Помоги проекту - поделись книгой:
Итоговые рефлекторные реакции и способность спинного и головного мозга принимать решения определяются интегративной деятельностью отдельных мотонейронов. Каждый мотонейрон суммирует все возбуждающие и тормозные сигналы, поступающие по ведущим к нему аксонам других нейронов, а затем реагирует соответствующим образом в зависимости от рассчитанной суммы. Нейрон посылает мышце-мишени вызывающий ее сокращение сигнал только в том случае, если суммарное возбуждение этого нейрона превышает суммарное торможение на величину, которая оказывается больше некоторого порогового значения.
Шеррингтон видел в сопряженном контроле общий способ координации приоритетов, позволяющий добиться единства цели и действия, без которого невозможно поведение. Исследуя спинной мозг, он открыл принципы нейронной интеграции, которые, судя по всему, лежат в основе принятия решений и в ряде высших когнитивных функций головного мозга. Каждое наше впечатление, каждая мысль, каждое движение есть результат великого множества принципиально сходных нейронных расчетов.
В середине восьмидесятых годов xix века, когда Фрейд прекратил свои фундаментальные исследования нервных клеток и их связей, некоторые детали нейронной доктрины и некоторые ее следствия для физиологии еще требовали выяснения. Однако он оставался в курсе последних достижений нейробиологии и попытался использовать некоторые из новых идей Кахаля о нейронах в своей неопубликованной рукописи “Проект научной психологии”, написанной в конце 1895 года – уже после того, как он стал применять психоанализ для лечения пациентов и раскрыл бессознательное значение снов. Несмотря на то что Фрейд с головой ушел в психоанализ, его предшествующие экспериментальные исследования надолго повлияли на образ его мыслей, а значит, и на развитие психоаналитической мысли в целом. Роберт Холт, психолог, интересующийся психоанализом, сказал об этом так: “Похоже, во многих отношениях Фрейд совершенно переориентировался, превратившись из исследователя-нейроанатома во врача-невролога, экспериментировавшего с психотерапией и наконец ставшего первым психоаналитиком. Однако мы были бы плохими психологами, если бы вообразили, что в этом развитии содержалось больше перемены, чем преемственности. Фрейд не мог просто так выбросить из головы двадцать лет самоотверженного изучения нервной системы, когда принял решение вместо этого заняться психологией и работать с чисто абстрактной, гипотетической моделью”.
Фрейд называл время, проведенное за изучением нервных клеток простых организмов, таких как раки, угри и миноги, “счастливейшими часами моего ученичества”. Он оставил эти фундаментальные исследования после того, как познакомился со своей будущей женой Мартой Бернейз и влюбился в нее. В xix веке, чтобы выбрать себе карьеру исследователя, нужно было иметь независимый источник дохода. Учитывая свое неважное финансовое положение, Фрейд решил вместо этого открыть собственную медицинскую практику, которая давала бы ему достаточно для содержания семьи. Возможно, если бы в те времена научная работа позволяла, как сегодня, зарабатывать на жизнь, Фрейд был бы известен теперь как нейроанатом и один из создателей нейронной доктрины, а не как отец психоанализа.
5. О чем говорит нервная клетка
Если бы я стал практикующим психоаналитиком, я провел бы немалую часть своей жизни, выслушивая рассказы пациентов о самих себе: об их снах и воспоминаниях, внутренних конфликтах и желаниях. В этом и состоит интроспективный метод “терапевтической беседы”, впервые примененный Фрейдом, чтобы добраться до более глубоких уровней самопонимания. Поощряя пациентов свободно ассоциировать мысли и воспоминания, психоаналитик помогает им извлечь наружу бессознательные травмы и импульсы, лежащие в основе их сознательных мыслей и поведения.
Работая в лаборатории Грундфеста, я вскоре осознал: чтобы разбираться в механизмах работы мозга, я должен научиться слушать нейроны и интерпретировать электрические сигналы, лежащие в основе любой психической деятельности. Электрические сигналы представляют собой язык психики, способ, с помощью которого структурные единицы мозга – нейроны – переговариваются друг с другом на большом расстоянии. Выслушивание этих разговоров и регистрация активности нейронов были, так сказать, объективной интроспекцией.
Грундфест был одним из ведущих специалистов по биологии передачи сигналов. Я узнал от него, что исследования сигнальной функции нервных клеток прошли четыре отчетливые фазы, начавшись в xviii веке и достигнув достаточно высокого разрешения двести лет спустя – в работах Алана Ходжкина и Эндрю Хаксли. И всегда вопрос о том, как взаимодействуют нервные клетки, привлекал внимание лучших умов в естественных науках.
Начало первой фазы датируется 1791 годом, когда Луиджи Гальвани, итальянский биолог из Болоньи, открыл электрическую активность в организмах животных. Гальвани подвесил лягушачью лапку на медный крючок на своем железном балконе и обнаружил, что взаимодействие двух различных металлов, меди и железа, иногда вызывало подергивание этой лапки, будто она оживала. Гальвани также смог вызвать подергивание лягушачьей лапки, действуя на нее электрическими разрядами. Дальнейшие исследования привели его к предположению, что нервные и мышечные клетки сами способны генерировать электрические токи и что сокращение мышц вызывается электричеством, вырабатываемым мышечными клетками, а не духом или “жизненной силой”, как считали в то время.
Открытие Гальвани, которое позволило вывести нервную деятельность из области жизненных сил и сделать ее предметом естественнонаучных исследований, получило развитие в xix веке в трудах Германа фон Гельмгольца – одного из первых ученых, успешно применивших строгие физические методы для изучения широкого круга нейробиологических проблем. Гельмгольц открыл, что аксоны нервных клеток генерируют электричество не как побочный продукт своей активности, а как средство для получения импульсов, которые позволяют передавать сенсорную информацию об окружающем мире в спинной и головной мозг и посылать сигналы к действию от головного и спинного мозга мышцам.
В ходе своих исследований Гельмгольц провел замечательные экспериментальные измерения, которые в корне изменили существующие представления об электрической активности в организмах животных. В 1859 году ему удалось померить скорость, с которой передаются эти электрические сигналы, и он с удивлением обнаружил, что электричество, передаваемое по живому аксону, принципиально отличается от электрического тока в медном проводе. По металлическому проводу электрический сигнал передается со скоростью, близкой к скорости света (300 000 километров в секунду). Однако, несмотря на эту скорость, сигнал ощутимо ослабевает, преодолевая большие расстояния, потому что передается пассивно. Если бы по аксонам сигналы тоже передавались пассивно, то сигнал, идущий от нервного окончания в коже большого пальца вашей ноги, полностью затухал бы, не достигая вашего мозга. Гельмгольц открыл, что электричество передается по аксонам намного медленнее, чем по проводам, и что в основе этой передачи лежит неизвестный ранее волнообразный механизм, распространяющийся активно со скоростью порядка 30 метров в секунду! Последующие исследования показали, что электрические сигналы, идущие по нервам, в отличие от сигналов, идущих по проводам, не ослабевают по ходу своего движения. Таким образом, в нервах скорость проведения принесена в жертву активной передаче сигнала, которая гарантирует, что сигнал, возникший в большом пальце вашей ноги, достигнет спинного мозга, нисколько не ослабев.
Открытия Гельмгольца поднимали ряд новых вопросов, которые задали работу физиологам на следующие сто лет. На что похожи эти нервные сигналы, впоследствии названные потенциалами действия, и как в них закодирована информация? Как биологические ткани генерируют электрические сигналы? В частности, где идет электрический ток при этих сигналах?
5–1. Эдгар Эдриан (1889–1977) разработал методы регистрации потенциалов действия – электрических сигналов, используемых нервными клетками для передачи информации. (
К форме нервных сигналов и их роли в кодировке информации ученые обратились во вторую фазу исследований, которая началась в двадцатых годах xx века с работ Эдгара Дугласа Эдриана (рис. 5–1). Он разработал методы, позволяющие регистрировать и усиливать потенциалы действия, передаваемые по аксонам отдельных сенсорных нейронов кожи, и тем самым впервые сделал элементарные компоненты речи нейронов доступными для понимания. В процессе этих исследований он совершил ряд замечательных от– крытий, касающихся потенциала действия и того, как он обеспечивает возникновение наших ощущений.
Для регистрации потенциалов действия Эдриан использовал отрезок тонкой металлической проволоки. Он помещал один конец отрезка на наружную поверхность аксона сенсорного нейрона кожи, а другой выводил одновременно на чернильный самописец (чтобы видеть форму и последовательность потенциалов действия) и репродуктор (чтобы слышать эти потенциалы). Каждый раз, когда Эдриан прикасался к коже, он отмечал один или несколько потенциалов действия. При возникновении каждого потенциала действия он слышал краткое “бах-бах-бах” в репродукторе и видел краткий электрический импульс на самописце. Потенциал действия сенсорного нейрона длился всего лишь около 0,001 секунды и включал две фазы: быстрого нарастания, достигающего пика, а затем почти столь же быстрой реполяризации, приводившей к исходному положению (рис. 5–2).
И самописец, и репродуктор сообщали Эдриану один и тот же примечательный факт: все потенциалы действия, возникающие в одной и той же нервной клетке, примерно одинаковы. Они имеют приблизительно одинаковую форму и амплитуду независимо от силы, продолжительности и местоположения раздражителя, который их вызывает. Таким образом, потенциал действия представляет собой постоянный сигнал, подчиняющийся принципу “все или ничего”: после достижения порогового значения возникает всегда примерно одинаковый сигнал, не больше и не меньше обычного. Электрического тока, возникающего при потенциале действия, оказывается достаточно для возбуждения соседних участков аксона, благодаря чему потенциал действия распространяется, не пропадая и не слабея, по всей длине аксона со скоростью до 35 метров в секунду – значение, очень близкое к тому, которое получил Гельмгольц!
5–2. Регистрируя потенциалы действия, Эдгар Эдриан установил их характер. Регистрируя электрическую активность отдельных нейронов, Эдриан показал, что потенциал действия подчиняется принципу “все или ничего”: сигнал, возникающий после достижения порогового значения, всегда одинаковый – как по амплитуде, так и по форме.
Открытие принципа “все или ничего” в возникновении потенциала действия заставило Эдриана задаться новыми вопросами. Как сенсорный нейрон сообщает о силе раздражителя – сильное или слабое давление, яркий или тусклый свет? Как он сообщает о продолжительности действия раздражителя? Наконец, как нейроны отличают один тип сенсорной информации от другого – например, как они отличают прикосновение от боли, света, запаха или звука? И как они отличают сенсорную информацию для восприятия от моторной информации для действия?
Вначале Эдриан занялся вопросом силы раздражителя. Здесь его ожидало важнейшее открытие: он установил, что эта сила определяется частотой, с которой испускаются потенциалы действия. Слабый раздражитель, например легкое прикосновение к руке, приводит к испусканию всего двух-трех потенциалов действия в секунду, в то время как сильное давление, как при щипке или ударе по локтю, может вызвать очередь из сотни потенциалов действия в секунду. При этом продолжительность ощущения определяется продолжительностью возникновения потенциалов действия.
Затем он исследовал, каким образом нейроны передают информацию. Используют ли они разные электрические коды, сообщая мозгу, что несут информацию о разных раздражителях, таких как боль, свет или звук? Оказалось, что нет. Между потенциалами действия, генерируемыми нейронами из различных сенсорных систем, было очень мало разницы. Таким образом, характер и природа ощущения (например, зрительная или тактильная) не зависят от различий в потенциалах действия.
В чем же тогда состоит разница в информации, передаваемой нейронами? Коротко говоря, в анатомии. Открытие Эдриана ясно подтверждало принцип специфичности связей Кахаля: оказалось, что природа передаваемой информации зависит от типа возбуждаемых нервных волокон и специфических систем мозга, с которыми эти волокна связаны. Ощущения каждого типа передаются по специфическим проводящим путям, и разновидность ретранслируемой нейроном информации зависит от пути, в состав которого входит этот нейрон. В сенсорном проводящем пути информация передается от первого сенсорного нейрона (рецептора, реагирующего на внешний раздражитель, например прикосновение, боль или свет) к специфическим и специализированным нейронам в спинном или головном мозге. Таким образом, зрительная информация отличается от слуховой тем, что передается по другим проводящим путям.
В 1928 году Эдриан подвел итог своей работы характерной для него четкой формулировкой: “Все импульсы очень похожи независимо от того, вызывает ли сигнал ощущение света, или прикосновения, или боли; если они идут тесной чередой, ощущение сильное; если они разделены какими‑то промежутками, ощущение, соответственно, слабое”.
Наконец, Эдриан установил, что сигналы, посылаемые от моторных нейронов мозга к мышцам, почти идентичны передаваемым по сенсорным нейронам от кожи в мозг: “Моторные волокна передают разряды, почти в точности копирующие те, что идут по сенсорным волокнам. Эти импульсы <…> подчиняются тому же принципу – “все или ничего”». Таким образом, быстрая череда потенциалов действия, идущая по определенному проводящему пути, вызывает движение наших пальцев, а не восприятие разноцветных огней потому, что данный путь связан с мышцами рук, а не с сетчаткой глаз.
Эдриан, как и Шеррингтон, распространил нейронную доктрину Кахаля, которая была основана на анатомических наблюдениях, на функциональную сферу. Но, в отличие от Гольджи и Кахаля, сцепившихся в жестоком противоборстве, Шеррингтон и Эдриан дружили и поддерживали друг друга. За их открытия, связанные с функциями нейронов, они разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1932 года. Узнав о том, что они разделят эту премию, Эдриан, который был на поколение младше, написал Шеррингтону: “Не стану повторять того, что Вы наверняка уже устали слушать (как высоко мы ценим Вашу работу и Вас самого), но должен сообщить Вам, как несказанно я рад удостоиться этой чести вместе с Вами. Я и мечтать не мог об этом и никогда бы по здравом размышлении не пожелал этого, потому что не стоило бы делить оказанную Вам честь, но, раз уж это случилось, я невольно радуюсь своему везению”.
Эдриан прислушался к “бах-бах-бах” нейронных сигналов и открыл, что частота этих электрических импульсов отражает силу сенсорного раздражителя, но некоторые вопросы по‑прежнему оставались без ответа. Что стоит за замечательной способностью нервной системы передавать электричество по принципу “все или ничего”? Как включаются и выключаются эти электрические сигналы и какой механизм отвечает за их быстрое распространение по аксону?
Третья фаза в истории изучения нейронных сигналов касалась механизмов, лежащих в основе потенциала действия, и началась с мембранной гипотезы, которую впервые выдвинул в 1902 году Юлиус Бернштейн – ученик Гельмгольца и один из самых талантливых и выдающихся электрофизиологов xix века. Он стремился узнать, какие механизмы приводят к возникновению импульсов по принципу “все или ничего” и что служит переносчиком электрических зарядов при потенциале действия.
Бернштейн понимал, что аксон окружен наружной мембраной клетки и даже в состоянии покоя, в отсутствие какого‑либо возбуждения, на всей мембране сохраняется определенная постоянная разница потенциалов, то есть электрическое напряжение. Он знал, что эта разница, которую теперь называют мембранным потенциалом покоя, очень важна для работы нейрона, потому что передача сигналов по нейронам целиком основана на изменениях этой разницы (потенциала покоя). Он установил, что потенциал покоя на всей мембране составляет около 70 милливольт, причем суммарный заряд внутри клетки отрицательный, а снаружи – положительный.
Чем определяется эта разница потенциалов? Бернштейн рассудил: что‑то должно переносить электрические заряды через клеточную мембрану. Он знал, что все клетки организма плавают во внеклеточной жидкости. Эта жидкость не содержит свободных электронов, которые могли бы переносить электрический ток, как в металлических проводниках, но богата ионами – электрически заряженными атомами[12], например, натрия, калия и хлора. Цитоплазма внутри каждой клетки тоже содержит ионы в высокой концентрации. Возможно, именно эти ионы переносят ток, рассудил Бернштейн. Кроме того, он догадался, что различие в концентрациях ионов внутри и снаружи клетки может быть причиной возникновения тока через мембрану.
Из предшествующих исследований Бернштейну было известно, что внеклеточная жидкость соленая: в ней в большой концентрации содержатся положительно заряженные ионы натрия, уравновешенные столь же высокой концентрацией отрицательно заряженных ионов хлора. В цитоплазме клетки, в свою очередь, в большой концентрации находятся отрицательно заряженные белки, уравновешенные положительно заряженными ионами калия. Таким образом, положительные и отрицательные заряды ионов по обе стороны клеточной мембраны уравновешивают друг друга, но ионы при этом задействованы разные.
Чтобы электрические заряды могли проходить сквозь мембрану нервной клетки, мембрана должна быть проницаема для некоторых ионов внеклеточной жидкости или цитоплазмы. Но каких именно? Проверив ряд предположений экспериментально, Бернштейн пришел к смелому выводу, что в состоянии покоя клеточная мембрана непроницаема для всех ионов, кроме одного – калия. Он доказывал, что в клеточной мембране должны быть специальные отверстия, которые теперь называют ионными каналами. Эти каналы позволяют ионам калия, и только им, спокойно вытекать по градиенту концентрации из клетки, где их концентрация высока, наружу, где их концентрация ниже. Ионы калия заряжены положительно, поэтому, когда они выходят из клетки, внутри клеточной мембраны образуется небольшой избыток отрицательных зарядов, связанных с находящимися в цитоплазме белками.
Однако по мере того, как ионы калия выходят из клетки, их все больше притягивает обратно суммарный отрицательный заряд, возникающий в связи с их выходом. Поэтому наружная поверхность клеточной мембраны покрывается положительными зарядами ионов калия, вышедших из клетки, а внутренняя – отрицательными зарядами белков, которые пытаются затянуть ионы калия обратно. Возникающее равновесное состояние обеспечивает постоянный мембранный потенциал на уровне –70 милливольт (рис. 5–3).
Эти принципиальные открытия, касающиеся механизма поддержания потенциала покоя нервными клетками, подвели Бернштейна к следующему вопросу. Что происходит, когда нейрон стимулируют достаточно сильно, чтобы вызвать возникновение потенциала действия? Бернштейн воздействовал на аксон нервной клетки электрическим током работающего на батарейках стимулятора и заключил, что избирательная проницаемость клеточной мембраны во время потенциала действия очень ненадолго перестает работать, позволяя всем ионам свободно входить в клетку и выходить из нее и доводя мембранный потенциал до нуля. Исходя из этих соображений, потенциал действия, который изменяет мембранный потенциал от –70 до 0 милливольт, должен иметь амплитуду 70 милливольт.
5–3. Открытый Бернштейном мембранный потенциал покоя. Юлиус Бернштейн пришел к заключению, что между внутренней средой нервной клетки и внеклеточной жидкостью должна быть разница потенциалов даже в состоянии покоя. Он предположил, что в клеточной мембране имеются специальные каналы, по которым положительно заряженные ионы калия (K+) могут выходить из клетки, и что теряемый при этом положительный заряд оставляет внутреннюю среду клетки отрицательно заряженной, создавая мембранный потенциал покоя.
Мембранная гипотеза, сформулированная Бернштейном, была весьма убедительна – отчасти благодаря тому, что в ее основе лежали давно установленные принципы движения ионов в растворах, а отчасти благодаря своей красоте. Потенциалы покоя и действия не требовали сложных биохимических реакций, а просто использовали энергию, накопленную градиентами концентраций ионов. В целом же сформулированная Берншнейном гипотеза наряду с выводами Гальвани и Гельмгольца убедительно свидетельствовала, что физические и химические законы позволяют объяснять даже некоторые аспекты работы психики – передачу сигналов по нервной системе, а значит, и управление поведением. Отпадала нужда в “жизненной силе” и других явлениях, не поддающихся объяснению в физических и химических терминах, для таких явлений не оставалось места.
5–4. Алан Ходжкин (1914–1998) и Эндрю Хаксли (р. 1917) провели ряд классических экспериментов на гигантских аксонах нервных клеток кальмара. Они не только подтвердили представление Бернштейна о том, что мембранный потенциал покоя обеспечивается выходом из клетки ионов калия, но и открыли, что потенциал действия вызывается входом в клетку ионов натрия. (
Четвертая фаза была временем ионной гипотезы и трудов Алана Ходжкина, самого выдающегося из учеников Эдриана, и Эндрю Хаксли, талантливого ученика и коллеги самого Ходжкина (рис. 5–4). Сотрудничество Ходжкина и Хаксли было тесным и плодотворным. Ходжкину было свойственно глубокое понимание природы и истории изучения работы нервных клеток. Прекрасный экспериментатор и превосходный теоретик, он всегда искал общий смысл, стоящий за непосредственными результатами. Хаксли был одарен технически и блистал в математике. Он изобрел новые способы регистрации и визуализации работы отдельных клеток и разработал математические модели для описания данных, которые они с Ходжкином получили. Их сотрудничество было тем, чем должно быть: вместе они значили больше, чем по отдельности.
Огромные дарования Ходжкина стали очевидны уже в начале его карьеры, и когда в 1939 году началось его сотрудничество с Хаксли, он уже внес значительный вклад в изучение передачи нервных сигналов. Он получил степень доктора философии в 1936 году в Кембриджском университете, защитив диссертацию на тему “Природа проводимости нервов”. В ней он, приведя красноречивые количественные подробности, показал, что электрический ток, возникающий при потенциале действия, оказывается достаточно сильным, чтобы перескакивать через анестезированный участок аксона и вызывать потенциал действия на следующем неанестезированном участке. Эти эксперименты позволили окончательно разобраться в том, как единожды вызванный потенциал действия может распространяться по аксону, не пропадая и не слабея. Ходжкин продемонстрировал, что это происходит благодаря тому, что ток, возникающий при потенциале действия, значительно сильнее тока, которого было бы достаточно для возбуждения соседнего участка.
Исследования, описанные в диссертации Ходжкина, были так важны и так красиво выполнены, что сразу привлекли к нему внимание международного научного сообщества, хотя ученому было тогда всего двадцать два года. Арчибальд Хилл, нобелевский лауреат и один из ведущих английских физиологов, присутствовал при защите диссертации Ходжкина, и она произвела на него такое впечатление, что он отправил ее Герберту Гассеру, президенту Рокфеллеровского института. В сопроводительном письме Хилл называл Ходжкина “весьма выдающимся” и писал: “Добиться должности научного сотрудника в кембриджском Тринити-колледже на четвертом году обучения – почти неслыханная честь для ученого экспериментатора, но этот юноша ее удостоился”.
Гассер нашел диссертацию Ходжкина “прекрасно исполненной экспериментальной работой” и пригласил его провести 1937 год в качестве внештатного сотрудника в Рокфеллеровском институте. В течение этого года Ходжкин подружился с Грундфестом, который работал в соседней лаборатории. Кроме того, Ходжкин посетил ряд других американских лабораторий и в ходе этих визитов узнал о гигантском аксоне кальмара, который он впоследствии с немалым успехом использовал в своих экспериментах. И наконец, он познакомился с женщиной, которая впоследствии стала его женой, – дочерью профессора Рокфеллеровского института. Неплохой набор достижений за один год!
Первое замечательное открытие Ходжкина и Хаксли было сделано в 1939 году, когда они приехали на морскую биологическую станцию в Плимуте, чтобы исследовать, как возникает потенциал действия в гигантском аксоне кальмара. Незадолго до этого британский нейроанатом Джон Зэкари Янг выяснил, что у кальмара, одного из самых быстрых морских пловцов, имеется огромный аксон диаметром в целый миллиметр, то есть почти в тысячу раз толще, чем большинство аксонов человеческого тела. Он примерно такой же толщины, как тонкие спагетти, и видим невооруженным глазом. Янг как сравнительный анатом знал, что возникающие у животных в ходе эволюции специализированные структуры помогают им выживать в своей среде обитания, и понял, что специализированный аксон кальмара, позволяющий ему на большой скорости спасаться от хищников, может оказаться для биологов ценным подарком судьбы.
Ходжкин и Хаксли сразу почувствовали, что гигантский аксон кальмара может оказаться именно тем, что им нужно, чтобы воплотить в жизнь мечту всякого нейробиолога – научиться регистрировать потенциал действия не только снаружи клетки, но и внутри и через это выяснить, как он возникает. Благодаря размеру этого аксона они могли ввести один электрод в цитоплазму клетки, оставив другой снаружи. Полученные данные подтвердили вывод Бернштейна, что потенциал покоя составляет около –70 милливольт и что он зависит от движения ионов калия по ионным каналам. Но когда они стимулировали аксон электрическим током, чтобы вызвать потенциал действия, как это делал Бернштейн, они, к своему удивлению, обнаружили, что амплитуда потенциала действия составляла 110 милливольт, а не 70, как предсказывал Бернштейн. Потенциал действия повышал электрический потенциал на мембране от –70 милливольт в покое до +40 милливольт на пике. Из этого поразительного несоответствия следовал важный вывод: гипотеза Бернштейна о том, что потенциал действия соответствует промежутку, когда клеточная мембрана становится проницаемой для всех ионов, была ошибочной. Судя по всему, во время потенциала действия мембрана по‑прежнему работала избирательно, пропуская сквозь себя одни ионы и не пропуская другие.
Это было замечательное открытие. Поскольку потенциалы действия служат ключевыми сигналами, передающими информацию об ощущениях, мыслях, эмоциях и воспоминаниях из одного участка мозга в другой, вопрос о том, как возникает потенциал действия, к 1939 году стал главным вопросом всей нейробиологии. Ходжкин и Хаксли всерьез задумались над ним, но, прежде чем они успели проверить хотя бы одну из своих идей, в дело вмешалась Вторая мировая война, и их обоих призвали на военную службу.
Они смогли вернуться к исследованиям только в 1945 году. Поработав некоторое время с Бернардом Кацем в Университетском колледже Лондона (пока Хаксли готовился к свадьбе), Ходжкин выяснил, что фаза нарастания (в ходе которой мембранный потенциал растет и достигает пика) зависит от количества натрия во внеклеточной жидкости, а на фазу реполяризации (повторного снижения мембранного потенциала) влияет концентрация калия. Это открытие заставило Ходжкина и Хаксли предположить, что некоторые из ионных каналов клетки избирательно проницаемы для натрия и открываются только на время фазы нарастания, в то время как другие каналы открываются только на время фазы реполяризации.
Чтобы непосредственно проверить эту идею, Ходжкин, Хаксли и Кац применили к гигантскому аксону кальмара метод фиксации потенциала – недавно разработанную технологию, позволяющую измерять ток ионов через клеточную мембрану. Они вновь подтвердили вывод Бернштейна, что потенциал покоя создается неравномерным распределением ионов калия по разные стороны клеточной мембраны. Кроме того, они подтвердили и свое собственное наблюдение, что после достаточно сильной электрической стимуляции мембраны ионы натрия поступают в клетку в течение приблизительно 0,001 секунды, меняя напряжение на мембране с –70 до +40 милливольт и тем самым обеспечивая фазу нарастания потенциала действия. За усиленным притоком натрия почти сразу следует резкое усиление оттока калия, которое обеспечивает реполяризацию мембраны и возвращает мембранный потенциал к его исходному значению.
Но как клеточная мембрана регулирует эти изменения проводимости для ионов натрия и калия? Ходжкин и Хаксли предположили, что существуют ионные каналы особого, ранее не предвиденного класса, у которых имеются “дверцы” или “ворота”, способные открываться и закрываться. Согласно их гипотезе, по мере распространения потенциала действия по аксону ворота натриевых, а сразу вслед за ними и калиевых каналов открываются и вскоре закрываются. Ходжкин и Хаксли также поняли, что, поскольку эти ворота открываются и закрываются очень быстро, воротный механизм должен регулироваться разностью потенциалов на клеточной мембране. Поэтому они назвали такие натриевые и калиевые каналы потенциал-зависимыми каналами (
Когда нейрон пребывает в состоянии покоя, потенциал-зависимые каналы закрыты. Когда стимулятор повышает мембранный потенциал до порогового уровня, например с –70 до –55 милливольт, потенциал-зависимые натриевые каналы открываются, и ионы натрия устремляются внутрь клетки, вызывая краткое, но резкое увеличение количества положительных зарядов и поднимая мембранный потенциал до +40 милливольт. В ответ на это изменение мембранного потенциала натриевые каналы, открывшись на некоторое время, закрываются, а потенциал-зависимые калиевые каналы ненадолго открываются, увеличивая отток положительно заряженных ионов калия из клетки и быстро возвращая мембранный потенциал к состоянию покоя, – 70 милливольт (рис. 5–5).
5–5. Модель потенциала действия Ходжкина – Хаксли, полученная благодаря использованию внутриклеточного электрода. Приток положительно заряженных ионов натрия (Na+) меняет суммарный заряд внутри клетки и вызывает нарастание потенциала действия. Почти сразу открываются и калиевые каналы, и ионы калия (K+) вытекают из клетки, обеспечивая реполяризацию мембраны и возвращая мембранный потенциал на исходный уровень.
Каждый потенциал действия оставляет клетку с чем должно быть, количеством натрия внутри и с количеством калия снаружи. Ходжкин выяснил, что этот дисбаланс исправляется особым белком, который транспортирует избыточные ионы натрия из клетки, а ионы калия – в клетку. В конечном итоге исходные градиенты концентраций натрия и калия восстанавливаются.
После того как потенциал действия возникает на одном участке аксона, создаваемый при этом ток возбуждает соседние участки, вызывая потенциал действия и на них. Происходящая в результате цепная реакция обеспечивает передачу потенциала действия по всей длине аксона от места, где он был вызван первоначально, до окончаний аксона, подходящих к другому нейрону (или мышечной клетке). Этим способом от одного конца нейрона к другому передаются сигналы, обеспечивающие зрительные ощущения, движения, мысли и воспоминания.
За свою концепцию, теперь известную как ионная гипотеза, в 1963 году Ходжкин и Хаксли вместе получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Впоследствии Ходжкин говорил, что премия должна была достаться кальмару, гигантский аксон которого сделал их эксперименты возможными. Но это проявление скромности не отдает должного сделанным этими двумя исследователями замечательным открытиям – открытиям, которые дали научному сообществу, в том числе новообращенным вроде меня, уверенность в том, что мы сможем разобраться в передаче сигналов в мозге и на более глубоком уровне.
Когда в нейробиологии стали применять молекулярно-биологические методы, выяснилось, что потенциал-зависимые натриевые и калиевые каналы представляют собой белки. Молекулы этих белков пронизывают клеточную мембрану насквозь и содержат заполненный жидкостью проход – ионную пору, по которой канал и пропускает ионы. Ионные каналы имеются в каждой клетке тела, не только в нейронах, и все они поддерживают мембранный потенциал покоя по тому же принципу, который некогда сформулировал Бернштейн.
Ионная гипотеза примерно так же, как до нее нейронная доктрина, упрочила связь между клеточной биологией мозга и другими областями клеточной биологии. Она окончательно доказала, что в работе нервных клеток можно разобраться, используя физические принципы, общие для всех клеток. Что особенно важно, ионная гипотеза подготовила почву для изучения механизмов передачи нейронных сигналов на молекулярном уровне. Универсальность и предсказательная сила ионной гипотезы объединили в единую дисциплину клеточные исследования нервной системы: эта гипотеза сделала для клеточной биологии нейронов то же, что открытие структуры ДНК – для всей биологии.
В 2003 году, через пятьдесят один год после того, как была сформулирована ионная гипотеза, Родерик Маккиннон из Рокфеллеровского университета удостоился Нобелевской премии по химии за получение первых трехмерных изображений расположения атомов в молекулах двух ионных каналов – проточного калиевого и потенциал-зависимого калиевого. Некоторые свойства, выявленные Маккинноном путем весьма новаторского структурного анализа этих двух белков, уже были предсказаны с поразительной проницательностью Ходжкином и Хаксли.
Поскольку движение ионов по каналам через клеточную мембрану имеет принципиальное значение для работы нейронов, а работа нейронов – принципиальное значение для психической деятельности, неудивительно, что мутации в генах, кодирующих белки ионных каналов, вызывают болезни. В 1990 году стало возможным сравнительно несложное и точное определение молекулярных дефектов, ответственных за генетические болезни человека. Вскоре после этого один за другим были выявлены дефекты ионных каналов, лежащие в основе ряда неврологических нарушений работы мышц и мозга.
Такие нарушения теперь называют каналопатиями, или нарушениями функции ионных каналов. К примеру, наследственная идиопатическая эпилепсия (наследственная эпилепсия новорожденных) оказалась связана с мутациями в генах, кодирующих белок калиевого канала. Последними достижениями в исследовании каналопатий и разработкой специфических методов лечения этих нарушений мы непосредственно обязаны обширному запасу знаний о работе ионных каналов, накопленному благодаря Ходжкину и Хаксли.
6. Разговор нервных клеток
Я пришел в лабораторию Гарри Грундфеста в 1955 году, вскоре после того, как в нейробиологии возник серьезный спор о том, как нейроны передают сигналы друг другу. Эпохальные работы Ходжкина и Хаксли позволили разрешить давнюю загадку, как электрические сигналы возникают в нейронах, но как они распространяются между нейронами? Чтобы один нейрон мог “говорить” с другим, он должен посылать сигнал через синапс, промежуток между клетками. Что же это за сигнал?
Грундфест и другие ведущие нейрофизиологи того времени твердо верили, пока в начале пятидесятых их представления не опровергли, что этот краткий сигнал, передающийся через промежуток между клетками, имеет электрическую природу, что потенциал действия в постсинаптическом нейроне начинается благодаря электрическому току, вызванному потенциалом действия в пресинаптическом нейроне. Но начиная с конца двадцатых стали накапливаться данные, свидетельствующие о том, что сигнал, передающийся между некоторыми нервными клетками, может иметь химическую природу. Эти данные были получены в ходе исследований нейронов вегетативной или автономной нервной системы. Вегетативная нервная система считается частью периферической, потому что тела ее нейронов располагаются в скоплениях, называемых периферическими вегетативными ганглиями, которые находятся возле самого спинного мозга и мозгового ствола, но за их пределами. Автономная нервная система управляет жизненно важными непроизвольными действиями, такими как дыхание, сердцебиение, поддержание кровяного давления и пищеварение.
Эти новые данные положили начало химической теории синаптической передачи и привели к спору, который в шутку называли “суп или искра”: “искровики”, такие как Грундфест, считали, что синаптическая передача имеет электрическую природу, “суповики” – что химическую.
Химическая теория синаптической передачи возникла благодаря исследованиям Генри Дейла и Отто Леви. В двадцатых годах и начале тридцатых они изучали сигналы, посылаемые вегетативной нервной системой в сердце и некоторые железы. Работая независимо друг от друга, они открыли, что, когда потенциал действия, распространяющийся по нейрону вегетативной нервной системы, достигает окончаний его аксона, он вызывает выделение определенного химического вещества в синаптическую щель. Это вещество, которое мы теперь называем нейромедиатором, преодолевает синаптическую щель и достигает клетки-мишени, где его узнают и связывают особые рецепторы, расположенные на наружной поверхности мембраны этой клетки.
Леви, родившийся в Германии и работавший в Австрии физиолог, исследовал те два нерва, то есть пучка аксонов, которые управляют сердцебиением: блуждающий нерв, снижающий частоту сердцебиения, и ускоряющий нерв сердца, повышающий эту частоту. В ходе ключевого эксперимента на лягушках он стимулировал блуждающий нерв, вызывая в нем потенциалы действия, приводившие к снижению частоты сердцебиения. При этом во время и сразу после стимуляции блуждающего нерва он быстро собирал жидкость, окружающую сердце лягушки, и вводил эту жидкость в сердце другой лягушки. Как ни удивительно, у второй лягушки тоже замедлялось сердцебиение! Это не было вызвано никакими потенциалами действия, вместо них вещество, выделяемое блуждающим нервом первой лягушки, передавало замедляющий сердце сигнал.
Впоследствии Леви и британский фармаколог Дейл показали, что вещество, выделяемое блуждающим нервом, представляет собой несложное химическое соединение ацетилхолин. Ацетилхолин играет роль нейромедиатора и замедляет сердцебиение, связываясь с особым рецептором. Вещество, выделяемое ускоряющим нервом сердца, родственно адреналину, еще одному несложному соединению. За открытие первых свидетельств того, что сигналы, передаваемые от одного нейрона вегетативной нервной системы к другому через синапсы, переносятся специфическими химическими медиаторами, Леви и Дейл в 1936 году разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
Через два года после получения Нобелевской премии Леви на собственном опыте убедился в том, с каким презрением австрийские нацисты относились к науке. Через день после того, как Гитлер въехал в Австрию под приветственные крики миллионов моих сограждан, Леви, ученый, двадцать девять лет работавший профессором фармакологии в Грацском университете, оказался за решеткой, потому что был евреем. Через два месяца его отпустили при условии, что он переведет свою долю Нобелевской премии, по‑прежнему хранившуюся в шведском банке, в контролируемый нацистами австрийский банк и немедленно покинет страну. Так он и сделал и вскоре стал профессором в медицинской школе Нью-Йоркского университета, где несколько лет спустя мне довелось присутствовать на его лекции о сделанном им открытии химической передачи сигналов в сердце.
Новаторские работы Леви и Дейла по исследованию вегетативной нервной системы убедили многих нейробиологов, имевших уклон в фармакологию, что клетки центральной нервной системы, по‑видимому, тоже используют нейромедиаторы для передачи сигналов через синаптическую щель. Однако некоторые электрофизиологи, в том числе Джон Экклс и Гарри Грундфест, продолжали в этом сомневаться. Они признавали значение химической передачи для вегетативной нервной системы, но были убеждены, что в головном и спинном мозге сигналы передаются просто слишком быстро, чтобы иметь химическую природу. Поэтому они по‑прежнему придерживались теории электрической передачи применительно к центральной нервной системе. Экклс выдвинул гипотезу, что ток, производимый потенциалом действия в пресинаптическом нейроне, пересекает синаптическую щель и входит в постсинаптическую клетку, где усиливается, запуская в этой клетке потенциал действия.
Когда методы регистрации электрических сигналов усовершенствовались, в синапсах между мотонейронами и скелетными мышцами был обнаружен слабый электрический сигнал – доказательство того, что потенциал действия пресинаптического нейрона не сразу вызывает в мышечной клетке потенциал действия, а вначале порождает в ней намного более слабый сигнал особого рода, названный синаптическим потенциалом. Оказалось, что синаптические потенциалы отличаются от потенциалов действия по двум параметрам: они намного медленнее, а их амплитуда может варьировать. Поэтому на репродукторе вроде того, который использовал Эдриан, синаптический потенциал звучал бы как тихое, медленное продолжительное шипение, а не как резкое “бах-бах-бах” потенциала действия, причем громкость этого шипения могла бы варьировать. Открытие синаптического потенциала доказывало, что нервные клетки используют два типа электрических сигналов: потенциал действия для передачи сигналов на большие расстояния и синаптический потенциал для локальной передачи, чтобы переправить информацию через синапс.
Экклс сразу осознал, что именно синаптические потенциалы ответственны за открытую Шеррингтоном “интегративную деятельность нервной системы”. В любой момент времени на всякую клетку любого проводящего пути сыплется множество синаптических сигналов, как возбуждающих, так и тормозящих, но у клетки есть только две альтернативы: запускать или не запускать потенциал действия. Более того, базовая задача нервной клетки состоит именно в интеграции сигналов: клетка суммирует получаемые ею от пресинаптических клеток возбуждающие и тормозящие синаптические потенциалы и запускает потенциал действия лишь тогда, когда сумма возбуждающих сигналов превышает сумму тормозящих на величину, чем некоторое пороговое значение. Экклс понял, что именно способность нейронов суммировать все возбуждающие и тормозящие синаптические потенциалы, поступающие по ведущим к данному нейрону аксонам других нейронов, и обеспечивает описанное Шеррингтоном постоянство поведенческих реакций.
К середине сороковых годов сторонники обеих теорий признали, что синаптический потенциал возникает во всех постсинаптических клетках и составляет ключевое связующее звено между потенциалом действия в пресинаптическом и постсинаптическом нейронах. Но это открытие лишь уточняло предмет разногласий: электрическим или химическим путем вызываются синаптические потенциалы в центральной нервной системе?
Дейл и его коллега Уильям Фельдберг, еще один эмигрант из Германии, совершили прорыв в этой области, установив, что ацетилхолин, который используется в автономной нервной системе для замедления сердца, выделяется также мотонейронами спинного мозга, возбуждающими скелетные мышцы. Это открытие подвигло Бернарда Каца разобраться, вызывается ли синаптический потенциал в скелетных мышцах ацетилхолином.
Кац, учившийся медицине в Лейпцигском университете и еще студентом получивший за свои исследования престижную премию, покинул гитлеровскую Германию в 1935 году – потому что был евреем. Он переехал в Англию, где его взяли в лабораторию Арчибальда Хилла в Университетском колледже Лондона. В феврале этого года Кац прибыл в английский порт Харвич, не имея при себе паспорта, и это был, как он впоследствии вспоминал, “жуткий опыт”. Через три месяца после этого Кац присутствовал на конференции в Кембридже, где сидел в первых рядах во время перебранки на тему “суп или искра”. “К моему огромному изумлению, – писал он впоследствии, – я был свидетелем чуть ли не рукопашного боя между Дж. Экклсом и Г. Дейлом, в котором председательствующий Эдриан очень смущенно и неохотно пытался играть роль судьи”. Джон Экклс, лидер “искровиков”, представил работу, решительно оспаривавшую ключевой тезис лидера “суповиков” Генри Дейла и его коллег – что ацетилхолин играет в нервной системе роль медиатора, передавая сигналы по синапсам. “Мне было довольно сложно уловить нить этого спора, так как я был не вполне знаком с терминологией, – вспоминал Кац. – Слово ‘медиатор’ напоминало мне что‑то из области радиосвязи, и поскольку в итоге получалась бессмыслица, предмет спора приводил меня в некоторое замешательство”.
На самом деле, не считая того, что приводило Каца в замешательство, одна из проблем с химическими медиаторами состояла в том, что никто не знал, как электрический сигнал в пресинаптическом окончании может вызывать выделение медиатора и как затем этот химический сигнал в постсинаптическом нейроне преобразовывается в электрический. В течение следующих двух десятилетий Кац принимал участие в попытках ответить на эти вопросы и прояснить для центральной нервной системы то, что Дейл и Леви прояснили для вегетативной.
Однако, как и в случае с Ходжкином и Хаксли, угроза войны на время прервала работу Каца. В августе 1939 года, за месяц до того, как разразилась Вторая мировая, Кац, чувствовавший себя в Лондоне неуютно как чужестранец из Германии, принял предложение Джона Экклса, который приглашал его в Австралию на работу в своей лаборатории в Сиднее.
Случилось так, что еще один ученый, уехавший из Европы, спасаясь от нацистов, Стивен Куффлер, который тоже оказал на меня большое влияние, также в итоге оказался в Сиднее и стал работать в лаборатории Экклса (рис. 6–1). Куффлер начинал как врач, затем стал физиологом. Он родился в Венгрии, а учился в Вене, откуда в 1938 году уехал, потому что в придачу к тому, что его дедушка был еврей, сам он был социалистом. В Австрии Куффлер был чемпионом по теннису среди юношей и впоследствии шутил, что Экклс пригласил его в свою лабораторию потому, что ему требовался достойный партнер по теннису. Хотя Экклс и Кац как ученые были намного опытнее, Куффлер поразил их своим хирургическим искусством. Препарируя мышцы, он умел выделять отдельные волокна, чтобы исследовать синаптический вход одного мотонейрона к одному мышечному волокну, а для этого требовалось редкое мастерство.
6–1. Трое первопроходцев в области исследований синаптической передачи вместе работали в Австралии во время Второй мировой войны, а впоследствии внесли весомый вклад в эту область независимо друг от друга. Стивен Куффлер (слева, 1918–1980) описал свойства дендритов раков, Джон Экклс (в центре, 1903–1997) открыл синаптическое торможение в спинном мозгу, а Бернард Кац (справа, 1911–2002) прояснил механизмы синаптического возбуждения и химической передачи сигналов. (
Всю войну Кац, Куффлер и Экклс работали вместе, споря о том, химическим или электрическим путем передаются сигналы от нейронов к мышцам. Экклс пытался разобраться, почему эти сигналы передаются быстро, несмотря на данные, свидетельствующие в пользу химической передачи, которая, по его убеждению, должна была идти медленно. Он предположил, что синаптический потенциал включает два компонента: незамедлительный быстрый процесс, связанный с электрическим сигналом, и длительное последействие, связанное с химическим медиатором, таким как ацетилхолин. Кац и Куффнер стали новоиспеченными “суповиками”, когда им удалось получить данные, говорящие о том, что даже первый компонент синаптического потенциала в мышцах вызывает химическое соединение – ацетилхолин. В 1944 году, когда Вторая мировая война уже приближалась к концу, Кац вернулся в Англию, а Куффлер уехал в Соединенные Штаты. В 1945 году Экклс принял предложение занять должность профессора в университете города Данидин в Новой Зеландии и основал там новую лабораторию.
Поделиться книгой: