Мозг материален - Ася Казанцева

Пока мы еще живы, у нас много ионов калия внутри клеток и мало – снаружи. Этот градиент концентрации подталкивает их к тому, чтобы постоянно пытаться утекать на свободу, и у многих получается. И это тоже хорошо, потому что они уносят с собой свой положительный заряд и в результате на мембране нервной клетки формируется разность потенциалов: отрицательный заряд внутри и положительный снаружи. Именно так обстоят дела, пока нейрон находится в состоянии покоя и никуда не посылает никаких импульсов.

Но нейрон не был бы нейроном, если бы не был готов к тому, чтобы все изменилось. Ключевая идея его работы в том, что на каком‐то участке его мембраны может возникнуть локальная деполяризация, то есть снижение разности потенциалов, а часто и инверсия ее знака. Это возможно благодаря тому, что на мембране нейрона есть много каналов, которые до поры до времени закрыты, а вот если они откроются, то через них интенсивно потекут внутрь ионы натрия. Именно это происходит, в частности, тогда, когда нейрон получает сигнал от соседа. Этот сигнал приходит в виде молекул-нейромедиаторов, они связываются с белками-рецепторами, форма рецепторов изменяется, открываются ворота для ионов, натрий устремляется внутрь, и на конкретном небольшом участке мембраны теперь получается положительный заряд внутри и отрицательный снаружи.

Если стимуляция была слабой, каналов открылось мало и натрия зашло мало, то ничего не произойдет. Na+/K+‐АТФ‐аза выкачает натрий из клетки обратно, и история закончится, не начавшись. Но если удалось преодолеть пороговый уровень деполяризации (в случае классического нейрона из учебников – изменить мембранный потенциал с – 70 до – 55 милливольт), то начинается цепная реакция. К тем каналам, которые открылись благодаря химическому сигналу от соседнего нейрона, подключаются потенциал-чувствительные ионные каналы, которые открываются уже просто потому, что изменился заряд на мембране. В результате этих событий возбуждение начинает распространяться вдоль по мембране, открывая все новые и новые каналы. Когда оно дойдет до синапса – места контакта между нейронами, – там тоже выделятся нейромедиаторы и активируется уже следующая нервная клетка. А на том месте, где возбуждение исходно возникло, мембранный потенциал и концентрация ионов постепенно возвращаются к прежнему состоянию.

(Сразу после того, как по мембране прокатился импульс, у нас отрицательный заряд снаружи и положительный внутри. Натриевые каналы, которые только что пропустили внутрь клетки много ионов натрия, теперь временно закрылись и больше натрий внутрь не пускают. Зато открыты калиевые каналы, и ионы калия интенсивно вытекают наружу – под действием электрического градиента, то есть оттуда, где заряд положительный, туда, где он отрицательный. Потом подключается Na+/K+‐АТФ‐аза и постепенно наводит порядок: загоняет ионы кальция обратно внутрь нейрона и выгоняет оттуда ионы натрия. Теперь нейрон снова готов к работе.)

Существование потенциал-чувствительных ионных каналов оказывается очень полезным, когда мы хотим стимулировать нейроны с помощью электродов (или транскраниальной магнитной стимуляции). Внешнее электрическое поле, наведенное на какой‐то участок нервной ткани, приводит как раз к тому, что эти каналы открываются и нейроны, соответственно, начинают генерировать собственные импульсы, а потом и возбуждать своих соседей. Хосе Дельгадо (тот биолог, который останавливал разъяренных быков) говорит об этом так:

Самая простая разновидность – электрические синапсы. Мембраны двух нейронов сближаются вплотную, их пронизывают общие каналы, через которые могут перетекать ионы. Такой синапс проводит информацию очень быстро и может работать в обе стороны. Проблема с такой передачей в том, что свойства сигнала никак невозможно настраивать. В нервной системе человека электрических синапсов не очень много, и в основном они работают там, где нужна синхронизация активности многих клеток, например в дыхательном центре.

Абсолютное большинство контактов между нейронами в мозге человека происходит с помощью химических синапсов. Когда электрическое возбуждение распространилось по мембране до пресинаптического участка, оно приводит там к открытию кальциевых каналов. Ионы кальция попадают внутрь возбужденного нейрона, активируют чувствительные к ним белки и запускают цепочку реакций, которая приводит к выбросу нейромедиатора (он уже заранее хранится в нужном месте, аккуратно расфасованный по везикулам).

Нейромедиаторы бывают разные. Вы знаете много примеров: глутамат, дофамин, серотонин, норадреналин, ацетилхолин, гамма-аминомасляная кислота. Долгое время считалось, что в одном синапсе может работать только один нейромедиатор, но потом оказалось, что все‐таки бывает и больше (причем выделяться они могут даже независимо друг от друга, в зависимости от параметров сигнала, поступившего на синапс).

Большинство перечисленных нейромедиаторов обладает возбуждающим действием, то есть способствует генерации нервного импульса в следующей клетке. Выделившись в пресинаптическом окончании, нейромедиатор диффундирует через синаптическую щель, связывается с натриевыми каналами, ионы натрия затекают внутрь, на постсинаптической мембране возникает локальная деполяризация, на это реагируют соседние потенциал-зависимые каналы, и нервный импульс начинает распространяться.

Но бывают и тормозные (ингибирующие) нейромедиаторы. Самый известный – гамма-аминомасляная кислота. Ее воздействие приводит к открытию каналов, через которые внутрь постсинаптического нейрона затекают ионы хлора. Соответственно, заряд внутренней стороны мембраны становится еще более отрицательным, нейрон молчит, никаких сигналов не отправляет.

Прелесть этой схемы в том, что она поддается невероятно сложным настройкам. Естественный отбор и индивидуальная нейропластичность могут сколько угодно играть с тем, какие параметры сигнала будут нужны в этом конкретном синапсе для того, чтобы выделились нейромедиаторы, кто именно выделится и в каком количестве, на какие рецепторы он подействует дальше. И плюс вы помните, что в любом поведении участвует не один нейрон, как правило даже не два, а много. И от того, как выплетена сеть, зависит, что именно она сможет делать. Например, нейрон Вася присылает возбуждающие сигналы, нейрон Петя присылает ингибирующие, а нейрон Татьяна Александровна, соответственно, возбуждается или нет в зависимости от того, какой сигнал оказался сильнее.

Мы много говорили о таких сетях в седьмой и восьмой главах. Красные и зеленые колбочки соревнуются друг с другом за то, какой цвет увидит человек. Нейрон любви к маслу и нейрон ненависти к ионам меди соревнуются за то, поползет ли куда-нибудь червяк. То же самое на уровне целого мозга, когда амигдала и прилежащее ядро конкурируют за принятие решения о том, соглашаться или не соглашаться на рискованную инвестицию.