Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем - Льюис Уолперт

Главная обязанность нервных клеток — быстро передавать сигналы другим клеткам, в первую очередь — соседним нервным клеткам и клеткам мускулов. Весьма важны нервы, которые переносят информацию из различных частей тела в мозг, благодаря чему мы чувствуем то, что происходит вокруг нас. Другие нервы позволяют нам осязать, ощущать боль (и, значит, помогают устранить болезнь — причину боли), видеть, различать запахи и температуру окружающей среды, — словом, они поставляют нам самую разнообразную информацию.

Каждая нервная клетка имеет область, в которой находится ее ядро с генами и митохондриями. В этой области происходит синтез белков, и от нее отходят длинные тонкие ответвления. Одно из таких ответвлений, особенно длинное, — так называемый аксон, который передает сигналы другим нервным клеткам и расположенным на значительном удалении мускулам. Аксоны, отходящие от нервных клеток, часто связаны в пучки — нервы. Аксон, будучи лишь одну сотую миллиметра в диаметре, может достигать одного метра в длину. Таковы аксоны, идущие от спинного мозга к мускулам рук и ног. На конце аксон может разветвляться, и таким образом сигнал от него поступает одновременно сразу нескольким нервам и мускулам. Волокна аксонов окружены оболочкой из особых изолирующих клеток, которые позволяют сигналу быстрее проходить через нерв. Утрата изолирующих клеток приводит к рассеянному склерозу.

Из области нервной клетки, где расположено ее ядро, исходит также множество более мелких отростков, называемых дендритами; именно они принимают сигналы от других нервов. В человеческом мозгу одна нервная клетка может иметь до 100 тысяч дендритов. Зона контакта двух нервных клеток называется синапсом — и таких зон у каждой клетки от 5 до 299 тысяч. Многочисленные связи и соединения огромного количества различных нервных клеток делают наш мозг чрезвычайно сложной структурой. Чтобы окончательно понять, каким именно образом он функционирует, ученым еще потребуется провести гигантское число исследований и, наверное, огромное время.

Все нервные клетки передают сигналы по своим аксонам и дендритам одним и тем же способом — с помощью ионов натрия, генерирующих электрический заряд. Из нервной клетки, находящейся в спокойном состоянии, ионы выводятся постоянно. Если же на оболочку клетки воздействует импульс, приходящий от другой клетки, то ионы, наоборот, возвращаются в нее через открывшиеся поры. Однако нервная клетка никогда не бывает в восторге от поступления в нее дополнительных ионов натрия, и поэтому поры в оболочке быстро закрываются, а ионы начинают откачиваться обратно во внешнюю среду. Все это раз за разом вызывает изменения электрического потенциала внутри нервной клетки и оказывает ключевое воздействие на ее функционирование.

В прохождении электрического заряда, который называют потенциалом действия, по аксону и заключается механизм передачи сигнала нервной клеткой. Сам сигнал обычно именуют нервным импульсом. И прямо в эту секунду по миллиардам ваших нервных клеток передаются миллиарды нервных импульсов.

Когда нервный импульс достигает конца аксона, то он — в том случае, если здесь, в районе конца аксона, расположена другая нервная клетка, — доходит до синапса. Здесь, между концом аксона и оболочкой принимающей сигнал клетки, есть разрыв, через который электрический сигнал не может пройти. Чтобы преодолеть это препятствие, выбрасывается небольшое количества химических веществ — нейротрансмиттеров, которые создают «мост» между синапсом и оболочкой принимающей сигнал клетки и связываются с расположенными на этой оболочке рецепторами.

Такие нейротрансмиттеры, как адреналин, допамин и серотонин, изменяют электрический потенциал клетки, принявшей сигнал, и тем самым побуждают ее передать его дальше. Таким образом электрический импульс преобразуется в химический сигнал, который затем вновь преобразуется в электрический импульс.

Подобные события в области синапсов — это основа взаимодействия нервных клеток в нашем мозгу. Одна нервная клетка, как уже говорилось, может иметь тысячи синапсов, благодаря которым она связана с другими нервными клетками, и все вместе они определяют, станет ли эта нервная клетка источником нервного импульса и будет ли она передавать его дальше.

Сходным образом передаются сигналы мускульным клеткам, что вызывает сокращения скелетных мускулов и приводит к движениям наших тел. Мускульные клетки могут быть чрезвычайно большими, если сравнивать их размеры с размерами других клеток; они имеют волокнистую структуру и достигают в длину нескольких сантиметров. Это не совсем обычные клетки — они представляют собой соединение множества клеток, слившихся вместе, и поэтому имеют много ядер. Впрочем, есть и другие мускульные клетки — например, мышечные клетки сердца — одноядерные и небольшие по своим размерам. Однако все мускульные клетки, какими бы они ни были, сокращаются благодаря тому, что содержащиеся в них белки актин и миозин скользят относительно друг друга. Инициирует сокращение особое химическое вещество, которое выбрасывается в расположенном на конце мускульного нерва особом месте, подобном синапсу. Выброс этого химического вещества вызывает, по цепочке, изменение электрического заряда в оболочке мускульной клетки, высвобождение в клетке ионов кальция, изменение состояния миозина, вследствие чего он взаимодействует с актином, — и, наконец, происходит сокращение мышц.

Мой коллега Джеффри Бернсток поставил перед собой задачу узнать, как нервы вызывают непроизвольные сокращения гладкой мускулатуры — например, мускулатуры стенок кишечника. Считалось, что этот процесс сходен с процессом произвольных сокращений обычной мускулатуры, тех же мышц рук и ног, — нерв проводит электрический импульс, который вызывает выброс нейротрансмиттера, а тот связывается с оболочкой мускульной клетки и активирует ее. Бернсток разработал метод, с помощью которого он мог регистрировать электрическую активность гладкой мускулатуры, и обнаружил, что блокирование всех известных нейротрансмиттеров не мешало нервам активировать мускулатуру стенок кишечника. Значит, активировало ее что-то доселе неизвестное.

Чтобы определить это вещество, Бернсток проводил эксперимент за экспериментом и наконец сделал в 1970 году фундаментальное открытие: в роли нейротрансмиттера в данном случае выступает молекула АТФ, которую используют все клетки в качестве основного источника энергии. Лишь немногие ученые признали его открытие, большинство же исследователей подняло его на смех, однако время показало, что Бернсток прав. Ни много ни мало, но сделанное им открытие имеет важное значение для лечения целого ряда заболеваний, включая рак, цистит, мигрень.

Основная функция нервных клеток заключается в том, чтобы обработать информацию, поступающую как извне, так и изнутри нашего тела, и затем передать необходимые сигналы мускулам, с тем чтобы вызвать соответствующие моторные реакции. Все это осуществляется благодаря особым группам взаимосвязанных нервов, которые расположены в головном и спинном мозге. Ярким примером действия этих нервов является коленный рефлекс — когда доктор ударяет молоточком по сухожилию под коленной чашечкой, нога непроизвольно подпрыгивает вверх. Воздействие молоточка вызывает кратковременное напряжение разгибающих мышц ноги, что приводит к передаче соответствующего сигнала нервам, контролирующим сокращение этих мышц. Но одновременно поступают сигналы мышцам, которые должны противодействовать проявлению коленного рефлекса, — так что все не столь просто, как может показаться.

Взаимодействие между нервными клетками сложнее, нежели взаимодействие между нервными клетками и мышцами. С мышцами связан лишь один моторный нерв, и они получают лишь возбуждающие сигналы, которые варьируются по силе. Клетки же центральной нервной системы получают как возбуждающие, так и тормозящие сигналы. Одна нервная клетка в составе спинного мозга получает от других нервных клеток благодаря синапсам сотни и даже тысячи сигналов одновременно. И то, выдаст ли получающая эти сигналы нервная клетка необходимый нервный импульс, зависит от соотношения возбуждающих и тормозящих сигналов. Порой нервной клетке необходимо получить до пятидесяти возбуждающих сигналов для того, чтобы преодолеть тормозящий сигнал и выдать соответствующий импульс.

В нашей коже имеются сенсорные нервные окончания реагирующие на воздействие со стороны окружающей среды. Они воспринимают боль или, скажем, высокую температуру окружающей среды и передают соответствующие сигналы в наш мозг. Наиболее чувствительны подушечки наших пальцев. На прикосновения также реагируют клетки волос. Действие сенсорных нервных окончаний приводит к формированию в мозге человека своеобразной карты, точно отражающей, на какие именно участки кожи приходится воздействие, — ведь прикосновение к гениталиям возбуждает одну часть мозга, а прикосновение к языку — другую. Проводились эксперименты, когда при стимуляции различных зон мозга, отвечающих за формирование осязательных ощущений, испытуемые ощущали прикосновения к различным участкам тела. Тем самым удалось выявить области мозга, от которых зависит реакция на прикосновения к тем или иным частям тела.