Глава 3
Нейроны и нервная система: путешествие по естественному информационному суперхайвею
Зауряднейшему школьнику теперь известны такие истины, за которые Архимед расстался бы с жизнью.
– Эрнест Ренан
Принимая во внимание, что значительную часть нашего тела составляет жидкость, не стоит удивляться тому, что мозг состоит на 75 % из воды. Что касается твердого материала, то, строго говоря, самые многочисленные клетки мозга – это глиальные клетки, названные так от греческого слова «глиа», что означает «клей». Глиальные клетки, по большей части, играют в мозге поддерживающую роль, как структурно, так и функционально, но также выполняют ряд задач, над пониманием которых ученые все еще ломают голову.
Помимо воды и глиальных клеток, наш мозг в основном состоит из нервных клеток, называемых нейронами. (До этого момента мы называли их мозговыми клетками.) Во многих смыслах нейроны являются наиболее специализированными клетками и самым чувствительным типом ткани из всех биологических систем. Они обрабатывают информацию и передают ее другим нейронам, тем самым запуская особые процессы в различных частях нашего мозга и тела.
Самое примечательное то, что нейроны – это единственные клетки в теле, которые взаимодействуют друг с другом напрямую; они обмениваются сообщениями в виде электрохимических сигналов, или импульсов.
Нейроны не только наиболее примечательные клетки, образующие мозг, они также представляют собой фундаментальный компонент нашей нервной системы: запутанной сети структур, которая состоит из головного и спинного мозга и нервов и контролирует и координирует все функции тела. Уникальный способ взаимодействия нервных клеток делает нервную систему такой особенной и отличной от всех других систем тела.
В мозге имеется величайшее скопление нейронов. Тоненький срез мозговой ткани размером с песчинку содержит порядка 100 000 нейронов. Они размещены так плотно, что кусочек ткани человеческого мозга размером с гальку содержит около 3 км нейронного материала. А весь ваш мозг содержит примерно 100 миллиардов нейронов, каждый из которых размером меньше миллиметра. Чтобы вы составили представление о том, насколько это много, знайте, что для того, чтобы просто сосчитать до 100 миллиардов, секунду за секундой, вам потребуется примерно 3171 год. А если сложить стопку бумаги из 100 миллиардов листков, ее высота составит около 8000 километров – расстояние между Лос-Анджелесом и Лондоном.
Другие нейроны значительно длиннее мозговых нервных клеток. Некоторые проходят от головного мозга вдоль спинного и составляют до 90 см в длину. И хотя нейроны различаются по длине, все они, по сути, действуют единообразно.
Чтобы увидеть на примере, какие задачи выполняют нейроны в вашей жизни, представьте, что сейчас утро и вы планируете свой день. Пока ваш мозг складывает мозаику из идей о том, что вам нужно сделать в различные отрезки дня, нейроны передают электрохимическую информацию между его различными частями. Сенсорные нейроны посылают информацию в мозг не только о вашем внешнем окружении – полученную при помощи органов зрения, слуха, обоняния, вкуса, осязания, – но также и о внутренней среде, включая чувство голода, жажды, боли, температуру и т. п. Как только вы решаете подняться и сделать что-то, моторные нейроны посылают электрохимические импульсы из головного мозга через спинной по всему телу, сочетая ваши движения с выстроенным умственным планом.
Основной метод коммуникации между нейронами одинаков для всех человеческих существ. Однако нервные клетки организованы в особые сети, или паттерны, которые формируют наше индивидуальное поведение и сообщают каждому из нас уникальные качества.
Составляющие нейронного дерева
Типичная нервная клетка напоминает своим строением дерево, а если точнее, дуб зимой, то есть без листье. В той части «дерева», где крупные ветви сходятся к центру, имеется ядро, или клеточное тело нейрона.
Ядра нервных клеток, как и всех других, содержат генетическую информацию в виде ДНК, которая управляет производством белков, необходимых для поддержания структуры и функционирования клетки. ДНК нервных клеток почти ничем не отличаются от ДНК любых других клеток нашего тела (кроме красных кровяных телец, которые не содержат ДНК). Что отличает один тип клетки от другого – это активная экспрессия всего лишь нескольких отдельных генов. При экспрессии гена в клетке вырабатывается особый белок, связанный с конкретной функцией. Например, мышечная клетка вырабатывает особые белки, составляющие структуру мышечных тканей. В нервной же клетке экспрессия последовательности ДНК слегка отлична от той, что мы наблюдаем в мышечных или кожных клетках.
Также нервная клетка отличается от других своей внешней структурой. Нейрон имеет два типа отростков (также известных как нейриты), отходящих от тела клетки в противоположных направлениях, как показано на рис. 3.1. Ствол нейронного дерева представляет собой длинное волокно, называемое «аксон»; все нейроны имеют только один аксон. Аксоны варьируются по длине от десятой доли миллиметра до двух метров. Если вы посмотрите на рисунок ствола нейронного дерева, то увидите корневидные концы, называемые «аксонные терминали».
А теперь давайте посмотрим на ствол нейронного дерева. Представьте крупные ветви этого древоподобного клеточного тела, простирающиеся в различных направлениях в трех измерениях, сужающиеся до меньших ветвей, которые далее разделяются на пальцеобразные веточки. Эти ветви и веточки являются гибкими, антенноподобными отростками, называемыми «дендритами». Подобно ветвям дерева, каждая нервная клетка имеет бессчетные дендриты. Дендриты оканчиваются крохотными, зернистыми бугорками, названными дендритными шипиками. Эти узловатые отростки служат дендритам особыми приемниками информации и играют важную роль в процессе обучения. И опять же вернемся к рис. 3.1.
Рис. 3.1. Нейрон
Вообще-то, все части нервных клеток настолько гибки, что больше напоминают спагетти, варящиеся в кипятке, а не сухие ветви дерева. Живые нейроны не жесткие, а эластичные и аморфные.
НЕЙРОНЫ: МНОГО ТИПОВ, МНОГО ФУНКЦИЙ
Нейроны классифицируются по различным факторам, включающим их местоположение, форму, направление, в котором они проводят импульсы, и число имеющихся у них отростков. Например, чувствительные нейроны получают информацию как изнутри тела, так и извне, через наши органы чувств, и пересылают ее в головной или спинной мозг. Моторные нейроны передают сигналы от головного или спинного мозга в тело, к тканям и органам, вызывая движение или какую-либо функцию.
Далее, нейроны можно классифицировать по числу, длине и расположению отростков, или ветвей. Например, униполярные нейроны имеют единственный нейрит, который разделяется на малом расстоянии от тела клетки на две ветви. Биполярные нейроны имеют удлиненное клеточное тело, от каждого конца которого отходит нейрит. Биполярные нейроны, не такие многочисленные, как другие типы, имеют один аксон и один дендрит. Мультиполярные нейроны имеют несколько отростков, отходящих от тела клетки. У них один аксон и несколько дендритов. Большинство нейронов головного и спинного мозга являются мультиполярными. Взгляните на рис. 3.2 для сопоставления различных типов нервных клеток.
Нейроны также классифицируются по размеру. Нейроны Гольджи I типа имеют аксон, который может достигать одного метра в длину. Аксоны пирамидных клеток коры, образуя нервные волокна, выходят из головного мозга в спинной. Аксоны нейронов спинного мозга образуют периферические нервы.
Наиболее многочисленный тип нервных клеток – это мультиполярные нейроны с короткими аксонами, известные как нейроны Гольджи II типа. Их короткие ветви обычно оканчиваются вблизи тела клетки, а в некоторых случаях аксон может и вовсе отсутствовать. Нейроны Гольджи II типа по форме напоминают звезду. Они наиболее типичные для коры мозжечка и больших полушарий – то есть эти маленькие нервные клетки образуют серое вещество мозга. На рис. 3.2 показаны нейроны Гольджи I и II типов.
Рис. 3.2
Нейроны сообщаются посредством своих аксонов и дендритов путем своеобразной, довольно запутанной системы связи. Аксоны посылают электрохимические сигналы одним нейронам, а дендриты принимают сообщения от других. Если продолжить древесную аналогию, можно сказать, что дендриты (ветви) получают сообщения от аксонных терминалей (корневой системы) других деревьев, где они соединяются, и передают их дальше (по стволу дерева) собственным аксонным терминалям (корням), которые соприкасаются с дендритами (ветвями) другого дерева, и так далее.
Это очень условный взгляд на процесс коммуникации. Что значит условный в данном случае? Прежде всего, на данном этапе нам удобно говорить о нейронах так, будто они соединяются между собой напрямую. Но в действительности нейроны никогда не соприкасаются. Между ними всегда существует пространство порядка одной миллионной сантиметра, называемое синапс. Точка A на рис. 3.3 поможет вам представить синаптическое пространство между нейронами.
Также в целях упрощения, несмотря на то что нейрон может сообщаться с тысячами других нервных клеток таким же древообразным способом, я начну с описания того, как одна нервная клетка (нейрон A) передает сообщение другой единственной нервной клетке (нейрон Б). И хотя аксонные терминали обычно передают информацию дендритам других нейронов, время от времени случается, что аксонный отросток соединяется напрямую с клеточным телом соседнего нейрона.
Рис. 3.3. Схематический вид синаптического пространства, дендритных шипиков и клеточной мембраны
