Парадоксы мозга

Несколько фотоснимков

Одна из главных причин, сдерживавших развертывание работ по изучению мозга, – неверие в возможность осуществления подобных исследований. Сначала ученые думали, что психика продукт нематериальной, а следовательно и непознаваемой души. Поэтому изучение чего-либо, что к ней относится, не имело в их глазах никакого смысла. Когда же вера в божественную душу понемногу стала угасать, взяться за изучение физиологии мозга мешало представление, что мысль не материальна, а потому механизмы ее возникновения не могут быть изучены. Кроме того, невероятная сложность мозга, полное отсутствие сведений о том, что происходит в его недрах, не вдохновляли. Никто не знал, с какой стороны подойти к его изучению.

В.И. Ленин назвал человеческий мозг высшей формой организованной материи. Действительно, как по сложности своего устройства, так и по сложности и совершенству выполняемых им функций нет ничего равного мозгу. Он гораздо сложнее всего, с чем нам до сих пор приходилось сталкиваться в нашей Вселенной. Между тем на создание мозговой ткани природа особенно не расщедрилась. Мозг построен из относительно небольшого количества «типовых деталей» – разных видов нервных и глиальных клеток. Зато общее число использованных на его постройку деталей чудовищно велико. Только нервных клеток, или нейронов, как их сейчас называют ученые, около ста миллиардов и примерно столько же глиальных клеток.

Мозг современного человека – относительно небольшой орган. Его величина намного уступает размеру мозга некоторых животных, самым крупным природа одарила синего кита. Вес его мозга колеблется от 7 до 10 килограммов. Вес мозга индийского слона около 5 килограммов, северного дельфина-белухи – 2350 граммов, а дельфина-афалины – до 1735 граммов.

По сравнению с перечисленными животными размер мозга нашего обезьяноподобного предка был мизерным. У ископаемых австралопитековых обезьян он едва достигал 350 кубических сантиметров, но начал быстро расти. За время существования австралопитеков он постепенно увеличился от 450 до 750 кубических сантиметров, что уже значительно превышало размер мозга гориллы – самого крупного представителя современных человекообразных обезьян.

Было бы весьма интересно детально изучить мозг наших далеких предков, но это вещество больше других тканей организма подвержено разрушению. К счастью, об объеме мозга можно судить по объему черепной полости – она обычно немногим больше находящегося в ней мозга. Изучение костных останков рассказало о том, как шло развитие мозга. У предчеловека с острова Явы объем мозга возрос до 800 кубических сантиметров. У питекантропа он колебался от 750 до 900, а у синантропа достиг 915–1225 кубических сантиметров и почти приблизился к размеру мозга современного человека.

Объем черепной коробки африканского неандертальца достиг 1350, а европейского – 1610 кубических сантиметров. Наконец, среди кроманьонцев были по-настоящему «башковитые ребята» с объемом мозга до 1880 кубических сантиметров. Это была кульминация! Дальше величина мозга пошла на убыль. Если в среднем у кроманьонца емкость черепа составляла 1570, то в верхнем палеолите она упала до 1505, а у современного европейца до 1446, то есть уменьшилась на 125 кубических сантиметров! Этот процесс продолжался и в историческую эпоху существования человечества. Благодаря бальзамированию трупов лучше всего сохранились останки египтян. Их изучение позволило убедиться, что за 2–3 тысячи лет от царствования первых династий египетских фараонов до восемнадцатой династии емкость черепа сократилась с 1414 до 1379 кубических сантиметров, теряя примерно один кубический сантиметр каждые сто лет.

Не связан ли уровень развития интеллекта с размером мозга? Безусловно связан! Мозг шимпанзе в три раза меньше человеческого, и это определенно накладывает отпечаток на развитие умственных способностей обезьян. Однако не менее важна разница в его структурном совершенстве. Видимо, все-таки удачная конструкция важнее количества использованных для ее создания рабочих элементов.

Вес мозга современных людей подвержен значительным колебаниям – от 1017 до 2014 граммов. Разница почти в два раза, но она считается нормальной. Нашлись ученые, которым показалось заманчивым связать умственные способности людей с размерами их мозга. Они априорно, не проведя необходимых исследований, предположили, что мозг европейца крупнее, чем аборигенов других континентов, и сочли это доказательством превосходства белого человека над всеми остальными расами людей.

Расистски настроенные ученые поторопились. Им пришлось отказаться от своих домыслов. Между отдельными расами нет серьезной разницы в размерах мозга, во всяком случае она не в пользу европейцев. Средний вес мозга африканцев 1316, европейцев – 1361, в том числе немцев – 1291, швейцарцев – 1327, русских и украинцев – 1377. Вес мозга японцев – 1374, а бурят – даже 1508 граммов. Мозг мужчин обычно на 100–150 граммов больше женского.

Несмотря на то, что между появлением на земле каракатицы и человека прошли миллиарды лет, в организации тканей нервных ганглиев моллюсков и тканей головного мозга высших представителей млекопитающих не возникло принципиальной разницы. Нервная система любых организмов, как и любой другой орган, построена из клеток, правда, клеток весьма своеобразных и высококвалифицированных. По строению, характеру деятельности и значению их можно разделить на два типа – нервные и глиальные.

О глиальных клетках здесь будет сказано мимоходом, но не потому, что их роль ничтожна или их слишком мало. Глиальные клетки окружают нейроны со всех сторон. Предполагается, что они создают опору для нервных клеток и их тонких отростков, снабжают их всем необходимым, а может быть, выполняют и более важные обязанности.

Главными рабочими элементами мозга являются нейроны. Это удивительные клетки. От маленького, неправильной формы тела отходят многочисленные отростки. Один из них бывает особенно длинным. Его называют аксоном. Остальные – дендриты, они короче. И аксон и дендриты сильно ветвятся, причем аксон ветвится лишь на конце, а остальной его ствол веточек не дает. Если нарисовать нейрон аксоном вверх, он будет напоминать высокое и очень тонкое дерево, вырванное из земли с корнями.

Причудливое строение нейрона – не случайность. Каждая его часть выполняет свою особую функцию. Тело нейрона – это его энергетический центр и фабрика важнейших материалов, необходимых для жизнедеятельности нервной клетки. Дендриты предназначены для сбора информации. Их задача – увеличить поверхность нейрона. Вот почему они сильно ветвятся и образуют вокруг тела клетки густую чащу. Большинство сигналов, поступающих в нейрон от его соседей, перехватывается их бесчисленными отростками.

Функция аксонов заключается в передаче сигналов другим нервным клеткам. Это всего лишь проводник, кабель, идущий из одного отдела нервной системы в другой или из нервной системы в различные органы и ткани организма. Обычно аксон несколько тоньше дендритов, а его длина, в сравнении с мизерными размерами тела нервной клетки, поражает. Нейроны относятся к числу наиболее мелких клеток организма. Размер большинства из них обычно не превышает нескольких десятков микрометров, а длина аксонов человека варьируется от 0,1 миллиметра до 1 метра. Чтобы из спинного мозга донести команды до самых удаленных мышц ног или хвоста у крупных животных, например слона, кита, им нужно иметь длину от 1,5 до 3 метров. Наконец, у гигантского кальмара-архитеутиса, вместе с вытянутыми щупальцами достигающего в длину 18 метров, максимальная длина аксонов не должны быть меньше 10 метров. Выходит, что отросток может быть в миллионы раз длиннее собственной клетки.

Информация от одной нервной клетки к другой передается в местах их контакта. Для этого здесь формируются особые приспособления, обеспечивающие переход возбуждения с нейрона на нейрон. Их называют синапсами. Большинство синапсов, как уже говорилось, передают информацию от аксона одной клетки к дендриту другой, но известны и другие типы контактов: между аксоном одной клетки и телом другой, между двумя аксонами или двумя дендритами. Обычно нейрон имеет от 1000 до 10000 синапсов, через которые обменивается информацией с другими нейронами – получает от них сообщения или делится с ними имеющимися в его распоряжении сведениями.

Сложность строения нервных клеток сильно затрудняла изучение их взаимного расположения и общего устройства нервной ткани. Дело в том, что микроскоп не дает возможности проследить от начала до конца ни самый короткий аксон, ни крохотный дендрит. Путь нервных отростков извилист. Его трудно увидеть в густом переплетении соседних отростков и глиальных клеток, окружающих нейрон со всех сторон. Скажем откровенно, что и сейчас архитектоника многих участков человеческого мозга изучена еще недостаточно полно, но тем не менее уже появилась возможность дать принципиальную схему их взаимного расположения и взаимодействия.

Общий принцип устройства мозга правильнее всего представить в виде схематического изображения направления потоков информации от их поступления в нервную систему до направления распоряжений исполнительным органам. Мозг получает информацию от рецепторов. Здесь главным рабочим прибором служит видоизмененная нервная клетка. На нее возложена задача собирать и преобразовывать информацию, которая поступает из внешнего мира, в электрические сигналы. Фоторецепторы глаза реагируют на свет, обонятельные и вкусовые рецепторы – на химические воздействия, осязательные и звуковые – на механические. Для самых разных воздействий окружающего и внутреннего мира существуют рецепторы, но всю полученную информацию они переводят на язык электрических импульсов. Только в таком виде она становится понятной для клеток мозга.

Информация рецепторов адресуется нервным клеткам, которые, как правило, находятся здесь же, за пределами мозга. Отростки рецепторных клеток направляются к этим нейронам и вблизи них ветвятся. Таким образом, одна рецепторная клетка обычно посылает сигнал многим нейронам. В свою очередь, каждый из этих нейронов посылает аксон в мозг к нейронам следующего звена, который, как и полагается, делится на множество веточек и тоже передает информацию многим нейронам, а те переадресуют ее нейронам очередного звена.

Такой способ передачи информации вовсе не означает, что она мигом распространится на весь мозг, а число нейронов, занятых в ее обработке, будет расти как снежный ком. Дело в том, что каждый нейрон первого звена получает информацию не от одного, а от множества рецепторов, а каждый нейрон второго звена от множества нейронов первого. Так что информация рецепторных клеток, просочившаяся в мозг в виде тоненьких ручейков и дублированная здесь нейронами, ответственными за ее дальнейшее продвижение, может в конце концов действительно превратиться в могучий поток, но он потечет по своему руслу, не выплескиваясь за его берега.

Так от звена к звену передается в мозгу информация рецепторов, пока не достигнет исполнительных нейронов, которые шлют команды мышцам или железам. Таких звеньев как минимум должно быть два-три, но обычно бывает значительно больше. К сожалению, изучена в лучшем случае работа первых и последних одного-двух звеньев. Значительные успехи достигнуты лишь в изучении зрительной системы. Здесь путь информации прослежен до шестого-седьмого звена нейронной цепи, до нервных клеток в зрительных полях коры больших полушарий, занятых ее анализом. Что происходит в средних звеньях большинства анализаторных систем, пока почти не известно. Но именно это самое интересное, так как здесь возникают ощущения, осуществляется узнавание простых и сложных раздражителей и где-то здесь находятся кладовые нашей памяти. Наконец, именно в этих звеньях возникают эмоции, мысли, принимаются решения, формируется речь.

Пути информации в мозгу, конечно, не столь прямолинейны, как это изображено на нашей схеме. Чаще информация анализаторов адресуется в разные районы мозга и следует туда специальными дорогами. На дорогах мозга одностороннее движение. Передаваемой информации не угрожает катастрофа, столкновение со встречным потоком, но он существует. Для него предназначены другие магистрали, тоже с односторонним движением. Они берут начало где-то от средних звеньев нейронной цепи и служат для передачи в анализатор указаний, как ему дальше работать, то есть обеспечивают регулировку деятельности. Такие же встречные дороги обеспечивают «обратные связи», как называют их физиологи, между исполнительными органами и командными центрами мозга. Они дают возможность исполнительным органам – мышцам и железам – рапортовать командным центрам о выполнении их распоряжений.

Есть еще две особенности нейронных дорог. Нервные клетки каждого звена не только получают информацию от нейронов предыдущего, но и обмениваются информацией между собой посредством боковых связей. Кроме того, в каждом звене переключения информации наряду с обычными нейронами, обслуживающими линии связи, могут находиться и так называемые тормозные. Их импульсы действуют, как красные сигналы светофоров на наших людских магистралях, и способны приостановить, сократить, а то и полностью прервать движение потока информации.

Так выглядит в самых общих чертах устройство мозга. Со стороны может показаться, что мы знаем о нем чрезвычайно мало. Действительно, пока не так много, но в жизни все относительно. Понять принципиальную схему работы прибора, составленную из миллиардов элементов, – огромное, ни с чем не сравнимое достижение. Изучение мозга идет гораздо быстрее, чем можно было ожидать. Мы ушли от старта очень далеко, и то, что до финиша неизмеримо дальше, не должно нас смущать. Ведь процесс познания бесконечен, а секреты материи, тем более такой сложной и совершенной, неисчерпаемы. Но то, что неясно сегодня, станет понятным завтра и, конечно, даст повод для новых вопросов.

«Кирпичики» мозга

Чего только не придумали изобретатели! В Англии запатентована машинка, считающая петли при вязании вручную. Там же сконструировано и получило патент устройство для вскрытия скорлупы у яиц, сваренных всмятку. Французы изобрели скобы-зажимы, позволяющие, не обжигая пальцев, снимать кожуру с горячих вареных картофелин. Трудно сказать, сколько запатентованных изобретений не принесло человеку никакой пользы, зато другие способны прямо-таки на глазах изменить мир.

Считается, что зрение поставляет 90 процентов всей доходящей до нашего сознания информации. Каждый раз, когда делалось изобретение, позволяющее увидеть то, что раньше было недоступно глазу, наука делала крупный шаг вперед.

Английский физик Роберт Гук, живший в XVII веке, изобрел несколько астрономических и физических приборов, спиральную пружину для часов, оптический телеграф и усовершенствовал микроскоп. То, что он увидел, заглянув в окуляр своего детища, так потрясло ученого, что в 1665 году он опубликовал собственное сочинение с длинным, как тогда было принято, и малопонятным названием «Микрография, или Некоторые физиологические описания мельчайших тел, сделанные посредством увеличительных стекол». Среди изученных им объектов были срезы обычных бутылочных пробок. Приглядываясь к их строению, он увидел, что они более чем наполовину состоят из воздуха, заключенного в крохотные коробочки. Так были открыты растительные клетки.

Прошло еще немало лет, прежде чем удалось увидеть животные клетки, а потом убедиться, что все организмы состоят из клеток, являющихся их основной структурной единицей. В конце концов была открыта и нервная клетка, только это произошло почти два века спустя после опубликования Гуком своего знаменитого сочинения. В тот период уже существовали неплохие световые микроскопы, позволяющие разглядеть такие крохотные объекты, как тело нейрона и даже его отростки. Однако они казались прозрачными и поэтому невидимыми, а если их окрашивали обычными красителями, как красят срезы других органов тела, то из-за слишком плотной упаковки, из-за густого переплетения отростков, получался темно окрашенный мазок, на котором было невозможно рассмотреть отдельные детали.

Трудно представить процесс дальнейшего изучения мозга, если бы в конце прошлого века итальянский анатом К. Гольджи не создал метод окраски нервной клетки, позволивший наконец увидеть, что она собой представляет. Ценность метода состоит в том, что на мозговом срезе окрашиваются не все нервные клетки, а лишь некоторые из них. Прошло больше ста лет с момента изобретения способа окраски по Гольджи. Им пользуется большая армия анатомов, но до сих пор никому не удалось выяснить, почему окрашиваются лишь очень немногие клетки, что делает их восприимчивыми к красителю.

Метод Гольджи оказался очень удачным. Если нервная клетка оказалась восприимчивой к красителю, то окрашивается вся целиком, со всеми мельчайшими отростками, а оставшиеся неокрашенными полупрозрачные клетки не мешают ею любоваться. Правда, не видно, к чему тянутся отростки окрашенной клетки, но, изготовляя сотни препаратов, удалось в конце концов разобраться и в этом.

Хороший световой микроскоп обеспечивает увеличение в тысячу раз. Сегодня кажется, что это совсем немного. Между тем задолго до появления электронных микроскопов анатомы достаточно подробно изучили и описали самые различные типы нервных клеток. Одного они сделать не сумели – выяснить структуру нервных отростков в местах их соединений. Световой микроскоп не позволял увидеть такие подробности и ответить на вопрос, волновавший в ту пору исследователей: самостоятельны ли нервные клетки или нервная система представляет непрерывную сеть, где волокна сливаются друг с другом, являя собой неразрывное целое. Убедиться в том, что каждая нервная клетка – это самостоятельный элемент нервной системы, удалось лишь после создания электронного микроскопа. Он дал возможность увидеть, что в синапсах, местах контакта отростков, между ними всегда остается щель, правда очень узкая, шириной всего в 0,00002 миллиметра. Так что фактически в нервной системе отростки нейронов вплотную не соприкасаются ни с другими отростками, ни с телами нейронов.

Вторым важнейшим изобретением было создание микроэлектрода. Со времен Гальвани стало ясно, что в работе нервной системы электрические реакции играют значительную роль. Их изучение сначала сдерживалось отсутствием приборов, способных зарегистрировать и измерить столь малые электрические импульсы. Как ни странно, вторым прибором после нервно-мышечного препарата лягушки, обеспечившим на первом этапе проведение электрофизиологических исследований, оказалось человеческое ухо. Телефонный аппарат, подсоединенный к нерву, позволял слабые электрические реакции преобразовать в звуковые импульсы, отчетливо слышные человеческим ухом.

Телефон для исследования нервной системы впервые применил профессор Петербургского университета Н.Е. Введенский. Позже был изобретен струнный гальванометр, способный уловить биоэлектрические разряды в нерве или в мозговой ткани и оценить их величину. Первоначально он казался очень перспективным, но не дал возможности узнать о мозге что-нибудь принципиально новое. При существовавших тогда способах отведения от мозга биопотенциалов прибор регистрировал суммарные электрические реакции многих десятков, сотен, а может быть, и тысяч нейронов. Понять, что происходит в мозгу, при таком подходе не легче, чем по уровню шума определить, как организована работа на металлургическом заводе и какую продукцию он выпускает.

Записать электрические реакции одного-единственного нейрона позволило изобретение такого тонкого микроэлектрода, что его оказалось возможным погружать в мозг на любую глубину, не опасаясь существенно повредить мозговую ткань. Процесс изготовления микроэлектрода осложнен тем, что он должен по всей своей длине, за исключением острого кончика, иметь изоляцию, препятствующую проникновению электрических потенциалов всех других нейронов, кроме того, в который он уткнется.

В физиологических лабораториях пользуются двумя типами электродов – металлическими и стеклянными. Металлические изготовляются из упругих металлов – стали, платины, нихрома, вольфрама. Механически заточить кончик у тоненькой проволочки практически не удается. Для этого используют электрохимический метод. Кончик электрода опускают в раствор кислот и пропускают через него постоянный ток. Электрический ток уносит атомы металла, и конец электрода быстро утончается до 1–2 микрон. Можно получить и еще более тонкий кончик, но использовать такой электрод невозможно, так как он становится мягким и при введении в мозг гнется. Остальную часть электрода покрывают лаками и эмалями, что обеспечивает электроизоляцию и придает ему некоторую механическую прочность.

Еще удобнее стеклянные электроды. По существу, это пипетки, заполненные электролитом – раствором солей, хорошо проводящим электричество. Такую пипетку не приходится ничем покрывать – стекло, как известно, не проводит электрический ток. Стеклянные электроды удается получить с удивительно тонким кончиком, вплоть до 0,1–0,2 и даже 0,05 микрона, и при этом они сохраняют известную прочность. Есть у стеклянного электрода еще одно преимущество, которого нет у металлического. С его помощью можно не только отводить электрические потенциалы или раздражать нейрон электрическим током, но и вводить внутрь нервной клетки любые химические вещества.

С некоторым опозданием вслед за анатомами и физиологами в изучение мозга включились биохимики. Наука эта достаточно молода, и прежде чем приступить к изучению мозга, ей необходимо было создать и довести до совершенства сами методы анализа. Биохимия должна была ответить на вопрос, из каких веществ состоят отдельные участки мозгового вещества, из каких молекул построены находящиеся здесь нейроны или даже их отдельные части. Это было совершенно необходимо знать, чтобы понять, как мозг живет и работает. Следовательно, в первую очередь надо было научиться извлекать из мозга нейроны. Задача казалось невероятно сложной, но ученые сумели ее решить. Удалось не только найти способы, позволяющие демонтировать мозг – разбирать его на «кирпичики», но и осуществлять сортировку мозговых обломков.

Демонтаж мозговой ткани производится удивительно просто. Мозг только что убитой крысы помещают в фарфоровую ступку и растирают пестиком до состояния сметанообразной кашицы. Кажется, здесь разрушено все, но… Под микроскопом хорошо видно, что в грязно-серой сметанообразной массе много нервных клеток, правда с оторванными отростками, но без заметного повреждения клеточных тел. Оказывается, нейроны достаточно прочны. Обрываются их отростки, не выдерживают межклеточные связи, а сами нервные клетки не страдают. Даже при такой грубой процедуре большинство из них сохраняется.

Теперь нервные клетки нужно было отделить от глиальных и обрывков волокон. Для этого мозговую кашицу протирают через тончайшие сита, смешивают с какой-нибудь плотной жидкостью вроде глицерина и пробирку помещают в центрифугу. Подбирая соответствующим образом плотность растворителя и скорость вращения, удается добиться, чтобы в осадок выпали тела нервных клеток, почти без примеси других фрагментов мозга, или синапсы, то есть концевые бляшки нервного волокна с кусочком клеточной мембраны, к которой они прикреплены. Интересно, что даже в тщательно разрушенном мозгу не удается найти синаптических бляшек, отделенных от мембраны, к которой им полагается быть прикрепленными. Синапс оказался удивительно прочной структурой, что очень помогло в его изучении. Вырванные из мозга, они еще несколько часов остаются живыми и сохраняют работоспособность.

Мозг только кажется совершенно неприступным. Три далеко не замысловатых изобретения – создание красителя, производство микропипеток, умение тщательно растереть мозг в ступке, а затем отцентрифугировать полученную кашицу – создали условия для бурного развития морфологии, физиологии и биохимии мозга. Правда, этому предшествовало появление микроскопа, точных электроизмерительных приборов, высокоскоростных центрифуг и аппаратуры, позволяющей осуществлять точнейший биохимический анализ. Но все эти приборы, казавшиеся в момент их создания чудом совершенства, предназначались не только для изучения мозга. История трех изобретений показывает, как трудно дается изучение мозга и как новое орудие исследователей помогает добиваться победы, вырывать у мозга его очередные тайны.

Думающая «тара»

Как ни странно, мода играет в человеческой жизни заметную роль. В наши дни ей посвящают большие исследования и пишут на эту тему диссертации. Несколько лет назад в Англии группа исследователей провела серьезное изучение, посвященное отношению общества к вещам. Их выводы сводились к следующему: за пять лет до вхождения в моду новых моделей эта одежда «аморальна», за три года становится «кричащей», а за год – всего лишь «смелой». Разумеется, она прекрасна, когда в моде. Но год спустя – безвкусна, через пять лет – ужасна, через двадцать – комична, а через тридцать… оригинальна.

Народная мудрость не разделяет такого отношения к одежде. На этот счет существует множество пословиц и поговорок. Говорят, что по одежде встречают, а провожают по уму, что не одежда красит человека, а человек одежду. Об «одежде» нервных клеток, об их оболочках такого никак не скажешь. Безусловно, ни оболочка нейрона отдельно от его содержимого, ни содержимое нервной клетки отдельно от ее оболочки существовать не могут. И то и другое одинаково необходимо, но для нас важнее оболочка, мембрана, покрывающая нейрон, так как мы думаем, воспринимаем, творим с помощью оболочек. Это их прямая и к тому же важнейшая обязанность.

Работа мозга заключается в передаче, распределении, переадресовке потоков информации по нейронным цепям, в обработке собранной информации и формировании на этой основе команд исполнительным органам. Эти обязанности возложены на наружные оболочки. Как мы уже знаем, они у нейрона удивительно прочны, выдерживают тщательное растирание в ступке, между тем как у большинства других клеток организма их толщина ничтожна, всего 5 микрометров. Мембрана нейронов состоит из двух слоев молекул жироподобных веществ – липидов, выстраивающихся таким образом, что их легко смачиваемые водой концы образуют наружную и внутреннюю поверхность мембраны, а те концы молекул липидов, которые смачиваются ею хуже, оказываются спрятанными в толще клеточной оболочки.

Живые организмы умеют отлично сочетать типовые и индивидуальные формы строительства. Клеточные мембраны монтируются из стандартных блоков – молекул липидов. Индивидуальность, неповторимость им придают молекулы специфических белков, встроенные в липидную стенку или использованные для «отделки» наружного фасада нейрона. Белковые включения являются специальным оборудованием клеточной оболочки, ее рабочими элементами. Они несомненно самые важные части оболочки мембраны, так как именно на них возложено выполнение всех ее специфических обязанностей.

У липидной основы клеточной оболочки задача проще. Она должна обеспечить постоянство внутриклеточной среды. Однако неверно думать, что оболочка представляет собой действительно надежную преграду. По существу мембрана – это особая жидкость, тончайшим слоем обволакивающая жидкое внутриклеточное содержимое, а белковые включения «плавают» на ее поверхности или, как подводные лодки, находятся в «погруженном» состоянии. И тем не менее «жидкая» оболочка обладает достаточным запасом прочности. Когда в нее упирается микроэлектрод, она, прежде чем расступиться, выгибается под его воздействием, оказывая существенное сопротивление.

Как ни плотно упакованы в мозгу нервные и глиальные клетки, между ними всегда находится межтканевая жидкость. Ее состав серьезно отличается от того, что находится внутри нейрона. В протоплазме нервной клетки в десять раз меньше натрия, чем во внеклеточной жидкости, и примерно в десять раз больше калия. Для клетки чрезвычайно важно, чтобы ее внутриклеточная среда не менялась, а между тем ее тонкая оболочка не может быть непреодолимым препятствием для ионов натрия и калия. Они просачиваются в поры между молекулами липидов, благодаря чему клеточная среда беспрерывно обогащается натрием и не менее интенсивно теряет калий.

Хотя нейронная мембрана дырява, это не снимает с нее ответственности за поддержание постоянства внутриклеточной среды, в том числе и в отношении ионов калия и натрия. Не имея возможности стать для них серьезным препятствием, клеточная оболочка нейрона обзавелась натриево-калиевыми насосами, которые выкачивают из клетки излишки проникших туда ионов натрия и пополняют убыль в ионах калия.

Натриевый и калиевый насосы представляют собой крупные белковые молекулы, но могут быть смонтированы из нескольких более мелких белковых молекул. Даже совсем небольшой нейрон имеет около миллиона натриево-калиевых насосов, способных перекачивать за одну секунду до 200 миллионов ионов натрия и 130 миллионов ионов калия каждый. Не всегда работа насосов протекает столько энергично, но все же им приходится совершать постоянную напряженную работу, чтобы как-то скомпенсировать ненадежность самой мембраны.

Кроме насосов в стенке нейрона существуют каналы для пропуска ионов натрия, калия и кальция. Они также построены из белковых молекул. Каналы устроены так, что они могут открываться и закрываться. Как это происходит, пока выяснить не удалось, но особенно удивляться здесь нечему. Белковые молекулы способны менять свою конфигурацию, например, сжиматься. На этом, кстати, основана работа мышц.

Каналы устроены так, что преимущественно пропускают ионы какого-то одного типа, например натрия или калия. Свойство поистине удивительное, если иметь в виду, что калиевый канал, свободно пропускающий ионы калия, на каждые сто его ионов позволяет просочиться лишь семи значительно более мелким ионам натрия. Видимо, они устроены так, что к их стенкам «прилипают» ионы любых веществ, не предназначенных для прохождения по данному каналу.

«Двери» каналов снабжены надежными запорами. Как устроены эти замки, пока недостаточно ясно, но ключи к ним известны. Одни из них отпираются и запираются электрическим ключом, для других ключом служат молекулы особых веществ – медиаторов. Рассказ о химических ключах еще впереди. Сейчас нам важно знать лишь о том, что происходит с нейроном, когда широко открываются каналы в его оболочке.

Благодаря тому что внутри нейрона иная концентрация ионов натрия и калия, чем снаружи, а каждый ион несет положительный или отрицательный заряд, внутренняя среда нервной клетки оказывается на 70 милливольт заряжена более отрицательно, чем ее поверхность. Отрицательный заряд, называемый потенциалом покоя, сохраняется до тех пор, пока нервная клетка бездействует.

Но вот нервный импульс одного нейрона добежал по его аксону до дендритов или даже до поверхности тела другого, находящегося в состоянии покоя. Химический ключ открывает в его оболочке натриевые каналы, и натрий бурными многочисленными потоками устремляется внутрь клетки. Благодаря проникновению в нейрон огромного количества положительно заряженных ионов натрия отрицательный внутриклеточный потенциал сменяется на положительный.

Натриевые каналы работают одно мгновение и тотчас закрываются, а им на смену открываются калиевые каналы, и теперь калий начинает бурно покидать нейрон. Ионы калия тоже заряжены положительно. Покидая нейрон, они уменьшают его заряд, и тот снова становится отрицательным, достигая обычной величины минус 70 милливольт.

Хотя в том месте клеточной мембраны, где только что были открыты натриевые и калиевые каналы, все очень скоро приходит в норму, дело этим не ограничивается. Снижение и изменение знака внутриклеточного потенциала является ключом, отпирающим и запирающим ионные каналы на соседних участках клеточной мембраны. Если в основании главного нервного отростка – аксона внутриклеточный заряд уменьшается, тотчас в непосредственной близости от этого места распахиваются двери натриевых каналов, и там почти мгновенно начинает падать величина электрического потенциала, отпирая двери в соседнем участке нервного волокна. Так отпирая и запирая ионные каналы в оболочке нервного волокна, проносится по аксону волна изменения потенциала – нервный импульс, пока не добежит до синапсов. А там он может перескочить и на соседний нейрон, но об этом разговор будет особый.

Интересно, что стремительный бег по нервному волокну биоэлектрического потенциала, когда ему ничто не мешает, совершается медленнее, чем скачки с препятствиями. Только у низших животных нервные волокна бывают «голыми». В мозгу человека большинство аксонов, кроме клеточной мембраны, имеют дополнительную электроизоляцию. Эту функцию выполняют большие плоские швановские клетки, создающие для него несколько слоев надежной изоляции, накрученные, как изоляционная лента, на нервное волокно.

Муфты швановских клеток, надетые на аксон, не соприкасаются друг с другом. Между ними остаются узкие щели – перехваты Ранвье. Только здесь нервное волокно непосредственно соприкасается с внеклеточной жидкостью. Поэтому в нервной системе человека волна распространяющегося нервного импульса не бежит плавно, а движется скачками от одного перехвата к другому, что весьма ускоряет процесс распространения импульса.

Таким образом, одежда нейрона – его оболочка не только обеспечивает целостность и самостоятельность нервной клетки. Она ответственна за возникновение в нем возбуждения, за распространение этого возбуждения по отросткам нейрона и, как мы увидим дальше, имеет прямое отношение к переходу возбуждения с одного нейрона на другой. Роль одежды нейрона столь велика, что изучению нейронных мембран сейчас посвящается больше исследований, чем любым другим структурам нервной клетки.

Нейрон в «тисках»

Нейрон-крохотуля скрыт в глубинах мозговой ткани. В живом мозгу его не увидишь, не найдешь. Как же удалось узнать о его деятельности такие подробности? Казалось бы, что для исследования нужно «вырубить» нервную клетку из толщи мозга, извлечь наружу, зажать для устойчивости в «тиски». Только теперь можно начать исследование: ввести в нее микроэлектрод или микропипетку и попробовать выяснить, что происходит у нее внутри, что проникает туда через стенку и что выделяется наружу. Фантастическая картина! Но как иначе приступить к изучению нейрона? За такую ювелирную работу не взялся бы даже знаменитый лесковский Левша. И действительно, еще недавно ученые ни о чем подобном и мечтать не смели. А почему бы и нет? – задали вопрос киевские ученые Института физиологии, из лаборатории академика П.Г. Костюка, – и приступили к исследованию.

Первой задачей, вставшей на пути ученых, стала необходимость осуществить демонтаж мозга. Его нужно было разобрать на отдельные нейроны, но сделать более деликатно, чем это делали химики, чтобы сохранить нервные клетки живыми.

За большой и сложный мозг млекопитающих киевляне не взялись. Для начала был выбран объект попроще – нервный ганглий улитки, вроде тех, что живут в каждом самом маленьком пруду. Выбор моллюсков в качестве объекта исследования был сделан по целому ряду причин. Главная заключалась в том, что многие нейроны нервной системы улиток имеют «гигантские» размеры. Они такие большие, что видны простым глазом, без микроскопа или увеличительного стекла. Кроме того, они лежат на поверхности нервного ганглия, и поэтому добраться до них совсем не трудно. А что до того, что вместо нейрона человеческого мозга для исследования взят нейрон весьма примитивного существа, так ученые уже имели возможность неоднократно убедиться, что работа нейронов высокоразвитых и низших животных не имеет существенных различий.

Неожиданно оказалось, что разобрать нервный ганглий улитки на отдельные клетки совсем не трудно. Ганглий удалось растворить, воспользовавшись давнишним изобретением природы – пищеварительным ферментом пепсином, с помощью которого у нас в желудке перерабатывается мясная пища. Оказалось возможным подобрать такую концентрацию фермента, при которой в мозгу улитки растворяется все, в том числе связи между клетками, а мембрана нейрона не повреждается. Нейрон – очень важная деталь мозга, неудивительно, что она одета в гораздо более прочную, чем другие клетки организма, оболочку, способную уберечь ее от многих неприятностей.

Все же извлечь из мозга нейрон в абсолютно не поврежденном виде пока не удается. Невозможно выплести из ткани ганглия тонюсенькие отростки нервной клетки. Они легко рвутся. Ученых очень беспокоил вопрос – как залечить или заделать дырки в местах обрыва отростков, чтобы вещество клетки не выливалось наружу, как льется вода из крана, если оставить его открытым? К счастью, опасения оказались необоснованными. Нервные клетки снабжены удивительным механизмом самовосстановления. Чуть только произошел обрыв отростка, оболочка на конце культи начинает сжиматься. Мгновенье-другое, и рана закрылась. Еще две-три секунды, и клетка полностью здорова. Можно приступать к изучению ее деятельности.

Чудеса на этом не кончились. В Киеве для нервной клетки удалось соорудить даже «тиски». Их конструкция предельно проста. В центре тонкой металлической пластинки высверливается микроскопический конусообразный канал. Его размер подбирается таким образом, чтобы верхнее, входное отверстие было чуть больше нейрона, а нижнее, выходное – чуть меньше. Готовой пластинкой перегораживают крохотный сосуд. В его верхнюю часть наливают специальный раствор, чтобы нервная клетка могла чувствовать себя нормально, и опускают туда нейрон, извлеченный из мозга улитки. Жидкость просачивается сквозь отверстие в перегородке – и в конце концов засосет в канал нейрон. Если его стенки предварительно смазать специальным клеем, а в арсенале ученых нашелся и он, то нервная клетка, попав в отверстие, прилипает к его стенкам и прочно закрепляется. Зажатый в «тисках» нейрон – прекрасный объект для исследования. В крупные клетки моллюсков удается одновременно ввести до пяти стеклянных электродов. Нейроны удивительно выносливы. Пронзенные несколькими электродами, они много часов проживут в питательном растворе и будут нормально работать.

Нейрон слишком сложный объект. Даже извлеченный из мозга и прочно закрепленный, пронзенный несколькими электродами, он продолжает хранить свои тайны. Исследование пошло бы быстрее, если бы и нейрон удалось разобрать на составные части. В первую очередь исследователям хотелось получить кусочек живой, полноценной, надежно закрепленной мембраны, чтобы ее было удобно исследовать.

Удалось осуществить и этот фантастический проект. Для изготовления препарата используют зажатый в «тисках» нейрон. Мы уже неоднократно сталкивались с тем, насколько прочна и устойчива его оболочка. Действительно прочна, но есть немало способов, на первый взгляд совсем безобидных, позволяющих ее повредить. Кальций – один из важных компонентов жизнедеятельности нейрона. Обработка нервной клетки раствором, не содержащим кальция, приводит к появлению в его оболочке множества ультрамикроскопических отверстий. В результате она превращается в мелкое сито, легко отсеивающее мелкие ионы натрия, калия, кальция, хлора. Значительно более крупные молекулы белков и других органических веществ пройти через эти отверстия не могут. Подготовленная таким образом клетка сохраняет все, что ей необходимо для жизни, хорошо себя чувствует и нормально функционирует.

Подготовить такой опыт не трудно. В нейрон, зажатый в «тисках», вводят нужное количество электродов, а мембрану, выступающую в нижний сосуд, обрабатывают бескальциевым раствором, превращая ее в сито. Теперь можно управлять составом солей внутри нейрона. Нервная клетка так мала, а отверстий в ее оболочке возникает так много, что если быстро сменить раствор в нижней части сосуда, так же быстро, почти мгновенно, изменится солевой состав и внутри клетки. Теперь, по желанию экспериментаторов, можно было создавать в протоплазме нейрона любую концентрацию ионов натрия, калия, кальция и хлора. В руках ученых фактически оказался кусочек оболочки нервной клетки, но кусочек вполне полноценный, сохранивший собственную протоплазму и ядро, по-прежнему окруженный заботами собственного «комбината бытовых услуг» и поддержкой собственного энергетического центра. Этот уникальный препарат и позволил изучить работу «электростанции» нейрона, выяснить, как мембрана генерирует ионные насосы и какова их роль в распространении нервного импульса. Как и окружающая Вселенная, микрокосмос нашего мозга оказался вполне доступным для изучения.

Посредник

Еще лет пятьдесят назад размеры нашей страны, тем более всей планеты, подавляли своей необъятностью. Сотрудники Аэрофлота справедливо утверждают, что развитие авиации сильно сократило расстояния. Для общения народов оно теперь не помеха. Трудность в другом – в языковом барьере. Сейчас на земле существует более двух с половиной тысяч языков – явное излишество для ставшей тесноватой планеты.

Многоязычие создает колоссальные трудности. Особенно страдают ученые, которым необходимо оперативно знакомиться с новой информацией, публикуемой их коллегами на своих родных языках. Чтобы как-то выйти из этого положения, европейские ученые раньше использовали латынь. Мертвый язык, на котором не говорил ни один народ, постепенно потерял свое значение. Время от времени делались попытки создать искусственный международный язык. Наибольшее распространение получил эсперанто.

Ни один из искусственных языков пока не завоевал всеобщего признания, и языковой барьер до сих пор вносит в работу международных организаций колоссальные трудности. Этот барьер пытаются преодолеть разными путями. Особенно трудно малым странам. Хотя датский язык принят в руководящих органах Европейского экономического сообщества, на международной арене датчанам редко приходится сталкиваться с людьми, владеющими их родным языком. Неудивительно, что продолжаются настойчивые попытки «перепрыгнуть» через барьер. Дело дошло до того, что датская газета «Политикен» выступила инициатором широкой дискуссии о переходе датчан на… английский язык.

Перед клетками мозга стоят те же проблемы – расстояние и взаимопонимание. Первая проблема, как мы уже видели, решается просто. Длинные отростки нервных клеток – аксоны дотягиваются до любых районов мозга. Сложнее со взаимопониманием. Два нейрона – два самостоятельных государства. Природа должна была изобрести механизм, позволяющий одному нейрону, получившему заслуживающую внимания информацию, не только довести ее до сведения других нейронов мозга, но и добиться того, чтобы они на нее отреагировали.

Немало усилий пришлось затратить ученым, чтобы выяснить как общаются между собой нейроны. Уже давно было известно, что по отросткам нервных клеток, как по телеграфным проводам, бегут биоэлектрические импульсы. Физиологи подозревали, что этот импульс, дойдя до синапса – места, где отросток одной нервной клетки касается отростка или тела другой нервной клетки, вызывает в соседнем нейроне ответную электрическую реакцию. Такой путь перехода возбуждения с нейрона на нейрон действительно существует у примитивных животных, и соответствующие синапсы даже получили название электрических. Однако у человека дело обстоит значительно сложнее.

«Выведать» механизм общения нейронов, как ни странно, помогли американские индейцы. Захват и разграбление великих индейских империй, начатый Эрнандо Кортесом и Франсиско Писарро, протекал бы значительно быстрей, если бы у индейцев не было их страшного смертоносного оружия – отравленных ядом стрел. Особенно оно досаждало завоевателям, пытавшимся проникнуть в покрытые девственными тропическими лесами районы континента. Крохотной царапины, сделанной отравленной стрелой, оказывалось достаточно, чтобы убить человека или лошадь. Возвращаясь в Европу, конкистадоры вместе с награбленными богатствами привозили домой страшные рассказы о воинственных индейцах, а иногда в их сундуках оказывалось и само оружие коренных жителей Америки.

Стрельный яд, который использовали индейцы, называется кураре. Его получали из коры, корней и молодых побегов ядовитых тропических растений. Им смазывались наконечники боевых стрел. Через некоторое время сироп твердел, и стрела была готова. Действие яда сказывалось быстро. Сначала наступал паралич шейной мускулатуры, потом отказывали конечности. Несколькими минутами позже прекращалась работа дыхательной мускулатуры и раненый умирал от удушья.

Вряд ли в те времена кто-нибудь всерьез задумывался над механизмом действия яда. Людям казалось, что само слово «яд» исчерпывающе объясняет причину смерти: отравился, и все тут. Первым над способностью отравленных стрел почти мгновенно отнимать жизнь серьезно задумался выдающийся французский физиолог Клод Бернар. Он был очень удивлен, обнаружив, что у только что погибших от кураре животных раздражение нервов не вызывает сокращения мышц. Это казалось чрезвычайно странным, так как обычно мышца, иссеченная вместе с нервом у убитого животного, длительное время способна отвечать сокращением на его раздражение. Тщательно изучив необычное поведение нервно-мышечного препарата, ученый с удивлением убедился в том, что у отравленного кураре животного мышцы не теряли способности сокращаться, а нервы – проводить возбуждение, то есть передавать распоряжения нервных клеток. Почему же нервный импульс, добежав до вполне полноценной, способной к сокращению мышцы, тем не менее не вызывает ее сокращения? Это могло означать только одно: распоряжения нейронов, посылаемые мышцам, почему-то до них не доходят, видимо застревая в синапсах.

Клоду Бернару ничего достоверно выяснить не удалось, но он высказал догадку, впоследствии получившую экспериментальное подтверждение, что синапс работает как телеграфный аппарат, только, вместо того чтобы печатать распоряжения на бумажной ленте, издает для мышц химические приказы.

С догадками оперировать гораздо проще, чем с фактами. Предположение Бернара о способах передачи мышцам распоряжений нервных клеток перенесли и на общение нейронов. Но как подступиться к такому исследованию? Как уже говорилось, внутри синапсов оболочки двух контактирующих клеток друг с другом непосредственно не соприкасаются. Если химические «приказы» действительно отправляются, то скорее всего именно сюда, в узкую щель между оболочками контактирующих клеток. Но как извлечь оттуда это гипотетическое вещество?

Совершенно очевидно, что в каких бы мизерных дозах ни выделялся химический приказ, часть этого вещества в конце концов должна попасть в кровь. Значит, получить небольшую порцию передатчика не так уж сложно. Конечно, целый большой мозг для задуманного исследования не годился. Для эксперимента выбрали один из ганглиев вегетативной нервной системы, имеющихся у всех высших животных.

Исследование было организовано элементарно просто. Нервный стволик, идущий к симпатическому нервному ганглию, раздражали ритмическими ударами электрического тока. В ответ на каждый электрический импульс в синапсах ганглия должны были «издаваться» химические приказы. Чтобы ознакомиться с ними, нужно было собрать оттекающую от ганглия кровь, а еще лучше – пропустить по сосудам ганглия солевой раствор. В нем легче, чем в крови, нащупать новое, постороннее вещество. Но как его там обнаружить, ведь оно должно находиться там в ультрамикроскопических количествах? И как доказать, что в растворе находятся именно химические приказы, а не какие-то другие примеси?

Чтобы ответить на этот вопрос, не пришлось создавать специальный чувствительный прибор. Его удалось найти в самом организме. Оказалось, что, если солевым раствором, пропущенным по сосудам ганглия, подействовать на мышцу, она ответит сокращением. Некоторые химические приказы, предназначенные для общения нервных клеток, понятны и мышцам. Таким образом, существование химических приказов было доказано, а вещества, используемые для передачи информации от клетки к клетке, получили название медиаторов. Сейчас известно более 30 веществ, которые подозреваются в способности передавать информацию нейронов, и, надо думать, выявлены еще далеко не все.

Зачем понадобилась мозгу такая уйма медиаторов? Ответить на этот вопрос сейчас вряд ли кто-нибудь сможет. Видимо, чтобы не происходило путаницы. Раз утечка в кровь некоторого количества медиаторов возможна, значит, они могут попасть на оболочку любого нейрона и вызвать в нем возбуждение, хотя данный приказ ему вовсе не предназначался. Возможно, поэтому в каждой внутримозговой системе работает собственный медиатор, и общение происходит на собственном «национальном» языке. Это предохраняет от возникновения путаницы и сбоев в работе мозга, от вмешательства соседних нейронов в работу изолированных мозговых систем.

В химическом отношении медиаторы являются или моноаминами, то есть веществами, в состав которых входит одна аминогруппа – атом азота с двумя атомами водорода, или аминокислотами, тоже непременно имеющими в своем составе аминогруппу. Общим для всех этих веществ является то, что молекулы их невелики и атом азота, входящий в аминогруппу, несет положительный заряд. Интересно, что один и тот же медиатор может использоваться и в тормозных и в возбудительных синапсах.

Если историю изучения медиаторов рассказать подробно от расшифровки механизма синтеза и транспортировки до выяснения принципов использования, получится большой приключенческий роман. Здесь же придется ограничиться лишь рассказом о самом главном.

Синтез сложных молекул возможен лишь в самой нервной клетке, так как для этого требуется участие клеточного ядра. Отсюда ее продукция «течет» по шлангам отростков нервных клеток, добираясь до самых удаленных окончаний аксона, где используется большая часть доставляемых сюда веществ.

Еще лет тридцать назад никому и в голову не приходило, что древние греки были правы, предположив, что нервы представляют собою трубопроводы. В это особенно трудно поверить, зная, что в каждом нерве упаковано огромное количество тонюсеньких нервных отростков. И все-таки они действительно используются как трубы, только трубы совершенно фантастические.

Непонятно, как по такой тонюсенькой трубочке нейрону удается переправлять «грузы» одновременно в обоих направлениях, от тела клетки к ее отросткам и от отростков к телу, да еще с различной скоростью. Фактически в аксоне действуют три самостоятельные транспортные системы. Медленная гонит все содержимое аксона от тела клетки в окончания отростков со скоростью один миллиметр в сутки и используется для переноса веществ, необходимых для жизнедеятельности нервного волокна. Быстрая транспортная система переносит грузы в обоих направлениях, обеспечивая огромную скорость «перевозок» – от 10 до 20 сантиметров за 24 рабочих часа. Она снабжает нервные окончания сырьем, из которого здесь, на месте, будут синтезированы молекулы медиатора. В обратную сторону переправляется вторичное сырье – использованные в нервных окончаниях вещества.

На «складах» готовой продукции – образцовый порядок. Молекулы медиатора пакуются в специальную тару – синаптические пузырьки. Так они лучше сохраняются, огражденные от разрушительного действия ферментов. В каждом нервном окончании могут скопиться тысячи синаптических пузырьков, содержащих от 10 тысяч до 100 тысяч молекул медиатора, причем для хранения возбуждающего медиатора используются обычные шарообразные пузырьки, а молекулы тормозного медиатора упакованы в продолговатые пузырьки-пакеты.

Трудность передачи информации состоит в том, что каждая нервная клетка одетая в собственную добротную оболочку, закутанная слоями миелина – обмоткой из швановских клеток и окруженная глиальными клетками, – это маленькое самостоятельное государство. Какие бы революции здесь ни происходили, сор из избы не будет вынесен, все останется внутри клетки, пока ее двери будут надежно заперты. Чтобы передать сообщение, клетка-корреспондент должна открыть двери на нервных окончаниях своего аксона и добиться, чтобы открылись двери в мембране адресата – нервной клетки, получающей информацию.

Замки на дверях, находящихся в окончаниях аксона, отпирает пришедший сюда нервный импульс. Сейчас же распахиваются двери в синаптическую щель. За одну миллисекунду «за порог» выкатится 200–300 синаптических пузырьков. Находящиеся в них молекулы медиатора являются ключами, способными отпереть двери на фасаде соседней клетки.

Нужно сказать, что двери в нервных окончаниях аксона плотно не закрываются. И в обычном состоянии из них нет-нет да и вывалится контейнер с медиатором. В синаптическую щель в минуту попадает примерно 50–60 пузырьков. Однако находящихся в них ключей недостаточно для того, чтобы у клетки-адресата отпереть нужное количество дверей и вызвать ее возбуждение. Даже нервный импульс распахивает двери складов медиатора нервного волокна недостаточно широко. Однако в них из синаптической щели навстречу контейнерам с медиатором устремляются ионы кальция, отчего дверные створки раскрываются все шире и шире, и в конце концов обеспечат выход достаточного количества ключей.

В синаптической щели нет никаких приспособлений, помогающих ключам попасть в отверстие замков. Молекулы медиатора распространяются здесь в силу простой диффузии, и лишь немногие из них случайно находят замок, остальные бесцельно блуждают в своем тесном пространстве и очень скоро оказываются разрушенными. Вот почему ключей должно быть очень много. Однако синаптическая щель не широка, и ключи быстро достигаются ее противоположной стенки. Все же на это уходит гораздо больше времени, чем на движение возбуждения по нервному волокну. Необходимость перехода возбуждения с нейрона на нейрон приводит к замедлению распространения информации в мозгу.

Мы уже познакомились с тем, как удалось разобрать нейрон и собрать для исследования синапсы. А раз удалось извлечь из нервных клеток такую маленькую деталь, невольно напрашивался вопрос, не удастся ли и синапс разобрать на составные части. Эта фантастическая программа также была выполнена. Осуществить демонтаж синапса помог змеиный яд.

Обитатели тропиков змеи крайты относятся к числу наиболее опасных. Действие их яда сходно с кураре. Токсическое вещество крайта забивает замочные скважины на синаптической мембране клетки-адресата и не дает возможности отпирать замки с помощью предназначенных для них ключей – молекул медиатора ацетилхолина. Яд формозского крайта так прочно соединяется с замком, что разделить их почти невозможно. На него не действуют даже вещества, способные растворять нервные оболочки. Разрушатся все остальные части мозговой кашицы, и только крохотные кусочки мембраны предохранит от растворения прилипшая к ним молекула яда. С помощью яда крайтов удается «надергать» из синапсов достаточное для исследования количество замков. Уже подсчитали, что на синаптической мембране, имеющей площадь около 200 миллиардов квадратных ангстрем, – 3 миллиона дверей и у каждой свой замок. Они имеют размер не больше 7–10 квадратных ангстрем, значит, все вместе не занимают и 0,01–0,02 процента площади синаптической мембраны.

Замок представляет собой крупную белковую молекулу, вмонтированную в толщу полужидкой мембраны нейрона. На поверхность выглядывает лишь небольшая его часть – участок молекулы, несущий электрический заряд. Конфигурация замка и ключа таковы, что они, как осколки разбитого стакана, сложенные надлежащим образом, образуют единое целое и благодаря электрическим зарядам крепко удерживаются друг возле друга. Молекула медиатора, соединяясь с белковой молекулой замка, заставляет последнюю изменить свою форму, при этом в стенке мембраны открывается пора, позволяющая ионам, находящимся в синаптической щели, проникнуть в нейрон или ионам, находящимся внутри нейрона, вылиться наружу. В зависимости от того, для каких ионов медиатор отпирает двери и в каком направлении они движутся, нервная клетка или возбуждается или, напротив, затормаживается.

Одним из важнейших медиаторов является ацетилхолин. Нет на нашей планете таких существ, нервная система которых пользуется химическими синапсами, но не имеет ацетилхолина. Возможно, он был первым медиатором, созданным природой. Его широкое использование связано, видимо, с тем, что построен он достаточно просто, легко синтезируется и организм не испытывает недостатка в необходимом для этого сырье.

Приход нервного импульса в нервное окончание дает возможность выбросить в синаптическую щель 5 миллионов молекул ацетилхолина, однако по прямому назначению будет использовано не больше четверти, но и этого вполне достаточно, чтобы вызвать возбуждение нейрона-адресата.

Молекула ацетилхолина представляет собою цепочку, состоящую из атомов кислорода, азота и 5 атомов углерода. К атому азота, несущему положительный заряд, крепятся три метильные группы (атом углерода с прикрепленными к нему тремя атомами водорода). Эта массивная головка молекулы выполняет функцию бородки ключа. Она попадает в специальное углубление замка и удерживается его отрицательным зарядом.

Об устройстве замка удалось кое-что узнать, попробовав открыть его различными отмычками. Эти исследования подтвердили важность электрических зарядов ключей. Молекулу ацетилхолина легко лишить положительного заряда, если атом азота заменить углеродом. Такая отмычка способна отпирать замок, но действует в 12 тысяч раз слабее, чем настоящий ацетилхолин.

Использование грубо сделанных отмычек подтвердило, что отверстие замка по размеру точно соответствует бородке ключа. Если любую из метильных групп головки ацетилхолина заменить на более крупную этильную, состоящую из двух атомов углерода и пяти атомов водорода, такая молекула в 3–5 раз хуже отпирает ионные двери. Причина понятна – ключ стал велик и с трудом входит в замочную скважину. При замене двух или всех трех метильных групп сильно увеличенный ключ уже не помещается в замочной скважине и мембранных дверей не отпирает.

Точно так же можно испортить ключ, уменьшив у молекулы ацетилхолина размер ее головки. Легко заметить, что все три ее метильные группы могут быть заменены атомами водорода. Замена на водород одной метильной группы снижает результативность медиатора в 50 раз, двух – в 500, а всех трех – в 40 тысяч раз. Ключ легко входит в замочную скважину, но головка стала слишком маленькой, он «хлябает», проворачиваясь в замке, и не может его отпереть.

Ацетилхолин оказался ключом с двумя бородками. Второй бородкой является атом кислорода, несущий отрицательный заряд. Расстояние между бородками известно: атомы кислорода и азота разделяет два атома углерода и они удалены друг от друга на 4,7 ангстрема. Молекулу легко удлинить, вставив в цепочку дополнительно один, два или больше атомов углерода, и это полностью испортит ключ. Такая молекула не войдет в замочную скважину, и двери не откроются.

Зная размеры ключа, подобрать к замку отмычку нетрудно. Атом азота в молекуле ацетилхолина можно заменить любым другим, лишь бы он нес положительный заряд и оказался отделен от кислорода двумя атомами углерода.

Медиков особенно заинтересовали отмычки, которые, как и кураре, способны надежно выводить из строя замок. Это нужно хирургам, чтобы на время сложнейших операций полностью обездвижить человека или устранить судорожные сокращения мышц.

Неожиданно очень эффективными оказались крупные молекулы сходных с ацетилхолином веществ. Особенно значительный эффект давали молекулы с двумя атомами азота на концах, если между ними было 10 или 16 атомов углерода. Именно столько – не больше и не меньше. Не сразу удалось разгадать механизм их действия. А разгадка была проста. Двери, а следовательно и замки, не разбросаны на мембране как попало, а сгруппированы по четыре. Если замочные скважины соединить прямыми линиями – получится квадрат. У длинной отмычки каждый из двух атомов азота, как бородка ключа, попадает в отдельную замочную скважину. Этим объясняется эффективность отмычек. В отличие от молекул кураре отмычка выводит из строя сразу два замка. Меньший из ключей попадает в замки, лежащие по любой из сторон квадрата, а более длинный, чтобы попасть обеими бородками в замочные скважины, должен лечь по его диагонали. Зная размер ключей, нетрудно выяснить и размеры квадрата. В использованных веществах между атомами азота расстояния 14 и 20 ангстрем. Следовательно, замки находятся в углах правильного квадрата. В этом каждый легко убедится сам. Из геометрии мы знаем, что квадрат гипотенузы равен сумме квадратов двух катетов. Проверим цифрами высказанное предположение о расположении замков:

20² ≈ 14² + 14² (двадцать в квадрате приблизительно равно четырнадцать в квадрате плюс четырнадцать в квадрате)

Как видите, ошибка ничтожна.

В головном мозгу человека огромную роль играет тормозной медиатор ГАМК (его полное название гаммааминомасляная кислота). Считают, что не менее трети синапсов головного и спинного мозга человека используют этот медиатор. В отличие от ацетилхолина, обеспечивающего поступление в клетку положительно заряженного иона натрия, понижающего отрицательный внутриклеточный заряд, ГАМК открывает ворота для отрицательно заряженного иона хлора, что усиливает ее отрицательный заряд и препятствует возникновению возбуждения.

Механизм действия многих медиаторов значительно сложнее, чем ацетилхолина и ГАМКа. Например, норадреналин и дофамин, также весьма распространенные медиаторы, действуют на клетку с помощью посредников. На одном нейроне могут быть синапсы, использующие разные медиаторы – тормозные и возбуждающие. Они могут усиливать эффект друг друга или блокировать его. Характер взаимодействия различных синапсов определяет конечный эффект: возбудится ли нейрон или покой его не будет нарушен, донесет ли аксон свои сигналы до следующих нейронов или они будут перехвачены и блокированы тормозными воздействиями.

Физиологам уже многое удалось узнать о работе нейрона. Кажется, что в общих чертах мы понимаем, как он выполняет свою основную функцию – обработку информации, но совершенно очевидно, что дальнейшие подробности о механизмах его интимной деятельности будут не менее интересны. Нейрон еще не раз удивит нас невообразимой сложностью своего поведения.