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»
Посредник
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 снабженым 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 отверствие 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 отверствие, 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.
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 снабженым 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 отверствие 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 отверствие, 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 направшивался 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, способны 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 занимаются 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 назачению 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.
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 направшивался 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, способны 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 занимаются 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 назачению 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.