Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе

Источники

Помните, рассматривая историю мембранной теории, мы выделили в качестве предпосылок её появления: 1) открытие осмоса, 2) теорию электролитической диссоциации, 3) гипотезу Бернштейна и 4) кабельную теорию Томсона.

Ходжкин и Хаксли обобщили эти идеи и родилась современная мембранная теория, объясняющая природу нервного импульса.

В этой главе, мы, не отбрасывая ни одной из выше перечисленных предпосылок, дополним их ещё тремя: 1) биоэлектрогенез, 2) солитоны и 3) пульсовые волны.

Биоэлектрогенез

Я уже упоминал, как американские биологи Кол и Кертис для исследования мембранных потенциалов догадались использовать водоросли нителлы.

Для того чтобы сохранить за собой возможность критически оценивать теорию мембранных потенциалов при распространении нервного импульса, сто́ит заострить внимание на открытиях, сделанных задолго до Кола и Кертиса.

Биоэлектрогенез – это способность живых организмов к генерации электрических потенциалов. Он является универсальным свойством всех живых организмов, включая растения.

Дело в том, что электрические потенциалы возникают на любых живых мембранах, разделяющих среды с неодинаковой плотностью электролита. Исследовано множество жизненно важных процессов, в которых этот потенциал участвует. Хотя, возможно, первый из них – поддерживать упругость живой клетки, за счёт создания внутреннего осмотического давления.

Если у животных величина потенциала покоя на мембране клетки колеблется в диапазоне —50 до —80 мВ, то у растений он примерно в два раза выше, около —150 мВ, а у некоторых водных растений он может достигать целых —270 мВ.

Может показаться странным, но в клетках растений присутствуют не только потенциалы покоя, но и потенциалы действия. Причём последние по современным представлениям являют собой импульсную, распространяющуюся электрическую реакцию, возникающую в ответ на действие неповреждающих раздражителей, таких как импульсное или постепенное охлаждение, механическое воздействие, действие раствора кислоты на корни или участок стебля без эпидермиса и др.

На способность высших растений генерировать электрические импульсы учёные обратили внимание ещё в конце XIX века. Возможно самым первым, описал потенциалы действия у растений индийский учёный Джагадис Чандра Бозе (Jagadish Chandra Bose), изучавший растение с двигательными реакциями – Mimosa pudica, которую иногда называют «электромимозой».

Известны также описания опытов XIX века английского исследователя Бэрдена Сандерсона, проводимых на Венериной мухоловке. А начало систематического исследования возбудимости у высших растений связано с именем Боса, который в 1964 году впервые экспериментально обосновал, что в проводящих тканях мимозы может возникать и распространяться потенциал действия.

В течение долгого времени предполагалось, что распространение электрических потенциалов, в ответ на действие внешних раздражителей, присуще только растениям с быстрыми локомоторными функциями, а остальные растения не обладают таким свойством. Однако усилиями преимущественно отечественных учёных в 60—70 годах XX века было доказано существование ПД и у «обычных» высших растений.

На сегодняшний день распространение ПД в тканях растений так же, как и в нервных клетках, считается электротоническим. Однако среда распространения несколько иная. Если в нерве, распространение происходит преимущественно вдоль нервного волокна, то у растений такой средой является, по-видимому, симпласт, т. е. единое пространство, образованное цитоплазмами клеток, соединённых плазмодесмами1. Надо отметить, что такая среда распространения ПД не является уникальной чертой растений. Так, например, синцитий, по которому происходит распространение ПД в клеточных образованиях мышцы сердца, представляет собой похожую структуру – совокупность связанных между собой клеток.

Выделяют следующие особенности ПД у растений, отличающие их от ПД, развивающихся в возбудимых клетках животных:

– бо́льшая продолжительность, которая варьирует от десятых долей секунды (локомоторные растения) до десятков секунд (нелокомоторные) и длительный (от десятков минут до нескольких часов) период рефрактерности;

– отсутствие овершута у большинства генерирующих ПД растений, максимум потенциала действия у которых лежит в области от —60 до —40 мВ;

– низкая скорость распространения – в пределах от нескольких миллиметров в секунду у нелокомоторных до десятков сантиметров в секунду у локомоторных;

– в стимулируемом участке могут формироваться серии импульсов, но распространяется при этом лишь одиночный ПД.

Таким образом, ПП и ПД в растительных и животных клетках очень похожи, действуют по общим физическим и химическим принципам и в современной науке описываются математическими моделями подобными моделям для нервных импульсов.

Но к счастью, у растений присутствует ещё один тип мембранных потенциалов – вариабельный.

Вариабельным потенциалом (ВП) называют уникальную, характерную только для высших растений, распространяющуюся на значительные расстояния электрическую реакцию на повреждающее воздействие. Так же как и потенциал действия, вариабельный потенциал представляет собой переходную деполяризацию плазматических мембран. Однако ВП имеет ряд характерных особенностей, отличающих его от ПД, но главное отличие, благодаря которому его выделили в отдельный тип – это, то что он возникает в ответ на повреждающее воздействие (а ПД – на неповреждающее).

Характе́рные черты, отличающие его от ПД.

– Генерация в ответ на повреждающие раздражители. – Бо́льшая длительность (до 1/2 часа) и высокая вариабельность фазы реполяризации. – Способность проходить, через участки повреждённой и даже мёртвой ткани. – Меньшая скорость распространения.

Первые све́дения о ВП были получены в работах Montemartini в 1907 году. Он описывал медленно распространяющиеся электрические реакции у «обычных» растений, вызванные путём раздавливания, разрезания или ожога листа, с помощью электродов, контактирующих с жилкой листа на некотором расстоянии от места повреждения.

Поскольку, ВП не совсем то же самое, что ПД, у учёных хватило смелости заявить, что механизмы генерации ВП неизвестны. И как следствие были выдвинуты три базовые гипотезы их природы:

Электротоническая, которая предполагает, что ВП распространяется так же, как и ПД, но, возможно, по другим структурам листа.

Химическая, которая предполагает, что при повреждении выделяется некое раневое вещество или «фактор Рикка», вызывающий при диффузии вдоль стебля местные электрические ответы.

Гидравлическая, в соответствии с которой повреждение вызывает локальное повышение давления воды в ксилеме и эта волна повышенного давления, распространяясь от зоны повреждения, вызывает генерацию ВП. [50]

Несмотря на накопление богатого экспериментального материала, све́дения о потенциале действия у высших растений и сегодня носят фрагментарный характер. Наибольшие успехи достигнуты сегодня в изучении механизма генерации потенциала действия в сравнительно гигантских по размерам клетках некоторых водорослей, в первую очередь, харовых (что не удивительно, ведь именно с них Кол и Кертис начали исследования мембранных потенциалов). Эти представления спроецированы на понимание механизма ПД у высших растений. Их также связывают с возникновением пассивных потоков ионов хлора и калия. В то же время имеющихся данных недостаточно для формирования целостной картины механизма генерации ПД в клетках высших растений.

В ещё меньшей степени сегодня изучен другой тип потенциалов возбуждения – вариабельных потенциалов, характерных исключительно для высших растений. Практически не раскрыты механизмы его генерации и распространения.

1 Плазмоде́смы – цитоплазматические мостики, соединяющие соседние клетки растений.

Солитон

Большинству людей, безусловно, знакомы такие слова как электрон, протон, нейтрон, фотон. А вот созвучное им слово – солитон, возможно, знакомо не многим. Это и неудивительно: хотя явление, обозначаемое этим словом, известно без малого два столетия, должное внимание солитонам стали уделять лишь с последней трети ХХ века. Что же это такое – солитон? [51]

Попробуем разобраться с солитонами, и при этом по возможности обойтись без математики. Однако, нам всё же придётся поговорить о двух явлениях, лежащих в основе механизма образования солитонов – о нелинейности и дисперсии.

Но сначала история о том, как и когда был обнаружен солитон.

…Это случилось в 1834 году. Джон Скотт Рассел (John Scott Russell; 1808 – 1882)1, шотландский физик и талантливый инженер-изобретатель, принял предложение оценить возможности навигации паровых судов по каналу, соединяющему Эдинбург и Глазго. В то время перевозки по каналу осуществлялись с помощью небольших барж на конной тяге. Предстояло выяснить, как переоборудовать баржи при переходе с конной тяги на паровую. Рассел вёл наблюдения за разнообразными баржами, движущимися с разными скоростями. И во время этих наблюдений он столкнулся с очень странным явлением.

Вот как он описал его в своём Докладе о волнах: «Я следил за движением баржи, которую быстро тянула по узкому каналу пара лошадей, когда баржа неожиданно остановилась. Но масса воды, которую баржа привела в движение, собралась около носа судна в состоянии бешеного движения, затем неожиданно оставила его позади, катясь вперёд с огромной скоростью и принимая форму большого одиночного возвышения – округлого, гладкого и чётко выраженного водяного холма. Он продолжал свой путь вдоль канала, нисколько не меняя своей формы и не снижая скорости. Я последовал за ним верхо́м, и когда нагнал его, он по-прежнему катился вперёд со скоростью примерно 8—9 миль в час, сохранив свой первоначальный профиль возвышения длиной около тридцати футов и высотой от фута до полутора футов. Его высота постепенно уменьшалась, и после одной или двух миль погони я потерял его в изгибах канала». [52]

Рассел назвал обнаруженное им явление «уединённой волной трансляции». Однако его сообщение было встречено с недоверием, признанные корифеи в области гидродинамики – Джордж Биддель Эйри (George Biddell Airy; 1801—1892) и Джордж Габрие́ль Стокс (Stokes, George Gabriel; 1819—1903), утверждали на основании общепринятых в то время уравнений гидромеханики, что волны при распространении на значительные расстояния не могут сохранять свою форму.

Признание уединённой волны случилось ещё при жизни Рассела трудами нескольких математиков, которые доказали, что существовать она может, а, кроме того, были повторены и подтверждены опыты самого Рассела. Но дискуссии по поводу солитона ещё долго не прекращались – слишком велик был авторитет Эйри и Стокса.

Позже, учёные следующего поколения Жозеф Валентин де Буссинеск и его сверстник лорд Рэлей сумели найти приближённое математическое описание формы и скорости уединённой волны на мелкой воде. Вскоре появились ещё две – три математические работы об уединённой волне, а также вновь были повторены и подтверждены опыты Рассела.

Итоговую черту под спором подвели голландские математики Дидерик Иоханнес Кортевег (Diederik Johannes Korteweg, 1848 – 1941) и его ученик Густав де Фриз (Gustav de Vries, 1866 – 1934). В 1895 году, спустя тринадцать лет после смерти Рассела, они нашли точное уравнение, волновые решения которого полностью описывало происходящие процессы. В первом приближении это можно пояснить следующим образом. Волны Кортевега – де Фриза имеют несинусоидальную форму и становятся синусоидальными только в том случае, когда их амплитуда очень мала. При увеличении длины волны вершины синусоиды приобретают вид далеко разнесённых друг от друга горбов, а при очень большой длине волны остаётся один горбик, который и соответствует «уединённой» волне. Уравнение Кортевега – де Фриза (КдФ-уравнение) было по-настоящему оценено уже в наши дни, когда физики поняли его универсальность и возможность применения к волнам различной природы. Самое главное то, что оно описывает процесс распространения нелинейных волн, и настало время более подробно остановиться на этом понятии. [51]

В теории обычных волн фундаментальное значение имеет волновое уравнение. Не вдаваясь в высшую математику, отметим лишь, что и функция, описывающая волну, и связанные с ней переменные содержатся в нём в первой степени. Такие уравнения называются линейными. Решением волнового уравнения служит линейная гармоническая (синусоидальная) волна. То есть термин линейная употребляется здесь не в геометрическом смысле (синусоида – не прямая линия), а в смысле использования первой степени величин в волновом уравнении. [51]

Линейные волны подчиняются принципу суперпозиции (сложения). Это означает, что при наложении нескольких линейных волн результирующая волна представляет собой простую сумму исходных волн. Так происходит потому, что каждая волна распространяется в среде независимо от прочих, между ними нет ни обмена энергией, ни иного взаимодействия, они свободно проходят друг сквозь друга. В большинстве случаев это справедливо для световых, звуковых и радиоволн, и даже для волн, которые рассматриваются в квантовой теории. Но для волн в жидкости это верно только при сложении волн очень маленькой амплитуды. Дело в том, что уравнения гидродинамики нелинейны.

Напомним, скорость распространения фазы волны (так называемая фазовая скорость) зависит от длины волны, это явление называется дисперсией. А любую несинусоидальную волну можно представить совокупностью простых синусоидальных составляющих с различными частотами (длинами волн), амплитудами и начальными фазами (по теореме Фурье). Из-за дисперсии эти составляющие распространяются с различными фазовыми скоростями, что приводит к разрушению формы волны при её распространении. Но солитон, который тоже можно представить, как сумму указанных составляющих при движении свою форму сохраняет. Почему? Вспомним, что солитон – волна нелинейная. В этом-то и кроется его загадка. Дело в том, что солитон рождается в тот момент, когда эффект нелинейности, делающий гребень солитона более крутым и стремящийся его опрокинуть, компенсируется влиянием дисперсии, стремящейся его размыть и делающей его более пологим. Таким образом солитон возникает на стыке нелинейности и дисперсии, уравновешивающих друг друга. Попробуем рассмотреть это явление на примере цунами.

Цунами (в переводе с японского – широкая/длинная волна) – это длинные волны, возникающие в океане в следствии подводных землетрясений, приводящих к резким вертикальным смещениям морского дна. В момент такого смещения, направленного вверх, над эпицентром землетрясения возникает волна высотой до пяти метров.

В открытом океане волны цунами распространяются со скоростью:

где g – ускорение свободного падения, а h – глубина океана. При средней глубине 4000 метров скорость распространения составляет 200 м/с (720 км/час). В открытом океане высота волны редко бывает больше одного метра, при этом длина волны (расстояние между гребнями) может быть 500—1000 километров, такая волна не опасна для судоходства.

Зато при выходе волны на мелководье, происходит удивительное явление: её скорость и длина уменьшаются, а высота увеличивается. В результате у берега её высота может достигать до 30—40 метров. Цунами обычно проявляется как серия волн, но так как волны длинные, то между приходами волн может проходить более часа.

При формировании гигантского вала цунами происходит втягивание в него огромных масс воды что приводит к постепенному отступлению воды от берега на значительное расстояние и обнажение дна. Чем дальше отступает океан, тем выше будет волна цунами.

1 Интересно бывают переплетены события в истории. В этой книге уже есть история, к которой Рассел имел косвенное отношение – это рассказ, посвящённый прокладке трансатлантического телеграфного кабеля. Рассел участвовал в строительстве самого большого на то время парохода «Грейт Истерн».

Рисунок 51. Эволюция волны на «мелкой воде»

В 1965 г. американские учёные М. Крускал и Н. Забуски, изучая явления столкновений уединённых волн с помощью моделирования на ЭВМ, заметили, что уединённые волны во многом подобны частицам, они немедленно убрали слово «волна», а из «уединённой» (solitary) составили термин «солитон» (soliton). Первоначально солитон был назван «солитроном», по созвучию с другой элементарной частицей – электроном. Однако в последний момент стало известно о существовании некоей фирмы «Солитрон», и авторам пришлось убрать «р», чтобы не вступать в противоречие с законодательством о защите авторских прав. Фирма давно канула в Лету, а солитон живёт и здравствует! [51]

Уже в наше время были открыты наиболее удивительные свойства солитонов, благодаря которым они стали предметом перспективных научных поисков. Одно из уникальных свойств уединённых волн состоит в том, что они во многом похожи на частицы. Например, при столкновении два солитона не проходят сквозь друг друга, подобно обычным линейным волнам, а как бы отталкиваются друг от друга подобно бильярдным шарам.

Обычная линейная волна имеет форму правильной синусоиды (а). Нелинейная волна Кортевега – де Фриза на графике представляет собой последовательность далеко разнесённых горбиков, разделённых слабовыраженной впадиной (b). При очень большой длине волны от неё остаётся только один горб – «уединённая волна», или солитон (c).

Рисунок 52. Волна Кортевега – де Фриза.

Как ведёт себя нелинейная волна на поверхности воды при отсутствии дисперсии? Её скорость не зависит от длины волны, но возрастает с увеличением амплитуды. Вершина волны движется быстрее, чем её подошва, фронт становится всё круче и, наконец, волна опрокидывается. Но одиночную волну на воде можно представить в виде совокупности простых синусоидальных составляющих отличающихся длиной волны. В среде обладающей дисперсией, длинные волны побегут быстрее коротких, размывая крутизну фронта. При определённых условиях дисперсия полностью компенсирует влияние нелинейности, наступит равновесие, и волна будет долго сохранять свою форму – так рождается солитон.

На поверхности воды могут формироваться и групповые солитоны. В реальности именно они, а не бесконечные синусоидальные волны наблюдаются на поверхности моря. Групповой солитон чем-то напоминает амплитудно-модулированные электромагнитные волны; его огибающая несинусоидальна, она описывается более сложной функцией – гиперболическим секансом. В отличии от КдФ-солитонов скорость групповых солитонов не зависит от амплитуды. Под огибающей обычно находится не более 14—20 волн. Самая высокая – волна в группе (средняя) оказывается, в интервале от седьмой до десятой; отсюда известное наблюдение про 9-й вал.

Целенаправленное изучение солитонов началось сравнительно недавно (1960-е годы). Тем не менее возможные области практического применения этого феномена уже охватывают многие области современной техники. Наибольшую популярность получили они в оптико-волоконных системах передачи информации, принцип действия которых основан на способности оптических солитонов распространяться на большие расстояния без существенного искажения формы.

К сожалению, после того как появился соответствующий математический аппарат описания нелинейных волн, к идее Германа (см. главу Гипотезы Лудимара Германа) уже не возвращались вплоть до нынешнего XXI века.

Пульсовая волна

При сокращении сердечной мышцы (эта фаза называется – систола) кровь выбрасывается из сердца в аорту и отходящие от неё артерии.

Если регистрировать пульс в двух разноудалённых от сердца точках, то выясняется, что деформация сосуда распространится до более удалённой точки позже, то есть по сосуду пробегает волна.

Пульсовая волна – волна повышенного давления, распространяющаяся по артериям, вызванная выбросом крови из левого желудочка сердца в период систолы.

Распространяясь через аорты, артерии, артериолы до капилляров, пульсовая волна постепенно затухает.

Считается, если бы стенки кровеносных сосудов были жёсткими, то давление, возникающее в крови на выходе из сердца, передалось бы к периферии со скоростью звука. Но, упругая эластичность стенок сосудов приводит к тому, что в период систолы кровь, выталкиваемая сердцем, растягивает аорту, артерии и артериолы, т. е. крупные сосуды получают за время систолы больше крови, чем её отдают к периферии. Систолическое давление человека в норме равно приблизительно 16 кПа. В период расслабления сердца растянутые кровеносные сосуды упруго сжимаются и потенциальная энергия, сообщённая им сердцем, переходит в энергию тока крови, при этом поддерживается диастолическое давление, приблизительно равное 11 кПа.

Скорость пульсовой волны примерно 5—10 м/с и даже более. Следовательно, за время систолы (около 0,3 с) она должна преодолеть расстояние от 1,5 до 3 метров, а это гораздо больше расстояния от сердца к конечностям.

Пульсовой волне должно́ бы соответствовать пульсирование скорости кровотока в крупных артериях, однако, скорость крови (максимальное её значение 0,3—0,5 м/с) существенно меньше скорости распространения пульсовой волны. Наряду с пульсовой волной в системе кровообращения могут распространяться и звуковые волны, скорость которых очень велика по сравнению и со скоростью движения частиц крови, и скоростью пульсовой волны. Таким образом, в кровеносной системе можно выделить три основных динамических процесса:

– перемещение частиц крови – скорость тока крови (V_кр = 0,5 м/с);

– распространение пульсовой волны (V_п ~ 5—10 м / с);

– распространение звуковых волн (V_зв ~ 1500 м / с).

Скорость пульсовой волны в крупных сосудах следующим образом зависит от их параметров (формула Моенса-Кортевега):

где:

Е – модуль упругости (модуль Юнга); ρ – плотность вещества сосуда;

h – толщина стенки сосуда;

d – диаметр сосуда.

Следует отметить также, что пульсовая волна хоть и является периодической, в силу ритмичности работы сердца, не является синусоидальной (гармонической). Поэтому в качестве теоретической основы для изучения физических явлений в пульсовой волне следует использовать не акустику, а газовую динамику с её ударными волнами.

В соответствии с теорией газовой динамики граница волны повышенного давления в трубе распространяется со скоростью звука в соответствующей среде. Как объяснить сравнительно медленное движение пульсовой волны? Считается, что её скорость снижается благодаря упругости и эластичности кровеносных сосудов. Это хорошее объяснение, но без математического описания. И ещё одно «но», из такого объяснения следовало бы линейное снижение скорости волны на протяжении всего кровотока. Кстати, применяемая для определения скорости ПВ формула Моенса-Кортевега, по сути является математической моделью, примерно описывающей только это явление.

Наиболее правильным было бы применение уравнения Кортевега – де Фриза1 для бегущей волны. Именно она может дать объяснение и постоянства скорости волны и её невысокой скорости. И это рассуждение возвращает нас к предыдущей главе, в которой мы говорили о нелинейных волнах и солитонах.

1 Уравнение Кортевега – де Фриза этой книге не приводится ввиду его математической сложности.

Динамика движения крови в капиллярах. Фильтрационно-реабсорбционные процессы

Кровеносная система служит для обеспечения тканей организма обогащённой кислородом кровью, переноса питательных веществ, солей, гормонов к органам и тканям. Кровь же выводит отработанные продукты жизнедеятельности клеток, например, CO₂. Непосредственный перенос веществ между кровью и тканями происходит через стенки капилляров. Каковы механизмы этого транскапиллярного обмена?

Различают два основных механизма переноса веществ:

– диффузионное движение молекул через стенки капилляра, обусловленное разностью их концентраций по разные стороны стенки сосудов,

– фильтрационно-реабсорбционный процесс – перемещение веществ вместе с жидкостью сквозь поры в капиллярной стенке обусловленный разностью давления.

Скорости переноса вещества тем и другим механизмом тесно взаимосвязаны между собой, поскольку определяются общими условиями изменения онкотического (коллоидно-осмотического) давления и ритмически изменяющегося пульсового давления влияющих в свою очередь на концентрации веществ и осмотические эффекты.

Рассмотрим подробнее обмен веществ между кровью и тканями.

При фильтрационно-реабсорбционных процессах растворённые в воде вещества проникают сквозь стенки капилляра в силу естественной её пористой структуры. Интенсивность и направленность диффузии воды через капиллярные стенки определяются осмотическим и гидростатическим давлениями внутри капилляра и в межклеточной жидкости:

Р_гк – гидростатическое давление в капилляре,

Р_гт – гидростатическое давление в тканевой жидкости,

Р_от – онкотическое давление тканевой жидкости,

Р_ок – онкотическое давление плазмы в капилляре.

Р_гк и Р_от выдавливают жидкость сквозь стенки капилляра в ткани (происходит фильтрация), а под действием Р_гт и Р_ок – жидкость стремится возвратиться обратно в капилляр (реабсорбция).

Стенки капилляров в нормальных условиях свободно пропускают небольшие молекулы, при этом их концентрации и создаваемые ими осмотические давления в крови и в тканевой жидкости примерно равны. А вот крупные белковые молекулы крови лишь с больши́м трудом могут проникать через стенки капилляров, в результате выравнивания концентраций белков за счёт диффузии не происходит. Между кровью и тканевой жидкостью возникает разность концентрации белков, а, следовательно, и разность коллоидно-осмотического (онкотического) давления. Онкотическое давление плазмы Р_ок ≈ 25 мм рт. ст., а онкотическое давление в ткани Р_от ≈ 5 мм рт. ст. Эта разница при нормальных приводит к тому, что обычно фильтрация происходит в артериальном участке капилляра, а реабсорбция – в венозном.

Остаётся добавить, что пульсовая волна в капилляре хоть и не проявляется деформацией его стенок, но всё-таки присутствует, что было замечено при рассечении капилляра. Кровь из него вытекает синхронно с ритмом пульсовой волны. Следовательно, по капилляру прокатываются гидродинамические волны повышенного давления. Это приводит к тому, что при прохождении пульсовой волны (фаза высокого давления) также происходит фильтрационный процесс. А между пульсовыми волнами происходит реабсорбция (отработанные продукты жизнедеятельности возвращаются в кровь). [53]

Капилляры как сенсоры активности нейронов

Один из популярных методов исследования активности мозга – ФМРТ основан на регистрации кровообращения активно работающих участков мозга.

Однако сам механизм регуляции доставки крови к нейронам остаётся открытым. Зато достоверно известно, что один микролитр коры мозга содержит почти метр общей длины сосудов, где преобладают капилляры. Количество капилляров строго соответствует количеству нейронов мозге, а от тела любого нейрона до ближайшего капилляра не более 15 мкм. Такое устройство анатомии подсказало учёным идею, что сигнал от капилляра к артериоле был бы эффективным способом направлять поток крови в зону микроциркуляции в ответ на нейронную активность.

В связи с этим появилась интересная гипотеза регуляции кровообращения через активность нервных клеток. Возможно высокая активность нейронов приводит к изменению концентрации ионов в окружающем их пространстве? Что в свою очередь оказывает влияние на интенсивность обменных процессов в ближайших капиллярах. А капилляры возможно даже вызывают «гиперполяризационную» волну, распространяющуюся вверх в кровеносные сосуды-артериолы, стимулируя тем самым приток крови. В итоге нейроны получают больше кислорода.

Для проверки гипотезы, авторы исследования провели ряд экспериментов в том числе и на живом мозге анестезированных мышей. (Через открытый череп к капиллярам мозга мыши пипеткой вводили ионы калия и двух-фотонным лазерным микроскопом отслеживали изменения кровотока в сосудах). Они показали, что у мембраны капилляров есть калиевые белки-рецепторы; инъекция ионов калия вызывает быстрое распространение гиперполяризации вверх по капилляру к артериоле (авторы назвали это «обратным потенциалом действия»), стенки сосуда расширяются и кровь поступает в зону, где возникли ионы калия. [54]

Пока это только гипотеза, нужны дополнительные исследования. Однако имеющиеся данные позволили авторам исследования предположить возможность представить капилляры в виде обширной сенсо́рной сети, контролирующей динамику кровообращения в мозге. [55]

Не секрет, что нас окружает множество метеозависимых людей, это просто медицинский факт. Иногда у них обостряются проблемы сердечно-сосудистой системы, иногда напоминают о себе старые травмы, но вот лидерами являются различные неврологические проявления (мигрени, головные боли, головокружение, звон и шум в ушах, нарушения зрения, общая слабость).

А на какие конкретно изменения в погоде реагирует наш организм? Изменение температуры воздуха, влажности, насыщенности кислородом? Сомнительно, поскольку изменение этих атмосферных показателей не вызывает у нас болезненных ощущений при выходе на открытый воздух и возвращении в квартиру, офис или магазин. Может геомагнитные и солнечные бури? Их влияние на живую ткань с точки зрения инженера-электрика весьма сомнительно. Остаётся атмосферное давление. Вероятно, именно его изменения, особенно резкие перепады, способны повлиять на наше самочувствие.

Подтверждений этой гипотезе множество. От изменения самочувствия при подъёме или спуске в скоростном лифте небоскрёба, до относительно редких болезней: декомпрессионной, кессонной и (высотной) горной и бароденталгии.

Зачем заострять на этой теме внимание, и даже посвящать ей целую отдельную главу в книге про нейроны и нервные импульсы? Логика рассуждений проста. Изменение атмосферного давления при сохранении внутриклеточного давления неизбежно должно нарушить равновесные концентраций веществ внутри клетки и во внеклеточном пространстве (вспомним принцип Ле Шателье – Брауна). Такое смещение химического равновесия должно привести к изменению потенциала покоя на мембране клетки. Вернее, всех клеток в организме, но самые чувствительные к этим изменениям, вероятно, нейроны.

История кессонной болезни

В 1670 году сэр Роберт Бойл поместил гадюку в герметичную камеру и быстро выкачал воздух с помощью вакуумного насоса. В своём дневнике он отметил, что «тело и шея змеи сильно распухли, а на спине появился волдырь». Это наблюдение можно рассматривать как первое описание декомпрессионной болезни, опасного осложнения, вызываемого быстрым снижением окружающего давления, которое и по ныне убивает много людей.

Это явление обычно упоминается в контексте подводного плавания, но может проявляться у пилотов, парашютистов, шахтёров, альпинистов и всех, кто подвергается быстро меняющемуся барометрическому давлению.

Традиционно (и этой традиции полтора века!) кессонная (или декомпрессионная) болезнь объясняется образованием пузырьков газа в крови и жизненно важных тканях организма вследствие быстрого понижения давления. Считается, что пузырьки эти, состоящие из азота, наносят ущерб различным тканям организма, вызывая боль в суставах, одышку, зуд, спутанность сознания, судороги и паралич. Без медицинского вмешательства большинство незначительных случаев разрешаются самостоятельно, но тяжелые случаи могут привести к смерти, если не принять экстренных мер.

Кессон Тригера

Промышленная революция ознаменовалась повсеместным применением парового двигателя, который кроме прочего был приспособлен и для работы воздушных компрессоров.

В 1840 году Шарль-Жан Тригер (Charles-Jean Triger) применил сжатый воздух для добычи угля в долине Луары во Франции, в устройстве, которое он назвал кессоном (что по-французски означает «ящик»). Камеру с открытым дном опускали в заполненную водой шахту, и закачивали в неё сжатый воздух, вытесняя воду внизу.

Это устройство позволяло шахтёрам добывать запасы ценного угля ниже уровня грунтовых вод. Доступ в рабочую камеру осуществлялся через воздушный шлюз в верхней части камеры, а всё устройство регулировалось вручную системой впускных и выпускных клапанов. Именно тогда были зафиксированы первые травмы от сжатого воздуха и стартовал многолетний квест по поиску причины таинственной и смертельной «кессонной болезни».

Тригер, инженер-строитель и геолог, будучи человеком ответственным, перед каждой сменой сам спускался через воздушный шлюз в рабочую камеру под давлением, чтобы лично оценить качество воздуха и условия труда. Свои ощущения он описывал как боль в суставах и болезненность, появлявшиеся примерно через полчаса после возвращения на поверхность. Эти симптомы лечились алкоголем, и рабочие снова возвращались к работе. Хотя по сегодняшним медицинским стандартам его первоначальное описание является рудиментарным, это первый зарегистрированный случай кессонной болезни.

Поскольку Тригер был необычным представителем предпринимателей своего времени, он уделял пристальное внимание безопасности и здоровью своих работников. Он даже нанял двух врачей, Б. Пола и Т. Дж. Дж. Вателла, для медицинского обеспечения своих проектов с использованием кессонов.

Сообщается, что в одном из проектов Тригера (Douchy) работы проводились при давлении, в 3,5 раза превышавшем нормальное атмосферное давление. При этом Пол и Вателл отмечали одышку, артралгию, зуд и миалгии у многих рабочих при выходе из кессона. Сам доктор Пол стал жертвой кессонной болезни и выздоровел только после ночи сильной боли в груди, паралича, рвоты и одышки.

Пол и Вателл правильно сопоставили тяжесть кессонной болезни со скоростью декомпрессии, правда они ошибочно полагали, что болезнь была результатом снижения содержания кислорода в крови. Они полагали, что уменьшение парциального давления кислорода, возникающее при возвращении на поверхность, приводило к закупорке кровеносных сосудов и мозговых оболочек, что и было зафиксировано ими при многочисленных вскрытиях. Несмотря на то, что они заблуждались в своем предположении о причине кессонной болезни, в 1854 году Пол и Вателл стали первыми, кто предположил, что рекомпрессия (возвращение пациента в условия высокого давления) может быть использована для лечения тех, кто страдает кессонной болезнью.

В течение следующих двух десятилетий учёные мало продвинулись в понимании декомпрессионной болезни. Но по мере того как всё больше рабочих становилось жертвами таинственного недуга, всё больше врачей начинали обращать на неё своё внимание. Они лечили болезнь с помощью ванн с холодной водой, натуральных масел, сердечных средств, хинина, банок, пиявок и даже погружения в жидкую ртуть. [56]

Мост Сент-Луиса

Летом 1868 года капитан Джеймс Бьюкенен Идз (James Buchanan Eads) начал строительство моста «Сент-Луис» длиной 500 метров, который должен был перекинуться через реку Миссисипи. При строительстве опор моста не обошлось без кессонов. Рабочие трудились по четыре-шесть часов в смену, и о травмах не сообщалось, пока кессоны не достигли глубины в шестьдесят футов, что составляло примерно половину запланированной глубины, необходимой для достижения коренных пород.

Многие рабочие стали жаловаться на боли в суставах или частичный паралич нижних конечностей, однако некоторые также отмечали головные боли и зуд. Часто рабочие выходили из кессона в согнутой позе из-за болей в суставах. Эта поза была похожа на греческий изгиб, модную в 1820-х годах женскую позу, и поэтому о рабочих, страдающих кессонной болезнью, говорили, что у них «изгибы».

Когда один из кессонов приблизился к глубине 93 фута, шесть человек погибли, работая в среде сжатого воздуха. К концу проекта почти двадцать пять процентов из всех работников страдали кессонной болезнью. Было зафиксировано тридцать госпитализаций, тринадцать смертей и два случая полной инвалидности.

В 1870 году Альфонс Жамине (Jaminet), местный врач, открыл больницу на соседней барже для реабилитации рабочих на выходе из кессона. Это был импровизированный лазарет с койками, одеялами и одним врачом. В дополнение к наблюдению за рабочими в течение дня, Жамине также требовал, чтобы они оставались на его попечении «по крайней мере один час после работы, выпивая по три четверти пинты крепкого мятного чая».

Сам Жамине не раз отважился спуститься в кессон и испытал многочисленные последствия сжатия и декомпрессии. Однажды он страдал от «изгибов» и был поражён параличом нижних конечностей и болями в животе в течение нескольких дней. В своей книге о кессонной болезни он очень подробно описывает свое состояние: «Я страдал от обильного холодного пота, изо всех сил стараясь говорить испытывал большие страдания и обморок, мой пульс был 106 в минуту, обе мои ноги и левая рука были парализованы».

Жамине отметил, что сердцебиение и частота дыхания увеличивались в течение нескольких мгновений после спуска в кессон. По этой причине он запрещал использовать какие-либо стимуляторы перед началом работ (известные стимуляторы того времени – кокаин, алкоголь и горячие ванны).

Вообще-то, Жамине ошибочно приписывал «изгибы» быстрым скоростям сжатия, он установил стандартные скорости как для сжатия, так и для декомпрессии в кессонах. И, хотя скорость декомпрессии была довольно высокой по сравнению с современными стандартами, идея контроля скорости декомпрессии стала шагом в правильном направлении к предотвращению травм.

Бруклинский мост

В мае 1870 года Вашингтон Реблинг (1837—1926) начал строительство 1600-футового Бруклинского моста, который должен был соединить Нью-Йорк и Бруклин. Кессоны Бруклинского моста площадью 16 000 квадратных футов были в три раза больше, чем те, которые использовались для строительства моста в Сент-Луисе.

С самого начала врачу-отоларингологу Эндрю Х. Смиту было поручено заботиться о благополучии рабочих, участвующих в проекте. Как и другие врачи до него, Смит стал свидетелем многочисленных случаев кессонной болезни. В 1873 году он выступил с докладом об этой болезни в Колледже врачей и хирургов в Нью-Йорке, официально назвав её кессонной и опубликовал этот термин в учебнике в том же году.

Смит отметил, что время воздействия сжатого воздуха было прямо пропорционально тяжести симптомов кессонной болезни. Как и Жамине, он отмечал у рабочих в кессонах резкое увеличение частоты сердечных сокращений, потоотделения и диуреза. Но он был первым, кто правильно объяснил увеличение частоты сердечных сокращений повышенным уровнем углекислого газа, в результате сгорания газа в лампах в кессоне. Кроме того, Смит обратил внимание на жару и высокую влажность на дне кессонов, которые, по его мнению, были причиной повышенного потоотделения и мочеиспускания.

Во время проекта Смит как мог заботился о здоровье рабочих, страдавших кессонной болезнью. Однако, вводя морфин или атропин, он был относительно беспомощен в предотвращении болезни, поскольку истинная причина всё ещё оставалась неизвестной. Меж тем Смит сделал важное наблюдение, когда отметил, что большинство из 86 работников, страдавших кессонной болезнью, имели избыточный вес, причем все случаи смерти были описаны у пациентов с «ожирением».

По мере углубления земляных работ руководитель строительства Бруклинского моста Реблинг начал всерьёз беспокоиться ростом числа несчастных случаев. В 1871 году, лично осмотрев условия работы в одном из кессонов, он также стал жертвой декомпрессионной болезни и остался парализованным на всю оставшуюся жизнь.

В конце концов он запретил работы на глубине 78 футов, что было чуть меньше запланированных ста, необходимых для достижения коренных пород. В результате опору моста пришлось разместить на песке, и Бруклинский мост был открыт в мае 1883 года.

Пол Берт

Важную роль в объяснении первопричины декомпрессионной болезни сыграл Французский физиолог Поль Берт (Paul Bert, 1833—1886). Как физиолог, он интересовался изучением полётов на воздушном шаре на большой высоте и построил несколько камер для экспериментов с барометрическим давлением. В 1870 году он провёл многочисленные опыты по быстрой декомпрессии мышей, собак и птиц. После длительных периодов пребывания в камерах с давлением, в десять раз превышающим нормальный атмосферный уровень, эти животные были быстро разгерметизированы в течение нескольких минут или даже секунд.

В своей книге «Барометрическое давление» Берт описал пузырьки воздуха в венозной системе и правой стороне сердца животных и утверждал, что этот газ состоит преимущественно из азота. Он стал первым, кто заявил, что кессонная болезнь является результатом образования пузырьков азота в тканях человека в результате быстрой декомпрессии из-за гипербарических условий.

Берт не только объяснил причины кессонной болезни, также предложил меры по её профилактике и лечению. Он предложил «замедлить скорость декомпрессии, чтобы обеспечить выведение газообразного азота через легкие… чтобы субъект дышал чистым кислородом, если появляются незначительные симптомы… [и] немедленно повторно сжать, а затем медленно разжать в случае паралича».

Эти методы медленной декомпрессии, введения кислорода и рекомпрессии являются основой современного лечения декомпрессионной болезни и сегодня, полтора века спустя.

Джон Скотт Холдейн

Джону Скотту Холдейну (John Scott Haldane, 1860—1936) приписывают создание первых точных таблиц декомпрессии для тех, кто работает в условиях сжатого воздуха. Холдейн был опытным специалистом в области газовой физиологии.

Совместно с Институтом профилактической медицины Листера и Королевским военно-морским флотом Холдейн построил барокамеру для изучения кессонной болезни. В начале 1900-х годов он провёл в своей камере сотни экспериментов как на животных, так и на людях. Он констатировал, что большинство наблюдаемых симптомов были вызваны воздействием на нервную систему, он даже смог непосредственно наблюдать пузырьки азота в белом веществе мозга при микроскопии. Поскольку белое вещество главным образом состоит из жироподобного вещества (на самом деле – пучков аксонов, покрытых миелином), Холдейн правильно предположил, что существует корреляция между тяжестью кессонной болезни и количеством жира внутри пострадавшего. На основании этих наблюдении были предложены ограничения для тех, кто мог работать в кессонах, в частности, что «действительно толстым людям никогда не следует разрешать работать в сжатом воздухе, а полным рабочим следует запретить работать в кессонах высокого давления…». [56]

В 1903—1904 годах Холдейн провёл сотни экспериментов, в результате которых сделал вывод о том, что количество азота, поглощенного в конкретной ткани тела, определялось содержанием в ней жира и потоком крови через неё. Он также выдвинул идею перенасыщения, согласно которой ткани организма могут удерживать азот в течение ограниченного периода времени после декомпрессии до образования пузырьков.

Наконец, Холдейн разработал теорию тканевых полупериодов, то есть времени, которое необходимо для того, чтобы самая медленная ткань насытилась до половины парциального давления её перенасыщенного состояния.

На основании этой теории Холдейн разработал метод, позволяющий предупреждать симптомы кессонной болезни, возникавшие при увеличении давления.

Теория Холдейна о половинном сокращении азота в тканях всё ещё является основой современной водолазной медицины.

В течение следующих ста лет многочисленные достижения в области водолазной медицины позволили создать высокоточные таблицы погружений, которые мы имеем сегодня, однако большая часть нашего понимания декомпрессионной болезни всё ещё проистекает из наблюдений и научных исследований 1800-х годов.

Даже несмотря на наличие таких средств исследования мозга как ФМРТ учёные продолжают объяснять симптомы декомпрессии пузырьками азота в крови.

Горная болезнь

Отмечено, что большинство наблюдаемых симптомов кессонной болезни указывают на влияние изменений давления на нервную систему, однако нигде не упоминаются случаи отёка мозга. Дело в том, что в случае с кессонами, рабочие подвергались воздействию высокого давления в течении рабочей смены, которая не превышала 6—8 часов, а период декомпрессии вообще измерялся минутами.

Но есть одна болезнь главным травмирующим аспектом которой является отёк мозга. И эта болезнь связана с относительно медленным и длительным воздействием на организм человека пониженного атмосферного давления. Это – горная болезнь (или высотная болезнь).

Острая горная болезнь поражает альпинистов, которые быстро поднимаются на высоту не менее 2500 метров и путешественников в Антарктиду (атмосферное давление там всего 460 мм рт. ст. тогда как «нормальное» давление 760 мм рт. ст.), аналогичные симптомы могут наблюдаться во время полётов на большой высоте, если кабины летательных аппаратов не герметичны. Первые симптомы острой горной болезни включают головную боль, лихорадку, усталость, тошноту, головокружение, анорексию, нарушения сна и спутанность сознания. Если симптомы не исчезнут или при дальнейшем подъёме, может возникнуть отёк мозга и легких.

Если по мере адаптации организма к пониженному давлению симптомы не исчезают, пострадавшему следует спуститься на более низкую высоту.

Медикаментозное лечение – приём ацетазоламида, который является основным лекарственным средством. Он снижает образование спинномозговой жидкости, а дополнительные препараты включают нестероидные противовоспалительные препараты от головной боли и дексаметазон при отёке мозга.

История

Первое задокументированное сообщение о горной болезни было сделано китайским чиновником Ту-Кином между 37 и 32 годами до нашей эры, когда он столкнулся с трудностями при переходе через перевал Килик (4827 м) на территории современного Афганистана. Он описал головную боль и рвоту и назвал горы на своём пути такими названиями, как «Великая гора головной боли» и «Маленькая гора головной боли».

Поль Берт, французский пионер в исследовании влияния атмосферного давления на функции организма, в 1877 году признал гипоксию причиной высотной болезни.

Церебральная форма горной болезни с преобладанием отека мозга была описана у ряда больных только в 1975 году.

Высотный отек головного мозга

Отёк мозга может быть следствием большого количества патологий и даже травм. Объяснение осложнений, возникающих в результате отёка мозга отсылает нас к доктрине Монро-Келли.

Доктрина эта предполагает, что пространство полости черепа имеет фиксированный объём и содержит фиксированные пропорции мозгового вещества (примерно 1400 мл), крови (примерно 150 мл) и спинномозговой жидкости (примерно 150 мл). Увеличение объёма одного из этих компонентов должно приводить к пропорциональному снижению других. При отёке мозга увеличивается относительный объём ткани мозга. 1

Клинические проявления – сильные головные боли, атаксическая походка2, галлюцинации, паралич черепных нервов, гемиплегия3 и судороги. Возможны нарушения сознания различной степени, от сонливости до комы. Неврологические симптомы могут прогрессировать от лёгких до потери сознания в течение 12—72 часов.

Нарушение кратковременной памяти и нарушения речи, снижение когнитивных способностей заметны у большинства людей при восхождении на высоту более 6000 метров. У тех, кто испытает коматозное состояние, могут наблюдаться нарушения памяти и походки, которые сохраняются в течение нескольких месяцев.

Современная медицина объясняет это сужением просвета кровеносных сосудов вследствие снижения CO₂ в крови, что приводит к локальной ишемии определённых областей мозга и приводящей к временным очаговым неврологическим нарушениям. Даже с точки зрения фильтрационно-реабсорбционных процессов в крови симптомы болезни, похоже никто не рассматривал. И уж тем более никто не вспомнил опыт с наркотизированными головастиками, у которых в условиях высокого внешнего давления прекращалось действие анестетиков.

Бародонтальгия

По мере роста популярности и доступности дайвинга ныряльщики стали обращать внимание на зубную боль при погружениях на большие глубины. Целенаправленные опросы показали, что под водой до 41% аквалангистов испытывают ряд стоматологических симптомов от простой зубной боли до выпадения коронок и пломб. Эту странную болезнь назвали – бародонтальгия.

Зубной нерв – одна из трёх составляющих мягкой ткани зуба (пульпы). В состав пульпы также входят — артериальные и венозные сосуды. Пульпа располагается под эмалью и слоем дентина и составляет зубную полость.

Безмиелиновые нервные волокна проникают на глубину нескольких микрометров из периферических отделов пульпы в дентинные трубочки. При формировании болевых импульсов в здоровом зубе главную роль играет дентинная жидкость (изменение гидродинамических условий).

1 Идеи недоучившегося студента, самотрепанатора Барта Хьюза о котором я рассказывал в главе «Трепанация», возможно были не так уж и безумны.

2 Атаксическая походка характеризуется неправильным расположением стопы, широким основанием и нестабильностью из-за нарушения координации мышц.

АП может быть связана с сенсорными нарушениями, такими как зрение и проприоцепция (осознание положения и движений конечностей).

3 Полная потеря возможности произвольных движений (паралич) в ноге и руке с одной стороны тела

Признаюсь, я не первый, кто обращается к идее гидродинамики и солитона для объяснения нервного импульса.

Совершенствование методов исследований на микроскопическом уровне в какой-то момент позволило увидеть, что аксональный потенциал действия сопровождают быстрые изменения диаметра аксона и давления внутри нервного волокна.

Немного лет спустя были зарегистрированы изменения в оптических свойствах волокон. Но, не зная, как и почему это происходит учёные отклонили результаты наблюдений как случайные побочные продукты нервного импульса или как дефекты эксперимента.

Так что, несмотря на накопленный с тех пор большой массив экспериментальных данных, среди учёных нет консенсуса ни по физической природе этих механических волн, ни по их взаимозависимости с электрическими потенциалами мембраны.

Ичиджи Тасаки

Ичиджи Тасаки (Тасаки Ichiji, 10.10.1910 – 4.01.2009) американский биофизик и врач японского происхождения.

Тасаки приписывают открытие изолирующей функции миелиновой оболочки, а также объяснение сальтаторного эффекта при распространении нервного импульса в миелинизированном волокне.

Он родился в Японии в 1910 году. Здесь, по настоянию своей матери, посещал медицинскую школу, в которой в 1938 получил степень доктора медицины. Однако Тасаки решил не заниматься врачебной практикой, а сосредоточился на биофизике.

Тасаки получил степень доктора медицины в Университете Кейо в Японии, где он исследовал нервные волокна позвоночных и объяснил изолирующую функцию миелиновой оболочки. Он был первым, кто показал, что электрические импульсы, распространяющиеся вдоль миелинизированных нервных клеток, как бы «прыгают» между разрывами миелиновой оболочки – перехватами Ранвье. Этот процесс, называемый «сальтаторным проведением», описан в большинстве учебников по физиологии, но ни в одном не упоминается имя Тасаки.

Впервые объяснение сальтаторного эффекта было опубликовано в статье в Американском журнале по физиологии в 1939 году. Во время Второй мировой войны последующие рукописи, написанные на немецком языке, отправлялись для публикации во Франкфурт, сначала через СССР, а затем на немецкой подводной лодке.

После Второй мировой войны он некоторое время работал приглашённым учёным в исследовательских институтах Швейцарии и Англии, а затем в 1951 году переехал в Соединённые Штаты, где продолжил исследования в Вашингтонском университете в Сент-Луисе. Его работа там прояснила ключевые детали того, как вибрации, возникающие в улитке уха в ответ на звук, преобразуются в электрические сигналы, которые мозг может интерпретировать. Эти открытия привели к развитию аудиологии, предоставляя основу для диагностики и лечения многих нарушений слуха.

В 1953 году Тасаки присоединился в качестве приглашённого учёного в тогдашний Национальный институт неврологических заболеваний и слепоты. С 1966 по 1984 год он был начальником лаборатории нейробиологии NIMH, а затем старшим научным сотрудником, пока не «вышел на пенсию» в 2008 году. В возрасте 97 лет он считался самым старым действующим учёным в истории Национальных Институтов Здоровья (США). После отставки он был назван почётным учёным и продолжил свою научную работу до самой смерти.

Он продолжал работать по семь дней в неделю, когда ему было уже далеко за 90. Однажды, в декабре 2008 г., прогуливаясь рядом со своим домом, он потерял равновесие и ударился головой о землю. Через неделю Тасаки умер, в возрасте 98 лет.

Список достижений этого учёного настолько велик, что большинство сочло бы любое из его открытий карьерным событием. Некоторые из них достойны нобелевской премии. Но, признавая «огромный вклад Тасаки в научное понимание» в посвящённом его кончине некрологе больше говорится о том, как долго и как много он работал, а не о том, как много открытий совершил.

Ещё в 1940-х годах учёные заметили, что, когда волна возбуждения проходит по нервному волокну, полупрозрачная клетка ненадолго становится более мутной. К 1968 году Тасаки и другие исследовательские группы нашли доказательства того, что, когда проходит импульс, молекулы в мембране физически перестраиваются, а затем возвращаются в исходное состояние.

Исследователи ожидали, что электрический импульс будет выделять тепло, – так обычно бывает, когда течёт электричество. Однако несколько разных групп учёных обнаружили нечто странное. Температура нервного волокна поднялась на несколько миллионных долей градуса Цельсия в момент прохождения импульса, но затем быстро упала. Тепло не рассеивалось, за несколько тысячных долей секунды нерв поглотил основную его часть.

Такое временное расширение, перестройка молекул, нагревание и охлаждение привели Тасаки к ошеломляющему выводу: нервный сигнал не был просто скачком напряжения, это было очень похоже на механическую волну. Специалисты, изучавшие нервы с помощью электродов, упускали большую часть происходящего.

В течение 1960-х годов Тасаки впервые использовал красители, флуоресцирующие при электрической стимуляции нейронов для наблюдения за физическими изменениями в нервных мембранах при передаче импульсов. Он измерил тепло, генерируемое и поглощаемое при прохождении нервного импульса.

Считается, что именно Ичиджи Тасаки впервые применил термодинамический подход к феномену распространения нервного импульса. Тогда он отметил несколько факторов, не учтённых в модели Ходжкина – Хаксли (изменение температуры и давления при прохождении ПД).

Другое его открытие (1980, Статья «Механические изменения в аксонах гигантских кальмаров, связанные с выработкой потенциалов действия»), описывающие механические изменения в аксонах гигантских кальмаров при прохождении нервного импульса [56], не столь успешно вписалось в общепринятую доктрину распространения нервных импульсов, но возможно именно оно принесёт настоящую славу Ичиджи Тасаки. И, как ни удивительно, это последнее открытие явилось логическим завершением первого, совершенного почти полвека назад – открытия сальтаторной проводимости (1930,40-е годы) которое можно было бы считать пиком его карьеры.

Оказалось, что потенциал действия в гигантских аксонах кальмара сопровождается быстрым и небольшим «набуханием» и смещением поверхности около 0,5 нм, при увеличении давления около 1 дин/см². (По другим данным амплитуда изменения давления составляла около 1 мПа.)

В 1979 году Тасаки провёл необычный эксперимент. Глядя в микроскоп, он осторожно положил крупинку блестящей платины на тонкую белую нить – пучок нервных волокон краба, оголённый в процессе вскрытия конечности животного, и направил лазер на платину. Регистрируя отражение света лазера, он смог обнаружить движения, означавшие, что пучок волокон быстро расширялся и сужался во время прохождения импульса. Вместе со своим тогдашним аспирантом Кунихико Ивасой (Kunihiko Iwasa) он провёл сотни измерений. Спустя неделю ответ был ясен: каждый раз, когда импульс шёл по нервным волокнам, они быстро расширялись, а затем снова сужались за несколько десятых долей секунды. Максимальное набухание достигалось на пике потенциала действия.

Изменения были очень слабыми: поверхность мембраны поднималась всего на семь миллиардных долей метра. Но это абсолютно совпадало с моментом прохождения электрического импульса, подтверждая предположение, которое Тасаки лелеял годами: Ходжкин и Хаксли ошибались.

Тогда Тасаки предположил, что расширение объёма происходит как следствие бокового расширения возбуждённой части волокон, где поверхностный слой превращается в гелеобразную структуру с низкой плотностью.

Всю оставшуюся жизнь Тасаки исследовал эти эффекты. Он пришёл к выводу, что они возникали не в клеточной мембране, а в слое белковых и углеводных волокон, расположенном под ней. Согласно его теории, когда проходит нервный импульс, волокна поглощают ионы калия и воду, набухая и нагреваясь, а когда импульс проходит дальше, процесс оборачивается вспять.

Тасаки, развивая эти идеи, постепенно начал двигаться против общего научного течения. Не в его пользу работали и другие факторы. Он вырос в Японии, и его английская речь была неестественной. «Вам надо было очень много знать, чтобы что-то серьёзно с ним обсуждать, – говорил Питер Бэссер (Peter Basser), руководитель секции нейробиологии в Национальных институтах здравоохранения, который был знаком с Тасаки на протяжении 20 лет. – И я думаю, что многие люди не догадывались, насколько он компетентен и проницателен». И хотя Тасаки сотрудничал со многими учёными, у него не было учеников, которые продвигали бы его идеи.

Ярким примером раскола между Тасаки и другими учёными стало идеологическое соперничество с ещё одним известным нейробиологом из Национальных институтов здоровья, Кеннетом Коулом (Kenneth Cole), сторонником традиционных взглядов. Хотя эти два человека работали в одном и том же лабораторном здании в 1950—1970-х гг., они почти не разговаривали в течение 15 лет, за исключением публичных мероприятий, где они обменивались колкостями.

Со временем работы Тасаки исчезли из поля зрения. «Я не думаю, что кто-то сомневался в достоверности его наблюдений, поскольку его уважали в лаборатории», – говорит Адриан Парсегян (Adrian Parsegian), биофизик из Массачусетского университета в Амхерсте, работавший в Национальных институтах здравоохранения с 1967 по 2009 г. Открытия Тасаки скорее «считались неважными» для передачи нервных сигналов, не более чем побочный эффект изменения заряда. Механизмы явления не были объяснены, говорит Парсегян: «Одна часть информации попала в учебники, а другая – нет».

Основываясь на открытиях Тасаки, Конрад Кауфман в своей неопубликованной рукописи предложил рассмотреть звуковые волны в качестве физической основы для распространения нервного импульса.

Солитонная модель Хаймбурга и Шнайдера Исследования Томаса Хаймбурга и Андрю Д. Джексона

В 2005 году Томас Хаймбург (Thomas Heimburg) и Андрю Д. Джексон (Andrew D. Jackson) предложили модель, основанную на предположении, что сигнал по нейронам распространяется по клеточной мембране в виде солитонов – устойчивых волн [57]. (Напомню, что в ещё 1879 г. немецкий физиолог Лудимар Герман рассматривал модель, в которой уподобил нерв телефонному кабелю, в котором, однако, волны должны взаимодействовать нелинейно. Только вот, решать подобные математические задачи в то время, не умели).

Физик Томас Хаймбург, специалист по квантовой механике и биофизике столкнулся с работой Тасаки в середине 1980-х годов, когда занимался своим диссертационным исследованием в Институте биофизической химии Общества им. Макса Планка в Геттингене. Увлёкшись он стал проводить всё больше времени в библиотеке, изучая старые статьи. В конце концов он нашёл иное объяснение открытиям Тасаки. Хаймбург пришёл к выводу, что и механические колебания, и оптические трансформации, и временное изменение температуры могут происходить в липидных мембранах нейронов, а не в белковых и углеводных волокнах под мембраной, как предполагал Тасаки.

К концу 1990-х годов Хаймбург начал проводить собственные эксперименты. Он сжимал искусственные клеточные мембраны, чтобы увидеть, как те будут реагировать на механические волны. В результате было открыто кое-что важное: липиды мембраны обычно находятся в жидком состоянии, их молекулы повёрнуты случайным образом, но они близки к тому, что физики называют фазовым переходом. Достаточно чуть-чуть сжать мембрану, и липиды сконденсируются в высокоупорядоченную жидкокристаллическую структуру.

Проведя эксперименты, Хаймбург стал утверждать, что нервный импульс – это механическая волна, которая идёт по мембране. Продвигаясь, она сжимает липиды мембраны так, что они образуют жидкий кристалл, при этом выделяется небольшое количество тепла, так же как при замерзании воды. Затем, когда волна прошла, через несколько тысячных долей секунды мембрана возвращается в жидкое состояние и при этом поглощается тепло. Быстрый переход в жидкокристаллическую форму и обратно сопровождается расширением мембраны, что и наблюдали Тасаки с Ивасой, освещая лазером крупинку платины.

Хаймбургом было сделано ещё одно оригинальное предположение – механическая волна и фазовый переход могут быть связаны со скачком напряжения, происходящим при прохождении импульса. Хаймбург обнаружил, что может перевести мембрану в жидкокристаллическое состояние, просто изменив мембранный потенциал. По его словам, люди изменяли мембранный потенциал на протяжении почти 70 лет, но никто из электрофизиологов никогда не проверял наличие жидкокристаллической структуры. Возможно мембраны представляют собой пьезоэлектрики – материалы, способные преобразовывать физические воздействия в электрические сигналы и наоборот. Это значит, что электрический импульс, идущий по мембране, вызывает механическую волну. Или наоборот, механическая волна, идущая по мембране, вызывает изменение напряжения.

Зачем Хаймбург занялся наблюдением за нервами при анестезии?

На полках у Хаймбурга были книги по физике, а не по биологии. Среди них были и книги Германа Гельмгольца, который в середине 1800-х годов сформулировал важнейшее правило термодинамики, что энергия может переходить в другую форму, но не может быть создана или уничтожена. Напомню, Гельмгольц тоже измерял скорость нервных импульсов. «Я считаю, что обязательно надо читать эти старые тексты, – говорит Хаймбург. – Они отражают постепенное открытие фундаментальных связей между энергией, температурой, давлением, напряжением и фазовыми переходами». Эти принципы лежат в основе представлений Хаймбурга о работе нейронов, представлений физика, пробивающего себе дорогу в чужой (и недружелюбной) научной области.

Он быстро заметил слабые места в популярных объяснениях действия анестезии. Биологи считают, что анестезия выключает нервы, блокируя ионные каналы – проходы в мембране нейрона, которые закрываются и открываются, пропуская ионы натрия или калия. Но поскольку разные анестетики имеют совершенно разную молекулярную структуру, Хаймбург усомнился, что все они связываются с ионными каналами. Это «совершенно нелепое» объяснение, разочарованно говорил он как о чем-то абсолютно очевидном. Тут должно быть что-то «более глубокое и основательное».

Идеи Хаймбурга отчасти сформировались под влиянием старой книги «Исследования наркоза» (Studien ber die Narkose), опубликованной Эрнестом Овертоном (Ernest Overton) в 1901 г. Описываемый там эксперимент привлёк внимание Хаймбурга. Овертон взял десятки разных анестетиков и каждый из них поместил в колбу, содержащую воду, где сверху был слой оливкового масла. Он потряс каждую колбу, а затем подождал, пока вода и масло снова разделятся. Далее для каждого анестетика он определил, сколько оказалось в воде, а сколько в масле. Чем более сильным действием на животных обладал анестетик, тем больше его оказывалось в масле. Такой поразительный результат был позже подтверждён для новых анестетиков. Оливковое масло и клеточные мембраны состоят из похожих молекул, которые называются «жирные кислоты».1

В начале 1950-х годов датчанин Йенс Скоу (Jens Christian Skou) изучал механизм действия анестетиков. Он также заметил, что действие анестетика связано с его способностью растворяться в липидном слое клеточной мембраны и блокировать натриевые каналы. Сначала Скоу предположил, что канал является белковой молекулой и его перекрытие в нейронах приводит к тому, что нервные клетки теряют способность к возбуждению, а это приводит к анестезии.

Продолжение исследования этого вопроса привело его к нобелевской премии за открытие в 1957 году такой разновидности АТФ-азы, которая активируется катионами натрия и калия. Так был обнаружен первый ионный насос – фермент, который создаёт прямой перенос ионов через клеточную мембрану.

Кстати, Чарльз Овертон, первым в 1902 году наблюдавший свойства анестетиков в масле тоже вошёл в историю, он высказал идею, что клеточные мембраны состоят из тонкого слоя фосфолипидов.

Хаймбург же предположил, что анестетики встраиваются в клеточные мембраны и изменяют их физические свойства.

Данную идею подтвердили эксперименты с искусственными мембранами. Когда Хаймбург ввёл в мембрану анестетик, это помешало ей переходить в жидкокристаллическую форму при понижении температуры до того значения, при котором обычно происходит этот переход, совсем так же, как соль или сахар снижают температуру замерзания воды.

Хаймбург пришёл к выводу – когда в мембране затруднён фазовый переход, механическая волна не проходит по нервному волокну, и это объясняет, почему анестетики выключают нерв. Причём он предсказал, что препятствие можно преодолеть. Для кристаллизации мембраны надо создать более высокое давление, например, увеличив силу тока раздражения. Более сильный электрический ток действительно преодолел влияние анестетика.

Если анестезию можно победить, сильнее ударив током, значит то же самое можно сделать, увеличив физическое давление на мембрану. Биологи открыли это явление ещё в 1942 г. Они использовали два разных анестетика, этанол и уретан, чтобы наркотизировать головастиков до такой степени, что те не могли плавать. Затем учёные поместили животных в гипербарическую камеру с давлением в 136 раз выше атмосферного. Анестезирующий эффект исчез: головастики возобновили плаванье. Когда давление понизили, головастики снова легли неподвижно. «Это удивительно, – говорил Хаймбург улыбаясь. – Как могло прийти в голову воздействовать повышенным давлением на одурманенных головастиков?»

1 Основываясь на этих наблюдениях Э. Овертон выдвинул предположение о том, что клеточная мембрана предоставляет собой одномерный липидный слой.

Шнайдер

Когда Хаймбург и его коллега Эндрю Джексон впервые опубликовали свою теорию в 2005 году, они не наблюдали ни одного такого электромеханического импульса в динамике.

Этот пробел восполнил один из бывших студентов Хаймбурга – биофизик Маттиас Шнайдер (Matthias Schneider), работавший тогда в Техническом университете Дортмунда. В 2009 году он сообщил, что может вызвать механическую волну, подав напряжение на искусственную мембрану. Сила импульса была схожа с той, которая наблюдается в нервных клетках. Волна перемещалась со скоростью приблизительно 50 м/с. В 2012 году Шнайдер подтвердил, что механическая волна и электрический импульс – это составляющие одной и той же волны, идущей по мембране.

Однако главное открытие Шнайдер сделал в 2014 году. Ключевая особенность нервного импульса – закон «всё или ничего». Если нейрон получает слабый сигнал, потенциал действия не пойдёт, если сигнал достаточно сильный, то пойдёт. Существует определённый порог. Шнайдер обнаружил, что электромеханические волны на его искусственных мембранах действительно распространялись по принципу «всё или ничего». Казалось, что определяющий фактор – достаточно ли сильно сжата мембрана, чтобы произошёл переход в жидкокристаллическую форму. Только тогда, по словам Шнайдера, «вы получите импульс».

Группа биологической физики Матиаса Шнайдера изучила распространение двумерных звуковых волн в липидных интерфейсах и их возможную роль в биологической сигнализации. В результате была создана первая солитонная модель распространения нервного импульса.

Строилась она на утверждении, что клеточная мембрана имеет «точку замерзания» (пороговую температуру, при которой её консистенция изменяется от жидкой к гелеобразной). Температура эта лишь немного ниже температуры тела организма. И это свойство мембраны является условием распространения солитонов. Потенциал действия, распространяющийся вдоль нервного волокна, вызывает незначительное повышение температуры. В этот момент она «становится жидкой», что приводит к её деформации и диффузии ионов. По прошествии нервного импульса температура снижается, и мембрана возвращается в исходное состояние. Авторы идеи считали величину упругости мембраны нелинейной функцией температуры и давления в окрестности перехода плавления, и доказывали, что эта особенность приводит к возможности распространения солитонов в мембранах.

Критика

В таком виде солитонная модель попала под шквал критики. Сторонники модели попытались объяснять с точки зрения термодинамики и физическое расширение нервов при распространении импульса, и обратимое выделение тепла, и эффект анестетиков, и электрическую индукцию потенциалов. Но как объяснить работоспособность модели в условиях широкого диапазона температур (потенциалы действия присутствуют при 0° C)? Не нашлось ответа и на другой довод скептиков: как в рамках предложенной солитонной модели объяснить селективность мембраны к ионам K⁺ и Na⁺.

Хаймбург до сих пор расстроен тем, как биологи реагируют на его идеи. Он столкнулся с яростным противодействием с того момента, как в 2005 году опубликовал свою теорию в Proceedings of the National Academy of Sciences USA, хотя журнал пользуется большим уважением.

Консервативные нейробиологи считают, что вся работа пропитана превосходством физика, который думает, что может просто прийти в другую область и наставить людей на путь истинный.

Одно дело – говорить, что в нервах действуют и механические, и электрические силы, и совсем другое – отвергать представления о том, что ионные каналы играют ключевую роль в проведении сигнала, как это делают Хаймбург и Шнайдер – это их самое большое и наиболее сомнительное отклонение от общепринятой линии в биологии. Для них неважно, что учёные обнаружили сотни белков ионных каналов или что лекарства могут избирательно влиять на потоки ионов, или что учёные создают мутации, изменяющие белки и влияющие на возбудимость нейронов.

Хаймбург и Шнайдер признают, что эти белки должны играть некоторую роль. Но они ссылаются на эксперименты, где показано, что нервные волокна временно «набухают», когда по ним проходят импульсы, потому что молекулы воды текут внутрь сквозь мембрану через те же ионные каналы, которые впускают натрий, а затем вытекают через ионные каналы, выпускающие калий.

Хаймбург и Шнайдер заняли непримиримую позицию. Возможно когда-нибудь они разделят Нобелевскую премию. Или они не придут ни к чему, увязшие в своём упрямстве, как на много десятилетий застрял Тасаки.

Ажиотаж вокруг этой темы немного затих.

Модель Ходжкина – Хаксли устояла и укрепилась. Но, если опустить идею с «точкой замерзания», то есть физический смысл в заявленной гипотезе, то в математическом описании гидродинамической волны как солитона эта модель очень перспективна.

А Хаймбург тем временем продолжает свои исследования. В 2014 году он повторил эксперимент с наркотизированным головастиком, используя искусственные мембраны вместо животных: когда он повысил давление до 160 атмосфер, действие анестетиков прекратилось, но теперь Хаймбург мог связать это с фазовым переходом в мембране. В 2016 году он точно измерил в одиночной клетке механическую волну, которую Тасаки и Иваса впервые описали в 1979 году.

Интересно, что тепловая энергия в передающем сигнал нерве может быть в два раза больше того значения энергии электрического сигнала, которое принято в нейробиологии. То, что эти неэлектрические характеристики попали в немилость, отчасти произошло по историческим причинам. Хаймбург утверждает, что в старых экспериментах систематически недооценивалось количество выделяемого тепла, поскольку там было сразу много нейронов, поглощение тепла после раннего прохождения импульса сглаживало картину выделения тепла от более поздних импульсов.

Тасаки измерял тепло, выделяемое пучком волокон, а Хаймбург планирует с помощью микрочипа оценить изменение температуры одиночного нейрона. Эксперимент должен ответить на главный аргумент критиков его теории: что быстрый переход участка мембраны из жидкого состояния в кристаллическое и обратно должен сопровождаться выделением, а затем поглощением большего количества тепла, чем наблюдал Тасаки. Если измерения подтвердят данный факт, это будет в пользу его утверждения, что по мембране передаётся механическая волна.

Модель Ахмеда Эль Хади и Бенджамина Мачты

Прошло совсем немного времени и вот в 2014 году американские молодые исследователи Бенджамин Б. Мачта и Ахмед Эль Хади [58] предлагают новую теоретическую модель, в соответствии с которой существующая механическая поверхностная волна, распространяется совместно с электрическим потенциалом действия.

Модель, разработанная Ахмедом Эль Хади и Бенджамином Мачтой, основана на данных о биофизических параметрах, таких как диаметр аксона, эластичность мембраны нервных клеток, а также плотность и вязкость аксоплазмы (цитоплазмы внутри аксона), взятой из других экспериментов. [59]

– Мы называем их «волнами действия», – говорит Эль Хади, – и мы думаем, что они движимы потенциалами действия. Они немного похожи на поверхностные волны, которые вы получаете, когда бросаете камень в воду – камень похож на электрический импульс, который вызывает механическое смещение мембраны». Далее снова следовала математическая модель солитона. Учёные верили, что их модель послужит основой для понимания физического происхождения и возможных функциональных ролей этих волн в нейробиологии. Но как показала жизнь этой амбициозной цели они не достигли.

Недавно группа исследователей из Китая показала, что цитоскелет аксонов организован в виде серии концентрических колец, и Эль-Хади подозревает, что «волны действия» могут возникать при последовательном сужении этих колец.

Другие

Многие учёные пытались исследовать механические волны в нервном волокне с точки зрения термодинамики и строить их математические модели на основе нелинейных одиночных волн – солитонов. Но с 2005 года после Томаса Хаймбурга и Андрю Д. Джексона больше не делалось попыток понять физическую суть явления.

Но иногда к исследованию вопроса подключаются другие учёные, не затронутые старыми спорами. Инженер Нунцзянь Тао (Nongjian Tao), специалист по биосенсорам из Университета штата Аризона, использует лазеры для отслеживания механических импульсов в одиночных нервных клетках, как и в работах Тасаки и Ивасы, но у Тао свет отражается напрямую от нерва, а не от крошечной платиновой пластинки, поэтому его измерение более точное. С помощью лазеров, выявляющих механические волны, он надеется отслеживать одновременно сотни отдельных нейронов в нервных сетях.

Такая работа могла бы дать ответ на важный вопрос – действительно ли нейроны используют их для чего-то полезного.

Могут ли механические волны действительно влиять на маленькие белковые каналы?

Известно, что работа ионных каналов нестабильна и часто встречаются помехи: даже слабые тепловые колебания могут заставить их открыться или закрыться случайным образом. В недавних экспериментах показано, что каналы чувствительны и к механическим воздействиям на мембрану.

Специалисты по теории информации десятилетиями пытались объяснить, как мозгу удаётся стабильно работать, имея такие ненадёжные механизмы. Однако наличие механических волн может означать, что открытие и закрытие происходят упорядоченно. Такое вполне возможно. Если механические волны помогают открывать и закрывать ионные каналы, это может сильно изменить наши представления о нервной системе.

Впервые измерил скорость нервного импульса Герман Гельмгольц в 1850 году. Она оказалась удивительно низкой для электрического тока, она была даже меньше чем скорость звука.

Позднее Лудимар Герман, в своей кабельной теории, а потом и Ходжкин с Хаксли дали объяснение медленному распространению потенциала действия в нервном волокне.

Но почему скорость нервного импульса неодинакова, например, в миелинизированных нейронах она значительно больше чем в не миелинизированных?

Считается, для повышения скорости нервного импульса Природа использовала две возможности. У простейших организмов она создала нервные волокна бо́льшего диаметра – вспомним гигантские аксоны кальмара, диаметр которых может быть до 0,5 мм.

Для более ра́звитых животных такие размеры нейронов оказались неприемлемыми – слишком много места в тканях занимали бы они. Эволюция пошла по другому пути: создала «бронированные» нервные волокна, покрытые миелиновой оболочкой. Миелин покрывает нервное волокно сегментами, длиной около 1 мм, а между сегментами имеются оголённые участки нервного волокна около 1 мкм.

Участки волокна, не покрытые миелином, получили название перехватов Ранвье. В области перехватов Ранвье мембрана имеет непосредственный контакт с внеклеточной средой. Миелинизация волокон позволила увеличить скорость распространения нервных импульсов примерно в 25 раз.

Наличие миелиновой оболочки позволяет достигать более высокой скорости передачи возбуждения при меньшем диаметре волокна.

Рисунок 56. Миелинизация нервного волокна

Миелин представляет собой жироподобное вещество, которое по общепринятому на сегодняшний день мнению повышает электроизоляцию нервных волокон (увеличивает удельное электрическое сопротивление клеточной мембраны). Считается, что в миелинизированном волокне ускорение распространения импульса возбуждения происходит за счёт местных токов, которые вынуждены перепрыгивать от одного перехвата Ранвье к другому вследствие чего передача возбуждения происходит быстрее, чем в немиелинизированном волокне. Такое поведение называется сальтаторным.

Рисунок 57. Сальтаторный эффект

Таково современное объяснение, предложенное И. Тасаки ещё в 1930-х годах (!), за 10 лет до появления модели Ходжкина – Хаксли. Но если вдуматься, то оно не очень убедительно, ведь местные токи распространяются с одинаковой скоростью и под миелином, и в перехватах Ранвье. Удивляет и то, что местные токи с лёгкостью перепрыгивают миелинизированные участки, но не могут преодолеть в тысячи раз меньшую синаптическую щель. В общем, существующее ныне объяснение остаётся несколько умозрительным, не доказано экспериментально и, можно сказать, ждёт своего нобелевского лауреата.

Определение скорости нервного импульса через ионную теорию

В 1958 году Ходжкин и Хаксли, исходя из созданной ими же математической модели, попытались выразить скорость распространения нервного импульса. Опирались они на данные о величинах:

– r _i и r _o представляющих сопротивления на единицу длины внутри и снаружи аксона, соответственно, – удельное сопротивление аксоплазмы ρ _i,

– трансмемранные токи, – осевые токи в мембране, – электрический потенциал, – диаметр аксона.

Это «обыкновенное дифференциальное уравнение, которое можно решить численно, если правильно подобрать значения»:

Ходжкин и Хаксли получили численный результат, который незначительно отличался от экспериментальных значений (18,8 м / с).

Меж тем было всё-таки предложено определять скорость распространения нервного импульса по более простой формуле:

где Θ = скорость распространения [м / с]

K = константа [1 / с]

r = радиус аксона [см]

_i = удельное сопротивление аксоплазмы [Ом · см]

Утверждается, что эта формула была выведена путём допущений и упрощений из уравнения 1.0. [60]

Из уравнения 1.1 следует, что скорость распространения нервного импульса в немиелинизированных аксонах прямо пропорциональна квадратному корню из радиуса аксона, а также зависит от удельного сопротивления аксоплазмы.

Для определения же скорости нервного импульса в миелинизированном волокне предлагается довольствоваться эмпирическим соотношением (которое, впрочем, подтверждается экспериментально):

(1.2)

где

Θ= скорость распространения [м / с]

d= диаметр аксона [мкм]

Рисунок 58 Экспериментально определённая скорость проведения нервного импульса в миелинизированном аксоне млекопитающих как функция диаметра [50]

Итак, скорость нервного импульса зависит от удельного сопротивления среды внутри и снаружи мембраны. Чем меньше сопротивление, тем меньше постоянная времени и тем выше скорость проводимости. А как же такие свойства как скорость деполяризации, на которую, кстати, сильно влияет температура? Снижение температуры снижает скорость проводимости.

За исправление вышеупомянутых недочётов в 1978 году взялись Мулеро и Маркин [62]. Для определения скорости распространения нервного импульса в немиелинизированном аксоне они предложили формулу:

(1.3)

где

v= скорость нервного импульса [м / с]

i _{Na max}= максимальный натриевой ток на единицу длины [А / м]

V _th= пороговое напряжение [В]

r _i= осевое сопротивление на единицу длины [Ом / м]

с _м= ёмкость мембраны на единицу длины [Ф / м]

Увеличение скорости нервного импульса в миелинизированном волокне объясняется предположением, что ёмкость мембраны на единицу длины миелинизированного аксона намного меньше, чем у немиелинизированного аксона. Чем меньше ёмкость, тем выше скорость.

С другой стороны, ёмкость мембраны на единицу длины прямо пропорциональна диаметру.

Тогда, чем меньше диаметр волокна, тем меньше ёмкость мембраны, тем больше должна быть скорость нервного импульса. Однако на практике, для миелинизированных волокон наблюдается обратная зависимость – более тонкие аксоны передают информацию медленнее.

Альтернативная версия

В 1902 г. Бернштейн выдвинул модель-гипотезу о применимости термодинамически равновесного описания потенциалов на мембране нервных волокон. Он исходил из принципа естественного равновесия между электрическим потенциалом на мембране и осмотическим давлением внутри клетки. Подкреплялась его гипотеза уравнением Нернста, позволявшем предсказать максимальный рабочий потенциал, который может быть получен в результате электрохимического взаимодействия, при известных давлении и температуре.

Эта гипотеза господствовала до 1939 года. На смену ей пришла модель Ходжкина – Хаксли, основанная на понятии об ионных каналах.

Между тем, согласно принципу Ле Шателье – Брауна: если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия (температура, давление, концентрация, внешнее электромагнитное поле), то в системе усиливаются процессы, направленные на компенсацию внешнего воздействия. Принцип применим к равновесию любой природы: механическому, тепловому, химическому, электрическому.

Предлагаю восстановить справедливость и рассмотреть процесс возникновения и распространения нервного импульса с учётом всех трёх составляющих (электрический потенциал, концентрация ионов и давление).

В соответствии с теорией газовой динамики граница волны повышенного давления в трубе распространяется со скоростью звука в соответствующей среде. Помните про пульсовую волну? Она тоже должна распространяться со скоростью звука в жидкости. Как объяснить сравнительно медленное фактическое распространение пульсовой волны (5—10 м/с)? Считается, что её скорость снижается благодаря упругости и эластичности кровеносных сосудов. Это хорошее объяснение, оно подводит нас к теории нелинейных волн – солитонов. Но сегодня медицина довольствуется, линейными уравнениями.

Теория скорости передачи импульса по кругу кровообращения восходит к работам Томаса Янга в 1808 году. Связь между скоростью пульсовой волны (С) и жёсткостью артериальной стенки может быть получена из второго закона движения Ньютона () применённого к небольшому жидкостному элементу, где сила, действующая на элемент, равна произведению плотности (масса на единицу объёма -) на ускорение. На практике, подход к вычислению скорости пульсовой волны аналогичен вычислению скорости звука, C₀, в сжимаемой жидкости:

,(1.4)

где: B – объёмный модуль,

а – это плотность жидкости.

Уравнение Фрэнка / Брэмуелла – Хилла

Для несжимаемой жидкости (крови) в сжимаемой (эластичной) трубке (например, артерии) Отто Фран, Джон Крайтон Брэмуэлл и Арчибальд Хилл предложили следующее уравнение1:

,(1.5)

или

(1.6)

где: r – радиус трубки, а D – растяжимость.

1 https://en.wikipedia.org/wiki/Pulse_wave_velocity

Формула Моенса – Кортевега

Но сегодня медицина чаще пользуется линейным уравнением, которое характеризует скорость пульсовой волны с точки зрения модуля упругости стенки сосуда, толщины стенки, и его радиуса. Оно было независимо получено Адрианом Изебри Моенсом и Дидериком Кортевегом и эквивалентно уравнению Фрэнка / Брэмуелла – Хилла.

Скорость пульсовой волны в артерии определяется с помощью формулы Моенса-Кортевега:

,(1.7)

где Е – модуль упругости (модуль Юнга); ρ – плотность вещества сосуда; h – толщина стенки сосуда; d – диаметр сосуда.

Формула Моенса-Кортевега экспериментально проверена для больших сосудов (аорты, артерий и артериол).

Однако, внимательный читатель заметит, что если верить этой формуле, то скорость волны тем выше чем тоньше сосуд. На практике же все совсем наоборот.

Доказано, что при распространении нервного импульса в аксоне имеют место поверхностные механические волны, распространяющиеся совместно с электрическим потенциалом действия. Потенциал действия в гигантских аксонах кальмара сопровождается быстрым и небольшим «набуханием» и смещением поверхности около 0,5 нм, при увеличении давления на примерно 1 дин/см². (По другим данным амплитуда изменения давления составляет около 1 мПа.)

Рисунок 55 Расширение стенок нейрона

С учётом формул Ходжкина-Хаксли (1.1), Моенса-Кортевега (1.7), и формулы Рассела (2.1), можно предложить для определения скорости нервного импульса следующую зависимость:

;(2.1)

Где:

Е – модуль Юнга (плотность вещества),

µ – коэффициент Пуассона,

P – модуль упругости,

h – величина «набухания» клеточной мембраны,

r – радиус аксона.

Е – плотность вещества мембраны нервной клетки, = 18,5*10⁶ Па, [63]

µ – коэффициент Пуассона (0,45, за неимением лучшего взято среднее между каучуком и полиэтиленом),

– модуль упругости – 800 кг/м3 (значение для мембраны, 1050 – для миелинового покрытия),

а – величина набухания клеточной мембраны, (0,5 нм, можно полагать, что a <

d – диаметр нервного волокна – (100—1000 мкм для немиелинизированного и 1—20 мкм для миелинизированного волокна).

Под действием растягивающей (или сжимающей) силы изменяются не только продольные, но и поперечные размеры мембраны. Если сила растягивающая, то поперечные размеры – уменьшаются. Для учёта этого фактора вводится коэффициент Пуассона. Он зависит только от материала рассматриваемого тела. Модуль Юнга и коэффициент Пуассона полностью характеризуют упругие свойства изотропного материала.

В отличие от формулы Моенса-Кортевега здесь не учитывается толщина мембраны, она примерно одинакова для всех клеток. И второе – исправлена зависимость от диаметра волокна на обратную.

Формула 2.1 прекрасно подходит ля описания немиелинизированного нервного волокна.

Доказано. Проводимость нервов новорождённого ребёнка ниже, чем у взрослого в два раза и скорость проведения возбуждения составляет около 50% от таковой у взрослых. Проведение возбуждения по нервным волокнам «плохо изолировано».

В процессе взросления организма нервные волокна миелинизируются. Это приводит к тому, что скорость распространения потенциала действия растёт. У детей она возрастает до показателей взрослого человека к 5—9 годам для разных типов нервных тканей.

Миелинизацию можно рассматривать как «армирование» нервного волокна, которое приводит к увеличению модуля упругости мембраны – Е и, следовательно, к увеличению скорости нервного импульса.

Попробуем учесть этот фактор путём введения специального коэффициента. В простейшем случае можно использовать в качестве такового отношение длины участка, покрытого миелином – L, и длины перехвата Ранвье – l.

,(2.3)

L – по данным разных источников расстояние между перехватами Ранвье 0,2 – 2,5 мм.

– длина перехвата Ранвье 1—2 мкм.

В большинстве случаев, для миелинизированного волокна этот коэффициент близок к 1.

Но главное – требуется подстановка другого значения модуля Юнга (большего на значение этого показателя для миелина, покрывающего клетку) – E_m.

В результате конечная формула для определения скорости нервного импульса будет выглядеть так:

Расчёты показали удовлетворительное соответствие с экспериментальными данными для: 1) немиелинизированных нейронов и 2) миелинизированных нейронов с малыми диаметрами. А вот для миелинизированных волокон большого диаметра выявились значительные отклонения от экспериментальных (в сторону уменьшения скорости).

И это не удивительно, полученная формула применима для линейных процессов. В случае же рассмотрения процесса как солитона или ударной волны следовало бы учесть нелинейную зависимость её скорости от длительности и амплитуды (вспомним пример цунами).

Примечание. Почему не учитывается соотношение миелинизированных и немиелинизированных участков аксона сторонниками сальтаторного проведения? Вероятно, потому, что пришлось бы объяснить: почему скорость возрастает примерно на один порядок, а не на четыре. Ведь отношение длин шванновской клетки и перехвата Ранвье составляет примерно 20 000.

PS. Ложка дёгтя. Через модуль Юнга вычисляют скорость звука в веществах по формуле:

Получается я всего лишь определил скорость звука в мембране с поправками, коэффициентами и эмпирически увязанный с диаметром аксона?

Да, но формула (2.5) используется и для определения скорости ударной волны при условии, что модуль упругости стенки трубы стремится к бесконечности. А в нашем случае обязательно нужно учесть упругое расширение стенки мембраны!

Такая формула существует и успешно применяется в гидродинамике для исследования ударных волн:

Ес – модуль упругости сомы,

d – диаметр аксона,

Еm – модуль упругости мембраны,

h – толщина мембраны.

Что ж, значит уравнение скорости нервного импульса продолжает оставаться тайной. И возможно ещё ждёт своего нобелевского лауреата.

Зачем нужна формула скорости нервного импульса? Разве недостаточно экспериментальных измерений? На мой взгляд важна не сама формула, а объяснение физического смысла процесса и его математического описания. А в формуле его, увы, нет. И если принять за основу правильность всего математического аппарата созданного наукой, то приходится сомневаться в правильности современной трактовки физических процессов при распространении нервного импульса.

Сужающиеся сосуды

Какой бы ни оказалась формула определения скорости нервного импульса, накопленных наблюдений хватает для утверждения – чем тоньше сосуд, тем меньше скорость. Тогда, следуя закону сохранения энергии придётся допустить в сужающихся нервных волокнах, изменение либо длительности импульса, либо его амплитуды. Но потенциал действия не изменяется, он либо есть, либо его нет. Остаётся длительность. Или всё-таки давление? И тогда можно даже допустить возможность гидроудара в терминали аксона. Какой простой способ для объяснения выброса нейромедиатора!

Возрастание амплитуды нейротона при приближении к терминали может значительно влиять на передачу его к следующей клетке. Возможно настолько, что иногда не потребуется никаких ни химических, ни электрических синапсов для его дальнейшего распространения.

Если же волокно расширяется в направлении распространения нейротона, то его амплитуда и скорость должны уменьшаться, вплоть до прекращения эффекта потенциала действия. И это подтверждается практическими исследованиями. Оказалось, что при расширении волокна гигантского аксона кальмара в 6 раз потенциал действия не может пройти через это расширение (но, возможно, нейротон проходит, просто мы не наблюдаем эффекта ПД). Наверное, поэтому мы всегда говорим о распространении ПД в аксоне и никогда об этом явлении на мембране в районе сомы клетки.

Официальное объяснение изменения скорости нервного импульса при распространении по волокнам, меняющим размер своего сечения, базируется на таких чисто электрических свойствах мембраны как входное сопротивление и ёмкость. То есть объяснение не через физические процессы, а через математическую модель.

Кто бы исследовал зависимость параметров нервного импульса от диаметра волокна в сужающихся волокнах.

Солитонная модель

Джордж Рассел не только был первооткрывателем солитонов, он установил и некоторые их свойства. Во-первых, заметил, что такая волна движется с постоянной скоростью и без изменения формы [64]. Во-вторых, нашёл зависимость скорости V этой волны от глубины канала h и высоты волны a, где g – ускорение свободного падения (исследования проводились в водных каналах).

,(2.1)

Солитонные модели завораживают своей оригинальностью и новизной, им приписывают едва ли не мистические свойства, и они очень похожи на нервные импульсы.

Так и хочется привязать солитонные модели к нервным импульсам. Красиво, современно и наконец модно. И такие попытки делались и даже не один раз. Например, рассматривались варианты описания распространения самого (электрического) потенциала действия как солитона. Или изменение агрегатного состояния липидного слоя (клеточной мембраны) с упругого на желеобразное в результате действия акустических солитонов.

Как было бы здорово применить уравнение Кортевега – де Фриза для бегущей волны. Именно она могла бы дать объяснение и постоянства скорости волны и её сравнительно малой величины.

Или волновое уравнение – линейное гиперболическое дифференциальное уравнение в частных производных, описывающее малые поперечные колебания тонкой мембраны или струны, а также другие колебательные процессы в сплошных средах.

Или просто применить накопленные знания об ударных волнах, которые к слову так сложны, что понимают их только специалисты по гидродинамике.

Интересен вариант, предложенный Хаймбургом и Эндрю Джексоном.

Солитон, является решением уравнения в частных производных:

где t – время, x – положение вдоль нервного аксона, Δ ρ – изменение плотности мембраны под влиянием потенциала действия, c ₀ – скорость звука нервной мембраны, p и q описывают природу фазового перехода и тем самым нелинейность упругих постоянных нервной мембраны.

Параметры c₀, p и q определяются термодинамическими свойствами нервной мембраны и не могут регулироваться. Они должны быть определены экспериментально. Параметр h – описывает частотную зависимость скорости звука в мембране (дисперсионное соотношение).

Вышеупомянутое уравнение не содержит никаких параметров подбора (в отличие от модели Ходжкина – Хаксли).

Анализируя предложенное уравнение, можно заметить, что Хаймбург и Джексон, рассматривали в качестве солитона волну распространения изменений плотности мембраны (Δ ρ).

Первичное возбуждение. Рецептор – нейрон?

Следующий фундаментальный вопрос – как возбуждается нейротон? Для существующей теории Ходжкина – Хаксли было найдено электрохимическое объяснение. Казалось бы, тут всё просто, есть рецепторы – такие образования, способные воспринять энергию раздражения и трансформировать её в электрический (химический) нервный сигнал. Рецептор выбрасывает в синаптическую щель нейромедиатор, что вызывает скачок потенциала на мембране нейрона.

Но так ли всё на самом деле?

Рецепторы кожи, например, обеспечивают три типа чувствительности. Это – тактильная, температурная и болевая чувствительности. Остановим своё внимание на самом распространённом – первом типе.

Тактильные ощущения (осязание) сигнализируют об особенностях нашего непосредственного окружения и обеспечиваются наличием в коже различных типов механорецепторов1.

Механорецепторы делятся на два основных типа. Первые обладают специализированными волосковореснитчатыми структурами, участвующими в актах первичной рецепции. Рецепторы второго типа менее чувствительны к механическим воздействиям и не имеют никаких специальных структур; восприятие стимула в этом случае осуществляет непосредственно механочувствительная мембрана (!) нервного окончания. [65]

Самыми изученными механорецепторами первого типа являются клетки Меркеля.

Клетка Меркеля (или клетка Меркеля-Ранвье) – механорецептор в коже позвоночных, необходимый для улавливания прикосновений. Впервые была описана в 1875 году немецким гистологом Фридрихом Зигмундом Меркелем. Клетка имеет округлую форму, её диаметр составляет около 10 мкм. Особенно много таких клеток содержится в высокочувствительных участках кожи, как, например, в эпидермисе ладоней человека (там их число колеблется от 200 до 400 штук на мм², тогда как на обычной поверхности кожи всего 20 на мм²).

Чаще всего клетки Меркеля связаны с окончаниями сенсо́рных нервов и тогда называются тельцами Меркеля.

А может ли эта клетка генерировать не химические вещества, вызывающие потенциал действия в дендрите, а гидродинамическую волну?

1 Механорецепторы – сенсо́рные структуры животных и человека, воспринимающие различные механические раздражения из внешней среды или от внутренних органов.

Рисунок 60. Клетка Меркеля

Цитирую учебник, «…При растяжении они выбрасывают серотонин в синаптическую щель, тем самым возбуждая электрический потенциал действия в соматосенсо́рных нервах». С таким же успехом предположу, что «При растяжении в них возникает перепад давления, который передаётся в нервную клетку, тем самым возбуждая нейротон».

При чём здесь фотография надутой перчатки? Это не шутка? Нет – это лабораторная модель клетки Меркеля. Представим себе, что эта перчатка не из латекса, а материала менее эластичного и заполнена она не воздухом, а жидкостью. Тогда механическое воздействие на любой палец перчатки вызовет вполне заметное изменение давления внутри неё.

И напоследок о рецепторах замечу, что наиболее распространённый вид кожных рецепторов – это «свободные нервные окончания».

Рисунок 61. Нейрон со свободным окончанием (слева)

Просто надутая перчатка.

И напоследок орецепторах замечу, что наиболее распространённый вид кожных рецепторов – это«свободные нервные окончания».

Свободные нервные окончания часто сильно ветвятся, в результате чего одно нервное волокно может иннервировать большую площадь. Области иннервации отдельных нервных волокон обычно значительно перекрывают друг друга.

Но как же возникают нервные импульсы в свободных нервных окончаниях? Ответ напрашивается такой – мембраны нейронов сами воспринимают механические раздражения, а изменение электрического потенциала возникает вследствие этого раздражения.

Любой скептик скажет, что выводы мои надуманны и ничем не обоснованы. Что ж, давайте обратимся к примеру, из доверенного источника – J.Malmivuo, R.Plonsey. Bioelectromagnetism. Oxford University Press. New York, Oxford. 1995.

Эксперименты Левенштейна с тельцем Пачини

Тельце Пачини – механорецептор, который под микроскопом напоминает луковицу. Он имеет длину 0,5—1 мм и толщину 0,3—0,7 мм и состоит из нескольких концентрических слоёв. Центр тéльца включает ядро, в котором расположена немиелинизированная терминальная часть афферентного нейрона. Первый перехват Ранвье также находится внутри ядра. В тельце присутствует несколько митохондрий, что свидетельствует о высокой выработке энергии.

Тельца Пачини – быстро адаптирующиеся рецепторы преимущественно вибрационной чувствительности. Эти образования особенно восприимчивы к вибрации костной ткани: большое их количество расположено в надкостнице длинных трубчатых костей. Тельца Пачини генерируют один или два нервных импульса при сдавливании и столько же – при прекращении воздействия. Рецептор возбуждается при кратковременном механическом смещении на 0, 5 мкм в течении 0,1 мкс.

Рисунок 62. Тельце Пачини

Вернер Р. Левенштейн [66] стимулировал тельце пьезоэлектрическим кристаллом и измерял генерируемый потенциал (у немиелинизированного терминального аксона) и потенциал действия (у узлов Ранвье) с помощью внешнего электрода. Он постепенно отделял слои тельца, и даже после того, как последний слой был удалён, нервное окончание генерировало сигналы, подобные тем, которые наблюдались при неповреждённой капсуле.

Рисунок 63. Эксперименты Левенштейна с тельцем Пачини.

(A) Нормальный отклик генерируемого потенциала на увеличение приложенной силы (a) – (e).

(B) Слои тельца были удалены, оставив нервное окончание нетронутым. Реакция на приложение механической силы не отличается от A.

(C) Частичное разрушение миелинизации не меняет реакцию по сравнению с A или B.

(D) Блокировка первого узла Ранвье исключает начало процесса активации, но не мешают генерации потенциала действия.

(E) Дегенерация нервного окончания прекращает генерацию потенциала.

Графики (a) – (e) показали соотношение силы раздражения и величины генерируемого потенциала.

Напряжение генератора обладает свойствами, аналогичными свойствам возбуждающего постсинаптического напряжения. (слабый стимул генерирует низкое напряжение генератора, тогда как сильный стимул генерирует большое напряжение генератора.)

Когда Левенштейн разрушил нервное окончание, генерация потенциала прекратилась. Это наблюдение послужило основанием для предположения, что сам датчик находился в нервном окончании.

Но можно сделать и другой вывод – в ответ на внешнее механическое воздействие в луковице тельца Пачини генерируется механическое раздражение «понятное» терминальной части нейрона.

Опять никакой химии – нейрон реагирует непосредственно на механическое воздействие.

А как же с температурными рецепторами? Ответ можно подсмотреть в описании гидравлической гипотезы распространения вариабельного потенциала растений: «Если в качестве повреждающего раздражителя используют локальный ожог, то предполагается, что локальное увеличение давления может также развиваться вследствие действия высокой температуры, увеличивающей объём газа и давление во внеклеточном пространстве. Это выражается в увеличении толщины листа и, что более важно, кратковременно увеличивает объём и давление в узких сосудах ксилемы сосудистых пучков. Таким образом, ожог выступает в качестве сильного индуктора гидравлического сигнала, который проявляется в повышении ксилемного давления, тургорного, и толщины листа и/или стебля». [67]

Эволюция нервных клеток

Традиционно, на мой субъективный взгляд, учёные пытаются исследовать мозг по двум фронтам. Одни изучают возможно самый совершенный и самый сложный механизм вцелом, таких любят СМИ. Их инструменты – ЭЭГ, МРТ, рентген и КТ. Другие – лабораторные труженики выискивают для исследований максимально примитивные нервные системы – моллюсков, червей и других малопрезентабельных, для непосвящённого обывателя, существ. Так прославились аплизия, нематода, водоросли нителлы, кальмары.

Приведу цитату из монографии Профессора Петербургского университета Николая Петровича Вагнера «Беспозвоночные Белого Моря», напечатанной в 1885 году. Профессор создал при Соловецком монастыре первую в России морскую биологическую станцию, где и выполнил великолепное для своего времени нейробиологическое исследование клиона (Clione limacina) – крылоногого моллюска, называемого также морским ангелочком. «При первом взгляде на узлы нервной системы клиона каждый наблюдатель наверное будет поражён громадной величиной их клеток… При взгляде на эту громадную величину… мне пришло на мысль исполнить давнишнее желание и разобрать хоть у одного беспозвоночного типа вполне весь комплекс нервной системы. Такой разбор, по всей вероятности, привёл бы к объяснению, хотя гадательному, многих функций нервной системы у большей части, если не у всех, беспозвоночных животных. Правда, мне хотелось сделать эту работу без особого труда, и прозрачность, или, так сказать, откровенность нервной системы клиона давала мне в этом случае надежду на успех [12].

На сегодня, самая изученная нервная система нематоды Caenorhabditis elegans насчитывает 302 нейрона. Найти бы животное с одной-двумя нервными клетками! Ведь ни нервные системы, ни нервные клетки не появились сразу в виде сложных систем. Они, как и все прочие клетки есть продукт дифференциации одной клетки в процессе эволюции.

Их общим предком была одна единственная протоклетка одноклеточного животного. Была она одна-одинёшенька, жила, размножалась делением и ничто не менялось в течении бессчётных поколений её предков. Пока однажды образовавшиеся в результате деления клетки не расстались, как это было всегда, а склеились бочками1. И, оказалось, что это дало двум слипшимся клеткам некоторое эволюционное преимущество. Это не было преимущество многоклеточного животного над одноклеточным, а нечто более простое.

Возможно, так легче найти питание? У одноклеточных животных есть мембранные рецепторы, которые, как правило сосредотачиваются на полюсах клетки, однако это не позволяет им улавливать разницу концентраций между полюсами, поскольку они слишком малы.

Если же клеток множество, то вероятность решения этой задачи упрощается. Но, чтобы её решить, предстояло выработать механизм межклеточного информационного взаимодействия. Механизм этот уже присутствовал, клеткам предстояло научиться им пользоваться.

От простого взаимодействия клеток внутри организма, до переноса информации на значительные расстояния.

Предположим первая клетка, назовём её клетка-А, попала в среду с изменённой ионной концентрацией. Это вызовет изменение нескольких параметров клетки – электрического потенциала на её поверхности, внутриклеточного давления и как следствие изменение объёма. Вторая клетка, назовём её клетка-Б, должна уловить эти изменения. Допустим, она почувствует изменение электрического потенциала на мембране клетки-А.

Таким образом клетка-А оказалась рецептором клетки-Б.

Рассмотрим другую ситуацию – механическое воздействие на клетку-А. Клетка отреагирует изменением своего объёма (сжатие) и изменением внутреннего давления, что в свою очередь изменит ионную концентрацию внутри клетки, а это приведёт к изменению мембранного потенциала. Клетка-Б, уловив изменение мембранного потенциала соседки в обратной последовательности через изменения мембранного потенциала, давления и объёма получит информацию о механическом воздействии на клетку-А. Но есть и более короткая схема: клетка-Б просто почувствует ударную волну от клетки-А.

Если же клетка-А окажется повреждена, это вызовет изменение ионной концентрации возле клетки-Б, а она передаст информацию об этом другим своим соседям клеткам-В, Г и так далее. А если удалённые клетки сами научатся реагировать на такую ситуацию? Если колония клеток отгородится от внешнего мира общей оболочкой, и протоплазма разрушенной клетки распространится внутри колонии? Возможно это прототип гормональной регуляции у животных и вариабельного потенциала у растений.

По мере роста колонии и функциональной дифференциации клеток, возникла задача передачи информации об угрозе, например, не всем подряд клеткам, а конкретным, ответственным за бегство. Для спасения организма, это должно быть сделано быстро и на относительно большое расстояние. Клетки-передатчики, пошли по простому пути, они начали вытягиваться. При этом мембранные рецепторы концентрировались на концах клетки. Постепенно они эволюционировали в известные сегодня электрические сигнальные нейроны.

Будучи примитивными эти прообразы нервных клеток не обладали синапсами, им было свойственно проведение возбуждения в обе стороны. То, что в современных примитивных нервных системах мы называем электрическими синапсами.

Сегодня подобные системы встречаются у примитивных беспозвоночных, они используют электрическую сигнализацию для моторики и других аспектов, необходимых для выживания.

Их нейроны являются изополярными, что означает отсутствие специализации у их отростков, а, следовательно, отростки проводят возбуждение в любую сторону и не образуя при этом длинных проводящих путей.

Отсутствие специализированных отростков приводит к отсутствию специализированной рецепции. Например, у гидры есть отдельные рецепторные клетки, но они не способны различать специфику разных раздражителей. Следствием этого является отсутствие чётко дифференцированной ответной реакции. Кишечнополостные способны формировать реакции побега при воздействии неблагоприятных факторов среды, не дифференцируя сами факторы, а воспринимая лишь их угрожающий эффект.

Не стоит учиться арифметике по учебнику квантовой физики или теории струн. Чтобы понять, как работает мозг, надо узнать, как работает один нейрон. Чтобы разобраться в работе одного нейрона (в составе мозга), следует выяснить как работали его примитивнейшие прообразы. Если начать с азбуки межклеточного взаимодействия, мы возможно раскроем не только тайны мозга. Но и откроем для себя механизмы межклеточного информационного взаимодействия и в других органах, и даже в растениях.

Зачем нам менять представление о природе нервного импульса? Зачем переходить с испытанной временем модели электрических потенциалов действия к каким-то солитонным моделям? Какая разница, если и так ясно откуда и куда бегут нервные сигналы, не изменяется представление о мембранах и ионных каналах? К тому же исследовать электрические сигналы современными инструментами гораздо проще, чем механическими.

Но, возможно, только с точки зрения механики человечеству удастся наконец понять такие вещи:

арифметику взаимодействия нервных импульсов,

информационную составляющую нервных импульсов,

и то, как происходит запоминание.

1 Мы можем поспорить на тему происхождения первого многоклеточного животного, но объективных данных так мало, что спор сведётся к тому, чья фантазия лучше.

Как работает память человечеству пока неизвестно. Традиционное представление о хранении информации в мозге нашло воплощение в технологии искусственных нейросетей. Основная идея его такова: запоминание основано на изменении силы существующих и создании новых синаптических связей между нейронами. Так ли это на самом деле? Верю, что время покажет, а пока давайте рассмотрим и другую гипотезу.

Как хранится информация в ЭВМ? Хранение бита (единицы информации) в машине требует устройства, которое может находиться в одном из двух состояний, например, такого как выключатель (включён или выключен), реле (открыто или закрыто) или флаг на флагштоке (поднят или опущен). Одно из состояний используется для обозначения 0, второе для обозначения 1.

В докомпьютерные времена был изобретён электрический триггер – это схема, которая на выходе имеет значение 0 или 1, и это значение остаётся неизменным до тех пор, пока управляющий сигнал, не заставит его переключиться на другое значение. Таким образом, триггер может находиться в одном из двух состояний, первое соответствует запоминанию двоичного нуля, другое – запоминанию двоичной единицы.

Чтение информации – это, по сути, проверка ответа триггера, в каком он сейчас состоянии 1 или 0.

Некоторые современные нейрокомпьютерщики, и я в том числе, считают, что нечто подобное происходит и в нейроне. Хотя большинство традиционно предполагают, что информация хранится в синапсах, или даже что носителем информации является сама связь между двумя нейронами. Это очень интересные модели, поддерживаемые скорее медиками нежели инженерами. Поэтому я в дальнейших рассуждениях буду исходить из гипотезы о том, что именно нейрон является элементарной единицей хранения информации.

Оригинальную и очень интересную мысль высказал в 1960-х годах известный советский вирусолог В. Л. Рыжков. Сущность её заключается в том, что информация в мозге фиксируется не за счёт процессов, имеющих чисто химическую природу, а за счёт процессов, изменяющих конфигурацию нервных клеток. В качестве таковых он предположил изменения некоторых участков хромосом ядра клетки.

Как известно, 60-е годы были временем необычайного прогресса в понимании универсальной информационной системы живых существ – языка наследственности.

Оказалось, что посредством всего четырёх химических «букв» можно записать не только строение каждой клетки живого организма, но и сложные, поражающие своим разнообразием формы его поведения. Но если врождённое знание записано в виде последовательности нуклеотидов, то почему знание приобретённое должно кодироваться как-то иначе?

Однако время показало, что изменений в ДНК нейрона при запоминании не происходит. И про гипотезу просто забыли. А может быть зря.

Ведь главная мысль не оспорена – для того чтобы нейрон сохранил информацию он должен измениться. Изменение это и есть запись.

Молекула памяти

Исследования биохимического переноса памяти1 прекратились ещё в 1980-х. Доказательств так и не получили. Это было не первое разочарование, вспомним Карла Лешли отдавшего тридцать лет своей плодотворной жизни попыткам раскрыть природу «следа памяти» в мозге. Он безуспешно охотился за «энграмой» – записью этого следа, оставив, впрочем, свой личный след в истории нейронауки.

Несомненно, в памяти имеются материальные следы того, что звучало раньше или некогда совершалось в нашей жизни. Поиски этих «следов» не дают покоя и современным исследователям.

Меж тем, вплоть до 2006 года в умах исследователей преобладал некий пессимизм. Выяснилось, что наша память зависит от белков. Это было показано практически на всех животных путём блокады синтеза белка – при этом кратковременная память образуется, а долговременная нет. То есть новые белки должны синтезироваться, для того чтобы у нас сформировалась и сохранялась хоть какая-то память. Но дело в том, что время жизни белков – дни, максимум недели, и только редкие белки могут жить чуть дольше. 98% всех белков за 3—4 дня разлагаются и замещаются новыми. Их синтез идёт постоянно. То есть если где-то память и закодирована какими-то молекулами, то все они распадаются через несколько дней. А как мы знаем, наши воспоминания хранятся годами и десятилетиями.

Но в 2006 году сразу появилось несколько публикаций о молекуле, которую можно было бы назвать молекулой памяти. Это белковая молекула, которая контролирует силу синаптической передачи. Обнаружилось, что белок под названием протеинкиназа M-дзета (Protein kinase M zeta, PKMζ) способен к самовоспроизведению! Так, если эти молекулы появились в каком-то конкретном месте синапса, то это их количество именно в этом месте и сохраняется. Эти молекулы обладают способностью самовоспроизводить это увеличенное количество. В каком-то смысле этот процесс может быть основой запоминания.

А постоянное воспроизведение PKMζ обеспечивается следующим изящным механизмом: PKMζ «ловит» с помощью некоторых молекулярных каскадов свою собственную матричную РНК и таким образом синтезирует новую молекулу PKMζ, которая повторяет процесс. Таким образом появляются всё новые и новые клоны молекулы PKMζ. В результате она может бесконечно долго сохраняться в синаптической области.

Проблема на сегодняшний день в том, что у любого позвоночного животного десятки миллиардов нейронов, а каждый нейрон образует ещё дополнительно до десяти тысяч связей с соседями. При обучении в памяти, возможно, меняется только несколько тысяч связей из этих триллионов. Отследить или целенаправленно изменить конкретную синаптическую связь на сегодняшний день невозможно.

В ходе дальнейших исследований молекулярных механизмов памяти оказалось, что в процессе памяти участвует не одна молекула, а целое семейство сходных молекул. И они участвуют в разных формах памяти и с вовлечением разных медиаторов. Но суть остаётся та же: есть белковые молекулы, увеличение количества которых в совершенно определённой части нервной клетки вызывает надолго изменение эффективности работы синапса. [68]

Есть и другие возможные кандидаты в «молекулы памяти» – прионоподобные белки. Как и прионы, они имеют две конформации – нормальную и патологическую, причём стоит только одной молекуле прионоподобного белка перейти в патологическую конформацию, как все соседние молекулы такого белка сразу же тоже эту конформацию приобретают. Но в отличие от прионов, у прионоподобных белков патологическая конформация не приносит вреда клетке – просто, раз в неё перейдя, прионоподобные белки так навсегда в ней и остаются. Такой конформационный переход выглядит очень соблазнительно для нейрофизиолога, занимающегося молекулярными механизмами памяти: ведь переход прионоподобного белка в новую конформацию может как раз и обеспечивать запоминание, то есть навсегда метить запомнившие что-либо синапсы. Определённые подтверждения того, что прионоподобные белки действительно имеют отношение к памяти, уже получены (Amitabha Majumdar et al., 2012. Critical Role of Amyloid-like Oligomers of Drosophila Orb2 in the Persistence of Memory). При этом интересно, что некоторые молекулярные каскады таких прионоподобных белков, судя по всему, связаны с деятельностью PKMζ – то есть PKMζ, и прионоподобные белки могут оказаться звеньями одной цепи, обеспечивающей память.

Однако не всё так однозначно. Некоторые данные откровенно противоречат такой жёстко определённой роли PKMζ в процессах запоминания.

Весьма авторитетные противники гипотезы утверждают, что блокаторы белка PKMζ помимо него блокировали что-то ещё, и именно это «что-то» и было связано с памятью. То есть вопрос о причастности PKMζ к формированию памяти пока остаётся открытым.

Пока же вопрос технологии запоминания остаётся на уровне гипотез и дискуссий, ничто не мешает и нам пофантазировать или, если хотите, повыдвигать гипотезы.

1 См. главу Биохимический перенос памяти

Просто гипотеза

Пусть у нас есть нервная волна, бегущая по аксону – нейротон. Возможно, этот нейротон есть солитон, а может – ударная волна, в любом случае, его поведение подчиняется законам гидродинамики. Тогда возникает вопрос – что происходит с такой волной, распространяющейся в упругой трубе (аксоне), соединённой с неким объёмом – резонатором (телом клетки).

Возможна ли какая-то согласованность трубы, волны и резонатора? Если ответ – ДА, то, возможно, изменение свойств «резонатора» и есть способ хранения информации нервной клеткой. Фантастика? А может не такая уж и фантастика.

Замечу, что сома (тело) нервной клетки совсем необязательно должна изменять свой размер или форму. Пример. Есть такой древний музыкальный инструмент – сосудообразная флейта – флейта, корпус которой имеет сосудообразную форму, в отличие от большинства других духовых инструментов, выполненных в виде трубки. Сосудообразные флейты распространены у многих народов мира.

В нашем исследовании я бы выделил одну, наиболее современную и совершенную флейту – окарину. Окари́на (итал. ocarina – гусёнок) – изобретена в 1853 году итальянским мастером Джузеппе Донати. Корпус в виде головы гуся с 10 пальцевыми отверстиями 8 сверху и 2 снизу. Диапазон октава + кварта, звукоряд хроматический. Окарина появилась в результате преобразования простой сосудообразной флейты, распространившейся в Европе к середине XIX века и использовавшейся в качестве детской игрушки.

Рисунок 64 Флейта окарина

Примечательно в этих музыкальных инструментах – то, что они способны менять свои акустические свойства, не изменяя объёма, а только открывая и закрывая отверстия в корпусе. Я не утверждаю, что именно по такому принципу могут храниться биты информации в нейроне. Но, что-то в этом есть. Тем более что других предположений на сегодняшний день не много.

И совсем уж смелое предположение. Если допустить, что нейрон принципиально подобен окарине, и количество бит информации зависит от количества дендритов. Да это же просто невообразимый объём информации, несоизмеримо превосходящий все современные предположения.

Эта история, как и любая другая, начинается в прошлом.

Сантьяго Рамон-и-Кахаль в конце XIX века проявил чудеса проницательности. Он не знал, да и не мог знать, как работают нейроны и какова природа нервного импульса. Просто изучая сотни препаратов нервной ткани, разглядывая нейроны под микроскопом, он сформулировал четыре принципа, составляющих нейронную доктрину – теорию организации нервной системы, которая с тех пор составляет основу всех наших современных представлений о ней.

В числе прочего Кахаль предположил, что отдельный нейрон посредством многих пресинаптических окончаний обычно связан с дендритами многих клеток-мишеней. Тем самым единственный нейрон может широко распространять получаемую им информацию по различным нейронам-мишеням, иногда находящимся в разных участках мозга. Напротив, дендриты нейрона-мишени могут получать информацию от пресинаптических окончаний нескольких других нейронов. Тем самым в нейроне может суммироваться информация, поступающая от нескольких нейронов, даже расположенных в разных частях мозга. И это тоже полностью соответствует современному представлению о нейронах.

Более того, в современных источниках указывается, что в нервной клетке, точнее, в её теле (соме) происходит не только суммирование, но и кодирование нервных импульсов, приходящих от разных дендритов. А результирующий сигнал через аксон отправляется дальше.

На этом история современных представлений заканчивается.

Дело в том, что, если сложить неважно сколько нервных импульсов в том виде, как мы их сейчас представляем мы всегда будем получать один нервный импульс. И он ничем не будет отличаться от любого из тех, что участвовали в сложении. Абсурд?

Ещё бо́льший абсурд состоит в кодировании результирующего импульса. Поскольку, сколько его ни кодируй, в результате должен получиться всё тот же исходный нервный импульс. Ведь электрический потенциал действия не несёт в себе никакой информации, кроме того, что он либо есть, либо его нет.

Наш мозг – это колоссальное аналитическое устройство, возможно, самое сложное в природе. Ну неужели в таком совершенном создании возможна такая примитивная схема передачи сигналов – «Один источник – Одна линия – Одна цель»? По такому принципу работали первые телефоны, ещё до изобретения коммутаторов и систем уплотнения каналов. Мало того, в качестве азбуки этого языка используется всего одна буква (один символ).

А если всё работает примерно так

Рассмотрим, вариант того, как это может работать на примере схематического рисунка нейрона.

R1-Rn – это дендритные входы. Информация с рецепторов проходит через входы-дендриты, через тело нейрона на выход-аксон. Задача нервной системы донести информацию от рецептора до мозга. В простейшей схеме, изображённой на рис.45 это возможно только при условии, что сигналы индивидуально различимы. То есть выходной сигнал несёт в себе информацию о конкретном рецепторе, с которого пришёл нервный импульс.

Рисунок 65. Модель нейрона

А теперь немного усложним задачу. Предположим, что нервные импульсы с выходов двух нейронов передаются на третий, суммирующий. В нашем примере нервный импульс на выходе схемы должен содержать информацию не только о рецепторе (дендрите), с которого он поступил, но и обо всех нейронах, через которые он предавался. Можно предположить, что каждый нейрон, участвующий в передаче импульса, привносит в него свою информационную составляющую.

Рисунок 66. Модель системы нейронов

Тогда все нервные импульсы неповторимы как штрихкоды на товарах в супермаркете, как отпечатки пальцев. Они уникальны и несут в себе информацию и о факте раздражения конкретного рецептора, и о пройдённом маршруте.

Это самая примитивная гипотетическая схема, и, скорее всего, всё работает как-то иначе. Но это пример того как может повлиять возможность индивидуализации нервных сигналов на наше представление о работе нервной системы. (Вообще-то, такая схема кодирования имеет нечто общее с технологией блокчейн.)

Предположим, что в соме нервной клетки происходит логическая обработка (суперпозиция) поступивших на её входы-дендриты нейросигналов некоторой пусть пока неизвестной нам природы, и что такой сигнал движется по аксону с некоторой небольшой скоростью, и ведёт себя и как частица, и как волна. И несёт в себе неразрушаемую в процессе передачи информацию. И кто бы это мог быть? Конечно, солитон.

Именно солитоны, будучи волнами, в некоторых случаях ведут себя как частицы – сталкиваются, отражаются, а при прохождении друг сквозь друга не смешиваются. Осталось определиться с физической природой солитонов…

И напоследок. Риторический вопрос, что является причиной болезни, патология о́ргана или патология управляющего о́рганом сигнала? Теоретически возможно и то, и другое, причём в равной степени вероятности. Так что же лечит современная терапия? Ответ – патологию органов.

Но, может быть, плацебо и гомеопатия, над которой вежливо посмеиваются «настоящие» доктора, не такая уж и глупость, основанная на самовнушении пациента, а как раз и есть пример лечения путём корректировки системы управления.

Что если возможно лечение путём имитации правильного управляющего сигнала или, вообще, путём перезапуска отдельных систем управления (как в случае с дефибриллятором)?

К примеру, если стимулировать работу сердца не электрическими импульсами по принципу «лягушачьей лапки», а свойственным ему от природы управляющим сигналом. Может, тогда и операция по вживлению имплантата не нужна, достаточно приложить генератор к любой части тела или к любому нейрону и сигнал сам найдёт свою цель.

И вот уже на руке у больного пациента появляется прибор похожий на браслет или часы. И этот прибор регулярно посылает команду в нервную систему. Какую? Каждому свою. Это будет электроцевтика, которая лечит.

PS. К моменту издания книги опубликован Указ Президента Российской Федерации от 10.10.2019 №490 «О развитии искусственного интеллекта в Российской Федерации»