Страница:
Подсаживая тритонам дополнительную конечность, ученые полагали, что новые нервы будут выбирать самый легкий путь, врастать вдоль отмерших нервных стволиков, как потоки воды от пронесшегося ливня заполняют русла высохших от жары ручьев. Эксперименты показали, что готовые русла врастающим нервам не нужны. Можно создать такие условия, когда у животного от рождения одна из конечностей не будет иметь нервов, а значит, и готовых русел. Врастая в такую лапу, нерв все равно проходит своим стандартным путем. Он не ищет легкой дороги и поэтому не всегда идет вдоль сосудов, где путь относительно свободен, а часто пробирается сквозь мышцу или хрящ. Создается впечатление, что нерв умеет находить вполне определенную дорогу. В незнакомой местности он правильного пути не сыщет. Если переднюю конечность пересадить на место задней, нерв, врастая в нее, заблудится. Здесь для него все незнакомо.
Как удается нервному волокну найти дорогу? Каждый сегмент спинного мозга, посылающий к мышцам нервные волокна, содержит у шпорцевой лягушки 5–6 тысяч нервных клеток. Кроме того, за 60 дней развития успевает появиться много новых клеток, сверх первоначального количества. Однако к моменту метаморфоза их остается немногим больше тысячи, так что в каждом сегменте гибнет до 10 тысяч нервных клеток, 9 на каждый оставшийся нейрон. Зачем организму такие непроизводительные расходы? Видимо, гибнут все нервные клетки, чьи отростки не сумели найти необходимой мышцы, а новые нейроны, возникая, посылают на поиски свои отростки до тех пор, пока мышцы не окажутся полностью иннервированными.
Так же ведут себя чувствительные нервы.
У лягушки осторожно вырезали кусочек кожи с левой стороны спины, стараясь не повредить идущие к нему чувствительные нервы, и пересаживали на правую. Когда рана зарубцовывалась, прикосновение к пересаженному кусочку вызывало реакцию, будто он все еще находился на своем законном месте. Если переменить чувствительные нервы передних лапок (правый пустить в левую лапку, а левый – в правую), то на щипок лягушка станет отдергивать лапу, до которой и не дотрагивались. Правильно реагировать она никогда уже больше не сможет.
Иначе ведут себя лягушки, когда, пересаживая кусочек кожи со спины на живот, полностью перерезают чувствительные нервы. Чуть только ранка подживет, прикосновение к пересаженному участку вызывает вполне правильную реакцию. Лягушонок тянется к тому месту, до которого дотрагивается экспериментатор. Однако через пару дней, если ущипнуть центр пересаженного лоскута, лягушонок начинает путаться. С каждым днем кожная зона, дающая неправильные реакции, увеличивается, пока не захватит весь лоскут. Теперь при прикосновении к кусочку кожи, пересаженному на брюхо, лягушонок трет себе спину.
Создавалось впечатление, что вросшие в пересаженный лоскуток чувствительные нервы постепенно разобрались, что им подсунули кусочек кожи со спины, и стали посылать свою информацию в соответствующие отделы нервной системы. А так как у лягушек не полагается, чтобы кожа спины находилась на животе, центральным аппаратам было невдомек, что к получаемой информации следует относиться осторожно.
Можно предложить и другое объяснение. Сначала в пересаженный лоскут врастали кожно-брюшные нервы, которыми полагалось иннервировать данный район. Коже, взятой со спины, ничего не оставалось, как принять чужеродные нервные веточки. Позже, когда спинные кожные нервы наконец «нашли» заблудший кусок кожи (путь со спины на живот немалый), чуждые нервы были отвергнуты и постепенно отмерли. Аналогичные результаты дают опыты со зрением. Глаз жабы можно повернуть на 90 или 180 градусов, не повредив зрительного нерва. Зрение как таковое при этом не нарушится. Животное сможет видеть все так же отчетливо, как до операции, только будет путать положение замеченных предметов. Повернутый глаз, увидев слева червяка, передает информацию нервным клеткам правого зрительного поля, и червяк будет воспринят справа. Пользоваться такими глазами невозможно. Ловить насекомых лягушка не способна и обречена на голодную смерть. Она никогда не выучится правильно видеть мир.
Как ни странно, перерезка зрительного нерва не делает жабу инвалидом. Как только завершится регенерация, зрительная функция восстановится. Лягушка правильно локализует в пространстве увиденные ею предметы, различает их форму и цвет. Каким же образом происходит такое полное восстановление? Можно сделать только один вывод: все врастающие в мозг 500 тысяч волокон зрительного нерва сумели добраться до зрительного центра и разыскать в одном из девяти его слоев те клетки, с которыми они были в контакте до перерезки нерва. Иначе лягушка осталась бы слепой.
Как находят нервные волокна те клетки, с которыми должны соединиться, неизвестно. Предполагают, что между ними существует химическое родство. Волокна умеют разыскать нужную клетку, даже когда врастают в мозг в совершенно ином, необычном месте. Восстановление бывает столь полным, что после операции сохраняются все условные рефлексы.
Химическое сродство как причина связей, возникающих между нервными клетками, признается большинством ученых. Но и эта теория не объясняет результаты многих экспериментов. Почему, например, волокна зрительного нерва от правого глаза врастают в левую половину мозга, а от левого – в правую? Неужели существует химическая асимметрия правой и левой половин головного мозга? К сожалению, вопросов, как и в других областях науки, пока неизмеримо больше, чем готовых ответов.
Посредник
Оружие «Золотого короля»
Двери
Замок и ключ
Как удается нервному волокну найти дорогу? Каждый сегмент спинного мозга, посылающий к мышцам нервные волокна, содержит у шпорцевой лягушки 5–6 тысяч нервных клеток. Кроме того, за 60 дней развития успевает появиться много новых клеток, сверх первоначального количества. Однако к моменту метаморфоза их остается немногим больше тысячи, так что в каждом сегменте гибнет до 10 тысяч нервных клеток, 9 на каждый оставшийся нейрон. Зачем организму такие непроизводительные расходы? Видимо, гибнут все нервные клетки, чьи отростки не сумели найти необходимой мышцы, а новые нейроны, возникая, посылают на поиски свои отростки до тех пор, пока мышцы не окажутся полностью иннервированными.
Так же ведут себя чувствительные нервы.
У лягушки осторожно вырезали кусочек кожи с левой стороны спины, стараясь не повредить идущие к нему чувствительные нервы, и пересаживали на правую. Когда рана зарубцовывалась, прикосновение к пересаженному кусочку вызывало реакцию, будто он все еще находился на своем законном месте. Если переменить чувствительные нервы передних лапок (правый пустить в левую лапку, а левый – в правую), то на щипок лягушка станет отдергивать лапу, до которой и не дотрагивались. Правильно реагировать она никогда уже больше не сможет.
Иначе ведут себя лягушки, когда, пересаживая кусочек кожи со спины на живот, полностью перерезают чувствительные нервы. Чуть только ранка подживет, прикосновение к пересаженному участку вызывает вполне правильную реакцию. Лягушонок тянется к тому месту, до которого дотрагивается экспериментатор. Однако через пару дней, если ущипнуть центр пересаженного лоскута, лягушонок начинает путаться. С каждым днем кожная зона, дающая неправильные реакции, увеличивается, пока не захватит весь лоскут. Теперь при прикосновении к кусочку кожи, пересаженному на брюхо, лягушонок трет себе спину.
Создавалось впечатление, что вросшие в пересаженный лоскуток чувствительные нервы постепенно разобрались, что им подсунули кусочек кожи со спины, и стали посылать свою информацию в соответствующие отделы нервной системы. А так как у лягушек не полагается, чтобы кожа спины находилась на животе, центральным аппаратам было невдомек, что к получаемой информации следует относиться осторожно.
Можно предложить и другое объяснение. Сначала в пересаженный лоскут врастали кожно-брюшные нервы, которыми полагалось иннервировать данный район. Коже, взятой со спины, ничего не оставалось, как принять чужеродные нервные веточки. Позже, когда спинные кожные нервы наконец «нашли» заблудший кусок кожи (путь со спины на живот немалый), чуждые нервы были отвергнуты и постепенно отмерли. Аналогичные результаты дают опыты со зрением. Глаз жабы можно повернуть на 90 или 180 градусов, не повредив зрительного нерва. Зрение как таковое при этом не нарушится. Животное сможет видеть все так же отчетливо, как до операции, только будет путать положение замеченных предметов. Повернутый глаз, увидев слева червяка, передает информацию нервным клеткам правого зрительного поля, и червяк будет воспринят справа. Пользоваться такими глазами невозможно. Ловить насекомых лягушка не способна и обречена на голодную смерть. Она никогда не выучится правильно видеть мир.
Как ни странно, перерезка зрительного нерва не делает жабу инвалидом. Как только завершится регенерация, зрительная функция восстановится. Лягушка правильно локализует в пространстве увиденные ею предметы, различает их форму и цвет. Каким же образом происходит такое полное восстановление? Можно сделать только один вывод: все врастающие в мозг 500 тысяч волокон зрительного нерва сумели добраться до зрительного центра и разыскать в одном из девяти его слоев те клетки, с которыми они были в контакте до перерезки нерва. Иначе лягушка осталась бы слепой.
Как находят нервные волокна те клетки, с которыми должны соединиться, неизвестно. Предполагают, что между ними существует химическое родство. Волокна умеют разыскать нужную клетку, даже когда врастают в мозг в совершенно ином, необычном месте. Восстановление бывает столь полным, что после операции сохраняются все условные рефлексы.
Химическое сродство как причина связей, возникающих между нервными клетками, признается большинством ученых. Но и эта теория не объясняет результаты многих экспериментов. Почему, например, волокна зрительного нерва от правого глаза врастают в левую половину мозга, а от левого – в правую? Неужели существует химическая асимметрия правой и левой половин головного мозга? К сожалению, вопросов, как и в других областях науки, пока неизмеримо больше, чем готовых ответов.
Посредник
Оружие «Золотого короля»
Кровавые подвиги Эрнандо Кортеса и Франсиско Писарро, захват и разграбление великих индейских империй не только не утолили у испанских авантюристов всех мастей и рангов жажды наживы, но лишь сильнее ее подхлестнули. Плохо зная местные языки, часто неправильно понимая и без того удивительные рассказы индейцев, конкистадоры нередко сами создавали фантастические легенды и сами в них искренне верили. Их неудержимо манили серебряные города, королевство женщин, острова вечной молодости и особенно страна «золотого человека» Эльдорадо.
К сожалению «золотая» страна не оказалась легендой. Там, где теперь расположена нынешняя Колумбия, жили удивительные племена муисков. Ее правители, прежде чем стать властелинами страны, жили безвыходно в храме, готовя себя к исполнению ответственной миссии. Только по прошествии шести лет будущий король, укрытый вместо одежд слоем золотого порошка, всходил на коронационный плот и отправлялся к центру озера Гуатавита, чтобы в его водах совершить омовение и бесценными приношениями, золотыми украшениями и изумрудами откупиться от страшного греха своих предков. После захвата страны европейцы дважды предпринимали попытки осушить священное озеро. По подсчетам Александра Гумбольдта, его пучины до сих пор хранят не менее 50 миллионов золотых украшений.
Путь к сказочному Эльдорадо был нелегок. Здесь европейцам пришлось всерьез столкнуться со страшным оружием индейцев – отравленными стрелами. Самой крохотной царапины оказывалось достаточно, чтобы убить человека или лошадь. Закутанные для защиты от стрел в ватные халаты, изнывая от жары, все время опасаясь засады, брели конкистадоры навстречу своему богатству и своей гибели.
Стрельный яд, который использовали индейцы, называется кураре. Его получали из коры, корней и молодых побегов тропических растений. Размельченные части растений вымачивали в воде. Затем настой выпаривали до образования густого сиропа. Им и смазывали наконечники стрел. Через некоторое время сироп твердел. Действие яда сказывалось быстро. Сначала наступал паралич шейной мускулатуры, потом отказывали конечности. Несколькими минутами позже очередь доходила до дыхательной мускулатуры, и… наступала смерть от удушья.
Когда кураре попал в Европу, его попробовали приспособить для медицинских целей. Иногда врачу крайне необходимо расслабить мускулатуру тела больного или прекратить судороги. Однако новое лекарство не привилось. Не удавалось подобрать безопасную и в то же время эффективную дозировку.
В те времена не было достаточно четких представлений о механизме действия кураре. Выдающийся французский физиолог К. Бернар обратил внимание на то, что у животных, убитых кураре, уже через минуту после смерти нервы перестают реагировать на химические, механические и электрические раздражения. (Обычно мышца, отсеченная вместе с двигательным нервом, длительное время способна отвечать сокращением на его раздражение.) Изучив это странное явление, Бернар установил, что кураре не нарушает способности самой мышцы сокращаться, а нерва – проводить возбуждение. Это значит, что и нерв и мышца не затронуты действием яда, нарушен только переход возбуждения с нерва на мышцы.
Эксперименты заставили задуматься над механизмом передачи возбуждения от одной клетки к другой. Наиболее вероятной казалась электрическая связь. Распространение возбуждения по нерву сопровождается возникновением электрического разряда, а электрическое раздражение способно вызвать сокращение мышцы. Теперь мы знаем, что природа использовала этот путь на ранних этапах эволюции. До сих пор у ракообразных и других примитивных животных в организме действуют достаточно совершенные электростимуляторы. Уже во времена К. Бернара подозревали, что у высших животных язык, на котором нерв «разговаривает» с мышцей, передавая ей свои приказы, «химический». Прошло почти 50 лет, прежде чем австриец О. Леви сумел окончательно подтвердить это предположение.
Сердце сокращается само по себе, без специальных команд. Леви изучал у лягушки нервы, замедляющие сердечный ритм. После долгих и кропотливых экспериментов ему удалось перехватить их депеши. Приказы передавались с помощью особого вещества – ацетилхолина. Разрушая его, другое вещество – фермент ацетилхолинэстераза – уничтожает распоряжения. Удалось найти вещество, способное расщепить и саму ацетилхолинэстеразу. Химический способ передачи возбуждения был доказан. Вскоре удалось убедиться, что химический язык универсален. На нем «беседуют» между собой нервные клетки. Вещества, с помощью, которых «пишутся» распоряжения (какое бы химическое строение они ни имели), называют медиаторами, что в переводе на русский язык означает «посредники».
К сожалению «золотая» страна не оказалась легендой. Там, где теперь расположена нынешняя Колумбия, жили удивительные племена муисков. Ее правители, прежде чем стать властелинами страны, жили безвыходно в храме, готовя себя к исполнению ответственной миссии. Только по прошествии шести лет будущий король, укрытый вместо одежд слоем золотого порошка, всходил на коронационный плот и отправлялся к центру озера Гуатавита, чтобы в его водах совершить омовение и бесценными приношениями, золотыми украшениями и изумрудами откупиться от страшного греха своих предков. После захвата страны европейцы дважды предпринимали попытки осушить священное озеро. По подсчетам Александра Гумбольдта, его пучины до сих пор хранят не менее 50 миллионов золотых украшений.
Путь к сказочному Эльдорадо был нелегок. Здесь европейцам пришлось всерьез столкнуться со страшным оружием индейцев – отравленными стрелами. Самой крохотной царапины оказывалось достаточно, чтобы убить человека или лошадь. Закутанные для защиты от стрел в ватные халаты, изнывая от жары, все время опасаясь засады, брели конкистадоры навстречу своему богатству и своей гибели.
Стрельный яд, который использовали индейцы, называется кураре. Его получали из коры, корней и молодых побегов тропических растений. Размельченные части растений вымачивали в воде. Затем настой выпаривали до образования густого сиропа. Им и смазывали наконечники стрел. Через некоторое время сироп твердел. Действие яда сказывалось быстро. Сначала наступал паралич шейной мускулатуры, потом отказывали конечности. Несколькими минутами позже очередь доходила до дыхательной мускулатуры, и… наступала смерть от удушья.
Когда кураре попал в Европу, его попробовали приспособить для медицинских целей. Иногда врачу крайне необходимо расслабить мускулатуру тела больного или прекратить судороги. Однако новое лекарство не привилось. Не удавалось подобрать безопасную и в то же время эффективную дозировку.
В те времена не было достаточно четких представлений о механизме действия кураре. Выдающийся французский физиолог К. Бернар обратил внимание на то, что у животных, убитых кураре, уже через минуту после смерти нервы перестают реагировать на химические, механические и электрические раздражения. (Обычно мышца, отсеченная вместе с двигательным нервом, длительное время способна отвечать сокращением на его раздражение.) Изучив это странное явление, Бернар установил, что кураре не нарушает способности самой мышцы сокращаться, а нерва – проводить возбуждение. Это значит, что и нерв и мышца не затронуты действием яда, нарушен только переход возбуждения с нерва на мышцы.
Эксперименты заставили задуматься над механизмом передачи возбуждения от одной клетки к другой. Наиболее вероятной казалась электрическая связь. Распространение возбуждения по нерву сопровождается возникновением электрического разряда, а электрическое раздражение способно вызвать сокращение мышцы. Теперь мы знаем, что природа использовала этот путь на ранних этапах эволюции. До сих пор у ракообразных и других примитивных животных в организме действуют достаточно совершенные электростимуляторы. Уже во времена К. Бернара подозревали, что у высших животных язык, на котором нерв «разговаривает» с мышцей, передавая ей свои приказы, «химический». Прошло почти 50 лет, прежде чем австриец О. Леви сумел окончательно подтвердить это предположение.
Сердце сокращается само по себе, без специальных команд. Леви изучал у лягушки нервы, замедляющие сердечный ритм. После долгих и кропотливых экспериментов ему удалось перехватить их депеши. Приказы передавались с помощью особого вещества – ацетилхолина. Разрушая его, другое вещество – фермент ацетилхолинэстераза – уничтожает распоряжения. Удалось найти вещество, способное расщепить и саму ацетилхолинэстеразу. Химический способ передачи возбуждения был доказан. Вскоре удалось убедиться, что химический язык универсален. На нем «беседуют» между собой нервные клетки. Вещества, с помощью, которых «пишутся» распоряжения (какое бы химическое строение они ни имели), называют медиаторами, что в переводе на русский язык означает «посредники».
Двери
Работа мозга возможна лишь при контактах между его многочисленными клетками. Средств общения нейронов немного. У них могут быть контакты между двумя аксонами, двумя дендритами и телами клеток, аксодендрические (аксон – дендрит), аксосоматические (аксон – тело клетки) и дендросоматические (дендрит – тело клетки). Всего шесть возможностей, и все шесть используются, хотя основных типов два: между аксоном одной клетки и телом или дендритами второй. На заре возникновения нервной системы преобладал первый тип. Он и сейчас преобладает у примитивных животных.
Аксодендрические контакты имеют существенные преимущества. На поверхности клетки может разместиться относительно немного нервных окончаний. Другое дело дендриты, их разветвления значительно увеличивают поверхность клетки и расширяют возможность клеточных контактов. Имея достаточно большую протяженность, они как бы сами идут навстречу аксонам, подыскивая для себя источники информации.
Может показаться удивительным, что клетки, участвуя в очень важных, чрезвычайно сложных функциях, сами располагают незначительной информацией, передавая команды, а еще чаще просто советы о том, что соседним клеткам следует возбудиться или, наоборот, прервать свою деятельность.
Трудность передачи информации в том, что каждая нервная клетка, одетая в собственную оболочку, окруженная глиальными клетками и закутанная слоями миелина, – это маленькое самостоятельное государство. Какие бы революции его ни сотрясали, какие бы катаклизмы ни происходили, сор из избы не будет вынесен, все останется внутри клетки.
Для обмена информацией необходимы специальные устройства. В конце прошлого столетия глава английских физиологов Шеррингтон назвал места тесного контакта отростков нервных клеток синапсами, что в переводе с греческого означает «смыкать». В то время Шеррингтону еще не было известно, что нервные клетки обмениваются «письменными» приказами. Тесный контакт наилучшим образом объяснял, как возбуждение переползает с одного нейрона на другой.
Теперь мы точно знаем, что настоящего контакта нет.
Между соприкасающимися волокнами всегда остается заметная щель. Синапсы – это те места, где нервные клетки имеют двери, через которые и происходит обмен информацией.
Нервные клетки эмбрионов дверей еще не имеют. Они появляются позже, когда отростки нейронов, разрастаясь внутри черепной коробки, сталкиваются друг с другом. В местах соприкосновений каждая из контактирующих клеток прорубает дверной проем. Теперь не нужно «далеко ходить», чтобы обменяться новостями. Казалось бы, обмен информацией налажен. Увы, все гораздо сложнее: соседи держат свои двери на запоре. Они боятся утечки информации и не желают попадать под чужое влияние.
Нужно честно сказать, что настоящих дверей, то есть дырок в клеточной мембране, ни у одной из нервных клеток нет: мембрана как мембрана, но в ней существуют поры, способные пропускать медиаторы. Хранятся они в крохотных, порядка 200–600 ангстрем, синаптических пузырьках, располагаясь вблизи дверей одной из двух соседних клеток.
Возбуждение любой нервной клетки, любого ее отростка обязательно сопровождается возникновением электрических потенциалов. Казалось бы, все очень просто, электричество – отличный раздражитель, и для передачи возбуждения с одной нервной клетки на другую ничего специально придумывать не нужно. Однако мозг не способен варьировать напряжение электрического тока. Нервная клетка работает по закону «все или ничего», то есть или «молчит», или дает стандартный импульс.
Там, где возбуждение обязательно должно передаваться от клетки к клетке, этот принцип можно было бы применить. В мозгу гораздо чаще ситуация такова, что нервная клетка вовсе не обязана тотчас возбуждаться, если соседка ей в дверь покричит, что возбуждена до предела. Конечно, добропорядочная нервная клетка всегда прислушается к соседям. Если слухи серьезные, соседи со всех сторон сообщают, что они находятся в состоянии возбуждения, клетка-адресат возбуждается.
Иными словами, нервная клетка возбуждается только в том случае, если адресованная ей информация получит достаточно убедительное подкрепление.
В этом и состоит работа нервных клеток: постоянно взвешивать получаемую от корреспондентов информацию и решать, достаточно ли она основательна. Вот почему нервные клетки высших животных обмениваются между собой химическими посланиями, которые легко дозировать. Когда клетка-корреспондент возбуждена, медиатор из синаптических пузырьков выделяется в синаптическую щель, пространство между двумя клетками.
Предполагается, что только благодаря свободной диффузии молекулы медиатора могут пересечь его за какие-то считанные 1–2 миллисекунды.
Мозг пользуется несколькими медиаторами. Норадреналин, допомин и сератонин вызывают возбуждение адресата. ГАМК (гаммоаминомасляная кислота) – торможение. Ацетилхолин используется и для возбуждения, и для торможения соседних нейронов. Возможно, существуют и другие. Каждый синапс для своей работы использует только один медиатор. Синапсы, где применяется ГАМК, получили название тормозных.
Интересно, что возбуждающие синапсы чаще всего аксодендрические. Клетке-адресату легче собирать информацию с помощью своих многочисленных дендритов.
Тормозные синапсы нередко бывают между аксонами и телом клетки. Приказ затормозиться поступает непосредственно к энергетическим центрам нейрона. Еще чаще тормозные синапсы находятся на аксоне. Клетка будет продолжать генерировать приказы, но они дальше не пойдут. Линия связи окажется заблокированной.
Изучать синапсы очень сложно. Они слишком малы, а количество выделяющегося медиатора ничтожно. Современные химические способы не позволяют исследовать реакции таких малых количеств очень быстро разрушающегося вещества. Понадобилась изрядная изобретательность, чтобы придумать способ извлекать из мозга одни синапсы. Из тщательно измельченного мозгового вещества их отбирают с помощью центрифуги. Помещая желе растертого мозга в сосуд с жидкостью определенной плотности и подбирая скорость вращения, добиваются того, что в осадок выпадают преимущественно нервные окончания.
Этим методом удалось довольно точно определить количество синапсов, которым располагают нервные клетки головного мозга. Оказалось, что в одном грамме коры больших полушарий головного мозга морской свинки содержится 100 миллионов нервных клеток и 350 миллиардов синапсов. Следовательно, каждая клетка располагает 3500 синапсами. Центрифугирование дает возможность рассортировать мозговое вещество на составляющие элементы. Лучше всего сохраняются аксосоматические синапсы. Вырванные из мозга, они еще несколько часов способны сохранять свою функцию.
Откуда нервные окончания берут медиатор? Существует два пути: или он производится на месте, или его изготовляет нервная клетка и переправляет затем к синапсам. Возможность транспортировки вполне реальна. Оболочка аксона является, так сказать, шлангом, трубопроводом, по которому из клетки непрерывным потоком со скоростью 2–11 миллиметров в сутки течет цитоплазма. Не сочтите указанную скорость слишком мизерной. В сравнении с ничтожным размером нервной клетки она не так уж мала. Все же многие факты свидетельствуют в пользу синтеза медиаторов на месте. Удалось подсчитать, что с током протоплазмы синапсы получают всего 1 процент норадреналина. О производстве остальных 99 процентов им приходится заботиться самим.
Белок, который необходим синапсу, черпается из двух источников: в момент возбуждения преобладает синтез на месте, во время покоя необходимые количества его приносит течением из тела клетки. Одно неясно, куда девается текущая по трубопроводу аксона аксоплазма. Возможно, все приносимое тратится на создание веществ, необходимых для нормальной деятельности синапса. Предположение правдоподобное, однако еще не проверенное.
Аксодендрические контакты имеют существенные преимущества. На поверхности клетки может разместиться относительно немного нервных окончаний. Другое дело дендриты, их разветвления значительно увеличивают поверхность клетки и расширяют возможность клеточных контактов. Имея достаточно большую протяженность, они как бы сами идут навстречу аксонам, подыскивая для себя источники информации.
Может показаться удивительным, что клетки, участвуя в очень важных, чрезвычайно сложных функциях, сами располагают незначительной информацией, передавая команды, а еще чаще просто советы о том, что соседним клеткам следует возбудиться или, наоборот, прервать свою деятельность.
Трудность передачи информации в том, что каждая нервная клетка, одетая в собственную оболочку, окруженная глиальными клетками и закутанная слоями миелина, – это маленькое самостоятельное государство. Какие бы революции его ни сотрясали, какие бы катаклизмы ни происходили, сор из избы не будет вынесен, все останется внутри клетки.
Для обмена информацией необходимы специальные устройства. В конце прошлого столетия глава английских физиологов Шеррингтон назвал места тесного контакта отростков нервных клеток синапсами, что в переводе с греческого означает «смыкать». В то время Шеррингтону еще не было известно, что нервные клетки обмениваются «письменными» приказами. Тесный контакт наилучшим образом объяснял, как возбуждение переползает с одного нейрона на другой.
Теперь мы точно знаем, что настоящего контакта нет.
Между соприкасающимися волокнами всегда остается заметная щель. Синапсы – это те места, где нервные клетки имеют двери, через которые и происходит обмен информацией.
Нервные клетки эмбрионов дверей еще не имеют. Они появляются позже, когда отростки нейронов, разрастаясь внутри черепной коробки, сталкиваются друг с другом. В местах соприкосновений каждая из контактирующих клеток прорубает дверной проем. Теперь не нужно «далеко ходить», чтобы обменяться новостями. Казалось бы, обмен информацией налажен. Увы, все гораздо сложнее: соседи держат свои двери на запоре. Они боятся утечки информации и не желают попадать под чужое влияние.
Нужно честно сказать, что настоящих дверей, то есть дырок в клеточной мембране, ни у одной из нервных клеток нет: мембрана как мембрана, но в ней существуют поры, способные пропускать медиаторы. Хранятся они в крохотных, порядка 200–600 ангстрем, синаптических пузырьках, располагаясь вблизи дверей одной из двух соседних клеток.
Возбуждение любой нервной клетки, любого ее отростка обязательно сопровождается возникновением электрических потенциалов. Казалось бы, все очень просто, электричество – отличный раздражитель, и для передачи возбуждения с одной нервной клетки на другую ничего специально придумывать не нужно. Однако мозг не способен варьировать напряжение электрического тока. Нервная клетка работает по закону «все или ничего», то есть или «молчит», или дает стандартный импульс.
Там, где возбуждение обязательно должно передаваться от клетки к клетке, этот принцип можно было бы применить. В мозгу гораздо чаще ситуация такова, что нервная клетка вовсе не обязана тотчас возбуждаться, если соседка ей в дверь покричит, что возбуждена до предела. Конечно, добропорядочная нервная клетка всегда прислушается к соседям. Если слухи серьезные, соседи со всех сторон сообщают, что они находятся в состоянии возбуждения, клетка-адресат возбуждается.
Иными словами, нервная клетка возбуждается только в том случае, если адресованная ей информация получит достаточно убедительное подкрепление.
В этом и состоит работа нервных клеток: постоянно взвешивать получаемую от корреспондентов информацию и решать, достаточно ли она основательна. Вот почему нервные клетки высших животных обмениваются между собой химическими посланиями, которые легко дозировать. Когда клетка-корреспондент возбуждена, медиатор из синаптических пузырьков выделяется в синаптическую щель, пространство между двумя клетками.
Предполагается, что только благодаря свободной диффузии молекулы медиатора могут пересечь его за какие-то считанные 1–2 миллисекунды.
Мозг пользуется несколькими медиаторами. Норадреналин, допомин и сератонин вызывают возбуждение адресата. ГАМК (гаммоаминомасляная кислота) – торможение. Ацетилхолин используется и для возбуждения, и для торможения соседних нейронов. Возможно, существуют и другие. Каждый синапс для своей работы использует только один медиатор. Синапсы, где применяется ГАМК, получили название тормозных.
Интересно, что возбуждающие синапсы чаще всего аксодендрические. Клетке-адресату легче собирать информацию с помощью своих многочисленных дендритов.
Тормозные синапсы нередко бывают между аксонами и телом клетки. Приказ затормозиться поступает непосредственно к энергетическим центрам нейрона. Еще чаще тормозные синапсы находятся на аксоне. Клетка будет продолжать генерировать приказы, но они дальше не пойдут. Линия связи окажется заблокированной.
Изучать синапсы очень сложно. Они слишком малы, а количество выделяющегося медиатора ничтожно. Современные химические способы не позволяют исследовать реакции таких малых количеств очень быстро разрушающегося вещества. Понадобилась изрядная изобретательность, чтобы придумать способ извлекать из мозга одни синапсы. Из тщательно измельченного мозгового вещества их отбирают с помощью центрифуги. Помещая желе растертого мозга в сосуд с жидкостью определенной плотности и подбирая скорость вращения, добиваются того, что в осадок выпадают преимущественно нервные окончания.
Этим методом удалось довольно точно определить количество синапсов, которым располагают нервные клетки головного мозга. Оказалось, что в одном грамме коры больших полушарий головного мозга морской свинки содержится 100 миллионов нервных клеток и 350 миллиардов синапсов. Следовательно, каждая клетка располагает 3500 синапсами. Центрифугирование дает возможность рассортировать мозговое вещество на составляющие элементы. Лучше всего сохраняются аксосоматические синапсы. Вырванные из мозга, они еще несколько часов способны сохранять свою функцию.
Откуда нервные окончания берут медиатор? Существует два пути: или он производится на месте, или его изготовляет нервная клетка и переправляет затем к синапсам. Возможность транспортировки вполне реальна. Оболочка аксона является, так сказать, шлангом, трубопроводом, по которому из клетки непрерывным потоком со скоростью 2–11 миллиметров в сутки течет цитоплазма. Не сочтите указанную скорость слишком мизерной. В сравнении с ничтожным размером нервной клетки она не так уж мала. Все же многие факты свидетельствуют в пользу синтеза медиаторов на месте. Удалось подсчитать, что с током протоплазмы синапсы получают всего 1 процент норадреналина. О производстве остальных 99 процентов им приходится заботиться самим.
Белок, который необходим синапсу, черпается из двух источников: в момент возбуждения преобладает синтез на месте, во время покоя необходимые количества его приносит течением из тела клетки. Одно неясно, куда девается текущая по трубопроводу аксона аксоплазма. Возможно, все приносимое тратится на создание веществ, необходимых для нормальной деятельности синапса. Предположение правдоподобное, однако еще не проверенное.
Замок и ключ
Проблема передачи возбуждения с нейрона на нейрон, с нервного волокна на мышцу возникла одновременно с образованием нервной системы. Электрический способ передачи возбуждения, который использовался на ранних стадиях эволюции, имел одно несравненное достоинство: не требовал сколько-нибудь значительного времени. Химический способ – длинная процедура. Она занимает от 0,5 до 2 миллисекунд. В случае спешки задержка весьма чувствительная.
Электрический синапс хорошо функционирует, если щель между клетками невелика. Он работает как выпрямитель, пропускающий ток от одного нервного волокна к другому значительно легче, чем в обратном направлении. Двустороннее проведение возбуждения тоже не исключено, и в этом одно из отличий электрического способа. Развитый мозг использует химические синапсы и разнообразные медиаторы.
Ученые проникли в тайны передачи возбуждения еще недостаточно глубоко, но уже сейчас ясно, что главным передатчиком служит ацетилхолин. Нет на нашей планете таких существ, нервная система которых использует химические синапсы, но не имеет ацетилхолина. У высших млекопитающих он находится в синапсах нервных окончаний, передающих приказы мышцам. В волокнах, по которым информация бежит в мозг, используется какой-то другой, еще неизвестный науке медиатор. У насекомых, наоборот, приказы мозга на периферию передаются с помощью глютаминовой кислоты, а в мозг информация поступает и циркулирует внутри центральной нервной системы, видимо, с помощью ацетилхолина.
Ацетилхолин, вероятно, был первым медиатором, созданным природой, ключом, открывающим двери соседней клетки. Его широкое использование связано с тем, что построен он достаточно просто, легко синтезируется, и организм не испытывает недостатка в необходимом сырье. На изготовление этого медиатора используется холин, который образуется в процессе естественного обмена при распаде жироподобных веществ – липидов, и уксусная кислота – обычный продукт обмена углеводов.
В нервных окончаниях, передающих приказы, ацетилхолин упакован в синаптических пузырьках, вмещающих по нескольку тысяч молекул медиатора. Видимо, некоторые двери в клеточной оболочке прикрыты неплотно, так как пузырьки постоянно выливаются в синаптическую щель, по одному в секунду. Такая ничтожная порция ключей не может отпереть двери противоположного фасада. Приказ должен быть более весомым. Когда первый импульс придет в нервное окончание, он всего за 1 миллисекунду выпускает 200–300 пузырьков. В результате выбрасывается солидная связка ключей, достаточная для того, чтобы открыть необходимое количество дверей.
На дверях противоположного фасада находятся замки – холинорецепторы. О них известно немного. Холинорецепторы слишком малы, чтобы изучать их каждый в отдельности. Можно попробовать сорвать их с дверей, как сдирают с забора старые афиши, и, собрав все вместе, исследовать. Химическим путем удается что-то «отскоблить» в достаточном для исследований количестве. Только как узнать, содержит ли соскоб замки?
На фасаде здания, имеющего площадь около 200 миллиардов квадратных ангстрем, три миллиона дверей. И на каждой замок. Размер замка сопоставим с величиной ключа, молекулой ацетилхолина, а ее длина при разной степени растянутости не превышает 7–10 ангстрем. Значит, все замки занимают меньше 1 процента площади фасада.
Во время прихода в синапс нервного импульса, в синаптическую щель выбрасывается 5 миллионов ключей, казалось бы, вполне достаточное количество, чтобы отпереть все двери. Однако далеко не все ключи достигают противоположного фасада и еще меньше их попадает в замочные скважины. В результате отпирается не более четверти дверей. Этого с лихвой хватает, чтобы по ту сторону синаптической щели возникло возбуждение.
Молекулы ацетилхолинэстеразы многочисленнее. Только, на противоположном фасаде их 15–20 миллионов, то есть в 3–4 раза больше, чем молекул ацетилхолина. Так что у медиатора достаточно возможностей полностью разрушиться. Его осколки всасываются обратно и используются для синтеза новых молекул медиатора.
Ацетилхолин не очень крупная молекула. Она представляет собой цепочку, состоящую из одного атома азота, двух атомов кислорода, 7 атомов yглерода и 16 атомов водорода. На одном ее конце азот удерживает три метиловые группы (СН3). Эта группа несет положительный заряд. На другом конце находится сложноэфирная группа. А вся молекула имеет следующий вид:
Об устройстве замка можно кое-что узнать, попробовав открыть его отмычкой. Химики так и поступили. Активной частью молекулы ацетилхолина является азот, несущий положительный заряд. Построили молекулу, в которой азот заменили углеродом. Одновременно с этим молекула потеряла свой положительный заряд. Новое вещество вызывало эффект, подобный ацетилхолину, но только в 12 тысяч раз слабее. Значит, бородка у ключа в виде электрического заряда. Это она зацепляется за кулачки замка и открывает его.
Отверстие замка, видимо, имеет форму чаши строго определенного объема. Молекулы с увеличенной головкой работали хуже. Укрупнить головку несложно, заменив метиловые группы
из атома углерода и трех атомов водорода на этиловые 
, где атомов углерода два, а водорода – пять. Замена одной метиловой группы снижала эффективность медиатора в три-пять раз, замена двух – в сотни раз, трех – полностью уничтожала его действие. Головка ключа становится так велика, что не лезет в замочную скважину. Не лучше обстоит дело при уменьшении размера головки. Легко заметить, что все три метильные группы могут быть заменены атомами водорода. Замена одной метильной группы на водород снижает результативность медиатора в 50 раз, двух – в 500 раз, а всех трех – в 40 тысяч раз. Головка становится слишком маленькой, хлябает в замочной скважине, и ключ не может отпереть замок.
Ацетилхолин, как двуглавый орел, оказался с двумя головками. Расстояние между ними известно. В молекуле ацетилхолина атом азота отстоит от атома кислорода на 4,7 ангстрема. Если увеличить это расстояние, вставив в цепочку молекулы дополнительно один, два или больше атомов углерода, ключ не войдет в замочную скважину и двери не откроются.
Зная размер, отмычку подобрать нетрудно. Азот можно заменить любым другим атомом, лишь бы он нес положительный заряд и был отделен от атома кислорода двумя атомами углерода. Главное – размер. Атомы углерода тоже могут быть заменены. Головка этой стороны ключа имеет электрический заряд: третий от азота атом углерода несет положительный заряд, а один из атомов кислорода – отрицательный.
Электрический синапс хорошо функционирует, если щель между клетками невелика. Он работает как выпрямитель, пропускающий ток от одного нервного волокна к другому значительно легче, чем в обратном направлении. Двустороннее проведение возбуждения тоже не исключено, и в этом одно из отличий электрического способа. Развитый мозг использует химические синапсы и разнообразные медиаторы.
Ученые проникли в тайны передачи возбуждения еще недостаточно глубоко, но уже сейчас ясно, что главным передатчиком служит ацетилхолин. Нет на нашей планете таких существ, нервная система которых использует химические синапсы, но не имеет ацетилхолина. У высших млекопитающих он находится в синапсах нервных окончаний, передающих приказы мышцам. В волокнах, по которым информация бежит в мозг, используется какой-то другой, еще неизвестный науке медиатор. У насекомых, наоборот, приказы мозга на периферию передаются с помощью глютаминовой кислоты, а в мозг информация поступает и циркулирует внутри центральной нервной системы, видимо, с помощью ацетилхолина.
Ацетилхолин, вероятно, был первым медиатором, созданным природой, ключом, открывающим двери соседней клетки. Его широкое использование связано с тем, что построен он достаточно просто, легко синтезируется, и организм не испытывает недостатка в необходимом сырье. На изготовление этого медиатора используется холин, который образуется в процессе естественного обмена при распаде жироподобных веществ – липидов, и уксусная кислота – обычный продукт обмена углеводов.
В нервных окончаниях, передающих приказы, ацетилхолин упакован в синаптических пузырьках, вмещающих по нескольку тысяч молекул медиатора. Видимо, некоторые двери в клеточной оболочке прикрыты неплотно, так как пузырьки постоянно выливаются в синаптическую щель, по одному в секунду. Такая ничтожная порция ключей не может отпереть двери противоположного фасада. Приказ должен быть более весомым. Когда первый импульс придет в нервное окончание, он всего за 1 миллисекунду выпускает 200–300 пузырьков. В результате выбрасывается солидная связка ключей, достаточная для того, чтобы открыть необходимое количество дверей.
На дверях противоположного фасада находятся замки – холинорецепторы. О них известно немного. Холинорецепторы слишком малы, чтобы изучать их каждый в отдельности. Можно попробовать сорвать их с дверей, как сдирают с забора старые афиши, и, собрав все вместе, исследовать. Химическим путем удается что-то «отскоблить» в достаточном для исследований количестве. Только как узнать, содержит ли соскоб замки?
На фасаде здания, имеющего площадь около 200 миллиардов квадратных ангстрем, три миллиона дверей. И на каждой замок. Размер замка сопоставим с величиной ключа, молекулой ацетилхолина, а ее длина при разной степени растянутости не превышает 7–10 ангстрем. Значит, все замки занимают меньше 1 процента площади фасада.
Во время прихода в синапс нервного импульса, в синаптическую щель выбрасывается 5 миллионов ключей, казалось бы, вполне достаточное количество, чтобы отпереть все двери. Однако далеко не все ключи достигают противоположного фасада и еще меньше их попадает в замочные скважины. В результате отпирается не более четверти дверей. Этого с лихвой хватает, чтобы по ту сторону синаптической щели возникло возбуждение.
Молекулы ацетилхолинэстеразы многочисленнее. Только, на противоположном фасаде их 15–20 миллионов, то есть в 3–4 раза больше, чем молекул ацетилхолина. Так что у медиатора достаточно возможностей полностью разрушиться. Его осколки всасываются обратно и используются для синтеза новых молекул медиатора.
Ацетилхолин не очень крупная молекула. Она представляет собой цепочку, состоящую из одного атома азота, двух атомов кислорода, 7 атомов yглерода и 16 атомов водорода. На одном ее конце азот удерживает три метиловые группы (СН3). Эта группа несет положительный заряд. На другом конце находится сложноэфирная группа. А вся молекула имеет следующий вид:
Об устройстве замка можно кое-что узнать, попробовав открыть его отмычкой. Химики так и поступили. Активной частью молекулы ацетилхолина является азот, несущий положительный заряд. Построили молекулу, в которой азот заменили углеродом. Одновременно с этим молекула потеряла свой положительный заряд. Новое вещество вызывало эффект, подобный ацетилхолину, но только в 12 тысяч раз слабее. Значит, бородка у ключа в виде электрического заряда. Это она зацепляется за кулачки замка и открывает его.
Отверстие замка, видимо, имеет форму чаши строго определенного объема. Молекулы с увеличенной головкой работали хуже. Укрупнить головку несложно, заменив метиловые группы
из атома углерода и трех атомов водорода на этиловые , где атомов углерода два, а водорода – пять. Замена одной метиловой группы снижала эффективность медиатора в три-пять раз, замена двух – в сотни раз, трех – полностью уничтожала его действие. Головка ключа становится так велика, что не лезет в замочную скважину. Не лучше обстоит дело при уменьшении размера головки. Легко заметить, что все три метильные группы могут быть заменены атомами водорода. Замена одной метильной группы на водород снижает результативность медиатора в 50 раз, двух – в 500 раз, а всех трех – в 40 тысяч раз. Головка становится слишком маленькой, хлябает в замочной скважине, и ключ не может отпереть замок.Ацетилхолин, как двуглавый орел, оказался с двумя головками. Расстояние между ними известно. В молекуле ацетилхолина атом азота отстоит от атома кислорода на 4,7 ангстрема. Если увеличить это расстояние, вставив в цепочку молекулы дополнительно один, два или больше атомов углерода, ключ не войдет в замочную скважину и двери не откроются.
Зная размер, отмычку подобрать нетрудно. Азот можно заменить любым другим атомом, лишь бы он нес положительный заряд и был отделен от атома кислорода двумя атомами углерода. Главное – размер. Атомы углерода тоже могут быть заменены. Головка этой стороны ключа имеет электрический заряд: третий от азота атом углерода несет положительный заряд, а один из атомов кислорода – отрицательный.