Как ни плотно упакованы в мозгу нервные и глиальные клетки, между ними всегда находится межтканевая жидкость. Ее состав серьезно отличается от того, что находится внутри нейрона. В протоплазме нервной клетки в десять раз меньше натрия, чем во внеклеточной жидкости, и примерно в десять раз больше калия. Для клетки чрезвычайно важно, чтобы ее внутриклеточная среда не менялась, а между тем ее тонкая оболочка не может быть непреодолимым препятствием для ионов натрия и калия. Они просачиваются в поры между молекулами липидов, благодаря чему клеточная среда беспрерывно обогащается натрием и не менее интенсивно теряет калий.

Хотя нейронная мембрана дырява, это не снимает с нее ответственности за поддержание постоянства внутриклеточной среды, в том числе и в отношении ионов калия и натрия. Не имея возможности стать для них серьезным препятствием, клеточная оболочка нейрона обзавелась натриево-калиевыми насосами, которые выкачивают из клетки излишки проникших туда ионов натрия и пополняют убыль в ионах калия.

Натриевый и калиевый насосы представляют собой крупные белковые молекулы, но могут быть смонтированы из нескольких более мелких белковых молекул. Даже совсем небольшой нейрон имеет около миллиона натриево-калиевых насосов, способных перекачивать за одну секунду до 200 миллионов ионов натрия и 130 миллионов ионов калия каждый. Не всегда работа насосов протекает столько энергично, но все же им приходится совершать постоянную напряженную работу, чтобы как-то скомпенсировать ненадежность самой мембраны.

Кроме насосов в стенке нейрона существуют каналы для пропуска ионов натрия, калия и кальция. Они также построены из белковых молекул. Каналы устроены так, что они могут открываться и закрываться. Как это происходит, пока выяснить не удалось, но особенно удивляться здесь нечему. Белковые молекулы способны менять свою конфигурацию, например, сжиматься. На этом, кстати, основана работа мышц.

Каналы устроены так, что преимущественно пропускают ионы какого-то одного типа, например натрия или калия. Свойство поистине удивительное, если иметь в виду, что калиевый канал, свободно пропускающий ионы калия, на каждые сто его ионов позволяет просочиться лишь семи значительно более мелким ионам натрия. Видимо, они устроены так, что к их стенкам «прилипают» ионы любых веществ, не предназначенных для прохождения по данному каналу.

«Двери» каналов снабжены надежными запорами. Как устроены эти замки, пока недостаточно ясно, но ключи к ним известны. Одни из них отпираются и запираются электрическим ключом, для других ключом служат молекулы особых веществ – медиаторов. Рассказ о химических ключах еще впереди. Сейчас нам важно знать лишь о том, что происходит с нейроном, когда широко открываются каналы в его оболочке.

Благодаря тому что внутри нейрона иная концентрация ионов натрия и калия, чем снаружи, а каждый ион несет положительный или отрицательный заряд, внутренняя среда нервной клетки оказывается на 70 милливольт заряжена более отрицательно, чем ее поверхность. Отрицательный заряд, называемый потенциалом покоя, сохраняется до тех пор, пока нервная клетка бездействует.

Но вот нервный импульс одного нейрона добежал по его аксону до дендритов или даже до поверхности тела другого, находящегося в состоянии покоя. Химический ключ открывает в его оболочке натриевые каналы, и натрий бурными многочисленными потоками устремляется внутрь клетки. Благодаря проникновению в нейрон огромного количества положительно заряженных ионов натрия отрицательный внутриклеточный потенциал сменяется на положительный.

Натриевые каналы работают одно мгновение и тотчас закрываются, а им на смену открываются калиевые каналы, и теперь калий начинает бурно покидать нейрон. Ионы калия тоже заряжены положительно. Покидая нейрон, они уменьшают его заряд, и тот снова становится отрицательным, достигая обычной величины минус 70 милливольт.

Хотя в том месте клеточной мембраны, где только что были открыты натриевые и калиевые каналы, все очень скоро приходит в норму, дело этим не ограничивается. Снижение и изменение знака внутриклеточного потенциала является ключом, отпирающим и запирающим ионные каналы на соседних участках клеточной мембраны. Если в основании главного нервного отростка – аксона внутриклеточный заряд уменьшается, тотчас в непосредственной близости от этого места распахиваются двери натриевых каналов, и там почти мгновенно начинает падать величина электрического потенциала, отпирая двери в соседнем участке нервного волокна. Так отпирая и запирая ионные каналы в оболочке нервного волокна, проносится по аксону волна изменения потенциала – нервный импульс, пока не добежит до синапсов. А там он может перескочить и на соседний нейрон, но об этом разговор будет особый.

Интересно, что стремительный бег по нервному волокну биоэлектрического потенциала, когда ему ничто не мешает, совершается медленнее, чем скачки с препятствиями. Только у низших животных нервные волокна бывают «голыми». В мозгу человека большинство аксонов, кроме клеточной мембраны, имеют дополнительную электроизоляцию. Эту функцию выполняют большие плоские швановские клетки, создающие для него несколько слоев надежной изоляции, накрученные, как изоляционная лента, на нервное волокно.

Муфты швановских клеток, надетые на аксон, не соприкасаются друг с другом. Между ними остаются узкие щели – перехваты Ранвье. Только здесь нервное волокно непосредственно соприкасается с внеклеточной жидкостью. Поэтому в нервной системе человека волна распространяющегося нервного импульса не бежит плавно, а движется скачками от одного перехвата к другому, что весьма ускоряет процесс распространения импульса.

Таким образом, одежда нейрона – его оболочка не только обеспечивает целостность и самостоятельность нервной клетки. Она ответственна за возникновение в нем возбуждения, за распространение этого возбуждения по отросткам нейрона и, как мы увидим дальше, имеет прямое отношение к переходу возбуждения с одного нейрона на другой. Роль одежды нейрона столь велика, что изучению нейронных мембран сейчас посвящается больше исследований, чем любым другим структурам нервной клетки.

Нейрон в «тисках»

Нейрон-крохотуля скрыт в глубинах мозговой ткани. В живом мозгу его не увидишь, не найдешь. Как же удалось узнать о его деятельности такие подробности? Казалось бы, что для исследования нужно «вырубить» нервную клетку из толщи мозга, извлечь наружу, зажать для устойчивости в «тиски». Только теперь можно начать исследование: ввести в нее микроэлектрод или микропипетку и попробовать выяснить, что происходит у нее внутри, что проникает туда через стенку и что выделяется наружу. Фантастическая картина! Но как иначе приступить к изучению нейрона? За такую ювелирную работу не взялся бы даже знаменитый лесковский Левша. И действительно, еще недавно ученые ни о чем подобном и мечтать не смели. А почему бы и нет? – задали вопрос киевские ученые Института физиологии, из лаборатории академика П.Г. Костюка, – и приступили к исследованию.

Первой задачей, вставшей на пути ученых, стала необходимость осуществить демонтаж мозга. Его нужно было разобрать на отдельные нейроны, но сделать более деликатно, чем это делали химики, чтобы сохранить нервные клетки живыми.

За большой и сложный мозг млекопитающих киевляне не взялись. Для начала был выбран объект попроще – нервный ганглий улитки, вроде тех, что живут в каждом самом маленьком пруду. Выбор моллюсков в качестве объекта исследования был сделан по целому ряду причин. Главная заключалась в том, что многие нейроны нервной системы улиток имеют «гигантские» размеры. Они такие большие, что видны простым глазом, без микроскопа или увеличительного стекла. Кроме того, они лежат на поверхности нервного ганглия, и поэтому добраться до них совсем не трудно. А что до того, что вместо нейрона человеческого мозга для исследования взят нейрон весьма примитивного существа, так ученые уже имели возможность неоднократно убедиться, что работа нейронов высокоразвитых и низших животных не имеет существенных различий.

Неожиданно оказалось, что разобрать нервный ганглий улитки на отдельные клетки совсем не трудно. Ганглий удалось растворить, воспользовавшись давнишним изобретением природы – пищеварительным ферментом пепсином, с помощью которого у нас в желудке перерабатывается мясная пища. Оказалось возможным подобрать такую концентрацию фермента, при которой в мозгу улитки растворяется все, в том числе связи между клетками, а мембрана нейрона не повреждается. Нейрон – очень важная деталь мозга, неудивительно, что она одета в гораздо более прочную, чем другие клетки организма, оболочку, способную уберечь ее от многих неприятностей.

Все же извлечь из мозга нейрон в абсолютно не поврежденном виде пока не удается. Невозможно выплести из ткани ганглия тонюсенькие отростки нервной клетки. Они легко рвутся. Ученых очень беспокоил вопрос – как залечить или заделать дырки в местах обрыва отростков, чтобы вещество клетки не выливалось наружу, как льется вода из крана, если оставить его открытым? К счастью, опасения оказались необоснованными. Нервные клетки снабжены удивительным механизмом самовосстановления. Чуть только произошел обрыв отростка, оболочка на конце культи начинает сжиматься. Мгновенье-другое, и рана закрылась. Еще две-три секунды, и клетка полностью здорова. Можно приступать к изучению ее деятельности.

Чудеса на этом не кончились. В Киеве для нервной клетки удалось соорудить даже «тиски». Их конструкция предельно проста. В центре тонкой металлической пластинки высверливается микроскопический конусообразный канал. Его размер подбирается таким образом, чтобы верхнее, входное отверстие было чуть больше нейрона, а нижнее, выходное – чуть меньше. Готовой пластинкой перегораживают крохотный сосуд. В его верхнюю часть наливают специальный раствор, чтобы нервная клетка могла чувствовать себя нормально, и опускают туда нейрон, извлеченный из мозга улитки. Жидкость просачивается сквозь отверстие в перегородке – и в конце концов засосет в канал нейрон. Если его стенки предварительно смазать специальным клеем, а в арсенале ученых нашелся и он, то нервная клетка, попав в отверстие, прилипает к его стенкам и прочно закрепляется. Зажатый в «тисках» нейрон – прекрасный объект для исследования. В крупные клетки моллюсков удается одновременно ввести до пяти стеклянных электродов. Нейроны удивительно выносливы. Пронзенные несколькими электродами, они много часов проживут в питательном растворе и будут нормально работать.

Нейрон слишком сложный объект. Даже извлеченный из мозга и прочно закрепленный, пронзенный несколькими электродами, он продолжает хранить свои тайны. Исследование пошло бы быстрее, если бы и нейрон удалось разобрать на составные части. В первую очередь исследователям хотелось получить кусочек живой, полноценной, надежно закрепленной мембраны, чтобы ее было удобно исследовать.

Удалось осуществить и этот фантастический проект. Для изготовления препарата используют зажатый в «тисках» нейрон. Мы уже неоднократно сталкивались с тем, насколько прочна и устойчива его оболочка. Действительно прочна, но есть немало способов, на первый взгляд совсем безобидных, позволяющих ее повредить. Кальций – один из важных компонентов жизнедеятельности нейрона. Обработка нервной клетки раствором, не содержащим кальция, приводит к появлению в его оболочке множества ультрамикроскопических отверстий. В результате она превращается в мелкое сито, легко отсеивающее мелкие ионы натрия, калия, кальция, хлора. Значительно более крупные молекулы белков и других органических веществ пройти через эти отверстия не могут. Подготовленная таким образом клетка сохраняет все, что ей необходимо для жизни, хорошо себя чувствует и нормально функционирует.

Подготовить такой опыт не трудно. В нейрон, зажатый в «тисках», вводят нужное количество электродов, а мембрану, выступающую в нижний сосуд, обрабатывают бескальциевым раствором, превращая ее в сито. Теперь можно управлять составом солей внутри нейрона. Нервная клетка так мала, а отверстий в ее оболочке возникает так много, что если быстро сменить раствор в нижней части сосуда, так же быстро, почти мгновенно, изменится солевой состав и внутри клетки. Теперь, по желанию экспериментаторов, можно было создавать в протоплазме нейрона любую концентрацию ионов натрия, калия, кальция и хлора. В руках ученых фактически оказался кусочек оболочки нервной клетки, но кусочек вполне полноценный, сохранивший собственную протоплазму и ядро, по-прежнему окруженный заботами собственного «комбината бытовых услуг» и поддержкой собственного энергетического центра. Этот уникальный препарат и позволил изучить работу «электростанции» нейрона, выяснить, как мембрана генерирует ионные насосы и какова их роль в распространении нервного импульса. Как и окружающая Вселенная, микрокосмос нашего мозга оказался вполне доступным для изучения.

Посредник

Еще лет пятьдесят назад размеры нашей страны, тем более всей планеты, подавляли своей необъятностью. Сотрудники Аэрофлота справедливо утверждают, что развитие авиации сильно сократило расстояния. Для общения народов оно теперь не помеха. Трудность в другом – в языковом барьере. Сейчас на земле существует более двух с половиной тысяч языков – явное излишество для ставшей тесноватой планеты.

Многоязычие создает колоссальные трудности. Особенно страдают ученые, которым необходимо оперативно знакомиться с новой информацией, публикуемой их коллегами на своих родных языках. Чтобы как-то выйти из этого положения, европейские ученые раньше использовали латынь. Мертвый язык, на котором не говорил ни один народ, постепенно потерял свое значение. Время от времени делались попытки создать искусственный международный язык. Наибольшее распространение получил эсперанто.

Ни один из искусственных языков пока не завоевал всеобщего признания, и языковой барьер до сих пор вносит в работу международных организаций колоссальные трудности. Этот барьер пытаются преодолеть разными путями. Особенно трудно малым странам. Хотя датский язык принят в руководящих органах Европейского экономического сообщества, на международной арене датчанам редко приходится сталкиваться с людьми, владеющими их родным языком. Неудивительно, что продолжаются настойчивые попытки «перепрыгнуть» через барьер. Дело дошло до того, что датская газета «Политикен» выступила инициатором широкой дискуссии о переходе датчан на… английский язык.

Перед клетками мозга стоят те же проблемы – расстояние и взаимопонимание. Первая проблема, как мы уже видели, решается просто. Длинные отростки нервных клеток – аксоны дотягиваются до любых районов мозга. Сложнее со взаимопониманием. Два нейрона – два самостоятельных государства. Природа должна была изобрести механизм, позволяющий одному нейрону, получившему заслуживающую внимания информацию, не только довести ее до сведения других нейронов мозга, но и добиться того, чтобы они на нее отреагировали.

Немало усилий пришлось затратить ученым, чтобы выяснить как общаются между собой нейроны. Уже давно было известно, что по отросткам нервных клеток, как по телеграфным проводам, бегут биоэлектрические импульсы. Физиологи подозревали, что этот импульс, дойдя до синапса – места, где отросток одной нервной клетки касается отростка или тела другой нервной клетки, вызывает в соседнем нейроне ответную электрическую реакцию. Такой путь перехода возбуждения с нейрона на нейрон действительно существует у примитивных животных, и соответствующие синапсы даже получили название электрических. Однако у человека дело обстоит значительно сложнее.

«Выведать» механизм общения нейронов, как ни странно, помогли американские индейцы. Захват и разграбление великих индейских империй, начатый Эрнандо Кортесом и Франсиско Писарро, протекал бы значительно быстрей, если бы у индейцев не было их страшного смертоносного оружия – отравленных ядом стрел. Особенно оно досаждало завоевателям, пытавшимся проникнуть в покрытые девственными тропическими лесами районы континента. Крохотной царапины, сделанной отравленной стрелой, оказывалось достаточно, чтобы убить человека или лошадь. Возвращаясь в Европу, конкистадоры вместе с награбленными богатствами привозили домой страшные рассказы о воинственных индейцах, а иногда в их сундуках оказывалось и само оружие коренных жителей Америки.

Стрельный яд, который использовали индейцы, называется кураре. Его получали из коры, корней и молодых побегов ядовитых тропических растений. Им смазывались наконечники боевых стрел. Через некоторое время сироп твердел, и стрела была готова. Действие яда сказывалось быстро. Сначала наступал паралич шейной мускулатуры, потом отказывали конечности. Несколькими минутами позже прекращалась работа дыхательной мускулатуры и раненый умирал от удушья.

Вряд ли в те времена кто-нибудь всерьез задумывался над механизмом действия яда. Людям казалось, что само слово «яд» исчерпывающе объясняет причину смерти: отравился, и все тут. Первым над способностью отравленных стрел почти мгновенно отнимать жизнь серьезно задумался выдающийся французский физиолог Клод Бернар. Он был очень удивлен, обнаружив, что у только что погибших от кураре животных раздражение нервов не вызывает сокращения мышц. Это казалось чрезвычайно странным, так как обычно мышца, иссеченная вместе с нервом у убитого животного, длительное время способна отвечать сокращением на его раздражение. Тщательно изучив необычное поведение нервно-мышечного препарата, ученый с удивлением убедился в том, что у отравленного кураре животного мышцы не теряли способности сокращаться, а нервы – проводить возбуждение, то есть передавать распоряжения нервных клеток. Почему же нервный импульс, добежав до вполне полноценной, способной к сокращению мышцы, тем не менее не вызывает ее сокращения? Это могло означать только одно: распоряжения нейронов, посылаемые мышцам, почему-то до них не доходят, видимо застревая в синапсах.

Клоду Бернару ничего достоверно выяснить не удалось, но он высказал догадку, впоследствии получившую экспериментальное подтверждение, что синапс работает как телеграфный аппарат, только, вместо того чтобы печатать распоряжения на бумажной ленте, издает для мышц химические приказы.

С догадками оперировать гораздо проще, чем с фактами. Предположение Бернара о способах передачи мышцам распоряжений нервных клеток перенесли и на общение нейронов. Но как подступиться к такому исследованию? Как уже говорилось, внутри синапсов оболочки двух контактирующих клеток друг с другом непосредственно не соприкасаются. Если химические «приказы» действительно отправляются, то скорее всего именно сюда, в узкую щель между оболочками контактирующих клеток. Но как извлечь оттуда это гипотетическое вещество?

Совершенно очевидно, что в каких бы мизерных дозах ни выделялся химический приказ, часть этого вещества в конце концов должна попасть в кровь. Значит, получить небольшую порцию передатчика не так уж сложно. Конечно, целый большой мозг для задуманного исследования не годился. Для эксперимента выбрали один из ганглиев вегетативной нервной системы, имеющихся у всех высших животных.

Исследование было организовано элементарно просто. Нервный стволик, идущий к симпатическому нервному ганглию, раздражали ритмическими ударами электрического тока. В ответ на каждый электрический импульс в синапсах ганглия должны были «издаваться» химические приказы. Чтобы ознакомиться с ними, нужно было собрать оттекающую от ганглия кровь, а еще лучше – пропустить по сосудам ганглия солевой раствор. В нем легче, чем в крови, нащупать новое, постороннее вещество. Но как его там обнаружить, ведь оно должно находиться там в ультрамикроскопических количествах? И как доказать, что в растворе находятся именно химические приказы, а не какие-то другие примеси?

Чтобы ответить на этот вопрос, не пришлось создавать специальный чувствительный прибор. Его удалось найти в самом организме. Оказалось, что, если солевым раствором, пропущенным по сосудам ганглия, подействовать на мышцу, она ответит сокращением. Некоторые химические приказы, предназначенные для общения нервных клеток, понятны и мышцам. Таким образом, существование химических приказов было доказано, а вещества, используемые для передачи информации от клетки к клетке, получили название медиаторов. Сейчас известно более 30 веществ, которые подозреваются в способности передавать информацию нейронов, и, надо думать, выявлены еще далеко не все.

Зачем понадобилась мозгу такая уйма медиаторов? Ответить на этот вопрос сейчас вряд ли кто-нибудь сможет. Видимо, чтобы не происходило путаницы. Раз утечка в кровь некоторого количества медиаторов возможна, значит, они могут попасть на оболочку любого нейрона и вызвать в нем возбуждение, хотя данный приказ ему вовсе не предназначался. Возможно, поэтому в каждой внутримозговой системе работает собственный медиатор, и общение происходит на собственном «национальном» языке. Это предохраняет от возникновения путаницы и сбоев в работе мозга, от вмешательства соседних нейронов в работу изолированных мозговых систем.

В химическом отношении медиаторы являются или моноаминами, то есть веществами, в состав которых входит одна аминогруппа – атом азота с двумя атомами водорода, или аминокислотами, тоже непременно имеющими в своем составе аминогруппу. Общим для всех этих веществ является то, что молекулы их невелики и атом азота, входящий в аминогруппу, несет положительный заряд. Интересно, что один и тот же медиатор может использоваться и в тормозных и в возбудительных синапсах.

Если историю изучения медиаторов рассказать подробно от расшифровки механизма синтеза и транспортировки до выяснения принципов использования, получится большой приключенческий роман. Здесь же придется ограничиться лишь рассказом о самом главном.

Синтез сложных молекул возможен лишь в самой нервной клетке, так как для этого требуется участие клеточного ядра. Отсюда ее продукция «течет» по шлангам отростков нервных клеток, добираясь до самых удаленных окончаний аксона, где используется большая часть доставляемых сюда веществ.

Еще лет тридцать назад никому и в голову не приходило, что древние греки были правы, предположив, что нервы представляют собою трубопроводы. В это особенно трудно поверить, зная, что в каждом нерве упаковано огромное количество тонюсеньких нервных отростков. И все-таки они действительно используются как трубы, только трубы совершенно фантастические.

Непонятно, как по такой тонюсенькой трубочке нейрону удается переправлять «грузы» одновременно в обоих направлениях, от тела клетки к ее отросткам и от отростков к телу, да еще с различной скоростью. Фактически в аксоне действуют три самостоятельные транспортные системы. Медленная гонит все содержимое аксона от тела клетки в окончания отростков со скоростью один миллиметр в сутки и используется для переноса веществ, необходимых для жизнедеятельности нервного волокна. Быстрая транспортная система переносит грузы в обоих направлениях, обеспечивая огромную скорость «перевозок» – от 10 до 20 сантиметров за 24 рабочих часа. Она снабжает нервные окончания сырьем, из которого здесь, на месте, будут синтезированы молекулы медиатора. В обратную сторону переправляется вторичное сырье – использованные в нервных окончаниях вещества.

На «складах» готовой продукции – образцовый порядок. Молекулы медиатора пакуются в специальную тару – синаптические пузырьки. Так они лучше сохраняются, огражденные от разрушительного действия ферментов. В каждом нервном окончании могут скопиться тысячи синаптических пузырьков, содержащих от 10 тысяч до 100 тысяч молекул медиатора, причем для хранения возбуждающего медиатора используются обычные шарообразные пузырьки, а молекулы тормозного медиатора упакованы в продолговатые пузырьки-пакеты.

Трудность передачи информации состоит в том, что каждая нервная клетка одетая в собственную добротную оболочку, закутанная слоями миелина – обмоткой из швановских клеток и окруженная глиальными клетками, – это маленькое самостоятельное государство. Какие бы революции здесь ни происходили, сор из избы не будет вынесен, все останется внутри клетки, пока ее двери будут надежно заперты. Чтобы передать сообщение, клетка-корреспондент должна открыть двери на нервных окончаниях своего аксона и добиться, чтобы открылись двери в мембране адресата – нервной клетки, получающей информацию.

Замки на дверях, находящихся в окончаниях аксона, отпирает пришедший сюда нервный импульс. Сейчас же распахиваются двери в синаптическую щель. За одну миллисекунду «за порог» выкатится 200–300 синаптических пузырьков. Находящиеся в них молекулы медиатора являются ключами, способными отпереть двери на фасаде соседней клетки.

Нужно сказать, что двери в нервных окончаниях аксона плотно не закрываются. И в обычном состоянии из них нет-нет да и вывалится контейнер с медиатором. В синаптическую щель в минуту попадает примерно 50–60 пузырьков. Однако находящихся в них ключей недостаточно для того, чтобы у клетки-адресата отпереть нужное количество дверей и вызвать ее возбуждение. Даже нервный импульс распахивает двери складов медиатора нервного волокна недостаточно широко. Однако в них из синаптической щели навстречу контейнерам с медиатором устремляются ионы кальция, отчего дверные створки раскрываются все шире и шире, и в конце концов обеспечат выход достаточного количества ключей.

В синаптической щели нет никаких приспособлений, помогающих ключам попасть в отверстие замков. Молекулы медиатора распространяются здесь в силу простой диффузии, и лишь немногие из них случайно находят замок, остальные бесцельно блуждают в своем тесном пространстве и очень скоро оказываются разрушенными. Вот почему ключей должно быть очень много. Однако синаптическая щель не широка, и ключи быстро достигаются ее противоположной стенки. Все же на это уходит гораздо больше времени, чем на движение возбуждения по нервному волокну. Необходимость перехода возбуждения с нейрона на нейрон приводит к замедлению распространения информации в мозгу.

Мы уже познакомились с тем, как удалось разобрать нейрон и собрать для исследования синапсы. А раз удалось извлечь из нервных клеток такую маленькую деталь, невольно напрашивался вопрос, не удастся ли и синапс разобрать на составные части. Эта фантастическая программа также была выполнена. Осуществить демонтаж синапса помог змеиный яд.

Обитатели тропиков змеи крайты относятся к числу наиболее опасных. Действие их яда сходно с кураре. Токсическое вещество крайта забивает замочные скважины на синаптической мембране клетки-адресата и не дает возможности отпирать замки с помощью предназначенных для них ключей – молекул медиатора ацетилхолина. Яд формозского крайта так прочно соединяется с замком, что разделить их почти невозможно. На него не действуют даже вещества, способные растворять нервные оболочки. Разрушатся все остальные части мозговой кашицы, и только крохотные кусочки мембраны предохранит от растворения прилипшая к ним молекула яда. С помощью яда крайтов удается «надергать» из синапсов достаточное для исследования количество замков. Уже подсчитали, что на синаптической мембране, имеющей площадь около 200 миллиардов квадратных ангстрем, – 3 миллиона дверей и у каждой свой замок. Они имеют размер не больше 7–10 квадратных ангстрем, значит, все вместе не занимают и 0,01–0,02 процента площади синаптической мембраны.

Замок представляет собой крупную белковую молекулу, вмонтированную в толщу полужидкой мембраны нейрона. На поверхность выглядывает лишь небольшая его часть – участок молекулы, несущий электрический заряд. Конфигурация замка и ключа таковы, что они, как осколки разбитого стакана, сложенные надлежащим образом, образуют единое целое и благодаря электрическим зарядам крепко удерживаются друг возле друга. Молекула медиатора, соединяясь с белковой молекулой замка, заставляет последнюю изменить свою форму, при этом в стенке мембраны открывается пора, позволяющая ионам, находящимся в синаптической щели, проникнуть в нейрон или ионам, находящимся внутри нейрона, вылиться наружу. В зависимости от того, для каких ионов медиатор отпирает двери и в каком направлении они движутся, нервная клетка или возбуждается или, напротив, затормаживается.

Одним из важнейших медиаторов является ацетилхолин. Нет на нашей планете таких существ, нервная система которых пользуется химическими синапсами, но не имеет ацетилхолина. Возможно, он был первым медиатором, созданным природой. Его широкое использование связано, видимо, с тем, что построен он достаточно просто, легко синтезируется и организм не испытывает недостатка в необходимом для этого сырье.

Приход нервного импульса в нервное окончание дает возможность выбросить в синаптическую щель 5 миллионов молекул ацетилхолина, однако по прямому назначению будет использовано не больше четверти, но и этого вполне достаточно, чтобы вызвать возбуждение нейрона-адресата.

Молекула ацетилхолина представляет собою цепочку, состоящую из атомов кислорода, азота и 5 атомов углерода. К атому азота, несущему положительный заряд, крепятся три метильные группы (атом углерода с прикрепленными к нему тремя атомами водорода). Эта массивная головка молекулы выполняет функцию бородки ключа. Она попадает в специальное углубление замка и удерживается его отрицательным зарядом.

Об устройстве замка удалось кое-что узнать, попробовав открыть его различными отмычками. Эти исследования подтвердили важность электрических зарядов ключей. Молекулу ацетилхолина легко лишить положительного заряда, если атом азота заменить углеродом. Такая отмычка способна отпирать замок, но действует в 12 тысяч раз слабее, чем настоящий ацетилхолин.

Использование грубо сделанных отмычек подтвердило, что отверстие замка по размеру точно соответствует бородке ключа. Если любую из метильных групп головки ацетилхолина заменить на более крупную этильную, состоящую из двух атомов углерода и пяти атомов водорода, такая молекула в 3–5 раз хуже отпирает ионные двери. Причина понятна – ключ стал велик и с трудом входит в замочную скважину. При замене двух или всех трех метильных групп сильно увеличенный ключ уже не помещается в замочной скважине и мембранных дверей не отпирает.

Точно так же можно испортить ключ, уменьшив у молекулы ацетилхолина размер ее головки. Легко заметить, что все три ее метильные группы могут быть заменены атомами водорода. Замена на водород одной метильной группы снижает результативность медиатора в 50 раз, двух – в 500, а всех трех – в 40 тысяч раз. Ключ легко входит в замочную скважину, но головка стала слишком маленькой, он «хлябает», проворачиваясь в замке, и не может его отпереть.

Ацетилхолин оказался ключом с двумя бородками. Второй бородкой является атом кислорода, несущий отрицательный заряд. Расстояние между бородками известно: атомы кислорода и азота разделяет два атома углерода и они удалены друг от друга на 4,7 ангстрема. Молекулу легко удлинить, вставив в цепочку дополнительно один, два или больше атомов углерода, и это полностью испортит ключ. Такая молекула не войдет в замочную скважину, и двери не откроются.

Зная размеры ключа, подобрать к замку отмычку нетрудно. Атом азота в молекуле ацетилхолина можно заменить любым другим, лишь бы он нес положительный заряд и оказался отделен от кислорода двумя атомами углерода.

Медиков особенно заинтересовали отмычки, которые, как и кураре, способны надежно выводить из строя замок. Это нужно хирургам, чтобы на время сложнейших операций полностью обездвижить человека или устранить судорожные сокращения мышц.

Неожиданно очень эффективными оказались крупные молекулы сходных с ацетилхолином веществ. Особенно значительный эффект давали молекулы с двумя атомами азота на концах, если между ними было 10 или 16 атомов углерода. Именно столько – не больше и не меньше. Не сразу удалось разгадать механизм их действия. А разгадка была проста. Двери, а следовательно и замки, не разбросаны на мембране как попало, а сгруппированы по четыре. Если замочные скважины соединить прямыми линиями – получится квадрат. У длинной отмычки каждый из двух атомов азота, как бородка ключа, попадает в отдельную замочную скважину. Этим объясняется эффективность отмычек. В отличие от молекул кураре отмычка выводит из строя сразу два замка. Меньший из ключей попадает в замки, лежащие по любой из сторон квадрата, а более длинный, чтобы попасть обеими бородками в замочные скважины, должен лечь по его диагонали. Зная размер ключей, нетрудно выяснить и размеры квадрата. В использованных веществах между атомами азота расстояния 14 и 20 ангстрем. Следовательно, замки находятся в углах правильного квадрата. В этом каждый легко убедится сам. Из геометрии мы знаем, что квадрат гипотенузы равен сумме квадратов двух катетов. Проверим цифрами высказанное предположение о расположении замков:

20² ≈ 14² + 14² (двадцать в квадрате приблизительно равно четырнадцать в квадрате плюс четырнадцать в квадрате)

Как видите, ошибка ничтожна.

В головном мозгу человека огромную роль играет тормозной медиатор ГАМК (его полное название гаммааминомасляная кислота). Считают, что не менее трети синапсов головного и спинного мозга человека используют этот медиатор. В отличие от ацетилхолина, обеспечивающего поступление в клетку положительно заряженного иона натрия, понижающего отрицательный внутриклеточный заряд, ГАМК открывает ворота для отрицательно заряженного иона хлора, что усиливает ее отрицательный заряд и препятствует возникновению возбуждения.

Механизм действия многих медиаторов значительно сложнее, чем ацетилхолина и ГАМКа. Например, норадреналин и дофамин, также весьма распространенные медиаторы, действуют на клетку с помощью посредников. На одном нейроне могут быть синапсы, использующие разные медиаторы – тормозные и возбуждающие. Они могут усиливать эффект друг друга или блокировать его. Характер взаимодействия различных синапсов определяет конечный эффект: возбудится ли нейрон или покой его не будет нарушен, донесет ли аксон свои сигналы до следующих нейронов или они будут перехвачены и блокированы тормозными воздействиями.

Физиологам уже многое удалось узнать о работе нейрона. Кажется, что в общих чертах мы понимаем, как он выполняет свою основную функцию – обработку информации, но совершенно очевидно, что дальнейшие подробности о механизмах его интимной деятельности будут не менее интересны. Нейрон еще не раз удивит нас невообразимой сложностью своего поведения.

Откуда берутся мысли

Черный ящик

Борьба с материалистическим подходом к изучению мозга всегда велась под знаменами церковников. Россия в этом отношении не была исключением. В начале шестидесятых годов XIX века редактор самого прогрессивного отечественного журнала «Современник» Н.А. Некрасов обратился к выдающемуся русскому физиологу И.М. Сеченову с просьбой написать статью о насущных вопросах естествознания. Сеченов охотно откликнулся. Он уже давно обдумывал основные положения будущего трактата «Рефлексы головного мозга». Журнальный вариант этой работы Сеченов озаглавил так: «Попытка свести способы происхождения психических явлений на физиологические основы». Редакция журнала, опасаясь преследований цензуры, изменила название, но это не спасло положения. Номер «Современника» со статьей Сеченова был конфискован. Оговорив ряд условий, в том числе требование сократить или коренным образом изменить заключительный раздел статьи, цензура разрешила ее публикацию лишь в специальном медицинском журнале.

Несколькими годами позже И.М. Сеченов попытался издать свой труд отдельной книгой, и тогда разразилась настоящая буря. Когда книга была напечатана, совет Главного управления по делам печати вынес постановление о наложении на нее ареста и возбуждении судебного преследования против автора. Петербургский цензурный комитет сообщал прокурору, что «сочинение Сеченова объясняет психическую деятельность головного мозга… Эта материалистическая теория… разрушая моральные основы общества в земной жизни, тем самым уничтожает религиозный догмат жизни будущей…». Как видите, чиновники царской России недалеко ушли от деятелей средневековой инквизиции.

После покушения Д.В. Каракозова на царя Александра II чрезвычайная следственная комиссия, поощряемая министром внутренних дел, организовала третий тур наступления на автора труда «Рефлексы головного мозга». Что же вызвало такой гнев у царских министров и охранников? Может быть, Сеченов в своей книге призывал к свержению царского режима или хотя бы критиковал его? Нет, книга посвящена работе мозга. Никаких политических проблем автор в ней не затрагивал, но зато доказал, что тайну психической жизни можно раскрыть методами естествознания, так как в ее основе лежат реально существующие физиологические процессы. Сама мысль, по мнению Сеченова, – всего лишь сложный рефлекс и, как всякий рефлекс, может быть изучена физиологами.

«Рефлексы головного мозга» ознаменовали начало нового этапа в изучении мозга. Сеченов первым из ученых сделал попытку представить психические процессы чисто физиологически. Он внес весомый вклад в изучение нервной системы, подводя экспериментальную базу под свои теоретические построения, но не располагал еще достаточным числом надежно проверенных фактов для построения законченного учения о функциях головного мозга. Честь создания физиологии высших психических функций выпала на долю другого выдающегося русского ученого – И.П. Павлова.

К изучению мозга Павлов пришел не сразу. В пору своего становления как ученого он и не дерзал мечтать о подобных исследованиях. В тот период наука располагала настолько скудными сведениями о физиологии центральной нервной системы, что мысли просто не за что было зацепиться, чтобы строить столь смелые прожекты. К необходимости познать мозг Павлова привели собственные исследования в далеких, казалось бы, областях физиологии, властно потребовав изучения функций мозга, и подсказали единственно возможный для того времени метод.

И.П. Павлов внес весомый вклад во многие разделы физиологии, но из исследований, выполненных в первую половину его жизни, наибольшую известность приобрело систематическое изучение главных пищеварительных желез. За открытия в этой области он первым среди отечественных исследователей был удостоен Нобелевской премии – высшей в те годы награды для ученого.

Успех в изучении пищеварения принесла разработанная им методика создания фистул – отверстий, дающих доступ в пищеварительные полости, позволяющих наблюдать за деятельностью желез, не нарушая ни кровоснабжения, ни нервного аппарата изучаемого органа. Эта методика позволила детально изучить деятельность основных пищеварительных желез.

В стройную систему физиологических представлений не укладывалось только одно явление, получившее название психической секреции. Оно состоит в том, что выделение пищеварительных соков, особенно слюны, может возникнуть у собаки еще до того, как ей в рот попадет пища, лишь под влиянием ее запаха, вида, бренчания кормушки, из которой обычно кормят животное, или шагов служителя, идущего забрать собаку в виварий, где ее уже ждет обед.

Психическая секреция представлялась загадочным явлением. Пока ее механизм оставался невыясненным, нельзя было считать изучение физиологии пищеварительных желез завершенным. Павлову необходимо было объяснить наблюдаемое явление, выяснить, каким образом, в силу каких причин шаги служителя, которого еще и не видно, вызывают у собаки слюнотечение. У некоторых сотрудников лаборатории эти явления не вызывали недоумения. В каждой лаборатории, видимо, бывает хотя бы один человек, которому все понятно. Они объясняли психическую секрецию тем, что собака чувствует запах пищи, видит ее или слышит, что за ней идет служитель, и надеется, что ее сейчас покормят.

В глубине души Павлов был согласен с таким объяснением. В течение ряда лет он сам развивал мысли о главенстве психического фактора в приспособлении пищеварительных желез к внешним воздействиям, но использовать в физиологической лаборатории психологические термины считал неправомерным и теперь категорически запретил сотрудникам произносить такие слова, как «собака захотела», «подумала», «решила», или объяснять ее поведение какими-то внутренними психическими состояниями. Он даже ввел денежный штраф за употребление психологических терминов и безжалостно штрафовал своих сотрудников. Будучи физиологом, Павлов хотел им и остаться даже при изучении психики.

Далеко не все сотрудники Павлова поняли и приняли новый подход своего учителя к «психическим» реакциям пищеварительных желез. И за пределами его лаборатории ученые не сразу заметили, что, продолжая экспериментировать с пищеварительными железами, он изучал не физиологию пищеварения, а функции мозга.

Когда Павлов приехал в Стокгольм получать медаль нобелевского лауреата, ему шел 56-й год – возраст, в котором ученые той эпохи обычно задумывались о пенсии, начинали собираться на покой. Иван Петрович был не таким. Именно в это время он задумал исследование, на которое не хватило бы жизни и молодого ученого, исследование, на которое не отваживался до него никто – изучение физиологии высших функций головного мозга. К 1903 желание изучить мозг стало совершенно очевидным, недаром его доклад, сделанный на очередном Физиологическом конгрессе в Мадриде, назывался «Экспериментальная психология и психопатология на животных». Правда, доклад Павлова не был понят, так необычно было то, о чем он говорил с трибуны. Сочли, что тема доклада всего лишь чудачество маститого ученого, желание прослыть оригиналом.

Итак, загадка психической секреции, явление, которое до Павлова либо не замечали, либо отмахивались от него как от случайного, нетипичного, как от ошибки эксперимента, позволила осуществить грандиозный прорыв в таинственную сферу деятельности мозга. Позже психическую секрецию Павлов назвал условным рефлексом и тем самым низвел таинственную деятельность собачьей души до конкретного, вполне физиологического явления. Вторгаясь в сферу таинственных психических процессов, он и здесь пожелал остаться и действительно остался убежденным материалистом.

Со времен Рене Декарта в физиологии утвердилось понятие рефлекса. Он считал, что все жизненные проявления организма имеют рефлекторную природу, и представил обобщенную схему рефлекторного акта. В основе его лежит рефлекторная дуга. Рефлекс осуществляется благодаря поступлению по чувствительным нервам информации в мозг, переработке ее мозгом и выполнению мышцами его распоряжений, передаваемых по двигательным нервам.

Основа представлений Декарта о существе рефлекторного акта сохранилась до наших дней. Уже во времена Павлова было твердо установлено, что каждый вид организмов имеет свой вполне определенный набор рефлексов, передающихся из поколения в поколение от родителей к детям. Условный рефлекс, новый, открытый Павловым класс явлений, полностью соответствовал тому, что физиологи подразумевали под словом «рефлекс», за исключением того обстоятельства, что животные не получают его в наследство от родителей. Он возникает (образуется) благодаря воздействию на организм внешних факторов.

Создание Павловым условнорефлекторной теории явилось величайшим достижением человеческой мысли. Его исследования далеко обогнали развитие мировой науки, а потому не сразу и не до конца были поняты учеными. Он вырвался далеко вперед, сделав два гигантских шага. Первый шаг осуществил, когда осознал, что, выясняя частные вопросы физиологии пищеварительных желез, он получил возможность изучать физиологические законы работы мозга. Второй шаг был еще более знаменателен. Павлов понял, что, изучая слюнные условные рефлексы, частное и малозначительное явление в жизни животных, он по существу получил доступ к изучению основных механизмов работы мозга.

Нашим и зарубежным физиологам, включившимся в изучение мозга, необходимо было вслед за Павловым пройти этот путь, чтобы приблизить свои исследования к тому уровню, на который вышли лаборатории Павлова. И если первый шаг сделан и первая часть пути уже преодолена, то второй еще предстоит завершить. Как ни странно, до сих пор еще далеко не все физиологи, занимающиеся изучением мозга, осознали, что Павлов изучал вовсе не секреторные условные рефлексы, и даже не условные рефлексы вообще, а более общее явление – временн́ые связи, те кирпичики, из которых строится все здание мыслительной деятельности мозга животных и человека.

Термины «условный рефлекс» и «временная связь» не вполне идентичны. По сравнению с условным рефлексом временная связь – явление более общего порядка. Правда, их часто употребляют как синонимы, поскольку в основе любого условного рефлекса лежит временная связь. Однако известны такие временные связи, которые условным рефлексом не назовешь, так как их образование не ведет к возникновению внешних реакций – ни к движению мышц, ни к секреции желез.

Павлов следующим образом представил процесс образования условного рефлекса. Предположим, что он вырабатывается на звонок. Действие звонка возбуждает соответствующие структуры слухового центра собаки. Пища, всегда сопровождающая звучание звонка, вызывает возбуждение в пищевом центре. Благодаря тому, что возбуждение в обоих очагах возникает почти одновременно, после нескольких сочетаний звонка и пищи, между возбужденными мозговыми центрами замыкается временная связь. Теперь при действии звонка возбуждение из слухового центра, в силу возникшей связи, будет распространяться в пищевой центр, вызывая его возбуждение, а следовательно и выделение слюны, еще до того, как пища попадет в рот собаки.

Примерно то же самое произойдет в мозгу трех-четырехлетнего малыша, когда он впервые столкнется с грозой. После того как несколько раз подряд вслед за яркой вспышкой света прозвучит оглушительный раскат грома, между возбужденными очагами зрительного и слухового центров в мозгу ребенка образуется связь. Аналогичные связи возникают в речевом анализаторе при изучении иностранного языка между нервными центрами, ответственными за восприятие слов родного языка и аналогичными центрами восприятия соответствующих им слов иностранного языка. Психологи называют подобные явления ассоциациями. Если подойти к этому явлению с позиций физиологии, то становится очевидным, что с точки зрения мозговых механизмов между ассоциациями и условными рефлексами нет существенных различий.

Изучение ассоциаций требует особых методов. Павлов подошел к этим исследованиям лишь в конце своей жизни, хотя с самого начала стремился понять наиболее общие законы работы мозга. Изучение условных рефлексов было выбрано им как модель для выяснения механизмов образования и использования мозгом временных связей, лишь в качестве способа, позволившего познакомиться с физиологическими механизмами психической деятельности. Именно об этом он думал, именно эти вопросы – главное в его многолетних грандиозных исследованиях.

Временная связь – основной, центральный механизм мозговой деятельности. Безусловно, дальнейшие исследования позволят нащупать еще немало других механизмов работы мозга, однако не исключено, что ничего равного по значению временным связям найдено не будет. Это сказано не в качестве прогноза. В отношении мозга делать прогнозы невозможно. Я хочу лишь подчеркнуть значение сделанного Павловым открытия, чтобы можно было яснее понять парадокс, с которым столкнулась современная физиология.

Павлов осуществил в естествознании настоящий переворот, создав физиологию головного мозга. Между тем, в этом и заключается парадокс, он не располагал возможностью непосредственного изучения функций мозга. О мозговой деятельности, о механизмах работы мозга он делал заключения, сопоставляя характер внешних воздействий на организм и его ответных реакций. Все высказывания Павлова о конкретных механизмах мозговой деятельности – всего лишь предположения. По существу мозг для него являлся «черным ящиком», заглянуть в который еще не представлялось возможным. Но созданные на столь скудной основе представления о физиологии мозга обеспечили на протяжении почти ста лет весьма продуктивное развитие физиологических исследований, и их значение вряд ли будет исчерпано в ближайшем обозримом будущем.

Зайчики бывают и морскими

Таким образом, И.П. Павлову и его многочисленным ученикам и соратникам в результате упорного труда удалось создать стройное учение о высших функциях головного мозга. В этой титанической работе верными помощниками ученых были собаки – самые надежные экспериментальные животные. Сам Павлов считал, и это была отнюдь не шутка, что половина успеха принадлежит именно им. Недаром в Ленинграде под окнами павловской лаборатории был сооружен памятник собаке как дань ученых их верным помощникам в деле развития физиологии, и в первую очередь физиологии мозга. В те годы в мире существовал лишь один монумент, посвященный животным, – памятник лягушке в Париже, созданный на средства признательных французских врачей. У лягушек тоже немалые заслуги перед биологией и медициной.

С тех лет в лабораториях ученых получили прописку и стали лабораторными тружениками самые разнообразные животные – белые мыши и крысы, морские свинки и золотистые хомячки, аксолотли и шпорцевые лягушки, хорьки, обезьяны, карликовые свиньи… Кто же из них может претендовать на новый монумент, на честь быть увековеченным в бронзе?

Если взвесить заслуги разных животных в изучении интимных механизмов работы мозга, то, пожалуй, пришла пора сооружать пьедестал для… морского зайца – двустворчатого моллюска, больше известного в среде ученых как аплизия. В нашей стране морских зайцев легче всего поймать в дальневосточных морях. Вот почему с наступлением теплых дней сюда, на побережье бухты Пасьета, на остров Попова, устремляются физиологи из Ленинграда и Москвы, Киева и Минска, Тбилиси и Ростова-на-Дону и других научных центров страны.

Чем же прославились аплизии? Как смогли эти примитивные животные, по существу не имеющие настоящего головного мозга, помочь ученым выведать какие-то его тайны? А главное – чем они оказались лучше собак? Как смогли занять их место в физиологических лабораториях?

При доброй помощи собак удалось многое узнать о важнейших механизмах работы мозга. Неизвестным оставалось главное – нейронная организация мозговых функций. У Павлова еще не было возможности разобраться в интимных механизмах работы мозга. В те годы ученые не знали, как, впрочем, не знают они еще и сейчас, что же конкретно происходит в мозгу при формировании условного рефлекса. Об этом можно лишь высказывать предположения, но досконально проверить их пока никому еще не удалось.

Появление в лабораториях ученых сложнейших электронных приборов дало возможность осуществить давнишнюю мечту физиологов – попробовать разобраться, какова же нейронная организация самых элементарных психических актов. Помочь ученым в этом исследовании собаки бессильны. Нервные клетки высших животных мелки. Трудно изготовить такой миниатюрный электрод, чтобы он мог проникнуть в глубь клетки, серьезно ее не повредив. Трудно, вслепую вводя электрод в мозг животного, попасть его кончиком в какую-нибудь нервную клетку. Как же изучить функцию каждого члена целого нейронного ансамбля?

Однако главная трудность изучения мозга собаки состоит в том, что он слишком большой. Собачий мозг содержит более миллиарда нервных клеток, и каждая из них имеет не менее 3500 синапсов. В таком сложно устроенном мозгу проследить все связи даже одной-единственной нервной клетки пока невозможно. Невольно взоры ученых обратились к примитивным животным, чья нервная система проще, чем у собаки. Вот так в поле зрения физиологов оказались морские зайцы.

Нервная система аплизии миниатюрна, но и она содержит около 100 тысяч нейронов. Тоже немало. Но, к счастью, у моллюсков нейроны рассредоточены по девяти ганглиям. Самый маленький – подглоточный. В нем содержится всего 2000 нервных клеток, в 500 тысяч раз меньше, чем в мозгу собаки. Таким образом, появилась реальная надежда выяснить, в каких взаимоотношениях между собой находятся нейроны и как они себя ведут, когда мы чему-нибудь обучаем животное.