Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе - Александр Иванович Волошин

практически в любом электронном устройстве: телевизоры, мониторы компьютеров, электронные книги, планшеты, телефоны и др.

Но давайте вернёмся к главной теме нашего повествования – биологической мембране.

Сегодня не принято называть мембрану жидкокристаллической, но вполне допускается, что она может находиться в одном из двух состояний:

– гелеобразное состояние мембраны – состояние, при котором липиды лишены возможности свободно перемещаться («течь») в плоскости мембраны. Такое состояние можно представить, взглянув на маргарин.

– жидкое (жидкокристаллическое) состояние мембраны – отличается способностью липидов «течь» и перемешиваться в плоскости мембраны. Липидные молекулы при этом менее упорядочены, по сравнению с гелеобразным состоянием. Жидкое состояние может условно разделить на две взаимно несмешивающиеся микрофазы: жидкое неупорядоченное и жидкое упорядоченное состояния.

Традиционно, наибольшее внимание исследованиям мембран уделяют именно нейробиологи. (Всё-таки нет окончательной ясности с распространением нервного импульса.)

В 2005 году Томас Хаймбург и Андрю Д. Джексон предположили, что в момент прохождения нервного импульса происходит изменение фазового состояния клеточной мембраны с твёрдого (гелевого) на жидкокристаллическое. Именно этим фазовым переходом они объясняли и изменение оптических свойств мембраны, и выделение-поглощение тепла при возбуждении нервного импульса, обнаруженного Ичиджи Тасаки, а также и диффузию ионов через мембрану.

Эта гипотеза была в штыки воспринята большинством научного сообщества. А критика идеи фазового перехода утянула на дно и саму идею жидкокристаллического состояния биологической мембраны. Между тем мало кто обратил внимание на одно из главных свойств жидких кристаллов – анизотропию – различие свойств в зависимости от направления.

Сколько степеней свободы у молекулы в липидном слое? Три. Но в направлении перпендикулярном поверхности мембраны свободы гораздо больше. То есть мембрана, оставаясь достаточно жёсткой конструкцией для сохранения формы клетки, может быть чрезвычайно мягкой и упругой при распространении механической волны вдоль аксона.

Исследование каналов биологических мембран

В 1998 году Родерик Маккиннон (Roderick MacKinnon) с коллегами смог получить трёхмерную молекулярную структуру биологического калиевого канала с помощью кристаллографии и раскрыл селективность канала, а именно – почему в момент прохождения нервного импульса канал пропускает только ионы калия, а более мелкие ионы натрия, которые также имеют положительный заряд, не проходят.

Маккиннон с помощью выращенных им же кристаллов белка калиевого канала смог экспериментально объяснить этот феномен.

Рентгенограмма созданной им структуры показывала в мельчайших деталях, как работает калиевый канал, как он обеспечивает практически беспрепятственный перенос ионов калия, и в то же время задерживает более мелкие ионы натрия.

Вообще-то ещё со времён открытия теории диссоциации известно, что все ионы в растворах окружены толстым слоем воды, и нужны некоторые усилия, чтобы сбросить её. Напомним, что и калий, и натрий являются очень активными щелочными металлами, у каждого из атомов есть по одному валентному электрону, с которыми они легко расстаются и превращаются в ионы. Различие лишь в том, что у натрия этот электрон находится на 3-й орбите, а у калия на 4-й. Вследствие этого обстоятельства, калий сравнительно легко сбрасывает с себя окружающие его молекулы воды и проскакивает через мембранный канал. С натрием же дело обстоит иначе, он хотя и меньше калия, но не в состоянии скинуть водяную рубашку. А вместе с рубашкой натрий просто слишком велик, чтобы пройти канал.

В 2003 Родерику Маккиннону вместе с П. Эгром присуждена Нобелевская премия «за открытия, связанные с ионными каналами в клеточных мембранах: за изучение структуры и механизма действия ионных каналов».

Итог истории нервного импульса

Сначала были только предположения – гуморы, животные духи, да некие жидкости подобные крови. Первые реально научные открытия природы нервного импульса совпали по времени с первыми открытиями в электричестве. И, возможно, значительные успехи физиков в области электричества сильно повлияли на ход мыслей исследователей нервной деятельности. Не потому ли со времён открытия Гальвани до наших дней мы считаем, что информация по нервам передаётся как электричество?

Последняя жирная точка в исследованиях нервного импульса поставлена в 1949—1952 годах с появлением мембранно-ионной теории, которую сформулировали Ходжкин и Хаксли. Все последующие исследования в области физиологии нервного волокна строились на базе модели Ходжкина – Хаксли и сводились к объяснению её правильности.

Если бы электроника развивалась с такой же скоростью как нейронауки, мы бы до сих пор набирали тексты на печатных машинках и считали с помощью арифмометров, а не на компьютерах.

Может, исследования в какой-то момент свернули не на ту дорогу? И чем дальше мы по ней идём, тем дальше уходим от истины, тем меньше встречаем открытий, тем меньше желающих идти в этом направлении?

Существует раздел науки, занимающийся микро и даже нано исследованиями строения нейрона, называется он – морфология. Результаты исследований в этом направлении просто колоссальны.

И только описание того, как работает нейрон больше напоминает некое вре́менное объяснение. Базовая теория описывающая прохождение нервного импульса основанная на потенциале действия и ионных каналах, по сути, представляет собой не описание работы нейрона, а математическую модель нашего представления об этом процессе.

А эта модель похожа на японский театр теней. Можно ли изучать собаку по её тени? Конечно, можно, например, узнать её размер, количество лап и хвостов, можно узнать откуда и куда она бежит. Так и с нервным импульсом – мы узнали откуда и куда он распространяется, но не вполне понимаем, его природу.

Возможно, именно поэтому нет ответа и на главные вопросы – как информация хранится в памяти и как извлекается из неё, как происходит забывание.

Проблема неисследованоости нервного импульса в том, что медики плохо знают физику, а физики мало интересуются медициной. Например, и рентген, и томография, и УЗИ, придуманы физиками, а не медиками и уже потом применены к медицине.

В силу скромной физико-математической подготовки большинству биологов трудно понимать физические процессы, лежащие в основе биологических явлений. При этом они порой яростно противостоят вмешательству «физиков» в биологию и медицину.

Проблема эта похоже настолько очевидна, что с 2018 года для поступления в медицинский вуз абитуриенты должны сдавать не базовый экзамен по математике, а углублённый.

С грустью и завистью исследовал я истории открытий и биографии учёных XIX века, когда в одной личности сочетались и физик, и биолог, и врач, и химик. Безусловно, время это ушло навсегда, но, возможно, чаша весов истории уже дошла до точки абсолютной специализации в науке и скоро хоть чуть-чуть вернётся назад, к универсализации.

Часть II

«… кому дорога истина вообще, т. е. не только в настоящем, но и в будущем, тот не станет нагло ругаться над мыслью, проникшей в общество, какой бы странной она ему ни казалась.»

(Иван Сеченов)

Фантастическое интервью

Вы наверняка сталкивались в новостных лентах с публикациями о том, что созданы системы, в которых человек силой мысли управляет курсором на экране компьютера? Зачастую это вполне безобидная утка, ложь которая никому не навредит. На самом деле, работают такие системы по принципу отслеживания движения зрачков глаз видеокамерой, встроенной в компьютер.

Более серьёзные результаты демонстрируют исследователи, использующие в качестве сигналов электрофизиологической активности мозга данные электроэнцефалографии или магнитоэнцефалографии. Но информативность ЭЭГ и МЭГ для этих целей, мягко говоря, недостаточна.

Самыми перспективными выглядят инвазивные (внедрённые в мозг) нейрокомпьютерные интерфейсы, позволяющие получать сигналы множественной нейронной активности непосредственно от нервных окончаний. Но эти технологии находятся в младенческом состоянии.

Так что, заявления о возможности создать управляемые силой мысли протезы в наше время это по большей части рекламная акция бизнеса, нацеленная на повышение статуса компаний.

Всё это даёт надежду миллионам людей на улучшение качества их жизни. Но к сожалению, нет таких технологий. Нет, но скоро могут появиться. Об этом наш сегодняшний рассказ (интервью).

…До сих пор наши представления о нервной системе основаны на экспериментах, в которых производилось воздействие на аффекторные мотонейроны. Другими словами, с помощью электрического раздражения воздействовали на нейрон, который передавал возбуждение к мышечной ткани, та, в свою очередь, сокращалась. Это, по сути, эксперимент Гальвани которому без малого 300 лет. Из чего, в общем-то, и родилась наша вера в миф об электрической природе нервного импульса.

Мы обратили внимание на то, что не только электрический раздражитель вызывает