Деятельность клеток в организме многоклеточные животные координируется «химическими посредниками» и нервными клетками. В течение последние несколькие лет удалось в значительной мере выяснить природу возникновения и передачи нервного импульса.
Чем более высокое место занимает организм в царстве животных, тем важнее становится роль системы клеток, предназначенной для координации его деятельности. Природа создала две различные координирующие системы. Одна из них основана на выделении и распространении по организму «химических посыльных» — гормонов, вырабатываемых некоторыми специализированными клетками и способных регулировать деятельность клеток, находящихся в других частях тела. Вторая система, способная к гораздо более быстрому и к тому же избирательному действию, представляет собой специализированную систему нервных клеток, или нейронов, функция которых состоит в том, чтобы получать и передавать распоряжения при помощи электрических импульсов, распространяющихся по определенным путям. Обе эти координирующие системы возникли в процессе эволюции очень давно, причем вторая из них, а именно нервная система, претерпела особенно значительное эволюционное развитие, завершившееся созданием удивительного и загадочного органа — человеческого мозга.
Наши знания относительно работы миллионов клеток в нашем головном мозге находятся в самом зачаточном состоянии. Однако этих знаний в общем достаточно для того, чтобы выполнить поставленную здесь задачу — описать, а отчасти и объяснить, каким образом отдельные клетки (нейроны) генерируют и передают электрические импульсы, составляющие основной элемент того кода, по которому действует внутренняя система связи человеческого организма.
Большую часть нервных клеток составляют нейроны двух типов — чувствительные и двигательные. Чувствительные нейроны собирают и передают высшим центрам нервной системы импульсы, возникающие в специальных рецепторных областях, функция которых состоит в инспектировании внешней и внутренней среды организма. Двигательные нейроны передают импульсы от высших центров к «рабочим» клеткам (обычно мышечным клеткам), т. е. клеткам, от которых непосредственно зависит реакция организма на изменения в обеих этих средах. В простых рефлекторных реакциях передача сигналов от чувствительных нейронов к двигательным происходит автоматически и обеспечивается относительно простыми системами синапсов, которые довольно хорошо изучены.
В процессе эмбрионального развития из тела нервной клетки — будь то чувствительная или двигательная клетка — вырастает длинный отросток аксон, который каким-то неизвестным образом растет к предназначенной ему точке на периферии, с тем чтобы вступить в контакт с мышцей или кожей. У взрослого человека длина аксона может достигать 1—1,5 метра при толщине менее 0,025 миллиметра. Аксон образует своего рода миниатюрный телеграфный провод для передачи сообщений от периферии к телу нервной клетки, которая лежит в спинном или в головном мозге под защитой позвоночника или черепа. Изолированные периферические нервные волокна изучали, вероятно, более интенсивно, чем любую другую ткань, несмотря на то, что эти волокна представляют собой лишь фрагменты клеток, отсеченные как от своих клеточных ядер, так и от своих периферических окончаний. Тем не менее такие изолированные нервные волокна довольно долго сохраняют способность передавать нервные импульсы и могут обычно передать не один десяток тысяч импульсов, прежде чем перестанут действовать. Это наблюдение вместе с рядом других убеждает нас в том, что тело нервной клетки и заключенное в нем ядро, по-видимому, каким-то образом «заботятся» о своем отростке, управляют его ростом и, если понадобится, восстанавливают повреждения, хотя и не принимают непосредственного участия в передаче сигналов.
Долгие годы шли споры по вопросу о том, приложимо ли представление о клетке как основной структурной единице к нервной системе и ее функциональным связям. Некоторые исследователи полагали, что развивающаяся нервная клетка буквально врастает в цитоплазму всех тех клеток, с которыми она вступает в функциональное взаимодействие. Этот вопрос нельзя было решить окончательно до появления электронного микроскопа, обладающего высокой разрешающей способностью. Оказалось, что нервная клетка на большей части своей поверхности, включая и поверхность всех ее отростков, действительно плотно обернута другими клетками, однако цитоплазма этих клеток отделена от цитоплазмы нервной клетки ясно выраженными мембранами. Кроме того, между мембранами нервной клетки и окружающих ее других клеток имеется небольшой зазор, обычно толщиной 100—200 ангстремов.
Часть этих клеточных контактов представляет собой синапсы — точки, в которых происходит передача сигналов от одной клетки к следующему звену цепи. Однако синапсы встречаются только на теле нейрона или близ него, а также у периферических окончаний аксона. Большая часть покрывающих клеток, в частности клетки, облекающие аксон, вообще не относится к нервным клеткам. Их функция все еще остается загадкой. Некоторые из этих сопутствующих клеток называются шванновскими клетками, другие — глиальными клетками. Эти клетки, по-видимому, не играют никакой роли в самом процессе передачи импульса: возможно, что они участвуют в нем лишь косвенно, оказывая влияние на электрическое поле вокруг аксона. Весьма знаменательно, например, что на поверхности изолированных мышечных волокон (которые очень близки к нервным волокнам по своей способности ^передавать электрические импульсы) таких клеток-сателлитов очень немного.
Одна из функций сателлитов аксона заключается в образовании так называемой мякотной оболочки — сегментированного изолирующего футляра, покрывающего периферические нервные волокна позвоночных животных и улучшающего их проводящую способность. Благодаря электронно-микроскопическим исследованиям Б. Бен-Герен-Узман и Ф. Шмитта мы теперь знаем, что каждый сегмент мякотной оболочки образован шванновской клеткой, которая содержит ядро; цитоплазма шванновской клетки плотно закручивается в спираль вокруг аксона, образуя многослойный футляр. Отдельные сегменты оболочки разделены промежутками, так называемыми перехватами Ранвье, в которых происходит регенерация электрического сигнала.
Существуют и нервные волокна других типов, лишенные мякотной оболочки, но даже эти волокна покрыты одним слоем шванновских клеток. Возможно, именно потому, что аксон отходит так далеко от ядра нервной клетки, ему необходимо это тесное соприкосновение с имеющими ядро клетками-сателлитами. Мышечные волокна, в отличие от изолированных аксонов, представляют собой вполне самостоятельные клетки, в цитоплазме которых содержатся ядра; с наличием ядра и связана, возможно, их способность обходиться без клеток-сателлитов. Какова бы ни была функция этих сателлитов, они во всяком случае не могут в течение сколько-нибудь значительного времени поддерживать жизнь аксона после того, как его отсекли от тела клетки; спустя несколько дней такой отсеченный отросток неизменно разрушается и погибает. Каким образом ядро нервной клетки в течение всей жизни служит центром, восстанавливающим повреждения, и как именно оно распространяет свое влияние на самые отдаленные участки аксона, до сих пор остается тайной (ведь если бы, например, это влияние распространялось за счет обычной диффузии, то для покрытия такого расстояния понадобились бы годы).
Методы экспериментальной физиологии оказались гораздо более плодотворными в применении к исследованию процессов непосредственного проведения импульсов по нерву, чем к изучению не менее важных, но гораздо труднее поддающихся исследованию длительных процессов. Мы очень мало знаем относительно химического взаимодействия между нервом и его сателлитами или относительно сил, которые направляют растущий нерв по определенному пути и побуждают его к образованию синаптических связей с другими клетками. Ничего не известно нам также и о том, каким образом клетки накапливают информацию, т. е. в чем состоит механизм памяти. Поэтому всю остальную часть этой статьи мы посвятим почти исключительно нервным импульсам и способу их передачи через узкие синаптические щели, отделяющие одну нервную клетку от другой.
Большая часть наших сведений относительно нервной клетки получена при изучении гигантского аксона кальмара, достигающего в толщину почти миллиметра. К этому волокну очень легко прикладывать микроэлектроды или наблюдать за поступлением и выходом из него веществ, меченных радиоактивными изотопами. Оболочка волокна разделяет два водных раствора, которые обладают почти одинаковой электропроводностью и содержат примерно одинаковое число электрически заряженных частиц, или ионов. Однако химический состав этих двух растворов совершенно различен. Во внешнем растворе более 90% заряженных частиц составляют ионы натрия (заряженные положительно) и ионы хлора (заряженные отрицательно). В растворе, находящемся внутри клетки, совокупность этих ионов составляет менее 10% растворенных веществ; здесь основную часть положительно заряженных ионов образуют ионы калия, а отрицательные ионы представлены разнообразными органическими частицами (которые, несомненно, синтезируются в самой клетке), слишком крупными для того, чтобы диффундировать сквозь мембрану аксона. Поэтому концентрация ионов натрия снаружи примерно в 10 раз выше, чем внутри аксона; концентрация же ионов калия, напротив, внутри аксона в 30 раз выше, чем снаружи. Хотя проницаемость мембраны аксона для всех этих ионов невелика, тем не менее она неодинакова для разных ионов; ионы калия и хлора проходят сквозь эту мембрану гораздо легче, чем ионы натрия и крупные органические ионы. В результате возникает разность потенциалов, достигающая 60—90 милливольт, причем внутреннее содержимое клетки оказывается заряженным отрицательно по отношению к внешнему раствору.
Для поддержания этих различий в концентрации ионов нервная клетка располагает своего рода насосом, который выкачивает ионы натрия через мембрану наружу с такой же скоростью, с какой они проникают в клетку в направлении электрохимического градиента. Проницаемость поверхности покоящейся клетки для натрия обычно столь низка, что проникновение в клетку ионов натрия очень невелико; поэтому на совершение работы, связанной с процессом выкачивания, затрачивается лишь небольшая часть той энергии, которая непрерывно освобождается в процессе метаболизма клетки. Мы не знаем подробностей относительно работы этого насоса, однако она, по-видимому, связана с обменом ионов натрия на ионы калия; иными словами, на каждый ион натрия, выбрасываемый через мембрану, клетка принимает один ион калия. Попав внутрь аксона, ионы калия перемещаются в нем так же свободно, как обычно перемещаются ионы в любом простом солевом растворе. Когда клетка находится в состоянии покоя, ионы калия просачиваются сквозь мембрану наружу, но довольно медленно.
Мембрана аксона похожа на мембраны других клеток. Она имеет примерно 50—100 ангстремов в толщину и снабжена тонким изолирующим слоем, состоящим из жировых веществ. Ее удельное сопротивление прохождению электрического тока примерно в 10 миллионов раз выше, чем сопротивление солевых растворов, омывающих ее снаружи и изнутри. Вместе с тем аксон был бы совершенно бесполезен, если бы он использовался просто в роли электрического провода. Сопротивление жидкости внутри аксона примерно в 100 миллионов раз выше, чем сопротивление медной проволоки, а мембрана его допускает в миллион раз более сильную утечку тока, чем обмотка хорошего провода. Если раздражать аксон электрическим током, слишком слабым, для того чтобы вызвать нервный импульс, то электрический сигнал становится расплывчатым и затухает, пройдя по волокну всего лишь несколько миллиметров.
Каким же образом аксон передает первичный импульс на расстояние свыше метра без затухания и без искажения?
Если повышать интенсивность электрического сигнала, приложенного к мембране нервной клетки, то в какой-то момент достигается уровень, на котором сигнал уже не затухает и не исчезает. При этом (если взято напряжение нужного знака) преодолевается некий порог и клетка становится «возбужденной». Аксон клетки уже не ведет себя как пассивный провод, а генерирует свой собственный импульс, который усиливает первоначально приложенный импульс. Усилившийся таким образом импульс, или пик, передается от одной точки к другой, не теряя своей силы, и распространяется с постоянной скоростью по всему аксону. Скорость распространения импульса по нервным волокнам позвоночных колеблется от нескольких метров в секунду (для тонких безмякотных волокон) до примерно 100 метров в секунду (для самых толстых мякотных волокон). Наибольшую скорость проведения — более 300 километров в час — мы встречаем в чувствительных и двигательных волокнах, управляющих поддержанием равновесия тела и быстрыми рефлекторными движениями. После передачи импульса нервное волокно на короткое время теряет способность возбуждаться, впадая в рефрактерное состояние, но спустя 1—2 тысячных секунды оно вновь оказывается готовым генерировать импульсы.
Электрохимические процессы, лежащие в основе нервного импульса, или, как его называют, потенциала действия, в течение последних 15 лет удалось в значительной мере выяснить. Как мы видели, разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностью мембраны определяется главным образом различной проницаемостью мембраны для ионов; натрия и калия. Такая избирательная проницаемость свойственна многим мембранам, как природным, так и искусственным. Однако особенность, мембраны нервного волокна состоит в том, что степень ее проницаемости зависит в свою очередь от разности потенциалов между ее внутренней и наружной поверхностью, и в основе всего процесса проведения импульсов лежит, в сущности, это чрезвычайно своеобразное взаимное влияние.
А. Ходжкин и А. Хаксли установили, что искусственное понижение разности потенциалов между внутренней и наружной поверхностью мембраны немедленно вызывает повышение проницаемости мембраны для ионов натрия. Мы не знаем, почему происходит такое специфическое изменение проницаемости мембраны, однако последствия этого изменения чрезвычайно значительны. Когда ионы натрия, заряженные положительно, проникают сквозь мембрану, они вызывают локальное погашение части избыточного отрицательного заряда внутри аксона, что приводит к дальнейшему уменьшению разности потенциалов. Таким образом, это самоусиливающийся процесс, ибо проникновение нескольких ионов натрия сквозь мембрану дает возможность другим ионам последовать их примеру. Когда разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностью мембраны понижается до порогового значения, ионы натрия проникают внутрь в таком количестве, что отрицательный заряд внутреннего раствора меняется на положительный; происходит как бы внезапное «воспламенение», в результате чего возникает нервный импульс, или потенциал действия. Этот импульс, регистрируемый осциллографом в виде пика, изменяет проницаемость мембраны аксона на участке, лежащем впереди той точки, через которую в данный момент проходит импульс, и создает условия, обеспечивающие проникновение натрия внутрь аксона; благодаря этому процесс, многократно повторяясь, распространяется вдоль аксона до тех пор, пока потенциал действия не пройдет по всей его длине.
Непосредственно позади движущегося импульса разыгрываются другие события. «Натриевая дверца», отворившаяся во время подъема пика, вновь затворяется, и теперь ненадолго оказывается отпертой «калиевая дверца». Это вызывает быстрое вытекание положительно заряженных ионов калия, что приводит к восстановлению первоначального отрицательного заряда внутри аксона. В течение нескольких тысячных секунды после того, как разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностью мембраны вернулась к исходному уровню, сдвинуть эту разность потенциалов и вызвать возникновение нового импульса трудно. Однако проницаемость мембраны для разных ионов быстро возвращается к первоначальному уровню, после чего клетка оказывается готовой к генерации следующего импульса.
Поступление ионов натрия в аксон и следующий за ним выход ионов калия наружу происходят столь недолго и затрагивают столь незначительное число частиц, что процессы эти едва ли могут влиять на состав содержимого аксона в целом. Даже без пополнения запас ионов калия внутри аксона достаточно велик, чтобы обеспечить прохождение десятков импульсов. В живом организме ферментная система, управляющая работой натриевого насоса, без труда поддерживает клетки в состоянии готовности к генерации импульсов.
Этот сложный процесс — проведение сигнала (который должен был бы очень быстро затухнуть вследствие утечки в цепи) при участии многочисленных усилителей, располагающихся вдоль линии передачи, — обеспечивает условия, необходимые нашей нервной системе для осуществления связи на относительно большие расстояния в пределах организма. Он создает известную стереотипную систему кодирования для наших каналов связи — короткие импульсы, почти постоянные по силе и следующие друг за другом с различными интервалами, величина которых зависит исключительно от длительности рефрактерного периода нервной клетки. Для восполнения недостатков этой простой системы кодирования в организме имеются многочисленные, расположенные параллельно друг другу каналы связи (аксоны), каждый из которых представляет собой отросток отдельной нервной клетки. Например, в стволе зрительного нерва, отходящего от глаза, содержится более миллиона каналов, которые тесно соприкасаются друг с другом; все они способны передавать различные импульсы высшим центрам головного мозга.
Вернемся теперь к вопросу о том, что же происходит в синапсе — в точке, где импульс доходит до конца одной клетки и сталкивается с другой нервной клеткой. Самоусиливающийся процесс передачи импульса, действующий в пределах каждой отдельной клетки, не обладает способностью автоматически «перескакивать» через границы данной клетки на соседние клетки. И это вполне естественно. Ведь если бы сигналы, идущие по отдельным каналам в нервном пучке, могли бы перескакивать из одного канала в другой, то вся такая система связи не годилась бы просто никуда. Правда, в месте функциональных синаптических контактов промежуток между клеточными мембранами составляет обычно не более нескольких сот ангстремов. Однако на основании всего того, что нам известно о размерах области соприкосновения и об изолирующих свойствах клеточных мембран, трудно представить себе, чтобы между окончанием одной нервной клетки и внутренним содержимым другой существовала эффективная телеграфная связь. Убедительным опытом в этом
смысле может служить попытка передать подпороговый импульс — т. е. импульс, не вызывающий возникновения пика, — через синапс, отделяющий один из двигательных нервов от мышечного волокна. Если к такому двигательному нерву вблизи от синапса приложить слабый ток, то отводящий электрод, введенный непосредственно в мышечное волокно, не зарегистрирует никаких импульсов. Очевидно, в синапсе телеграфная связь, осуществлявшаяся нервным волокном, прерывается, и дальнейшая передача сообщений происходит при помощи какого-то иного процесса.
Природа этого процесса была открыта примерно 25 лет назад Г. Дэйлом и его сотрудниками. В некоторых отношениях он напоминает гормональный механизм, упомянутый в начале нашей статьи. Окончания двигательного нерва действуют, подобно железам, секретируя некий химический фактор (посредник, или медиатор). В ответ на переданный им импульс эти окончания выделяют особое вещество — ацетилхолин, которое быстро и эффективно диффундирует сквозь узкую синаптическую щель. Молекулы ацетилхолина соединяются с молекулами рецептора в области контакта с мышечным волокном и каким-то образом отворяют «ионные дверцы» этого волокна, давая возможность натрию проникнуть внутрь и вызвать генерацию импульса. Тех же результатов можно достигнуть при экспериментальном нанесении ацетилхолина на область контакта с мышечным волокном. Возможно, что подобные химические медиаторы участвуют в создании большинства контактов между клетками в нашей центральной нервной системе. Однако вряд ли можно думать, что ацетилхолин служит универсальным медиатором, действующим во всех этих случаях; поэтому многочисленные ученые ведут интенсивные исследования в поисках других естественных химических медиаторов.
Проблема передачи в синапсах распадается на два круга вопросов: 1) каким именно образом нервный импульс вызывает секрецию химического медиатора? 2) каковы те физико-химические факторы, которые определяют способность химического медиатора стимулировать соседнюю клетку к генерации импульса в одних случаях или тормозить эту генерацию — в других?
До сих пор мы ничего не сказали относительно торможения, хотя оно широко распространено в нервной системе и представляет собой одно из наиболее интересных проявлений нервной деятельности. Торможение происходит в тех случаях, когда нервный импульс служит для близлежащей клетки тормозом, препятствуя ее активации под влиянием возбуждающих сигналов, поступающих в нее в это же время по другим каналам. Импульс, проходящий по тормозному аксону, неотличим по своим электрическим характеристикам от импульса, проходящего по возбуждающему аксону. Однако, по всей вероятности, физико-химическое воздействие, которое он оказывает на синапс, носит иной характер. Возможно, что торможение происходит в результате процесса, который в какой-то степени стабилизирует мембранный потенциал (электризацию) воспринимающей клетки и препятствует доведению этой клетки до порога неустойчивости или до «точки воспламенения».
Существует несколько процессов, которые могли бы привести к такой стабилизации. Об одном из них мы уже упоминали: он возникает во время рефрактерного периода, наблюдающегося тотчас же после генерации импульса. В этот период мембранный потенциал стабилизируется на высоком уровне (отрицательный заряд внутреннего содержимого клетки составляет 80—90 милливольт), потому что «калиевая дверца» широко открыта, а «натриевая дверца» плотно прикрыта. Если медиатор может вызвать одно из этих состояний или даже оба, то его действие, несомненно, носит характер торможения. Можно с полным правом считать, что именно таким способом импульсы, поступающие от блуждающего нерва, уменьшают частоту сердечных сокращений; кстати сказать, медиатор, вырабатываемый блуждающим нервом, — это все тот же ацетилхолин, как это было обнаружено В. Леви 40 лет назад. Сходные эффекты наблюдаются в различных тормозных синапсах, расположенных в спинном мозге, однако химический характер участвующих в этом медиаторов до сих пор установить не удалось.
Торможение может также возникнуть в том случае, если два «антагонистических» аксона, принадлежащих двум разным клеткам, встретятся на одном и том же участке третьей клетки и выделят какие-либо химические вещества, способные конкурировать друг с другом. Хотя примеров подобного торможения в природе еще не обнаружено, однако в химии и фармакологии явление конкурентного торможения хорошо известно. (Например, парализующее действие яда кураре основано на его конкуренции с ацетилхолином. Молекулы кураре обладают способностью присоединяться к той области мышечного волокна, которая обычно свободна и вступает во взаимодействие с ацетилхолином.) Возможно также и обратное, т. е. что какое-то вещество, выделяемое окончанием тормозного нерва, действует на окончание возбуждающего нерва, понижая его секреторную функцию, а тем самым и количество выделяемого возбуждающего медиатора.
Итак, мы вновь упираемся в тот же вопрос: каким образом нервный импульс вызывает выделение медиатора? Проведенные недавно эксперименты показали, что действие нервных импульсов в месте соединения нерва с мышцей состоит не в том, чтобы вызвать процесс секреции медиатора, а в том, чтобы, изменяя мембранный потенциал, изменить скорость этого процесса, который происходит непрерывно. Даже при отсутствии какой бы то ни было стимуляции определенные участки нервных окончаний выделяют с неравномерными интервалами порции ацетилхолина, причем каждая такая порция содержит множество — возможно, тысячи — молекул.
Всякий раз при спонтанном выделении порции молекул медиатора в мышечном волокне, лежащем по другую сторону синапса, можно зарегистрировать внезапную небольшую местную реакцию. По прошествии одной тысячной секунды потенциал мышечной мембраны понижается на 0,5 милливольта, а затем в течение 20 тысячных секунды происходит восстановление потенциала. Систематически изменяя мембранный потенциал нервного окончания, удалось выявить определенную зависимость между этим мембранным потенциалом и скоростью секреции отдельных порций медиатора. По-видимому, скорость секреции возрастает примерно в 100 раз при понижении мембранного потенциала на каждые 30 милливольт. В состоянии покоя выделяется по одной порции медиатора в секунду на каждый синапс. Однако при кратковременном изменении потенциала «на 120 милливольт во время прохождения нервного импульса частота выделения порций медиатора на короткое время возрастает почти в миллион раз, в результате чего в течение долей миллисекунды одновременно выделяется несколько сот порций медиатора.
Чрезвычайно существенно, что медиатор всегда выделяется в виде мультимолекулярных порций определенного размера. Это, вероятно, объясняется какими-то особенностями микроскопической структуры нервных окончаний. Эти нервные окончания содержат своеобразное скопление так называемых пузырьков диаметром около 500 ангстремов каждый, в которых, возможно, и содержится медиатор, уже «расфасованный» и готовый к выделению. Можно предполагать, что когда эти пузырьки сталкиваются с мембраной аксона, как это, вероятно, часто происходит, то такое столкновение иногда приводит к выплескиванию содержимого пузырьков в синаптическую щель. Подобные предположения необходимо еще подтвердить прямыми данными, однако они позволяют дать разумное объяснение всему тому, что нам известно относительно спонтанного выделения дискретных порций ацетилхолина и ускорения этого выделения при различных естественных и экспериментальных условиях. Во всяком случае, эти предположения позволяют свести воедино функциональный и морфологический подход к одной и той же проблеме.
Ввиду скудности сведений, которыми мы располагаем, мы совершенно не коснулись многих интереснейших проблем длительных взаимодействий и приспособительных модификаций, которые, несомненно, происходят в нервной системе. Для изучения этих проблем физиологии, вероятно, придется разработать совершенно новые методы, не похожие на прежние. Возможно, что наша приверженность методам, позволившим столь успешно исследовать кратковременные реакции возбудимых клеток, помешала нам глубже проникнуть в проблемы обучения, памяти, выработки условных рефлексов, а также структурных и функциональных взаимодействий между нервными клетками и их соседями.
Автор: Б. Катц