Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе - Александр Иванович Волошин

увидеть, как те будут реагировать на механические волны. В результате было открыто кое-что важное: липиды мембраны обычно находятся в жидком состоянии, их молекулы повёрнуты случайным образом, но они близки к тому, что физики называют фазовым переходом. Достаточно чуть-чуть сжать мембрану, и липиды сконденсируются в высокоупорядоченную жидкокристаллическую структуру.

Проведя эксперименты, Хаймбург стал утверждать, что нервный импульс – это механическая волна, которая идёт по мембране. Продвигаясь, она сжимает липиды мембраны так, что они образуют жидкий кристалл, при этом выделяется небольшое количество тепла, так же как при замерзании воды. Затем, когда волна прошла, через несколько тысячных долей секунды мембрана возвращается в жидкое состояние и при этом поглощается тепло. Быстрый переход в жидкокристаллическую форму и обратно сопровождается расширением мембраны, что и наблюдали Тасаки с Ивасой, освещая лазером крупинку платины.

Хаймбургом было сделано ещё одно оригинальное предположение – механическая волна и фазовый переход могут быть связаны со скачком напряжения, происходящим при прохождении импульса. Хаймбург обнаружил, что может перевести мембрану в жидкокристаллическое состояние, просто изменив мембранный потенциал. По его словам, люди изменяли мембранный потенциал на протяжении почти 70 лет, но никто из электрофизиологов никогда не проверял наличие жидкокристаллической структуры. Возможно мембраны представляют собой пьезоэлектрики – материалы, способные преобразовывать физические воздействия в электрические сигналы и наоборот. Это значит, что электрический импульс, идущий по мембране, вызывает механическую волну. Или наоборот, механическая волна, идущая по мембране, вызывает изменение напряжения.

Зачем Хаймбург занялся наблюдением за нервами при анестезии?

На полках у Хаймбурга были книги по физике, а не по биологии. Среди них были и книги Германа Гельмгольца, который в середине 1800-х годов сформулировал важнейшее правило термодинамики, что энергия может переходить в другую форму, но не может быть создана или уничтожена. Напомню, Гельмгольц тоже измерял скорость нервных импульсов. «Я считаю, что обязательно надо читать эти старые тексты, – говорит Хаймбург. – Они отражают постепенное открытие фундаментальных связей между энергией, температурой, давлением, напряжением и фазовыми переходами». Эти принципы лежат в основе представлений Хаймбурга о работе нейронов, представлений физика, пробивающего себе дорогу в чужой (и недружелюбной) научной области.

Он быстро заметил слабые места в популярных объяснениях действия анестезии. Биологи считают, что анестезия выключает нервы, блокируя ионные каналы – проходы в мембране нейрона, которые закрываются и открываются, пропуская ионы натрия или калия. Но поскольку разные анестетики имеют совершенно разную молекулярную структуру, Хаймбург усомнился, что все они связываются с ионными каналами. Это «совершенно нелепое» объяснение, разочарованно говорил он как о чем-то абсолютно очевидном. Тут должно быть что-то «более глубокое и основательное».

Идеи Хаймбурга отчасти сформировались под влиянием старой книги «Исследования наркоза» (Studien ber die Narkose), опубликованной Эрнестом Овертоном (Ernest Overton) в 1901 г. Описываемый там эксперимент привлёк внимание Хаймбурга. Овертон взял десятки разных анестетиков и каждый из них поместил в колбу, содержащую воду, где сверху был слой оливкового масла. Он потряс каждую колбу, а затем подождал, пока вода и масло снова разделятся. Далее для каждого анестетика он определил, сколько оказалось в воде, а сколько в масле. Чем более сильным действием на животных обладал анестетик, тем больше его оказывалось в масле. Такой поразительный результат был позже подтверждён для новых анестетиков. Оливковое масло и клеточные мембраны состоят из похожих молекул, которые называются «жирные кислоты».1

В начале 1950-х годов датчанин Йенс Скоу (Jens Christian Skou) изучал механизм действия анестетиков. Он также заметил, что действие анестетика связано с его способностью растворяться в липидном слое клеточной мембраны и блокировать натриевые каналы. Сначала Скоу предположил, что канал является белковой молекулой и его перекрытие в нейронах приводит к тому, что нервные клетки теряют способность к возбуждению, а это приводит к анестезии.

Продолжение исследования этого вопроса привело его к нобелевской премии за открытие в 1957 году такой разновидности АТФ-азы, которая активируется катионами натрия и калия. Так был обнаружен первый ионный насос – фермент, который создаёт прямой перенос ионов через клеточную мембрану.

Кстати, Чарльз Овертон, первым в 1902 году наблюдавший свойства анестетиков в масле тоже вошёл в историю, он высказал идею, что клеточные мембраны состоят из тонкого слоя фосфолипидов.

Хаймбург же предположил, что анестетики встраиваются в клеточные мембраны и изменяют их физические свойства.

Данную идею подтвердили эксперименты с искусственными мембранами. Когда Хаймбург ввёл в мембрану анестетик, это помешало ей переходить в жидкокристаллическую форму при понижении температуры до того значения, при котором обычно происходит этот переход, совсем так же, как соль или сахар снижают температуру замерзания воды.

Хаймбург пришёл к выводу – когда в мембране затруднён фазовый переход, механическая волна не проходит по нервному волокну, и это объясняет, почему анестетики выключают нерв. Причём он предсказал, что препятствие можно преодолеть. Для кристаллизации мембраны надо создать более высокое давление, например, увеличив силу тока раздражения. Более сильный электрический ток действительно преодолел влияние анестетика.

Если анестезию можно победить, сильнее ударив током, значит то же самое можно сделать, увеличив физическое давление на мембрану. Биологи открыли это явление ещё в 1942 г. Они использовали два разных анестетика, этанол и уретан, чтобы наркотизировать головастиков до такой степени, что те не могли плавать. Затем учёные поместили животных в гипербарическую камеру с давлением в 136 раз выше атмосферного. Анестезирующий эффект исчез: головастики возобновили плаванье. Когда давление понизили, головастики снова легли неподвижно. «Это удивительно, – говорил Хаймбург улыбаясь. – Как могло прийти в голову воздействовать повышенным давлением на одурманенных головастиков?»

1 Основываясь на этих наблюдениях Э. Овертон выдвинул предположение о том, что клеточная мембрана предоставляет собой одномерный липидный слой.

Шнайдер

Когда Хаймбург и его коллега Эндрю Джексон впервые опубликовали свою теорию в 2005 году, они не наблюдали ни одного такого электромеханического импульса в динамике.

Этот пробел восполнил один из бывших студентов Хаймбурга – биофизик Маттиас Шнайдер (Matthias Schneider), работавший тогда в Техническом университете Дортмунда. В 2009 году он сообщил, что может вызвать механическую волну, подав напряжение на искусственную мембрану. Сила импульса была схожа с той, которая наблюдается в нервных клетках. Волна перемещалась со скоростью приблизительно 50 м/с. В 2012 году Шнайдер подтвердил, что механическая волна и электрический импульс – это составляющие одной и той же волны, идущей по мембране.

Однако главное открытие Шнайдер сделал в 2014 году. Ключевая особенность нервного импульса – закон «всё или ничего». Если нейрон получает слабый сигнал, потенциал действия не пойдёт, если сигнал достаточно сильный, то пойдёт. Существует определённый порог. Шнайдер обнаружил, что электромеханические волны на его искусственных мембранах действительно распространялись по принципу «всё или ничего». Казалось, что определяющий фактор – достаточно ли сильно сжата мембрана, чтобы произошёл переход в жидкокристаллическую форму. Только тогда, по словам Шнайдера, «вы получите импульс».

Группа биологической физики Матиаса Шнайдера изучила распространение двумерных звуковых волн в липидных интерфейсах и их возможную роль в биологической сигнализации. В результате была создана первая солитонная модель распространения нервного импульса.

Строилась она на утверждении, что клеточная мембрана имеет «точку замерзания» (пороговую температуру, при которой её консистенция изменяется от жидкой к гелеобразной). Температура эта лишь немного ниже температуры тела организма. И это свойство мембраны является условием распространения солитонов. Потенциал действия, распространяющийся вдоль нервного волокна, вызывает незначительное повышение температуры. В этот момент она «становится жидкой», что приводит к её деформации и диффузии ионов. По прошествии нервного импульса температура снижается, и мембрана возвращается в исходное состояние. Авторы идеи считали величину упругости мембраны нелинейной функцией температуры и давления в окрестности перехода плавления, и доказывали, что эта особенность приводит к возможности распространения солитонов в мембранах.

Критика

В таком виде солитонная модель попала под