Также в нейроне есть митохондрии. В них синтезируются молекулы, снабжающие клетку энергией.
Рис. 7. Схематическое изображение разных типов синаптических контактов (шипиков)
Органоиды в нейроне работают на то, чтобы клетка могла создавать новые отростки и синтезировать ряд важных веществ.
Нервные клетки связываются друг с другом различными путями. Большинство нейронов передают сигнал друг другу с помощью электрических и химических структурных соединений – синапсов. Иногда в популярной литературе синапсы называют шипиками. Еще в мозге эмбриона нервные клетки в первую очередь отращивают именно шипики (синапсы) (рис. 7).
Чаще всего в нервной системе встречаются химические синапсы.
Химический синапс – место, где мембраны двух нейронов располагаются очень близко друг к другу, но при этом напрямую не соприкасаются (рис. 8).
В некоторых случаях синапс может состоять из мембраны нейрона и мембраны другой клетки (которую он обычно активирует). Одним из примеров является нервно-мышечный синапс. Это путь, по которому мышце передается команда действовать. Отросток нейрона отправляет импульс к синапсу, и в результате мышца сокращается.
Рис. 8. Строение синапса (схема)
На рис. 8 мы видим, что в месте контакта мембраны имеют специальные утолщения. Они похожи на своеобразные присоски. Между мембранами есть пространство: его называют синаптической щелью. Ширина синаптической щели может достигать около 40 нанометров (нм). Это совсем немного. Для сравнения: ширина двойной спирали ДНК около 2 нм. Получается, что ширина синаптической щели в 20 раз больше и, соответственно, в нее умещается только 20 молекул ДНК. А ведь туда еще надо «загрузить» молекулы нейромедиатора…
Чтобы запустить процесс передачи нервного импульса, необходимо вещество-посредник – его называют нейромедиатором. В синаптическую щель из отростка передающего нейрона выбрасывается нейромедиатор. Он связывается с молекулами-рецепторами на поверхности отростка принимающего нейрона подобно тому, как замок сочетается с ключом. Это и есть передача информации через синапс.
Связывание нейромедиатора с рецепторами приводит к тому, что в мембране отростка принимающего нейрона открываются специальные поры (каналы), пропускающие заряженные частицы (ионы). Из-за этого возникает изменение мембранного потенциала (формируется разница зарядов на внутренней и внешней поверхности мембраны). Волна возбуждения следует далее, перемещаясь по мембране отростка нейрона. Попеременно открываются и закрываются каналы на все более удаленных участках по ходу отростка. Каждый последующий участок возбужденной мембраны как бы заставляет соседа изменить заряд. Так и происходит перемещение нервного импульса по отростку нейрона дальше к другой клетке.
Это очень упрощенная схема, но она показывает, что в таком контакте передача возбуждения происходит иначе, чем, например, в электрических проводах. Здесь нужны биохимические молекулы – нейромедиаторы. Они как раз и открывают поры, регулирующие потоки заряженных частиц.
Но есть и электрические синапсы. Их совсем немного в нервной системе человека.
В электрическом синапсе мембраны двух нейронов располагаются очень близко друг к другу, и синаптическая щель узкая – менее 4 нм. Это в 10 раз меньше, чем у химического синапса. Поэтому в таких контактах возможно возбуждение мембраны соседнего нейрона и передача импульса от одного нейрона к другому напрямую, без посредника.
Пожалуй, единственное преимущество электрических синапсов перед химическими состоит в том, что они проводят нервные импульсы быстрее. Однако в некоторых случаях сигнал может ослабевать.
В химических синапсах используются разные нейромедиаторы в разном количестве, и вместе с тем могут открываться поры для различных ионов. Все это позволяет более тонко настраивать передачу информации. Именно поэтому подавляющее большинство наших синапсов химические.
Каждый день в первые месяцы после рождения в мозге ребенка возникают миллионы новых синапсов. 86 миллиардов нейронов выбрасывают ответвления, как щупальца, в поисках многочисленных отростков других клеток для передачи сигналов.
Например, синаптическая плотность (количество контактов) в зрительной коре достигает своего пика приблизительно в возрасте 9–15 месяцев. Затем она снижается, приближаясь к уровню взрослого человека.
Параллельно с образованием новых синапсов в мозге происходит уничтожение старых (прунинг). Наиболее активно этот процесс протекает в возрасте до 11–13 лет (до начала полового созревания). Прунинг позволяет стабилизировать уже имеющиеся нейросети. Такая обрезка синапсов на физиологическом уровне также обеспечивает процессы обучения.
Образование новых синапсов и их разборка происходят неравномерно, но с некоторой периодичностью. Мозг сотрясают последовательные волны производства и уничтожения синапсов. Каждая волна связана с определенным критическим периодом развития. Это своеобразные физиологические окна возможностей для обучения. Полагают, что в эти моменты мозг наиболее восприимчив к обучению разным типам деятельности: ходьбе, речи, чтению, сложным движениям и так далее.
Физиологические окна имеют свойство закрываться за счет приостановки создания (и разборки) синапсов. Так, если ребенок не слышал достаточное количество речи в возрасте до 3–4 лет, потом практически невозможно научить его полноценно разговаривать. Отсюда и возник описанный еще в XIX веке феномен детей-маугли.
Между 7 и 12 годами происходит последний крупный всплеск образования синапсов. В этот период наблюдается существенный прирост серого вещества коры головного мозга. Собственно, тела клеток и синапсы в коре мозга и есть серое вещество.
В период между 12 и 13 годами, помимо разборки старых синапсов, мозг избавляется и от большого числа нейронов.
Именно к 11–13 годам мы наблюдаем особые изменения в мышлении и поведении подростков. Дети становятся совершенно другими.
Профессор Гарвардского университета Говард Гарднер предложил весьма емкое и функциональное определение зрелости: «Момент, когда лишние клетки ликвидированы и изначально необходимые синаптические связи полностью установлены».
После 11–13 лет количество синапсов начинает стремительно уменьшаться. На снимках МРТ мы отчетливо видим, как снижается количество серого вещества. Особенно это выражено в возрасте 18–20 лет. Длинные отростки нервных клеток (аксоны) обволакивает жироподобное вещество – миелин. Так вокруг аксонов формируются своего рода изолирующие капсулы. Это как резиновая изоляция электрического провода. Только в случае с аксонами есть одно отличие: изоляция из миелина не сплошная – остаются оголенные участки (перехваты). Импульс на самом деле не бежит, а как бы перескакивает от одного перехвата к другому. Поэтому энергия нервного импульса не рассеивается, а движется скачками напряжения.
