Нервные импульсы рассылают сообщение

Представьте, что вы решили взять в руку карандаш. Как нервные клетки передадут эту мысль мышцам и заставят руку сделать необходимые движения, чтобы взять карандаш? Давайте проследим за этим процессом (в сильно упрощенном виде, разумеется).

Сперва вам нужно понять, где и как происходит сообщение между нервами. Место, где начинается и осуществляется это сообщение, – нейронная клеточная мембрана, или плазменная мембрана. Можете представлять ее в виде кожицы нервной клетки; эта протяженная внешняя граница окружает каждый нейрон, включая клеточное тело и его отростки. Мембрана настолько тонкая – около 8 нанометров, или 100 000-й доли метра, – что ее невозможно увидеть в обычный оптический микроскоп. Пункт Б на рис. 3.3 показывает мембрану нервной клетки.

Возможно, вы помните термин «ион» из курса химии в средней школе. Так вот, ион – это атом, имеющий электрический заряд, поскольку он либо получил, либо потерял электрон в своей внешней оболочке. Ионы важны для нашего обсуждения, поскольку эти заряженные атомы вырабатывают электрические сигналы, посредством которых осуществляется сообщение между нервными клетками. Клеточная мембрана нейрона позволяет некоторым ионам проникать сквозь нее, но удерживает остальных. Больше всего нас в данном случае интересуют натриевый и калиевый ионы, имеющие положительный электрический заряд, и ионы хлора, имеющие отрицательный заряд. Когда нейрон пребывает в спокойном, или не стимулированном состоянии, внутренняя поверхность его клеточной мембраны имеет отрицательный заряд относительно внешней среды, потому что внутри клетки находится меньше положительно заряженных ионов, чем снаружи. Но, когда нейрон активируется, или стимулируется, в него внезапно перемещается больше ионов, изменяя заряд внутренней поверхности мембраны с отрицательного на положительный.

Поток ионов длится всего лишь пять миллисекунд, но этого достаточно для возникновения электрического тока, называемого потенциалом действия, который перемещается вдоль аксона. Для наших целей вам нужно знать о потенциале действия только то, что при возбуждении нервной клетки, когда она достигает определенного порога электрического заряда, происходит быстрый обмен заряженными частицами, которые плывут вдоль ее мембраны к аксонным терминалям. Вслед за этим действием ионы быстро возвращаются к состоянию покоя.

Как только запускается потенциал действия, он проходит по нервной клетке в виде каскадного, волнообразного потока, называемого нервным импульсом. Для наглядности представьте, что вы держите конец длинной веревки. Если встряхнуть ее как кнут, вы создадите волну, которая прокатится по всей длине веревки. Подобным же образом, как только на клетку воздействует стимул достаточно сильный, чтобы активировать, или зажечь ее, это вызывает спонтанно распространяющийся электрический импульс, который не остановится до тех пор, пока не пройдет весь путь до окончания аксона. Электрический ток проходит вдоль всего аксона единым импульсом до полной разрядки. Ученые называют это законом «все или ничего», или законом Боудича. В этой книге мы ссылаемся на потенциал действия в любом нейроне или группе нейронов, используя такие выражения, как «когда нейроны зажигают», «когда нейроны активируют» или «когда нейроны включают».

Скорость этой передачи по нервным волокнам впечатляет. Потенциал действия, длящийся тысячную долю секунды, может пройти вдоль всего аксона со скоростью, превышающей 300 км/ч. Или для большей наглядности скажем, что этот импульс может преодолеть 100 метров, примерную длину футбольного поля, за секунду. Когда нервный импульс запускается, его интенсивность, или мощность, всегда остается неизменной до окончания передачи. Учитывая, что нервный импульс перемещается посредством электрического тока, перетекая вдоль аксона, можем ли мы изменить этот ток?

Ионный обмен внутри и снаружи нервных клеток (потенциал действия) вырабатывает электромагнитное поле. В процессе мозговой активности миллионы нейронов зажигаются синхронно, что вызывает поддающееся измерению электромагнитное поле. Если вам доводилось наблюдать технологию ЭЭГ в действии, в ходе которой на голове человека закрепляются электроды для считывания активности мозга, вы видели, как записываются эти индукционные поля. Нервные клетки, зажигаемые единым тандемом по всему мозгу, могут производить различные типы электромагнитных полей, обозначающих собой различные состояния разума. Используя технологию ЭЭГ, ученые даже могут соотносить повышенную активность этих электромагнитных полей с особыми областями мозга, связанными с различными мыслительными процессами.

Мы генерируем электрические импульсы у себя в мозге ежесекундно – когда обрабатываем информацию из внешней среды, обдумываем свои личные мысли и даже когда спим. Это происходит в различных областях нашего мозга, в миллионах и миллионах различных нейронов, каждую секунду.

Фактически, число нервных импульсов, вырабатываемых в течение дня в человеческом мозге, превышает число электрических импульсов всех сотовых телефонов на планете.

А теперь давайте посмотрим поближе, как перемещается информация от одной нервной клетки к другой. Когда нейроны передают сигналы в виде электрических импульсов, они должны сообщаться между собой через щель, разделяющую их. Эта щель между аксонной терминалью (отправителем сигнала) нервной клетки и дендритом (получателем сигнала) соседнего нейрона является местом синаптической связи, или синапсом. (Этот термин происходит от греческого слова, означающего «соединять» или «присоединять».) Всего лишь в тысячную долю миллиметра в ширину, синаптическая щель позволяет нервным импульсам беспрерывно продолжать свой путь от одного нейрона к другому.

Отправляющая сторона щели, где оканчивается аксонная терминаль (изображенная в виде корневой системы дерева в точке A на рис. 3.3), называется пресинаптической зоной, потому что сигнал на этой стороне щели еще не пересек синапса. Принимающая сторона синапса, где дендрит принимает информацию, является постсинаптической зоной (самые дальние ветви дерева, напоминающие пальцы).

Имейте в виду, что нейроны не соединяются в виде простых цепочек, подобно железнодорожным товарным вагонам, составленным вместе, поочередно, один за другим. Во-первых, аксон может направлять информацию одновременно более чем одной нервной клетке, что называется дивергенцией. Когда такое происходит, сообщение от одной нервной клетки расходится, или распространяется, по множеству соседних нервных клеток. Потенциально один нейрон создает каскад информации, который может направить многим тысячам других нейронов. Процесс нейронной дивергенции во многом похож на бросание камешка в воду, от которого расходятся волны во всех направлениях.

В другом процессе, называемом конвергенцией, одна нервная клетка принимает сообщения с помощью своих дендритов от множества нейронов, а затем конвергирует эти различные разряды информации в единый сигнал, который передает через аксон. Представьте наш дуб, ветви (дендриты) которого распространяются во всех направлениях. А затем представьте тысячи других деревьев, парящих в трехмерном пространстве с их корневыми системами (аксонными терминалями), касаясь малой части кроны нашего исходного дерева. Эти различные деревья передают бесчисленные электрические токи одному дереву, и оно конвергирует всю эту информацию по единому пути вдоль своего ствола до самых корней. Конвергенция происходит, когда широкая нейронная активность связывается воедино таким образом, чтобы все нервные импульсы сошлись в нескольких отдельных нейронах. Вы можете увидеть процессы дивергенции и конвергенции на рис. 3.4.

Как взять в руку карандаш

Итак, наш карандаш лежит и ждет нас. Что должно произойти, чтобы вы взяли его? Если вы потянулись и взяли карандаш, значит, во множестве нейронов в различных областях вашего мозга зажегся каскад потенциалов действия, вызывая согласованное движение вашей руки. Далее расписаны простейшие шаги этого процесса, которые, впрочем, не обязательно должны происходить в такой последовательности.

Рис. 3.4. Дивергенция и конвергенция

1. Мысль о том, чтобы поднять карандаш, вызывает первую серию потенциалов действия в мозге.

2. Глаза видят карандаш и запускают вторую серию потенциалов действия.

3. Затылочная доля (область мозга, отвечающая за зрение) регистрирует образ, который вы видите.

4. Височная доля (отвечающая за ассоциации совместно с хранением воспоминаний и обучением) ассоциирует образ, который вы видите, с тем, чем располагает ваша память относительно карандашей, что запускает очередную серию потенциалов действия.

5. Лобная доля (отвечающая за высшую умственную деятельность) позволяет вам удерживать внимание, пока вы намеренно тянетесь за карандашом.

6. Когда вы начинаете формулировать и интегрировать движение руки за карандашом, лобная доля и теменная доля (двигательный отдел мозга, также отвечающий за языковые механизмы и общие сенсорные функции) помогают вам начать движение плеча, предплечья, кисти и пальцев и включают ваше сенсорное прогнозирование того, как должен ощущаться карандаш у вас в руке.

7. Теменная доля позволяет вам почувствовать, что вы держите в руке карандаш – вы можете ощутить его форму, граненую поверхность дерева, заостренный грифель на одном конце и упругий ластик на другом.

8. В то же время мозжечок (отвечающий за согласование произвольной мышечной активности) позволяет совершать точные моторные движения в направлении карандаша, чтобы вы могли протянуть за ним руку и взять его. Без помощи мозжечка вы могли бы взять карандаш, а затем забросить его за голову или кинуть на пол.

В процессе этого каскада потенциалов действия через ваши нервные клетки в обоих направлениях проносились натриевые и калиевые ионы, и вся эта электрохимическая активность происходила без вашего сознательного участия. И слава Богу!

НЕРВНЫЙ, КАК МЕДУЗА

Первые нервные клетки развились у существ, напоминавших современных медуз. Миллионы лет назад выживание этих примитивных организмов зависело от их способности распознавать пищу (сенсорная функция) и двигаться к ней (моторная функция). Первостепенно важным было то, что медузы развили особые клетки, которые могли запускать движение при помощи сокращения тканей. Но эти движения должны были быть чем-то большим, нежели спонтанными действиями.

Медузам требовалась система, способная направлять движения с определенной степенью осознанности и координации, чтобы они могли взаимодействовать более эффективно со своим окружением. Такая система потребовала способности получать сенсорные сообщения из внешней среды и переводить эти сигналы в клетки, которые стали отвечать за осуществление движений. По сути, в этом и состоит работа нервной системы: она ощущает внешнюю среду, а затем реагирует на эти ощущения соответствующим образом через движения и действия, иногда произвольно, иногда непроизвольно.

Другими словами, медузам требовалось рудиментарное сознание, или разум, и простая нервная система для повышения базового уровня осознанности. Соответственно, эти существа выработали у себя нервные клетки, а также сенсорные и моторные функции, тем самым создав одну из первых нервных систем в истории эволюции.

Простые неврологические механизмы, развившиеся у медузы и других примитивных организмов, обеспечили такую эффективную адаптацию, что сделались нормой эволюции. Все нервные клетки – будь они у медуз, других животных или человеческих существ – действуют по тем же самым базовым электрохимическим принципам. Сегодня мы, люди, ведем себя и реагируем на нашу внешнюю среду, используя те же самые процессы, которые выработались у медуз миллионы лет назад.

Как же природа сумела совершить квантовый скачок от наиболее примитивных нервных систем к человеческому мозгу? Чтобы развивать все более усложненное, утонченное и адаптивное поведение, организмам требовалось всего лишь соединять вместе все больше нервных клеток разнообразными способами.

По мере того как нейроны скрепляются вместе во все более разветвленные нервные сети, сообщение между ними возрастает в геометрической прогрессии. Это простая корреляция: по мере эскалации сообщения между нейронами повышается разумность, и организмы все лучше приспосабливаются к окружающей среде, и их поведение становится все более совершенным. По сути, мы можем обучаться, запоминать, создавать, изобретать и видоизменять наше поведение быстрее, чем любые другие особи, благодаря размеру нашего развивающегося мозга. Человеческие существа, благодаря огромному числу взаимосвязанных нервных клеток, делающих наш мозг таким объемным и невероятно усложненным, находятся на верхней ступени иерархической лестницы.

Химические посредники осуществляют сообщение

А теперь давайте посмотрим внимательнее на то, как нервные импульсы путешествуют от одного нейрона до другого. Как они преодолевают синаптическую щель?

Когда нервный импульс перемещается по нейрону до самого конца аксона, он достигает пресинаптической зоны. Здесь располагаются мелкие синаптические везикулы, в которых содержатся химические посредники, называемые нейромедиаторами. Нейромедиаторы передают важную информацию другим нервным клеткам через крохотное синаптическое пространство, а также в различные части организма для слаженного управления особыми функциями. Точка A на рис. 3.5 показывает эти везикулы, наполненные нейромедиаторами.

Нейромедиаторы (например, серотонин или дофамин) также вызывают настроение, окрашивающее наши переживания. Они бывают причиной того, что мы испытываем чувство счастья, занимаясь чем-то, хотя в других случаях мы можем заниматься тем же самым и испытывать весьма различные эмоции. Если, как и большинство людей, вы переживаете множество различных настроений в течение дня, от возбуждения и энтузиазма до подавленности, раздражения или апатии, знайте, это эффекты нейромедиаторов. Химия мозга, вырабатываемая каждодневно за счет наших мыслей, определяет то, как мы себя чувствуем.

Представьте везикулы на концах аксонных терминалей в виде крохотных, особым образом устроенных шариков с водой, а нейромедиаторы – в виде жидкости в этих шариках. Только сочетающиеся наборы терминалей и нейромедиаторов могут работать вместе. Подобно разряду молнии, электрохимическая активность нервного импульса вызывает взрыв одной или нескольких везикул, и каждая такая везикула высвобождает тысячи молекул нейромедиаторов. С каждым нервным импульсом лопаются несколько везикул, тогда как другие остаются нетронутыми, так что выделяются определенные нейромедиаторы, тогда как другие химические посредники остаются на месте.

Что же определяет, какие нейромедиаторы должны выделиться? Не все нервные импульсы одинаковые; каждый электрический импульс, путешествующий по нейрону, имеет особую частоту (или величину заряда), и каждый вид нейромедиатора реагирует на различную частоту. Поэтому особый электромагнитный импульс заставляет взрываться конкретные везикулы, выделяя соответствующие по частоте нейромедиаторы.

Представьте этих химических посредников, если хотите, в виде крохотных паромов, пересекающих канал и причаливающих на другой стороне в определенных точках. У принимающего дендрита причаливает конкретный нейромедиатор или, точнее сказать, соединяется с особым химическим рецептором, подобно ключу, входящему в свой замок. Форма нейромедиатора должна совпадать с формой рецептора. Точки Б и В на рис. 3.5 демонстрируют эту модель с ключом и замком.

Рис. 3.5. Действие нейромедиаторов в синаптическом пространстве

В той точке, где нейромедиаторы причаливают, они высаживают своих «пассажиров», выполняющих затем особые обязанности. Пассажиры, сошедшие с паромов, могут все вместе отправиться по одному пути, но у них различные задачи. Кто-то может зайти домой и отдохнуть, кто-то может пойти на работу, кто-то может быть в отпуске, а кто-то даже может патрулировать сам паром.

Это примерно объясняет, как ведут себя нейромедиаторы. Они пересекают щель между нейроном, выделившим их, и соседней нервной клеткой. На принимающей стороне щели они вызывают выделение особых химикалий, влияющих на активность соседней нервной клетки. Это, в свою очередь, влияет на следующий принимающий нейрон и так далее.