В химическом же синапсе отростки двух нейронов сближаются, но не слипаются мембранами. Между ними остается небольшое расстояние, называемое синаптической щелью. Поэтому электрический импульс не может просто «перескочить». Для этого требуется посредник, преодолевающий пространство синаптической щели и доставляющий сигнал от нейрона к нейрону. В качестве такого посредника выступают простые химические молекулы, называемые нейромедиаторами. Они выбрасываются окончанием клетки, по которой разряд приходит в синапс (этот нейрон называется, соответственно, пресинаптическим), и принимаются окончанием следующего нейрона (он называется постсинаптическим). Почти любой нейрон выступает в качестве постсинаптического по отношению к «входящим» сигналам и одновременно пресинаптическим по отношению к «исходящим».
На первый взгляд, само существование химических синапсов кажется нелогичным. «Химически» общаются между собой клетки за пределами нервной системы. Обычная клетка, чтобы послать сигнал, выделяет в раствор сигнальные молекулы, которые лениво плывут по этому раствору и в конце концов доплывают до других клеток, которые их улавливают (так работают гормоны и многие другие похожие вещества). Казалось бы, весь смысл проведения электричества по мембране – это скорость, которой таким «химическим» способом не достичь. Зачем же тогда останавливать этот сверхбыстрый сигнал на каждом перекрестке, заставляя его превращаться в обычный, стандартный, медленный «химический» сигнал, ничем принципиальным не отличающийся от выделения гормона? Почему бы не соединить все нейроны электрическими синапсами?
Электрические синапсы могли бы быть ценнее, если бы смысл мозга заключался в быстрой передаче сигналов от органов чувств к мышцам. Вероятно, в этом и состояла изначальная эволюционная функция нервной системы: многоклеточному животному в поисках пищи необходимо быстро координировать работу далеких друг от друга частей тела. У самых простых животных, медуз например, такое проведение сигнала и сегодня можно назвать главной функцией мозга14. Но почти у всех остальных современных групп гораздо важнее становится не само соединение органов чувств с мышцами, а то, что происходит посередине. В такой ситуации химические синапсы приобретают смысл, очевидный любому специалисту по вычислительным машинам.
Цифровые компьютеры, как и мозг, работают при помощи электрических сигналов. Но вычисления в них возможны не столько благодаря металлам – проводникам электричества, сколько благодаря кремнию, полупроводнику, через который электричество проходит по-разному, в зависимости от условий. Благодаря этому свойству кремниевые полупроводники позволяют процессорам совершать логические операции. Основной элемент строения процессора – кремниевый транзистор.
Существуют разные типы транзисторов, но в простейшем случае это микроскопическое устройство, в которое поступают два электрических сигнала, а выходит один. Первый из входящих сигналов воздействует на кремниевый полупроводник в транзисторе таким образом, что тот начинает проводить электричество, и это позволяет пройти второму сигналу, который выходит из транзистора и продолжает движение по электрической цепи. В отсутствие же первого сигнала полупроводник электричество не проводит и второй сигнал не вызывает исходящего. То есть для того, чтобы транзистор стал транслировать сигнал, он должен получать оба сигнала одновременно. А это означает, что транзистор благодаря своей кремниевой начинке совершает логическую операцию обобщения двух сигналов в один. В комбинациях из миллиардов таких логических операций и состоит работа цифрового компьютера.
По той же причине, по которой кремний лежит в основе современных технологий, химические синапсы составляют главный элемент строения мозга. Дело не в том, что такие синапсы лучше проводят электричество, а в том, что они проводят его по-разному.
У млекопитающих порядка половины энергобюджета организма уходит на работу всего одного белка, имеющегося в мембране каждой клетки15. Вдумайтесь: половина того, что вы едите и вдыхаете, расходуется на один-единственный вид молекул, так называемый натрий-калиевый насос. Его можно представить себе как шлюз, который поднимает корабль от подножья водопада к его вершине, то есть в сторону, противоположную естественному движению. Свалиться с водопада вниз можно самопроизвольно, то есть без затрат энергии, но для работы шлюза энергию нужно потратить. Натрий-калиевый насос точно так же двигает калий и натрий в неестественном направлении, что стоит нам огромных затрат.
КСТАТИ
Металлы, такие как калий, натрий и кальций, в водном растворе обычно существуют в виде положительных ионов. Ионы – это заряженные атомы, то есть атомы с перманентно оторванным или лишним электроном. В случае металлов электрон у атомов оторван, из-за чего их заряд становится положительным, то есть натрий или калий можно представить как свободно плавающие «плюсы». Но если электроны (свободно плавающие «минусы») всегда одинаковые, то разные ионы с одним и тем же зарядом могут быть разными химическими элементами, а значит, их можно отличить друг от друга. Этим занимаются белки, называемые ионными каналами и ионными насосами. Оба этих типа белков «настроены» на определенный ион и могут переносить его через мембрану. Каналы – это просто фильтры, пассивно пропускающие свой ион оттуда, где его много, туда, где его мало. Бывают каналы, которые открыты постоянно, бывают такие, которые открываются по сигналу. В отличие от каналов, насосы активно качают ионы, тратя при этом энергию, но зато могут двигать ионы туда, куда те самопроизвольно двигаться не хотят, то есть туда, где их и так много.
Каждый «цикл» шлюза-насоса закачивает внутрь клетки два иона калия, выкачивает наружу три иона натрия и съедает одну молекулу АТФ – как помнит читатель, это наша главная молекулярная «энерговалюта». В результате снаружи клетки становится больше натрия, а внутри – больше калия. Но из-за разного количества «плюсов», качаемых в разные стороны, наружная сторона мембраны становится к тому же еще более положительно заряженной, чем внутренняя. То есть снаружи теперь много натрия и относительный «плюс», а внутри много калия и относительный «минус» – такие относительные заряды еще называют потенциалами. На мембране благодаря натрий-калиевому насосу возникает напряжение, которое постоянно тянет натрий внутрь. А клетка его туда не пускает[39].
Такое «натриевое напряжение» – одно из самых фундаментальных качеств всех живых организмов на Земле, корнями уходящее, по-видимому, к самому происхождению жизни. Жидкости, омывающие наши клетки, от крови до межклеточного вещества, богаты натрием, как морская вода. Цитоплазма же любой клетки, от бактериальной до человеческой, преимущественно «калиевая». Некоторые ученые считают, что клетки изначально появились где-то, где было больше калия, и при выходе в «натриевую» морскую воду были вынуждены искусственно воссоздавать у себя внутри привычную ионную среду, выкачивая натрий наружу и закачивая калий внутрь16.
Так или иначе, в сегодняшних клетках постоянное натриевое напряжение нужно не просто для комфортной клеточной жизнедеятельности, а само по себе. У нас оно играет роль натянутой струны, на которой благодаря ее натянутости можно что-то сыграть. Натрий постоянно толпится возле мембраны, пытаясь проникнуть внутрь клетки, поэтому, если на мгновение приоткрыть ему дверь, сквозь мембрану устремляется мощная струя его положительного заряда. Даже если дверь тут же захлопнуть, этот импульс волной распространяется по внутренней поверхности мембраны, быстро нейтрализуя ее «минус» до тех пор, пока натрий не рассеется по клетке и не будет выкачан наружу натрий-калиевым насосом. Такие короткие импульсы, вызывающие в мембране разбегающиеся всполохи заряда, используются многими клетками для передачи сигналов из одной части клетки в другую. Но у некоторых клеток, и в частности у нейронов, есть еще один трюк, который поднимает эту идею на новую высоту: потенциал действия.
Типичный нейромедиатор, выброшенный в синаптическую щель, доплывает до «принимающего», или постсинаптического, нейрона, и открывает там натриевые каналы. Эти каналы как раз и напоминают захлопнутую дверь, которую нейромедиатор временно приоткрывает. Внутрь клетки устремляется натрий, и волна положительного заряда растекается по внутренней стороне ее мембраны. Но нейромедиатор поступает в синаптическую щель не постоянным потоком, а небольшими облачками, выпущенными окончанием предыдущего нейрона. Нейромедиатор быстро утекает из синапса, зачастую впитываясь только что испустившей его пресинаптической клеткой для повторного использования. Так что дверь ионного канала приоткрывается всего на несколько милли– секунд, после чего она снова захлопывается. В результате струя натрия в клетку обрывается и вызванная им волна положительного заряда быстро затухает, не сильно продвинувшись вглубь нейрона. Усердно пыхтящий натрий-калиевый насос возвращает все на свои места.
Но что будет, если нервная клетка принимает нейромедиаторы от нескольких нейронов одновременно? Чем больше у нее «входящих соединений», тем сильнее ее бомбардируют нейромедиаторами, тем больше в нее впускается натрия и тем сильнее суммарная волна положительного заряда, растекающаяся по клетке. Того же самого эффекта можно достичь, если лупить нейромедиатором по одному и тому же синапсу, но с огромной частотой – так, что натриевая волна не будет успевать затухать, а будет продолжать нарастать.
И вот тут, с нарастающей натриевой волной, в дело вступает тот самый фирменный трюк нейрона, исполняемый одной из важнейших молекул в нашей нервной системе. Называется эта молекула, к сожалению, предельно банально: потенциал-зависимый натриевый канал.