.

Электрон обладает отрицательным электрическим зарядом, поэтому атом хлора становится отрицательно заряженным, а, соответственно, атом натрия — положительно. Такие заряженные атомы или композиции атомов (молекулы) называтся ионами. Пока они вместе сидят в кристалле, дружно прижавшись друг к другу, разность зарядов незаметна, но если соль растворить, то ионы начинают гулять каждый сам по себе. Можно представить их себе как заряженные шарики — половина красных (положительных) и половина синих (отрицательных). Красные — это в основном ионы натрия (Na), калия (K), магния (Mg) и кальция (Ca). Ионы натрия по размеру меньше ионов калия, а ионы магния — ионов кальция. Ионы с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга, а с разным — притягиваются.

В морской воде, первой естественной среде обитания наших предков, ионов натрия больше, чем ионов калия, но живые клетки делают все наоборот, собирая в себе калий и убирая натрий. Неправильная концентрация ионов внутри клетки стремится выровняться, и если с такими шариками умело играть, то можно получить электрическое напряжение.

В обычном, спокойном состоянии мембрана типичной нервной клетки постоянно поддерживает небольшой электрический потенциал, отрицательный внутри клетки и положительный снаружи клеточной мембраны. Это так называемый потенциал покоя, он составляет около (-70) милливольт внутри клеточной мембраны.

Установление потенциала покоя происходит в две стадии. Сначала отрабатывают натрий-калиевые насосы, структуры из белковых молекул, встроенные в клеточную мембрану, которые активно и целенаправленно переносят через нее ионы, используя энергию клеточного горючего (аденозин трифосфата). Они захватывают ионы калия и, переворачиваясь, проталкивают их внутрь, а ионы натрия, напротив, переносят наружу. Оба иона — и калий, и натрий — несут положительный заряд, но ионов натрия переносится на треть больше, чем ионов калия. Поэтому с внутренней стороны мембраны возникает небольшой отрицательный потенциал, около 10 милливольт, по отношению к внешней стороне мембраны. Действие насосов приводит к тому, что в клетке накапливается во много десятков раз больше ионов калия, чем снаружи.

Кроме активных элементов, насосов, в мембране имеются пассивные, каналы, которые пропускают ионы в обоих направлениях. Но вторые — избирательны и позволяют пройти только своему типу ионов, кроме того, каналы могут быть открыты, а могут — закрыты.

Начальный потенциал в 10 милливольт, созданный насосами, открывает калиевые каналы, которые пропускают ионы калия, но не натрия. Так как концентрация калия внутри клетки во много десятков раз выше, чем снаружи, толпа ионов калия устремляется наружу, и на несколько десятков выходящих через каналы ионов калия приходится только один входящий. Таким образом клетку покидают положительно заряженные ионы, и отрицательный потенциал внутри клетки быстро растет до -70 милливольт. После этого наступает динамическое равновесие ионов калия, так как отрицательный заряд с внутренней стороны мембраны тянет их назад и начинает мешать им выходить наружу. Установившийся электрический потенциал, или напряжение, в (-70) милливольт называется потенциалом покоя, а процесс его установления — поляризацией.

При возбуждении мембраны типичной нервной клетки с установившимся потенциалом покоя открываются натриевые каналы, позволяющие ионам натрия выровнять концентрацию снаружи и внутри клетки, и разность электрических потенциалов меняется. Если это изменение превышает некоторое пороговое значение, то процесс становится лавинообразным. Все натриевые каналы открываются, и из-за притока внутрь положительно заряженых ионов натрия отрицательный потенциал внутри клетки уменьшается, а потом сдвигается в положительную сторону и в максимуме достигает (+30) милливольт. Устанавливается так называемый потенциал действия, а сам процесс называется деполяризацией.

После достижения деполяризации натриевые каналы моментально закрываются, и в действие вновь вступает механизм поляризации, быстро восстанавливая на старом участке прежнее состояние по описанному вначале механизму возникновения потенциала покоя. Процесс его восстановления называется реполяризацией. Но еще до того, как мембрана вернется в состояние покоя, потенциал действия открывает натриевые каналы на соседнем участке, порождая на нем возникновение нового потенциала действия в момент, когда старый уже угасает. Так возникает волна электрического напряжения, идущая по нервному волокну, или нервный импульс. Нервные импульсы служат сигналами, позволяющими нейронам обмениваться сообщениями.

Весь процесс создания нервного импульса проходит за две миллисекунды (две тысячных доли секунды): одна — на деполяризацию и одна — на реполяризацию. Теоретически нервная клетка может генерировать 500 (даже 800) импульсов в секунду, но на практике дело не доходит до более, чем 100–200. В палочках и колбочках биохимические процессы настолько сложны, что они генерируют всего 20 кадров/c.

На рисунке показан типичный нервный импульс с деполяризацией и реполяризацией. По оси «Y» — напряжение, по оси «X» — время.