Михаил Вейсман - Тайная жизнь тела. Клетка и ее скрытые возможности
Оба ученых прожили долгую и счастливую жизнь, как научную, так и личную. Им повезло найти жен, поддерживающих их во всех их начинаниях, что частично стало залогом их успеха в мировой науке.
Глава 2. Частная жизнь нейрона
В организме человека насчитывается более ста миллиардов нейронов. Нейрон (от греч. неврон — нерв) – это структурно-функциональная единица нервной системы. Эта клетка имеет сложное строение. По структуре содержит ядро, тело клетки и отростки.
Тело нервной клетки состоит из протоплазмы (цитоплазмы и ядра), снаружи она ограничена мембраной из двойного слоя липидов (билипидный слой). Липиды состоят из гидрофильных головок и гидрофобных хвостов, расположены гидрофобными хвостами друг к другу, образуя гидрофобный слой, который пропускает только жирорастворимые вещества (напр. кислород и углекислый газ). На мембране находятся белки: на поверхности (в форме глобул), на которой можно наблюдать наросты полисахаридов (гликокаликс), благодаря которым клетка воспринимает внешнее раздражение, и интегральные белки, пронизывающие мембрану насквозь, в них находятся ионные каналы.
У каждого нейрона есть один или более отростков. Это аксон и дендриты. Аксон – обычно длинный отросток, отросток, приспособленный для проведения возбуждения от тела нейрона. Дендриты – как правило, короткие и сильно разветвленные отростки, служащие главным местом образования влияющих на нейрон возбуждающих и тормозных синапсов (разные нейроны имеют различное соотношение длины аксона и дендритов). Нейрон может иметь несколько дендритов и обычно только один аксон. Один нейрон может иметь связи со многими (до 20 тысяч) другими нейронами.
Во внешнем слое аксона находится сложная структура, образованная множеством молекул, выступающих в роли каналов, по которым могут поступать ионы – как внутрь, так и наружу клетки. Один конец этих молекул, отклоняясь, присоединяется к атому-мишени. После этого энергия других частей клетки используется на то, чтобы вытолкнуть этот атом за пределы клетки, тогда как процесс, действующий в обратном направлении, вводит внутрь клетки другую молекулу. Наибольшее значение имеет молекулярный насос, который выводит из клетки ионы натрия и вводит в нее ионы калия (натрий-калиевый насос, с которым мы познакомились в первой части книги).
Когда клетка находится в покое и не проводит нервных импульсов, натрий-калиевый насос перемещает ионы калия внутрь клетки и выводит ионы натрия наружу (представьте себе клетку, содержащую пресную воду и окруженную соленой водой). Из-за такого дисбаланса разность потенциалов на мембране аксона достигает 70 милливольт (приблизительно 5 % от напряжения обычной батарейки АА).
Однако при изменении состояния клетки и стимуляции аксона электрическим импульсом равновесие на мембране нарушается, и натрий-калиевый насос на короткое время начинает работать в обратном направлении. Положительно заряженные ионы натрия проникают внутрь аксона, а ионы калия откачиваются наружу. На мгновение внутренняя среда аксона приобретает положительный заряд. При этом каналы натрий-калиевого насоса деформируются, блокируя дальнейший приток натрия, а ионы калия продолжают выходить наружу, и исходная разность потенциалов восстанавливается. Тем временем ионы натрия распространяются внутри аксона, изменяя мембрану в нижней части аксона. При этом состояние расположенных ниже насосов меняется, способствуя дальнейшему распространению импульса. Резкое изменение напряжения, вызванное стремительными перемещениями ионов натрия и калия, называют потенциалом действия. При прохождении потенциала действия через определенную точку аксона насосы включаются и восстанавливают состояние покоя.
Потенциал действия распространяется довольно медленно – не более миллиметра за секунду. Для того чтобы увеличить скорость передачи импульса (поскольку, в конце концов, не годится, чтобы сигнал, посланный мозгом, достигал руки лишь через минуту), аксоны окружены оболочкой из особого вещества – миелина, препятствующего притоку и оттоку калия и натрия. Миелиновая оболочка не непрерывна – через определенные интервалы в ней есть разрывы, и нервный импульс перескакивает из одного «окна» в другое, за счет этого скорость передачи импульса возрастает.
Когда импульс достигает конца основной части тела аксона, его необходимо передать либо следующему нейрону, либо, если речь идет о нейронах головного мозга, по многочисленным ответвлениям многим другим нейронам. Для такой передачи используется абсолютно иной процесс, нежели для передачи импульса вдоль аксона. Каждый нейрон отделен от своего соседа небольшой щелью, называемой синапсом. Потенциал действия не может перескочить через эту щель, поэтому нужно найти какой-то другой способ для передачи импульса следующему нейрону. В конце каждого отростка имеются крошечные мешочки (их называют пузырьками), в каждом из которых находятся особые соединения – нейромедиаторы. При поступлении потенциала действия из этих пузырьков высвобождаются молекулы нейромедиаторов, пересекающие синапс и присоединяющиеся к специфичным молекулярным рецепторам на мембране нижележащих нейронов. При присоединении нейромедиатора равновесие на мембране нейрона нарушается и процесс действия передается дальше.
После того как нейромедиаторы передадут нервный импульс от одного нейрона на следующий, они могут просто расщепиться, а могут вернуться обратно в свои пузырьки (этот процесс называется обратным захватом). В конце XX века было сделано поразительное научное открытие – оказывается, лекарства, влияющие на выброс и обратный захват нейромедиаторов, могут коренным образом изменять психическое состояние человека. Прозак (Prozac) и сходные с ним антидепрессанты блокируют обратный захват нейромедиатора серотонина. Нарушается вся цепочка передачи импульсов, что проявляется в необъяснимом и неадекватном поведении человека.
Глава 3. Нервные клетки не восстанавливаются?
Мы с детства слышим это выражение. Но последние исследования позволяют усомниться в такой аксиоме. Есть теория, согласно которой каждый из нас имеет неисчерпаемый запас нейронов.
Природа закладывает в развивающийся мозг очень высокий запас прочности: в эмбрионе образуется большой избыток нейронов. Почти 70 % из них гибнут еще до рождения ребенка. Человеческий мозг продолжает терять нейроны и после рождения, на протяжении всей жизни. Такая гибель клеток генетически запрограммирована. Конечно же, погибают не только нейроны, но и другие клетки организма. Только все остальные ткани обладают высокой регенерационной способностью, то есть их клетки делятся, замещая погибшие. Но есть клетки, в которых гены, отвечающие за размножение делением, заблокированы (помимо нейронов к таким клеткам относятся клетки сердечной мышцы). Как же люди умудряются сохранить интеллект до весьма преклонных лет, если нервные клетки погибают и не обновляются?
Одно из возможных объяснений: в нервной системе одновременно «работают» не все, а только 10 % нейронов. Этот факт часто приводится в популярной и даже научной литературе. Правда, никто не понимает, откуда взялась такая цифра. Любая клетка одновременно и живет, и «работает». В каждом нейроне все время происходят обменные процессы, синтезируются белки, генерируются и передаются нервные импульсы. Поэтому, оставив гипотезу об «отдыхающих» нейронах, обратимся к одному из свойств нервной системы, а именно – к ее исключительной пластичности.
Смысл пластичности в том, что функции погибших нервных клеток берут на себя их оставшиеся в живых «коллеги», которые увеличиваются в размерах и формируют новые связи, компенсируя утраченные функции. Высокую, но не беспредельную эффективность подобной компенсации можно проиллюстрировать на примере болезни Паркинсона, при которой происходит постепенное отмирание нейронов. Оказывается, пока в головном мозге не погибнет около 90 % нейронов, клинические симптомы заболевания (дрожание конечностей, ограничение подвижности, неустойчивая походка, слабоумие) не проявляются, то есть человек выглядит практически здоровым. Значит, одна живая нервная клетка может заменить девять погибших.
Но пластичность нервной системы – не единственный механизм, позволяющий сохранить интеллект до глубокой старости. У природы имеется и запасной вариант – возникновение новых нервных клеток в головном мозге взрослых млекопитающих, или нейрогенез.
Первое сообщение о нейрогенезе появилось в 1962 году в престижном научном журнале Science. Статья называлась «Формируются ли новые нейроны в мозге взрослых млекопитающих?». Ее автор, профессор Жозеф Олтман из Университета Пердью (США), с помощью электрического тока разрушил одну из структур мозга крысы (латеральное коленчатое тело) и ввел туда радиоактивное вещество, проникающее во вновь возникающие клетки. Через несколько месяцев ученый обнаружил новые радиоактивные нейроны в таламусе (участок переднего мозга) и коре головного мозга. В течение последующих семи лет Олтман опубликовал еще несколько работ, доказывающих существование нейрогенеза в мозге взрослых млекопитающих. Однако тогда, в 1960-е годы, его работы вызывали у нейробиологов лишь скепсис, их развития не последовало.
