Чудесная жизнь клеток. Как мы живем и почему мы умираем - Льюис Уолперт

Серая, мягкая, комковатая масса, которую представляет собой человеческий мозг, совершенно справедливо считается самым сложным образованием во Вселенной. В нашем мозгу содержится около 100 миллиардов нервных клеток, которые также называют нейронами, и еще большее число клеток, которые обеспечивают их деятельность. То, что вся эта масса клеток позволяет нам мыслить и чувствовать, представляется почти невероятным. Все, что мы делаем, определяется этим невообразимо сложным сообществом нервных клеток. Однако для нас по-прежнему во многом загадка то, как именно они сообщаются друг с другом, чтобы мы могли думать и испытывать ощущения, сознавать, что мы делаем, или хотя бы идти и одновременно думать о чем-то.

Любые наши действия осуществляются благодаря сигналам, которыми обмениваются друг с другом нервные клетки. Длинные отростки нервных клеток часто собираются вместе в общие пучки. Каждый такой пучок в просторечии называется нервом — он может достигать относительно большого размера. В дополнение к собственно нервным клеткам в нашем мозгу есть немало клеток, известных под названием глиальных. Их функция заключается не в передаче сигналов, а в обеспечении изоляции нервных волокон, в питании нервных клеток и удалении отходов их жизнедеятельности.

Нервные клетки сообщаются друг с другом, а также посылают сигналы через длинные нервные окончания, которые заставляют наши мускулы сокращаться. Одной из основных функций нашего мозга и причиной его возникновения с эволюционной точки зрения является контроль за сокращением наших мускулов. Благодаря этому мозговому контролю мы и способны двигаться.

С учетом неимоверной сложности всех нервных соединений в мозгу неизбежно встает вопрос: каким образом создаются все эти связи и соединения в период формирования мозга? Хорошим вопросом является и то, насколько глубоко определяются уникальные отличия одних нервов от других в ходе развития эмбриона. На самом деле различные комбинации из всего 37 генов могли бы в принципе определить уникальный характер каждого из миллиардов нервов в мозгу. Однако каким именно образом это гигантское сообщество нервных клеток, сообщаясь друг с другом, способно породить наши мысли, эмоции, движения и само сознание, до сих пор остается загадкой.

Главная обязанность нервных клеток — быстро передавать сигналы другим клеткам, в первую очередь — соседним нервным клеткам и клеткам мускулов. Весьма важны нервы, которые переносят информацию из различных частей тела в мозг, благодаря чему мы чувствуем то, что происходит вокруг нас. Другие нервы позволяют нам осязать, ощущать боль (и, значит, помогают устранить болезнь — причину боли), видеть, различать запахи и температуру окружающей среды, — словом, они поставляют нам самую разнообразную информацию.

Каждая нервная клетка имеет область, в которой находится ее ядро с генами и митохондриями. В этой области происходит синтез белков, и от нее отходят длинные тонкие ответвления. Одно из таких ответвлений, особенно длинное, — так называемый аксон, который передает сигналы другим нервным клеткам и расположенным на значительном удалении мускулам. Аксоны, отходящие от нервных клеток, часто связаны в пучки — нервы. Аксон, будучи лишь одну сотую миллиметра в диаметре, может достигать одного метра в длину. Таковы аксоны, идущие от спинного мозга к мускулам рук и ног. На конце аксон может разветвляться, и таким образом сигнал от него поступает одновременно сразу нескольким нервам и мускулам. Волокна аксонов окружены оболочкой из особых изолирующих клеток, которые позволяют сигналу быстрее проходить через нерв. Утрата изолирующих клеток приводит к рассеянному склерозу.

Из области нервной клетки, где расположено ее ядро, исходит также множество более мелких отростков, называемых дендритами; именно они принимают сигналы от других нервов. В человеческом мозгу одна нервная клетка может иметь до 100 тысяч дендритов. Зона контакта двух нервных клеток называется синапсом — и таких зон у каждой клетки от 5 до 299 тысяч. Многочисленные связи и соединения огромного количества различных нервных клеток делают наш мозг чрезвычайно сложной структурой. Чтобы окончательно понять, каким именно образом он функционирует, ученым еще потребуется провести гигантское число исследований и, наверное, огромное время.

Все нервные клетки передают сигналы по своим аксонам и дендритам одним и тем же способом — с помощью ионов натрия, генерирующих электрический заряд. Из нервной клетки, находящейся в спокойном состоянии, ионы выводятся постоянно. Если же на оболочку клетки воздействует импульс, приходящий от другой клетки, то ионы, наоборот, возвращаются в нее через открывшиеся поры. Однако нервная клетка никогда не бывает в восторге от поступления в нее дополнительных ионов натрия, и поэтому поры в оболочке быстро закрываются, а ионы начинают откачиваться обратно во внешнюю среду. Все это раз за разом вызывает изменения электрического потенциала внутри нервной клетки и оказывает ключевое воздействие на ее функционирование.

В прохождении электрического заряда, который называют потенциалом действия, по аксону и заключается механизм передачи сигнала нервной клеткой. Сам сигнал обычно именуют нервным импульсом. И прямо в эту секунду по миллиардам ваших нервных клеток передаются миллиарды нервных импульсов.

Когда нервный импульс достигает конца аксона, то он — в том случае, если здесь, в районе конца аксона, расположена другая нервная клетка, — доходит до синапса. Здесь, между концом аксона и оболочкой принимающей сигнал клетки, есть разрыв, через который электрический сигнал не может пройти. Чтобы преодолеть это препятствие, выбрасывается небольшое количества химических веществ — нейротрансмиттеров, которые создают «мост» между синапсом и оболочкой принимающей сигнал клетки и связываются с расположенными на этой оболочке рецепторами.

Такие нейротрансмиттеры, как адреналин, допамин и серотонин, изменяют электрический потенциал клетки, принявшей сигнал, и тем самым побуждают ее передать его дальше. Таким образом электрический импульс преобразуется в химический сигнал, который затем вновь преобразуется в электрический импульс.

Подобные события в области синапсов — это основа взаимодействия нервных клеток в нашем мозгу. Одна нервная клетка, как уже говорилось, может иметь тысячи синапсов, благодаря которым она связана с другими нервными клетками, и все вместе они определяют, станет ли эта нервная клетка источником нервного импульса и будет ли она передавать его дальше.

Сходным образом передаются сигналы мускульным клеткам, что вызывает сокращения скелетных мускулов и приводит к движениям наших тел. Мускульные клетки могут быть чрезвычайно большими, если сравнивать их размеры с размерами других клеток; они имеют волокнистую структуру и достигают в длину нескольких сантиметров. Это не совсем обычные клетки — они представляют собой соединение множества клеток, слившихся вместе, и поэтому имеют много ядер. Впрочем, есть и другие мускульные клетки — например, мышечные клетки сердца — одноядерные и небольшие по своим размерам. Однако все мускульные клетки, какими бы они ни были, сокращаются благодаря тому, что содержащиеся в них белки актин и миозин скользят относительно друг друга. Инициирует сокращение особое химическое вещество, которое выбрасывается в расположенном на конце мускульного нерва особом месте, подобном синапсу. Выброс этого химического вещества вызывает, по цепочке, изменение электрического заряда в оболочке мускульной клетки, высвобождение в клетке ионов кальция, изменение состояния миозина, вследствие чего он взаимодействует с актином, — и, наконец, происходит сокращение мышц.