отрицательно.
Более резкого контраста и придумать нельзя: мне нечего сказать = нейрон заряжен отрицательно; мне есть что сказать = нейрон заряжен положительно. Ни один нейрон никогда не спутает эти два состояния. Невозбужденное состояние называется потенциалом покоя. Возбужденное состояние называется потенциалом действия. Но почему же генерация этого удивительного потенциала покоя – такой активный процесс? Потому что нейронам приходится выбиваться из сил и подключать насосы на мембранах, выталкивая положительные ионы наружу и удерживая отрицательные внутри, и все только для того, чтобы создать это внутреннее отрицательно заряженное состояние покоя. К нейрону поступает возбуждающий сигнал, каналы открываются, и океаны ионов устремляются внутрь и наружу, создавая положительный внутренний заряд. Но когда схлынет волна возбуждения, каналы закрываются и насосам приходится возвращать все на круги своя, восстанавливая отрицательный потенциал покоя. Примечательно, что нейроны тратят почти половину своей энергии на работу ионных насосов, то есть на поддержание потенциала покоя. Да уж, недешево обходится создание резких контрастов между состоянием, когда нечего сказать, и таким, когда у нейронов есть кое-какие интересные новости.
Теперь, когда мы разобрались с потенциалом покоя и потенциалом действия, перейдем ко второму чрезвычайно важному уточнению.
На самом деле потенциал действия работает не так
Я только что рассказывал, как один дендритный шипик получает возбуждающий сигнал от предыдущего нейрона (то есть этот предыдущий нейрон обладал потенциалом действия); из-за этого в дендрите возникает потенциал действия, который бежит в тело клетки и дальше по аксону к аксонным окончаниям, откуда передается следующему нейрону в цепи. Это неправда.
Вот что происходит на самом деле: нейрон, которому нечего сказать, сидит тихо, другими словами, поддерживает потенциал покоя – внутри он весь целиком заряжен отрицательно. Внезапно на один из дендритных шипиков на одной из дендритных ветвей приходит возбуждающий сигнал, исходящий от аксонного окончания предыдущего нейрона. Открываются каналы, и ионы плывут внутрь этого шипика и наружу. Но, для того чтобы поменять заряд нейрона на положительный, этого недостаточно. Пока что у нас есть только чуть менее отрицательный заряд в данной веточке дендрита. Если приводить цифры, которые здесь не имеют ни малейшего значения, нужно сказать, что заряд потенциала покоя, составляющий около –70 милливольт (мВ), сдвигается примерно до –60 мВ. Затем каналы закрываются. Этот небольшой подскок в положительную сторону[374] распространяется дальше, на соседние шипики этой ветви дендрита. Насосы начинают работать, перекачивая ионы обратно – туда, где они были изначально. В итоге на этом дендритном шипике заряд повышается с –70 до –60 мВ. Но чуть ниже по дендриту заряд поднимается только с –70 до –65 мВ. Еще ниже – с –70 до –69 мВ. Другими словами, возбуждающий сигнал рассеивается. Вы взяли маленький камешек и бросили его в спокойную водную гладь озера. По воде, все уменьшаясь, расходится рябь, пока не сгладится окончательно недалеко от места падения камешка. А за много миль оттуда, на аксональном берегу озера, от этой ряби не остается и следа.
Иначе говоря, если возбуждается один дендритный шипик, этого недостаточно, чтобы передать возбуждение на окончание аксона и далее – следующему нейрону. Как же проходит сигнал от дендрита к аксону? Вернемся к замечательному рисунку нейрона, выполненному Кахалем.
Все эти ветвящиеся дендритные отростки усеяны шипиками. И, чтобы передать возбуждение достаточного размера на аксонный конец, возбуждение нужно суммировать – тот же самый шипик надо стимулировать чаще, быстрее и/или, как чаще всего и бывает, несколько шипиков нужно стимулировать одновременно. Чтобы поднять не просто рябь, а настоящую волну, одним камешком не обойдешься, потребуется целая пригоршня.
В основании аксона, там, где он выходит из тела клетки, есть особое место (оно называется «аксонный холмик»). Если суммарное возбуждение от дендритов поднимает рябь достаточную, чтобы сдвинуть потенциал покоя вокруг холмика с –70 мВ до примерно –40 мВ, порог пройден. И когда это происходит, поднимается буря. В мембране холмика открываются самые разные виды каналов, ионы пачками снуют туда и обратно, пока, наконец, заряд не меняется на положительный (примерно +30 мВ). То есть вот тут-то и возникает потенциал действия. Далее каналы того же типа открываются в следующем участке мембраны аксона, и потенциал действия возникает уже там – все дальше и дальше, пока не доберется до аксонных окончаний.
Что касается способа передачи информации, у нейрона имеются две разные сигнальные системы. От дендритных шипиков до аксонного холмика идет постепенно затухающий аналоговый сигнал, рассеивающийся во времени и в пространстве. А на отрезке от аксонного холмика до аксонных окончаний действует цифровая система, порождающая сигнал по принципу «все или ничего» и регенерирующая его по всей длине аксона.
Для того чтобы понять, насколько это важно, возьмем с потолка парочку чисел. Предположим, средний нейрон имеет около сотни дендритных шипиков и столько же аксонных окончаний. Что это нам дает в контексте аналого-цифровой передачи сигнала?
Иногда ничего интересного. Возьмем нейрон А, у которого, как мы решили, имеется 100 аксонных окончаний. Каждое из них соединяется с 1 из 100 дендритных шипиков следующего за ним нейрона – нейрона В. В нейроне А возникает потенциал действия, который распространяется по всем его 100 аксонным окончаниям и возбуждает все 100 дендритных шипиков нейрона В. Для преодоления порога деполяризации на аксонном холмике нейрона B и для возникновения в нем потенциала действия необходимо, чтобы 50 его шипиков возбудились примерно в одно и то же время; следовательно, при возбуждении всех 100 шипиков нейрон B гарантированно сгенерирует потенциал действия и передаст сообщение от нейрона A дальше по цепочке.
Пусть теперь нейрон А протягивает половину своих аксонных окончаний к нейрону В, а половину – к нейрону С. В нейроне А возникает потенциал действия; гарантирует ли это передачу импульса нейронам В и С? Для прохождения порога на аксонном холмике и возникновения потенциала действия каждый нейрон должен получить сигнал от 50 «камешков» одновременно, и в данном случае нейрон А вызовет потенциал действия в двух нижележащих нейронах, кардинальным образом повлияв на их работу.
А теперь пусть нейрон А поровну распределяет свои аксонные окончания между 10 различными нейронами – от В до К. Вызовет ли его потенциал действия потенциал действия в нейронах-мишенях? Ни в коем случае – возвращаясь к нашему примеру, 10 «камешков» никак не дотягивают до требуемого порога в 50 «камешков».
Как же тогда возникает потенциал действия, скажем, в нейроне К, только 10 дендритных шипиков которого получают возбуждающие сигналы от нейрона А? И что происходит с остальными 90 его дендритными шипиками? В этом сценарии они получают входные сигналы от 9 других нейронов – по 10 от каждого. Иными словами, нейрон суммирует входные сигналы от всех передающих нейронов. Отсюда правило: чем большему числу нейронов передает импульс нейрон А, тем на большее число нейронов он может повлиять; однако чем большему числу нейронов он передает импульс, тем слабее окажется его влияние на каждый из них в отдельности. Вечный компромисс.
В спинном мозге, где один нейрон, как правило, посылает весь свой импульс следующему в цепи, это не так важно. Но в головном мозге каждый нейрон посылает проекции множеству других и получает входные сигналы от множества других, при этом аксонный холмик каждого нейрона определяет, когда будет пройден порог деполяризации и сгенерирован потенциал действия. Мозг целиком погружен в эти сети сходящихся и расходящихся сигналов.
Приведем поразительные реальные цифры: средний нейрон имеет от 10 до 50 000 дендритных шипиков и примерно столько же аксонных окончаний. Умножьте на 100 млрд нейронов, и станет понятно, почему хорошие стихи пишутся мозгами, а не левой ногой.
Для полноты картины приведем несколько фактов, которые можно и проигнорировать, если вы уже сыты ими по горло. У нейронов в запасе есть парочка дополнительных трюков, позволяющих в завершение потенциала действия дополнительно усилить контраст между «ничего не сказать» и «что-то сказать», быстро и резко завершив потенциал действия; это штука, которая называется задержанным выпрямлением, и еще одна – под названием «гиперполяризованный рефрактерный период». Кроме того, одна небольшая деталь из приведенной выше схемы: особые глиальные клетки обволакивают аксон, образуя изоляционный слой, который называют миелиновой оболочкой; такая «миелинизация» позволяет потенциалу действия проскакивать по аксону быстрее.
И последняя деталь, немаловажная в дальнейшем: порог деполяризации аксонного холмика может со временем меняться, изменяя тем самым возбудимость нейрона. Какие же факторы способны изменить этот порог? Гормоны, питание, жизненный опыт и другие вещи, о которых говорится в книге.
Что ж, мы проделали путь от одного конца нейрона до другого. Теперь попробуем разобраться, как именно нейрон, обладающий потенциалом действия, передает возбуждение следующему нейрону в цепи.
Итак, потенциал действия, возникший в нейроне А, распространился по всем его десяткам тысяч аксонных окончаний. Как это возбуждение передается следующему нейрону (нейронам)?
Крах адептов синцития
Будь вы обычным нейробиологом XIX в., вы бы не затруднились с ответом. В то время считалось, что мозг плода состоит из великого множества отдельных нейронов, которые постепенно отращивают себе дендриты и аксоны. Со временем аксонные окончания одного нейрона добираются до дендритных шипиков другого, соприкасаются и сливаются с ними, формируя общую мембрану. Из отдельных эмбриональных нейронов зрелый мозг строит непрерывную, чрезвычайно сложную сеть, состоящую из одного-единственного супернейрона, который называли синцитием. Считалось, соответственно, что возбуждение беспрепятственно передается от одного нейрона к другому, поскольку это, по сути, не отдельные клетки, а одна огромная.