Физиолог Вячеслав Дубынин о свойствах нейронов, потенциалах действия и цитоплазме нервных клеток
Между
нейронами сигнал передается в особых структурах, которые называются
синапсы. Передача информации в синапсах идет за счет выделения
химических веществ, то есть по химическому принципу. Пока информация
остается внутри нервной клетки, передача идет электрическим путем за
счет того, что по мембране нервных клеток распространяются особые
электрические импульсы — потенциалы действия.
Это короткие ступеньки электрического тока, они имеют примерно треугольную форму и бегут по мембране дендритов, по телу нейрона аксону и в конце концов достигают синапсов.
Можно сравнить потенциалы действия с двоичным кодом компьютера. В компьютере, как известно, вся информация кодируется последовательностью нулей и единиц. Потенциалы действия — это, по сути, единички, которые кодируют все наши мысли, чувства, сенсорные переживания, движения и так далее. Подключившись к правильному месту нейросети и подавая на нервные клетки подобного рода электрические импульсы, мы можем заставить человека почувствовать, например, положительные или отрицательные эмоции, или вызвать какие-то сенсорные иллюзии, или управлять работой внутренних органов. Это, конечно, очень перспективный раздел современной нейрофизиологии и нейромедицины.
Для того чтобы управлять потенциалами действия, нужно понимать, откуда они берутся. В принципе, потенциалы действия можно сравнить с ситуацией, когда вы с помощью электрического фонарика подаете сигналы своему товарищу на другом берегу реки. То есть вы нажимаете на кнопку, фонарик вспыхивает, и дальше каким-то секретным кодом вы что-то передаете. Для того чтобы ваш фонарик работал, внутри нужна батарейка, то есть некий заряд энергии. Нервные клетки, для того чтобы генерировать потенциал действия, должны тоже обладать таким зарядом энергии, и этот заряд называется потенциал покоя. Он существует, он присущ всем нервным клеткам и составляет примерно -70 мВ, то есть -0,07 В.
Изучение электрических свойств нейронов началось достаточно давно. То, что в живых организмах присутствует электричество, поняли еще в эпоху Возрождения, когда заметили, что лягушачья лапка подергивается от ударов током, когда поняли, что электрический скат излучает потоки энергии. Дальше был поиск тех технических приемов, которые позволили бы уже всерьез подойти к нервным клеткам и посмотреть, какие электрические процессы там происходят. Здесь мы должны поблагодарить кальмара, потому что кальмар — это такое замечательное животное, которое обладает очень толстыми аксонами. Это связано с особенностями его образа жизни: у него существует складка-мантия, которая сокращается и выбрасывает воду, возникает реактивный импульс, и кальмар движется вперед. Для того чтобы много мышц мантии сокращались энергично и одновременно, нужен мощный аксон, который сразу бы на всю эту мышечную массу передавал импульсы. Аксон имеет толщину 1–1,5 мм. Еще в середине XX века научились его выделять, вставлять внутрь тонкие электрические проволочки, измерять и регистрировать те электрические процессы, которые происходят. Тогда стало уже понятно, что существует потенциал покоя и потенциал действия.
Принципиальный рывок произошел в тот момент, когда изобрели стеклянные микроэлектроды, то есть научились делать очень тонкие стеклянные трубочки, которые внутри заполнены раствором соли, скажем KCl. Если такую трубочку очень аккуратно (это надо, конечно, делать под микроскопом) подвести к нервной клетке и проколоть мембрану нейрона, то нейрон, немного повозмущавшись, продолжает нормально работать, и вы видите, какой у него внутри заряд и как этот заряд меняется, когда происходит передача информации. Стеклянные микроэлектроды — это базовая технология, которая используется и сейчас.
Ближе к концу XX века появился еще один способ, он называется patch-clamp, когда стеклянный микроэлектрод не протыкает мембрану, а очень аккуратно к ней подводится, кусочек мембраны присасывается, при этом очень небольшая площадь мембраны клетки подвергается анализу, и можно смотреть, как работают, например, отдельные белковые молекулы, такие как различные ионные каналы.
Использование всех этих технологий позволило для начала понять, откуда берется потенциал покоя, откуда берется заряд внутри нервных клеток. Оказалось, что потенциал покоя связан прежде всего с накоплением ионов калия. Электрические процессы в живых организмах отличаются от тех электрических процессов, которые происходят в компьютере, потому что физическое электричество — это в основном движение электронов, а в живых системах — движение ионов, то есть заряженных частиц, прежде всего ионов натрия, калия, хлора, кальция. Эта четверка в основном обеспечивает разные электрические явления в нашем организме: и в нервной системе, и в мышцах, и в сердце — это очень важный раздел современной физиологии.
Когда стали анализировать состав цитоплазмы нервных клеток, то оказалось, что в цитоплазме нейронов по сравнению с внешней средой много калия и мало натрия. Эта разница возникает за счет работы особой белковой молекулы — натрий-калиевого насоса (или натрий-калиевой АТФазы). Надо сказать, что натрий-калиевый насос находится на мембранах всех клеток, потому что живые клетки так устроены, что им необходим избыток калия внутри цитоплазмы, например, для того, чтобы нормально работали многие белки. Клетки обменивают внутриклеточный натрий на внеклеточный калий, закачивают калий, удаляют из цитоплазмы натрий, но при этом пока заряд не меняется, потому что обмен более-менее эквивалентен. У обычной клетки, не нервной, внутри избыток калия, но никакого заряда нет: сколько положительно заряженных частичек, столько и отрицательно заряженных; есть, например, калий, хлор или анионы различных органических кислот.
Для того чтобы эта система приобрела отрицательный заряд, происходит следующее. В какой-то момент созревания нейрона на его мембране появляются постоянно открытые каналы для калия. Это белковые молекулы, и для того, чтобы они появились, должны заработать соответствующие гены, постоянно открытые каналы для калия позволяют калию выходить из цитоплазмы, и он выходит, потому что внутри его примерно в 30 раз больше, чем снаружи. Работает всем известный закон диффузии: частицы (в данном случае ионы калия) выходят оттуда, где их много, туда, где их мало, и калий начинает «убегать» из цитоплазмы через эти постоянно открытые каналы, специально для этого приспособленные.
Банальный ответ на вопрос «А как долго он будет убегать?», казалось бы, должен звучать: «Пока концентрация не уравняется», но все несколько сложнее, потому что калий — это заряженная частица. Когда убегает один калий, внутри в цитоплазме остается его одинокая пара, и цитоплазма приобретает заряд -1. Убежал второй калий — заряд уже -2, -3… По мере того как калий убегает по диффузии, растет внутренний заряд цитоплазмы, и заряд этот отрицательный. Плюсы и минусы притягиваются, поэтому по мере нарастания отрицательного заряда цитоплазмы этот заряд начинает сдерживать диффузию ионов калия, и им выходить становится все сложнее и сложнее, и в какой-то момент возникает равновесие: сколько калия убегает благодаря диффузии, столько же входит благодаря притяжению к отрицательному заряду цитоплазмы. Эта точка равновесия и составляет примерно -70 мВ, тот самый потенциал покоя. Нервная клетка сама себя зарядила и теперь готова использовать этот заряд, для того чтобы генерировать потенциалы действия.
Когда стали изучать, откуда берется потенциал действия, то заметили, что для пробуждения клетки, чтобы она сгенерировала импульс, нужно стимулировать ее довольно определенной силой. Стимул, как правило, должен поднять заряд внутри нервной клетки до уровня примерно -50 мВ, то есть потенциал покоя — -70 мВ, а так называемый порог запуска потенциала действия — где-то -50 мВ. Если поднять заряд до такого уровня, нейрон как будто просыпается: вдруг в нем возникает очень большой положительный заряд, который доходит до уровня примерно +30 мВ, а потом быстро опускается примерно до уровня потенциала покоя, то есть от 0 до 1, а потом опять к 0. Вот она, ступенька тока, которая дальше способна передавать информацию.
Откуда она берется? Почему нейрон вдруг проснулся и выдал этот импульс? Оказалось, что здесь работают другие ионные каналы — не постоянно открытые, а ионные каналы со створками. В тот момент, когда заряд в нервной клетке достигает уровня -50 мВ, эти створки начинают открываться, начинается движение ионов. Сначала открывается натриевый канал, примерно на полмиллисекунды, в нейрон успевает войти порция ионов натрия. Натрий входит потому, что, во-первых, его в цитоплазме мало — примерно в 10 раз меньше, чем снаружи, и, во-вторых, он положительно заряженный, а цитоплазма заряжена отрицательно, то есть плюс притягивается к минусу. Поэтому вход идет очень быстро, тотально, и мы наблюдаем восходящую фазу потенциала действия. Потом натриевые каналы (одновременно работают тысячи каналов) закрываются, и открываются калиевые каналы, электрочувствительные и тоже со створками. Это не те, которые постоянно открыты, а это каналы, у которых есть специальная белковая петля (канал — это цилиндр, внутри которого есть проход), которая открывается, как турникет, и ионы калия получают возможность выходить из цитоплазмы и выносят большое количество положительного заряда, и в целом заряд в нейроне опускается до уровня потенциала покоя. Калий в этот момент мощно выходит наружу, потому что мы находимся на вершине потенциала действия, уже нет -70 мВ, калия внутри много, а снаружи мало, он выходит, выносит положительный заряд, и система перезарядилась.
Мембрана нервной клетки организована таким образом, что если в одной точке возник такой импульс — а он в основном возникает в зоне синапсов, там, где медиатор возбудил нервную клетку, — то этот импульс способен распространяться по мембране нервной клетки, и это есть передача. Распространение импульса по мембране нейрона — отдельный процесс. К сожалению, он происходит довольно медленно — максимум 100 м/с, и на этом уровне мы, конечно, уступаем компьютерам, потому что электрический сигнал по проводам распространяется со скоростью света, а у нас максимум 100–120 м/с, это немного. Поэтому мы довольно медленные организмы по сравнению с компьютерными системами.
Для того чтобы изучать работу ионных каналов, физиологами используются специальные токсины, которые блокируют эти каналы. Самый известный из этих токсинов — тетродотоксин, яд рыбы фугу. Тетродотоксин выключает электрочувствительный натриевый канал, натрий не входит, потенциал действия не развивается, и сигналы по нейронам вообще не распространяются. Поэтому отравление рыбой фугу вызывает постепенно развивающийся паралич, потому что нервная система перестает передавать информацию. Подобным действием, только более мягким, обладают местные анестетики вроде новокаина, которые используются в медицине для того, чтобы очень локально прекратить передачу импульсов и не запускать болевые сигналы. Для того чтобы изучать нейроны, используются животные модели, записать нервные клетки человека можно только по очень особым поводам. Во время нейрохирургических операций бывают такие ситуации, когда это не только допустимо, но и необходимо. Например, для того чтобы точно выйти на ту зону, которую нужно разрушить, скажем, при какой-нибудь хронической боли.
Есть способы, чтобы записывать электрическую активность мозга человека более тотально. Это делается во время регистрации электроэнцефалограммы, там одновременно записываются суммарные потенциалы действий миллионов клеток. Есть еще одна технология, она называется технология вызванных потенциалов. Эти технологии дополняют то, что нам дают томографические исследования, и позволяют достаточно полно представить ту картину электрических процессов, которая имеет место в мозге человека.
Это короткие ступеньки электрического тока, они имеют примерно треугольную форму и бегут по мембране дендритов, по телу нейрона аксону и в конце концов достигают синапсов.
Можно сравнить потенциалы действия с двоичным кодом компьютера. В компьютере, как известно, вся информация кодируется последовательностью нулей и единиц. Потенциалы действия — это, по сути, единички, которые кодируют все наши мысли, чувства, сенсорные переживания, движения и так далее. Подключившись к правильному месту нейросети и подавая на нервные клетки подобного рода электрические импульсы, мы можем заставить человека почувствовать, например, положительные или отрицательные эмоции, или вызвать какие-то сенсорные иллюзии, или управлять работой внутренних органов. Это, конечно, очень перспективный раздел современной нейрофизиологии и нейромедицины.
Для того чтобы управлять потенциалами действия, нужно понимать, откуда они берутся. В принципе, потенциалы действия можно сравнить с ситуацией, когда вы с помощью электрического фонарика подаете сигналы своему товарищу на другом берегу реки. То есть вы нажимаете на кнопку, фонарик вспыхивает, и дальше каким-то секретным кодом вы что-то передаете. Для того чтобы ваш фонарик работал, внутри нужна батарейка, то есть некий заряд энергии. Нервные клетки, для того чтобы генерировать потенциал действия, должны тоже обладать таким зарядом энергии, и этот заряд называется потенциал покоя. Он существует, он присущ всем нервным клеткам и составляет примерно -70 мВ, то есть -0,07 В.
Изучение электрических свойств нейронов началось достаточно давно. То, что в живых организмах присутствует электричество, поняли еще в эпоху Возрождения, когда заметили, что лягушачья лапка подергивается от ударов током, когда поняли, что электрический скат излучает потоки энергии. Дальше был поиск тех технических приемов, которые позволили бы уже всерьез подойти к нервным клеткам и посмотреть, какие электрические процессы там происходят. Здесь мы должны поблагодарить кальмара, потому что кальмар — это такое замечательное животное, которое обладает очень толстыми аксонами. Это связано с особенностями его образа жизни: у него существует складка-мантия, которая сокращается и выбрасывает воду, возникает реактивный импульс, и кальмар движется вперед. Для того чтобы много мышц мантии сокращались энергично и одновременно, нужен мощный аксон, который сразу бы на всю эту мышечную массу передавал импульсы. Аксон имеет толщину 1–1,5 мм. Еще в середине XX века научились его выделять, вставлять внутрь тонкие электрические проволочки, измерять и регистрировать те электрические процессы, которые происходят. Тогда стало уже понятно, что существует потенциал покоя и потенциал действия.
Принципиальный рывок произошел в тот момент, когда изобрели стеклянные микроэлектроды, то есть научились делать очень тонкие стеклянные трубочки, которые внутри заполнены раствором соли, скажем KCl. Если такую трубочку очень аккуратно (это надо, конечно, делать под микроскопом) подвести к нервной клетке и проколоть мембрану нейрона, то нейрон, немного повозмущавшись, продолжает нормально работать, и вы видите, какой у него внутри заряд и как этот заряд меняется, когда происходит передача информации. Стеклянные микроэлектроды — это базовая технология, которая используется и сейчас.
Ближе к концу XX века появился еще один способ, он называется patch-clamp, когда стеклянный микроэлектрод не протыкает мембрану, а очень аккуратно к ней подводится, кусочек мембраны присасывается, при этом очень небольшая площадь мембраны клетки подвергается анализу, и можно смотреть, как работают, например, отдельные белковые молекулы, такие как различные ионные каналы.
Использование всех этих технологий позволило для начала понять, откуда берется потенциал покоя, откуда берется заряд внутри нервных клеток. Оказалось, что потенциал покоя связан прежде всего с накоплением ионов калия. Электрические процессы в живых организмах отличаются от тех электрических процессов, которые происходят в компьютере, потому что физическое электричество — это в основном движение электронов, а в живых системах — движение ионов, то есть заряженных частиц, прежде всего ионов натрия, калия, хлора, кальция. Эта четверка в основном обеспечивает разные электрические явления в нашем организме: и в нервной системе, и в мышцах, и в сердце — это очень важный раздел современной физиологии.
Когда стали анализировать состав цитоплазмы нервных клеток, то оказалось, что в цитоплазме нейронов по сравнению с внешней средой много калия и мало натрия. Эта разница возникает за счет работы особой белковой молекулы — натрий-калиевого насоса (или натрий-калиевой АТФазы). Надо сказать, что натрий-калиевый насос находится на мембранах всех клеток, потому что живые клетки так устроены, что им необходим избыток калия внутри цитоплазмы, например, для того, чтобы нормально работали многие белки. Клетки обменивают внутриклеточный натрий на внеклеточный калий, закачивают калий, удаляют из цитоплазмы натрий, но при этом пока заряд не меняется, потому что обмен более-менее эквивалентен. У обычной клетки, не нервной, внутри избыток калия, но никакого заряда нет: сколько положительно заряженных частичек, столько и отрицательно заряженных; есть, например, калий, хлор или анионы различных органических кислот.
Для того чтобы эта система приобрела отрицательный заряд, происходит следующее. В какой-то момент созревания нейрона на его мембране появляются постоянно открытые каналы для калия. Это белковые молекулы, и для того, чтобы они появились, должны заработать соответствующие гены, постоянно открытые каналы для калия позволяют калию выходить из цитоплазмы, и он выходит, потому что внутри его примерно в 30 раз больше, чем снаружи. Работает всем известный закон диффузии: частицы (в данном случае ионы калия) выходят оттуда, где их много, туда, где их мало, и калий начинает «убегать» из цитоплазмы через эти постоянно открытые каналы, специально для этого приспособленные.
Банальный ответ на вопрос «А как долго он будет убегать?», казалось бы, должен звучать: «Пока концентрация не уравняется», но все несколько сложнее, потому что калий — это заряженная частица. Когда убегает один калий, внутри в цитоплазме остается его одинокая пара, и цитоплазма приобретает заряд -1. Убежал второй калий — заряд уже -2, -3… По мере того как калий убегает по диффузии, растет внутренний заряд цитоплазмы, и заряд этот отрицательный. Плюсы и минусы притягиваются, поэтому по мере нарастания отрицательного заряда цитоплазмы этот заряд начинает сдерживать диффузию ионов калия, и им выходить становится все сложнее и сложнее, и в какой-то момент возникает равновесие: сколько калия убегает благодаря диффузии, столько же входит благодаря притяжению к отрицательному заряду цитоплазмы. Эта точка равновесия и составляет примерно -70 мВ, тот самый потенциал покоя. Нервная клетка сама себя зарядила и теперь готова использовать этот заряд, для того чтобы генерировать потенциалы действия.
Когда стали изучать, откуда берется потенциал действия, то заметили, что для пробуждения клетки, чтобы она сгенерировала импульс, нужно стимулировать ее довольно определенной силой. Стимул, как правило, должен поднять заряд внутри нервной клетки до уровня примерно -50 мВ, то есть потенциал покоя — -70 мВ, а так называемый порог запуска потенциала действия — где-то -50 мВ. Если поднять заряд до такого уровня, нейрон как будто просыпается: вдруг в нем возникает очень большой положительный заряд, который доходит до уровня примерно +30 мВ, а потом быстро опускается примерно до уровня потенциала покоя, то есть от 0 до 1, а потом опять к 0. Вот она, ступенька тока, которая дальше способна передавать информацию.
Откуда она берется? Почему нейрон вдруг проснулся и выдал этот импульс? Оказалось, что здесь работают другие ионные каналы — не постоянно открытые, а ионные каналы со створками. В тот момент, когда заряд в нервной клетке достигает уровня -50 мВ, эти створки начинают открываться, начинается движение ионов. Сначала открывается натриевый канал, примерно на полмиллисекунды, в нейрон успевает войти порция ионов натрия. Натрий входит потому, что, во-первых, его в цитоплазме мало — примерно в 10 раз меньше, чем снаружи, и, во-вторых, он положительно заряженный, а цитоплазма заряжена отрицательно, то есть плюс притягивается к минусу. Поэтому вход идет очень быстро, тотально, и мы наблюдаем восходящую фазу потенциала действия. Потом натриевые каналы (одновременно работают тысячи каналов) закрываются, и открываются калиевые каналы, электрочувствительные и тоже со створками. Это не те, которые постоянно открыты, а это каналы, у которых есть специальная белковая петля (канал — это цилиндр, внутри которого есть проход), которая открывается, как турникет, и ионы калия получают возможность выходить из цитоплазмы и выносят большое количество положительного заряда, и в целом заряд в нейроне опускается до уровня потенциала покоя. Калий в этот момент мощно выходит наружу, потому что мы находимся на вершине потенциала действия, уже нет -70 мВ, калия внутри много, а снаружи мало, он выходит, выносит положительный заряд, и система перезарядилась.
Мембрана нервной клетки организована таким образом, что если в одной точке возник такой импульс — а он в основном возникает в зоне синапсов, там, где медиатор возбудил нервную клетку, — то этот импульс способен распространяться по мембране нервной клетки, и это есть передача. Распространение импульса по мембране нейрона — отдельный процесс. К сожалению, он происходит довольно медленно — максимум 100 м/с, и на этом уровне мы, конечно, уступаем компьютерам, потому что электрический сигнал по проводам распространяется со скоростью света, а у нас максимум 100–120 м/с, это немного. Поэтому мы довольно медленные организмы по сравнению с компьютерными системами.
Для того чтобы изучать работу ионных каналов, физиологами используются специальные токсины, которые блокируют эти каналы. Самый известный из этих токсинов — тетродотоксин, яд рыбы фугу. Тетродотоксин выключает электрочувствительный натриевый канал, натрий не входит, потенциал действия не развивается, и сигналы по нейронам вообще не распространяются. Поэтому отравление рыбой фугу вызывает постепенно развивающийся паралич, потому что нервная система перестает передавать информацию. Подобным действием, только более мягким, обладают местные анестетики вроде новокаина, которые используются в медицине для того, чтобы очень локально прекратить передачу импульсов и не запускать болевые сигналы. Для того чтобы изучать нейроны, используются животные модели, записать нервные клетки человека можно только по очень особым поводам. Во время нейрохирургических операций бывают такие ситуации, когда это не только допустимо, но и необходимо. Например, для того чтобы точно выйти на ту зону, которую нужно разрушить, скажем, при какой-нибудь хронической боли.
Есть способы, чтобы записывать электрическую активность мозга человека более тотально. Это делается во время регистрации электроэнцефалограммы, там одновременно записываются суммарные потенциалы действий миллионов клеток. Есть еще одна технология, она называется технология вызванных потенциалов. Эти технологии дополняют то, что нам дают томографические исследования, и позволяют достаточно полно представить ту картину электрических процессов, которая имеет место в мозге человека.
Вячеслав Дубынин
доктор
биологических наук, профессор кафедры физиологии человека и животных
биологического факультета МГУ, специалист в области физиологии мозга
