Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе - Александр Иванович Волошин

работы мозга необходим суперкомпьютер, потребляющий приблизительно 12 ГВт, в то время как потребляемая мощность самого мозга составляет всего около 20 Вт.

Даже кратковременное нарушение доставки кислорода кровью может вызвать необратимые изменения в деятельности нервных клеток: в спинном мозгу – через 20 – 30 мин., в стволе головного мозга – через 15 – 20 мин., а в коре больших полушарий – уже через 5 – 6 мин.

Энергозатраты мозга составляют 1/6 – 1/8 суточных затрат организма человека. Основным источником энергии для мозговой ткани является глюкоза. Мозг человека требует для обмена около 115 грамм глюкозы в сутки. Содержание её в клетках мозга очень мало, и она постоянно черпается из крови.

Деятельное состояние нейронов сопровождается трофическими процессами – усилением в них синтеза белков. При различных воздействиях, вызывающих возбуждение нервных клеток, в том числе при мышечной тренировке, в их ткани значительно возрастает количество белка и РНК, при тормозных же состояниях и утомлении нейронов содержание этих веществ уменьшается. В процессе восстановления оно возвращается к исходному уровню или превышает его. Часть синтезированного в нейроне белка компенсирует его расходы в теле клетки во время деятельности, а другая часть перемещается вдоль по аксону (со скоростью около 1– 3 мм в сутки) и, вероятно, участвует в биохимических процессах в синапсах.

В отличие, например, от клеток печени, мозг работает только «на кислороде», и аэробный гликолиз – это единственный возможный вариант существования всех без исключения нейронов. В том случае, если в течение 10—12 секунд питание нейронов прекращается, то человек теряет сознание, а после остановки кровообращения, находясь в состоянии клинической смерти, шансы на полное восстановление функции мозга существуют только на протяжении 5—6 минут.

Это время увеличивается при сильном охлаждении организма, но при нормальной температуре тела окончательная гибель мозга происходит через 8—10 минут, поэтому только интенсивная деятельность ГЭБ позволяет нам быть «в форме».

Выделение тепла

Процесс нервного возбуждения сопровождается выделением небольшого количества тепла, доказано: один импульс повышает температуру нервного волокна на четыре миллионных градуса. Сколько нервных импульсов проноситься по нашей нервной системе ежесекундно? У думающего человека голова должна быть горячее чем у не думающего. Ура! Мы изобрели «Дуромер». На самом деле не всё так просто. Дело в том, что все тепло выделенное нейроном при прохождении нервного импульса по прошествии импульса тут же потребляется.

Генетическая память

Имеется много данных о генетически запрограммированных формах поведения. Например, давно известно, что все животные демонстрируют такие локомоторные и поведенческие реакции, которым они не могли обучиться на собственном опыте. Такое поведение, называемое инстинктивным, позволяет предположить, что анатомическая и физиологическая организация, лежащая в основе сложных многих нервных функций, может быть запрограммирована генетически. Такое поведение может видоизменяться под влиянием опыта лишь в незначительной мере.

Вес мозга составляет около 2% массы тела человека, но на нервную систему приходится 50% информации закодированной в ДНК.

О необходимости холестерина

22% сухого веса миелина составляет белок, 78% – липиды, из которых 42% фосфолипидов, 28% цереброзидов, 25% холестерина, остальное сульфатиды.

Так что, за исключением мозга другого о́ргана или ткани с подобным содержанием этой вредной пищевой субстанции просто не существует.

История нейронауки

Мы так часто употребляем слово «нейронауки», что, пожалуй, следует определиться с этим понятием.

Современная наука о нервной системе объединяет многие научные дисциплины, наряду с классическими: нейроанатомией, неврологией, нейрохирургией и нейрофизиологией, важный вклад в изучение нервной системы вносят молекулярная биология и генетика, химия, кибернетика и ряд других наук. Такой междисциплинарный подход к изучению нервной системы нашёл отражение в термине – нейронаука (neuroscience). Тем не менее в русскоязычной научной литературе в качестве синонима часто используется термин «нейробиология». И большинство представителей нейронауки России – по-прежнему составляют выпускники биологических факультетов.

Главной целью нейронауки является объяснение процессов, происходящих как на уровне отдельных нейронов, так и нейронных сетей, итогом которых являются различные психические процессы: мышление, эмоции, сознание. В соответствии с этой задачей изучение нервной системы ведётся на разных уровнях организации начиная с молекулярного и заканчивая изучением сознания, творческих способностей и социального поведения.

Нейробиология (она же нейрология, не путать с неврологией) – наука, изучающая устройство, функционирование, развитие, генетику, биохимию, физиологию и патологию нервной системы. Изучение поведения является также разделом нейробиологии.

Гистология – наука о микроскопическом и субмикроскопическом строении, развитии и жизнедеятельности тканей животных организмов. Гистология включает в себя, кроме прочих разделов, цитологию – раздел биологии, в настоящее время выступающий как самостоятельная наука, изучающая структурные, функциональные и генетические особенности клеток организмов.

Физиология – наука, изучающая функции и процессы, протекающие в организме и механизмы их регуляции, обеспечивающие жизнедеятельность живого организма во взаимосвязи с внешней средой.

Неврология – раздел медицины, занимающийся вопросами возникновения заболеваний центральной и периферической нервной системы, а также изучающий механизмы их развития, симптоматику и возможные способы диагностики, лечения или профилактики.

Нейрохирургия – раздел хирургии, занимающийся вопросами оперативного лечения заболеваний нервной системы, включая головной и спинной мозг, а также периферическую нервную систему.

Нейроанатомия – это область биологических наук, изучающая анатомическое строение (структурная нейроанатомия) и функциональную организацию (функциональная нейроанатомия) нервных систем различных животных, обладающих ею.

Кроме вышеперечисленных «традиционных» направлений нейронауки в последние годы, появляются новые дисциплины. Приведу далеко не полный их список:

– Вычислительная нейробиология – наука, использующая вычислительные процессы для того, чтобы понять, как биологические системы продуцируют поведение.

– Нейроинженерия – научная дисциплина, входящая в состав биомедицинской инженерии, использующая различные инженерные методы для изучения, восстановления, замены или укрепления нервной системы.

– Нейроинформатика – подраздел информатики, занимающийся обработкой данных о нервной системе, а также их анализом и моделированием.

– Нейролингвистика – наука, занимающаяся изучением нейронной основы лингвистических процессов.

Нейропсихология – наука, целью которой является изучение мозговой организации высших психических функций.

– Нейроэвристика – новый подход к нейронаукам, рассматривающий мозговые процессы с точки зрения взаимодействия генетических факторов и окружающей среды путём объединения редукционистских и целостных подходов. Лежит на пересечении нейробиологии и эвристики.

– Нейроэтология – подраздел нейронаук, изучающий то, как центральная нервная система переводит реакцию на биологически значимые раздражители в естественное поведение.

– Нейроархитектура – мультидисциплинарный подход, опирающийся на знания нейропсихологии, нейромаркетинга, архитектуры и дизайна.

– Нейроэтика – этика нейробиологии и нейронауки, междисциплинарная область исследований, изучающая влияние современной нейронауки на самосознание человека, развитие биомедицины, политико-правовой и моральной сфер жизнедеятельности человека.

ХХ в., что дальше

После публикации модели Ходжкина – Хаксли и их мембранной теории, в направлении исследований нервного импульса не произошло почти ничего нового. Нет, конечно же, исследования продолжились, и были важные открытия, о некоторых я уже рассказывал и ещё расскажу. Но все они оказались как бы эхом того, что сделали Ходжкин и Хаксли. И даже сам Ходжкин оказался в тени собственной славы – остаток своей научной деятельности он посвятил доказательствам правильности своей же теории (хотя с ним никто особо и не спорил).

Исследования А. Ходжкина

Так, в 1961 году А. Ходжкин со своими помощниками Бекером и Шоу поставили очень красивый опыт. Ещё когда Джон Янг открыл гигантский аксон у кальмара, он заметил, что при надавливании на перерезанный аксон его содержимое выдавливается и остаётся пустая неповреждённая оболочка.

Важно, что вырезать гигантский аксон кальмара можно целиком, почти не повредив. Благодаря этому с ним можно проделать такую операцию – просто перерезать концы аксона, при этом его густая аксоплазма не вытекает наружу. Но если положить его на резиновую подложку и прокатать резиновым валиком, не трудно выдавить аксоплазму. При этом оболочка гигантского аксона (в том числе и мембрана) остаётся неповреждённой. Затем можно, вставив в отрезанный конец аксона стеклянную пипетку (канюлю), заполнить его раствором с заданным содержанием ионов. Потом можно заткнуть концы аксона «пробками» из густого масла, не проводящего ток.

Вот именно такие эксперименты начали ставить Ходжкин и его сотрудники. Оказалось, что