Связывание химического вещества с рецептором приводит к открытию мембранных каналов. “Ворота крепости” распахиваются, и ионы натрия врываются внутрь. По мере наплыва ионов происходит изменение суммарного заряда нейрона: каждая волна входящих ионов создает небольшой положительный импульс. А по мере связывания все большего количества нейромедиаторов и открытия дополнительных каналов повышается амплитуда этого импульса. Суммарный заряд переносится по телу клетки.
Теперь представьте себе, как армия ионов-захватчиков продвигается по дендритам к телу клетки – к соме – и достигает ключевой точки, называемой аксонным холмиком. Именно здесь запускается биологический цикл нервной проводимости. Если импульс, достигающий аксонного холмика, оказывается выше порогового значения, ионы начинают циклический процесс. Сами ионы способствуют открытию дополнительных каналов аксона. В биологии, когда химическое вещество стимулирует высвобождение того же химического вещества, возникает положительная петля обратной связи: большое превращается в еще большее. Чувствительные к присутствию ионов ионные каналы – основа аксонной проводимости: они усиливают сами себя, как будто толпа сама себя воспроизводит, открывая дополнительные ворота в крепость, позволяя войти все новым и новым собратьям. Через каналы входят новые ионы натрия, тогда как ионы калия вырываются наружу.
Процесс нарастает: толпа ионов-захватчиков открывает новые ворота, через которые проникают новые ионы натрия. По мере открытия дополнительных каналов усиливается приливная волна натрия, а ионы калия убегают, что и объясняет большой положительный пик, который Ходжкин и Хаксли впервые обнаружили в 1939 году. Суммарный заряд аксона меняет полюс с отрицательного на положительный. Однажды начавшись, этот каскад проводимости не останавливается, а продвигается все дальше и дальше вдоль аксона[122]. Это самораспространяющийся процесс. Одна серия каналов открывается и закрывается, вызывая пик электричества. Этот первый пик (или спайк) вызывает открытие следующей серии каналов на несколько микрометров дальше, что вызывает второй спайк на небольшом расстоянии от первого. Затем возникает третий спайк, еще на несколько микрометров дальше – и так далее, пока импульс не добирается до окончания аксона[123].
Рисунок Сантьяго Рамона-и-Кахаля, изображающий срез сетчатки с несколькими слоями нейронов. Обратите внимание, что некоторые нейроны заканчиваются “бутоном” (в частности, в слое 0, обозначающим часть синапса, и что конец аксона не обязательно физически соприкасается с дендритами (тонкими отростками второго нейрона). Пустой промежуток соответствует синапсу, в котором, как было обнаружено впоследствии, происходит передача химических сигналов (нейромедиаторов), активирующих или ингибирующих вторичный нейрон. Пустое пространство и близость дендритных отростков вторичного нейрона наиболее отчетливо видны в слое F.
Но после прохождения спайка вдоль нейрона необходимо восстановить равновесие. По мере прохождения спайка в клетке каналы постепенно закрываются. Выкачивая ионы натрия и закачивая ионы калия, нейрон возвращается к исходному состоянию с суммарным отрицательным зарядом.
Если внимательно вглядеться в изогнутые линии на рисунке Кахаля, можно обнаружить еще кое-что неожиданное. В самом тонком срезе, который он получил и зарисовал, и на самом детальном из его рисунков, где нейроны не перекрывают друг друга, виден крохотный промежуток между окончанием одного нейрона, где заканчивается импульс (т. е. между окончанием его аксона), и началом другого, где импульс предположительно вызывает возбуждение второго нейрона (т. е. в начале одного из ветвистых дендритов).
Например, рассмотрите внимательно часть рисунка под буквой g. “Бутоны”, венчающие окончания нервов, почти касаются дендритов следующего нерва. Но только почти. Поэтесса Кей Райан однажды написала, что “нужно быть очень смелым, чтобы оставлять пустое пространство”12, а чертежник и ученый Кахаль явно был не робкого десятка. Это пространство (приблизительно от двадцати до сорока нанометров) он оставил пустым. Оно крохотное, его легко не заметить. Может быть, это лишь артефакт микроскопического анализа или окрашивания. Однако, подобно негативному пространству в китайской живописи, это пространство может представлять собой самый важный элемент всего рисунка, если не всей физиологии нервной системы. Немедленно возникает вопрос, почему существует эта пустота. Если бы нервная система была клубком проволоки, только сумасшедший элекрик мог бы оставить разрывы между кусками проводов. Но Кахаль зарисовал в точности то, что видел, – лошадка наблюдения везла за собой тележку теории. Однако опять, как уже несколько раз случалось в истории, наблюдения вызывали недоверие.
Как мог импульс, продвигавшийся по нерву так, как это описали Ходжкин и Хаксли, передаваться на соседний нерв? В 1940-е и 1950-е годы влиятельный нейрофизиолог и авторитет в области синаптической передачи Джон Экклс упорно утверждал, что сигнал может передаваться только электрическим путем. Экклс заявлял, что нейроны представляют собой электрические проводники, “провода” – так зачем им использовать для передачи сигнала что-то другое, кроме электрических импульсов? Кто-нибудь слышал об устройстве, в котором меняется способ передачи между проводами? В учебнике, опубликованном в 1949 году, коллега Экклса физиолог Джон Фултон писал: “Таким образом, идея о наличии химического медиатора, который выделяется на нервном окончании и действует на второй [нейрон] или мышцу, кажется несостоятельной во многих отношениях”13.
В науке встречаются проблемы двух общих типов. Первый тип, назовем его “глаз во время песчаной бури”, возникает тогда, когда в той или иной научной сфере наблюдается такая гигантская путаница, что не видно никаких шаблонов и непонятно, куда двигаться дальше. Куда бы вы ни взглянули, всюду песок, и для поиска логики требуется какой-то совсем иной способ рассуждений. Хороший пример – квантовая теория. В начале 1900-х годов, когда был открыт атомный и субатомный мир, эвристических принципов механики Ньютона оказалось недостаточно, и для выхода из бури потребовался целый сдвиг парадигмы в отношении этого нового мира.
Есть второй, противоположный тип проблем, давайте назовем его “песчинкой в глазу”. Все кажется очень логичным, но в прекрасную теорию не вписывается один неудобный факт. Он раздражает ученых, как песчинка в глазу: почему, ну почему остается это противоречие?
В 1920-е и 1930-е годы щель между нейронами стала такой “песчинкой в глазу” английского нейрофизиолога Генри Дейла и его давнего коллеги Отто Лёви14. Они соглашались, что синаптическая передача между нейронами была электрической, в этом не было противоречия с импульсом, обнаруженным Ходжкином и Хаксли. Но если вся система похожа на моток проводов, зачем нужно пустое пространство между нервами?
Карьера Дейла необычна для его эпохи15: он учился в Кембридже, а потом некоторое время работал в лаборатории Эрлиха во Франкфурте, но оставил университетскую позицию, которую считал слишком рискованной, и стал фармакологом в компании Wellcome Laboratories в Англии. Здесь, основываясь на работах Джона Ленгли и Уолтера Диксона, он начал выделять химические вещества, оказывающие глубокое действие на нервную систему. Некоторые из них, такие как ацетилхолин, при введении в организм кошки снижали частоту сердцебиений животного. Другие могли ее увеличивать. А третьи стимулировали активность нервных клеток по отношению к мышцам. В 1914 году Дейл стал директором Национального института медицинских исследований в Милл-Хилл вблизи Лондона. Он осторожно заявлял, что эти химические вещества были передатчиками – “трансмиттерами” информации между нейронами или между нейронами и мышечными клетками, с которыми они были связаны. Введение этих веществ в организм кошки стимулировало нервы, подходящие к сердцу, приводя к учащению или замедлению сердечного ритма. И еще эти химические вещества выступали триггерами следующего электрического импульса. Дейл продолжал обдумывать это наблюдение. Химические вещества (а не только электричество) могут переносить импульсы от нервов к мышцам и, возможно, от нервов к нервам.
В австрийском городе Грац нейрофизиолог Отто Лёви тоже склонялся к мысли о существовании химических нейромедиаторов16. В последнюю ночь перед Пасхой 1920-го года, в короткий промежуток между двумя войнами, ему приснился опыт. Он мало что запомнил из этого сна, но, скорее всего, тот имел отношение к мышцам и нервам лягушки. “Я проснулся, – писал он, – включил свет и записал кое-что на клочке бумаги. И потом опять заснул. В шесть утра я вспомнил, что ночью записал что-то важное, но не мог расшифровать свои каракули. Следующей ночью в три часа мысль вернулась. Это был эксперимент, позволявший установить, справедлива ли гипотеза о химической передаче, которую я выдвинул семнадцать лет назад. Я немедленно поднялся, пошел в лабораторию и поставил простой эксперимент на сердце лягушки в таком варианте, какой мне приснился ночью”17.
В пасхальное воскресенье в четвертом часу утра Лёви побежал в лабораторию. Первым делом он извлек у одной лягушки блуждающий нерв, отключив тем самым один из важнейших движущих механизмов сердцебиения. Блуждающий нерв посылает сигнал замедления сердцебиений, поэтому, как и ожидалось, без нерва частота сердцебиений животного повысилась. Затем он стимулировал блуждающий нерв второй лягушки, чтобы заставить ее сердце биться медленнее. Здесь тоже все произошло как и ожидалось: в результате стимуляции ингибирующего нерва сердце стало биться реже.
Но что именно при стимуляции блуждающего нерва приводило к сокращению частоты сердцебиений? Если это электрический импульс, как горячо настаивал Экклс, его никоим образом нельзя перенести от одной лягушки к другой (заряженные ионы при переносе диффундируют и разбавляются). Хитрость эксперимента Лёви заключалась в пере