Один нейрон
Основной тип клеток нервной системы, которые мы, как правило, и называем «клетки мозга», – это нейроны. В нашем мозге их сотни миллиардов, и все они как-то друг с другом взаимодействуют, формируя сложные сети. Вдобавок к ним имеются еще глиальные клетки, занятые на формовочных работах, – они обеспечивают структурную крепость и изолирующие прокладки нейронов, запасают для них энергию, помогают исправить нейронные повреждения.
Естественно, никоим образом нельзя сравнивать нейроны с глиальными клетками. На каждый нейрон приходится десять клеток глии, которые к тому же подразделяются на несколько типов. Они участвуют в процессе взаимодействия нейронов друг с другом, слагаются в глиальные сети, сообщающиеся своим собственным, отличным от нейронного, манером. Так что глия тоже исключительно важна. Тем не менее я для упрощения сосредоточусь именно на нейронах.
По своему клеточному устройству нейроны решительно отличаются от других клеток, и это сразу выводит нервную систему на особое положение. Клетки в организме – обычно небольшие по размеру и относительно автономные единицы, к примеру мелкие округлые красные кровяные клетки.
А нейроны, напротив, это полностью лишенные симметрии длинные штуки с отростками во всех направлениях, какие только возможны. Отростки могут, в свою очередь, достигать немыслимой длины.
Попробуем представить, как в начале XX в. царь и бог нейробиологии Сантьяго Рамон-и-Кахаль вычленил один такой нейрон. Он был подобен фантастическому древу с тысячью ветвей, по-научному такие называют «высоко арборизированные нейроны».
Многие нейроны имеют колоссальный размер. Между началом и концом этого предложения помещается несметное множество красных кровяных клеток, а отростки многих нейронов спинного мозга вытягиваются на десятки сантиметров. Вот у синего кита такие нейроны имеют длину в половину баскетбольного поля.
Строение нейронов является ключом к пониманию их функций.
Основное, что делают нейроны, – переговариваются друг с другом, передают возбуждение от одного к другому.
Значит, на одном конце нейрона должны быть, так сказать, уши: особые отростки, которые получают информацию от других нейронов. А на другом конце – отростки, которые служат ртом, т. е. передают сообщение следующему в очереди.
Уши, т. е. информационные входы, называются дендритами. Информационный выход начинается с одного цельного провода, именуемого аксоном, который на конце ветвится; эти аксонные (нервные) окончания и являются ртом (забудем на время миелиновые оболочки). Они соединяются с дендритами следующего аксона. Таким образом дендритные уши нейрона ставятся в известность, что предыдущий нейрон возбудился. Информационное сообщение перетекает от дендритов к телу клетки, оттуда к аксону и аксонным окончаниям, а затем к следующему нейрону.
Давайте подумаем, что означает выражение «информация перетекает» в терминах химии. Что реально передается от дендритов к окончанию аксона? Волна электрического возбуждения. Внутри нейрона находятся различные положительно и отрицательно заряженные ионы. Непосредственно снаружи нейронной мембраны имеются свои положительно и отрицательно заряженные ионы. Когда нейрон на одной из своих дендритных веточек получает сигнал возбуждения от предыдущего нейрона, то на мембране дендрита открываются каналы, через которые внутрь перетекают одни ионы, а наружу – другие. В результате внутри эта дендритная веточка оказывается более положительно заряженной, чем раньше. Заряд распространяется по направлению к аксону, к его окончаниям, и оттуда переходит на следующий нейрон. Вот такая химия.
К ней прилагаются два наиважнейших уточнения.
Потенциал покоя. Когда нейрон получает сигнал возбуждения от предыдущего нейрона, то его внутренняя среда заряжается положительно по отношению к среде снаружи клетки. Вернемся к нашей метафоре – теперь у нейрона есть что сказать, и он желает сделать это погромче. Но как описать то состояние, когда ему нечего сказать, когда к нему не приходят никакие сообщения? Может быть, это состояние равновесия, при котором внутри и снаружи заряд одинаковый и нейтральный?
[530] Никогда и ни за что! Возможно, зайди речь о селезенке или большом пальце, то там – пожалуйста, сколько угодно. Но, как уже говорилось выше, у нейронов все построено на контрастах. Если нейрону нечего сказать, это вовсе не пассивность, когда от всех процессов остается лишь умирающая струйка. Нет, это состояние активное. Активное, деятельное, ожидающее, требующее напряженных усилий. В состоянии «мне нечего сказать» нет никакой нейтральности зарядов, а есть внутренний заряд, отрицательный по отношению к наружному.
И это контраст контрастов: «мне нечего сказать» = отрицательный заряд внутри нейрона; «у меня есть что сказать» = положительный заряд внутри нейрона. И ни один нейрон не может перепутать эти два состояния. Отрицательный внутренний заряд называется потенциалом покоя. А возбужденное состояние – потенциалом действия. Так почему же создание этого критически важного потенциала покоя – активный процесс, а не пассивный? Потому что нейроны должны работать изо всех сил, задействуя различные мембранные насосы, чтобы перекачивать наружу положительно заряженные ионы и задерживать внутри ионы с противоположным знаком, – и все это для поддержания внутри состояния покоя с отрицательным зарядом. Но вот приходит сигнал возбуждения – насосы перестают работать, каналы открываются, и по ним устремляется поток ионов, заряд внутри становится положительным. Волна возбуждения спадает, каналы закрываются, насосы возвращаются к работе, восстанавливая внутри отрицательный потенциал. Примечательно, что около половины всей своей энергии нейроны тратят на поддержание потенциала покоя
[531], т. е. на работу ионных насосов. Совершенно ясно, что поддерживать контраст между «нечего сказать» и «у меня горячие новости» – задача не из дешевых.
