Чтобы послать электрический импульс из одной части в другую, нейрон открывает каналы, позволяющие ионам пересечь мембрану, и создает течение, которое несет электрический сигнал к мембране. Нейроны получают импульс через дендриты — разветвленные древовидные структуры, собирающие информацию из разных источников. Затем нейрон посылает электрический сигнал дальше по длинному, подобному проволоке аксону, передающему химический сигнал другому нейрону, и так далее. Аксоны способны отправлять сигналы на довольно большое расстояние; самые протяженные аксоны в организме человека тянутся от позвоночника до пальцев ног. Самые длинные аксоны у китов достигают 60 футов в длину (около 20 м). Самые длинные аксоны, найденные у землеройки, чей мозг изображен на рисунке на монетке, — не более двух дюймов (около 5 см). Во всех случаях электрические сигналы распространяются при помощи схожих молекул и по одним и тем же биологическим правилам.
Знаете ли вы? Вашему мозгу требуется меньше электричества, чем лампочке в холодильнике
Нейроны и синапсы настолько эффективны, что мозг потребляет всего 12 ватт мощности, хотя он делает много больше, чем тусклая лампочка на задней стенке вашего холодильника. В течение дня вашему мозгу требуется такое количество энергии, которое содержится в двух крупных бананах. Любопытно, но хотя мозг чрезвычайно экономен по сравнению с механическими средствами, в биологических терминах это ненасытный потребитель энергии. Вес мозга составляет лишь около 3% от общего веса тела, но он потребляет одну шестую (17%) всей энергии тела. К сожалению, это не означает, что вам следует чаще перекусывать, дабы снабдить мозг энергией во время занятий. Большая часть энергии идет на поддержание состояния готовности к мышлению. Для этого мозгу необходимо обеспечивать электрическое поле в мембране каждого нейрона, позволяя ему общаться с другими нейронами. Дополнительные расходы на мышление практически несущественны. Попробуйте посмотреть на это по-другому: вы все время платите зато, чтобы поддерживать свой мозг, поэтому используйте его!
Давайте рассмотрим этот процесс подробнее. Нейроны передают информацию дальше через аксоны, создавая слабые электрические сигналы, которые длятся не более одной тысячной секунды. Эти импульсы, или спайки, представляют собой резкие подъемы в электрической активности нейрона (см. график). Спайки, известные разбирающимся в мозге людям как потенциал действия, выглядят одинаково у кальмара, крысы и у дяди Васи, обеспечивая успех в эволюции живых существ. Проносясь по аксону на скорости до нескольких сотен футов в секунду, спайки несут сигналы от мозга к руке достаточно быстро, чтобы успеть ее отдернуть и избежать укуса собаки или ожога раскаленной сковороды. Они позволяют любому животному избежать угрозы надвигающейся опасности и делают это очень быстро.
Импульс выполняет свою миссию, когда прибывает на конец аксона, где он видоизменяется. Каждый нейрон мозга получает химические сигналы от нескольких нейронов и в свою очередь посылает их другим. Взаимосвязь между нейронами работает на основе химических веществ — нейромедиаторов (или нейротрансмиттеров), выделение которых из небольшого пузырька на конце нейрона вызывается появлением спайка. Каждый нейрон производит и получает до нескольких сотен тысяч химических соединений (синапсов) с другими нейронами. Нейромедиаторы попадают на синаптический рецептор на теле клетки другого нейрона, вызывая, в свою очередь, дальнейшие химические и электрические сигналы. Все эти этапы от выделения медиатора до его попадания в другой нейрон — занимают около тысячной доли секунды.
Синапсы — необходимые компоненты передачи информации в нашем мозгу. Наши мысли, способности, функции и даже наша индивидуальность — все это определяется тем, насколько крепки наши синаптические соединения, каково их количество и где они расположены. Так же, как соединения в компьютере связывают между собой отдельные внутренние части этого механизма, так и нейроны в основном пользуются синапсами для взаимного общения в мозге. Лишь у небольшой части аксонов синапсы располагаются вне мозга или позвоночника и посылают свои сигналы в другие органы тела, в том числе и в мускулы.
Помимо высокой скорости, синапсы отличаются еще и крошечным размером. Типичный дендрит нейрона в диаметре имеет около двух десятых миллиметра и способен при этом получать до 200 000 синаптических сигналов от других нейронов. Вы только представьте — один кубический миллиметр вашего мозга содержит миллиард синапсов! Отдельные синапсы настолько малы и ненадежны, что у них едва хватает мощности функционировать, и прибывающие импульсы часто даже не вызывают выделения нейротрансмиттера.
Конечно, странно, что синапсы настолько малы, что иногда не работают должным образом, но это не редкость. Синапсы достигают приблизительно одинакового минимального размера у различных видов животных, включая мышей и человека. Никто точно не знает, почему отдельные синапсы эволюционировали до столь маленьких размеров и стали настолько ненадежными, но одной из вероятных причин может быть то, что мозг станет работать лучше при условии нахождения в нем бесчисленного их количества. И крохотный размер синапсов оказывается оптимальным вариантом, при котором наибольшее количество функций способно разместиться в ограниченном пространстве.
Знаете ли вы? Сон Леви о нейромедиаторе
В 1921 году, когда еще не было известно, как взаимодействуют нейроны или даже клетки, немецкий ученый Отто Леви заметил, как именно сердце получает сигналы о том, что надо ускорить или замедлить частоту сокращений. Он был убежден в том, что блуждающий нера — длинный нерв, идущий от ствола головного мозга и соединяющийся прямо с сердцем, — выделяет субстанцию для замедления сердцебиения. В своей лаборатории Леви тщательно исследовал сердца лягушек с присоединенным блуждающим нервом. Когда он стимулировал нерв электрическим сигналом, сердце начинало сокращаться медленнее. Как это происходило? Гипотеза Леви заключалась в том, что из нерва выделялось нечто, что и производило этот эффект, но он не знал, как проверить эту идею экспериментально.
Забуксовав, он поступил так, как многие в подобных случаях: отложил решение на потом. Однажды ночью его осенило: он понял, как провести эксперимент. Успокоенный, он уснул. Наутро... ничего. Он ничего не мог вспомнить об эксперименте. В следующий раз, увидев этот сон, Леви не поленился и записал идею на бумаге. Увы, на следующее утро он не смог прочитать написанное. К счастью, сон приснился ему еще раз, и Леви не стал ждать утра: он встал, пошел в лабораторию и провел эксперимент, который принес ему Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1936 году. Эксперимент был прост. Леви поместил два сердца лягушек в разные сосуды, соединенные узкой трубкой. К одному сердцу по-прежнему был присоединен блуждающий нерв. При электрической стимуляции это сердце начинало биться медленнее. Затем, спустя некоторое время, второе сердце тоже замедляло свой ритм. Этот эксперимент продемонстрировал существование того, что он прозаично назвал Vagusstoff — субстанция (stoff), выделяемая из блуждающего нерва (vagus) одного сердца лягушки для того, чтобы замедлить биение второго сердца. Vagusstoff теперь называется ацетилхолином, и это один из десятков нейромедиаторов, которыми пользуются нейроны для взаимодействия.
