Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе - Александр Иванович Волошин

шквал критики. Сторонники модели попытались объяснять с точки зрения термодинамики и физическое расширение нервов при распространении импульса, и обратимое выделение тепла, и эффект анестетиков, и электрическую индукцию потенциалов. Но как объяснить работоспособность модели в условиях широкого диапазона температур (потенциалы действия присутствуют при 0° C)? Не нашлось ответа и на другой довод скептиков: как в рамках предложенной солитонной модели объяснить селективность мембраны к ионам K+ и Na+.

Хаймбург до сих пор расстроен тем, как биологи реагируют на его идеи. Он столкнулся с яростным противодействием с того момента, как в 2005 году опубликовал свою теорию в Proceedings of the National Academy of Sciences USA, хотя журнал пользуется большим уважением.

Консервативные нейробиологи считают, что вся работа пропитана превосходством физика, который думает, что может просто прийти в другую область и наставить людей на путь истинный.

Одно дело – говорить, что в нервах действуют и механические, и электрические силы, и совсем другое – отвергать представления о том, что ионные каналы играют ключевую роль в проведении сигнала, как это делают Хаймбург и Шнайдер – это их самое большое и наиболее сомнительное отклонение от общепринятой линии в биологии. Для них неважно, что учёные обнаружили сотни белков ионных каналов или что лекарства могут избирательно влиять на потоки ионов, или что учёные создают мутации, изменяющие белки и влияющие на возбудимость нейронов.

Хаймбург и Шнайдер признают, что эти белки должны играть некоторую роль. Но они ссылаются на эксперименты, где показано, что нервные волокна временно «набухают», когда по ним проходят импульсы, потому что молекулы воды текут внутрь сквозь мембрану через те же ионные каналы, которые впускают натрий, а затем вытекают через ионные каналы, выпускающие калий.

Хаймбург и Шнайдер заняли непримиримую позицию. Возможно когда-нибудь они разделят Нобелевскую премию. Или они не придут ни к чему, увязшие в своём упрямстве, как на много десятилетий застрял Тасаки.

Ажиотаж вокруг этой темы немного затих.

Модель Ходжкина – Хаксли устояла и укрепилась. Но, если опустить идею с «точкой замерзания», то есть физический смысл в заявленной гипотезе, то в математическом описании гидродинамической волны как солитона эта модель очень перспективна.

А Хаймбург тем временем продолжает свои исследования. В 2014 году он повторил эксперимент с наркотизированным головастиком, используя искусственные мембраны вместо животных: когда он повысил давление до 160 атмосфер, действие анестетиков прекратилось, но теперь Хаймбург мог связать это с фазовым переходом в мембране. В 2016 году он точно измерил в одиночной клетке механическую волну, которую Тасаки и Иваса впервые описали в 1979 году.

Интересно, что тепловая энергия в передающем сигнал нерве может быть в два раза больше того значения энергии электрического сигнала, которое принято в нейробиологии. То, что эти неэлектрические характеристики попали в немилость, отчасти произошло по историческим причинам. Хаймбург утверждает, что в старых экспериментах систематически недооценивалось количество выделяемого тепла, поскольку там было сразу много нейронов, поглощение тепла после раннего прохождения импульса сглаживало картину выделения тепла от более поздних импульсов.

Тасаки измерял тепло, выделяемое пучком волокон, а Хаймбург планирует с помощью микрочипа оценить изменение температуры одиночного нейрона. Эксперимент должен ответить на главный аргумент критиков его теории: что быстрый переход участка мембраны из жидкого состояния в кристаллическое и обратно должен сопровождаться выделением, а затем поглощением большего количества тепла, чем наблюдал Тасаки. Если измерения подтвердят данный факт, это будет в пользу его утверждения, что по мембране передаётся механическая волна.

Модель Ахмеда Эль Хади и Бенджамина Мачты

Прошло совсем немного времени и вот в 2014 году американские молодые исследователи Бенджамин Б. Мачта и Ахмед Эль Хади [58] предлагают новую теоретическую модель, в соответствии с которой существующая механическая поверхностная волна, распространяется совместно с электрическим потенциалом действия.

Модель, разработанная Ахмедом Эль Хади и Бенджамином Мачтой, основана на данных о биофизических параметрах, таких как диаметр аксона, эластичность мембраны нервных клеток, а также плотность и вязкость аксоплазмы (цитоплазмы внутри аксона), взятой из других экспериментов. [59]

– Мы называем их «волнами действия», – говорит Эль Хади, – и мы думаем, что они движимы потенциалами действия. Они немного похожи на поверхностные волны, которые вы получаете, когда бросаете камень в воду – камень похож на электрический импульс, который вызывает механическое смещение мембраны». Далее снова следовала математическая модель солитона. Учёные верили, что их модель послужит основой для понимания физического происхождения и возможных функциональных ролей этих волн в нейробиологии. Но как показала жизнь этой амбициозной цели они не достигли.

Недавно группа исследователей из Китая показала, что цитоскелет аксонов организован в виде серии концентрических колец, и Эль-Хади подозревает, что «волны действия» могут возникать при последовательном сужении этих колец.

Другие

Многие учёные пытались исследовать механические волны в нервном волокне с точки зрения термодинамики и строить их математические модели на основе нелинейных одиночных волн – солитонов. Но с 2005 года после Томаса Хаймбурга и Андрю Д. Джексона больше не делалось попыток понять физическую суть явления.

Но иногда к исследованию вопроса подключаются другие учёные, не затронутые старыми спорами. Инженер Нунцзянь Тао (Nongjian Tao), специалист по биосенсорам из Университета штата Аризона, использует лазеры для отслеживания механических импульсов в одиночных нервных клетках, как и в работах Тасаки и Ивасы, но у Тао свет отражается напрямую от нерва, а не от крошечной платиновой пластинки, поэтому его измерение более точное. С помощью лазеров, выявляющих механические волны, он надеется отслеживать одновременно сотни отдельных нейронов в нервных сетях.

Такая работа могла бы дать ответ на важный вопрос – действительно ли нейроны используют их для чего-то полезного.

Могут ли механические волны действительно влиять на маленькие белковые каналы?

Известно, что работа ионных каналов нестабильна и часто встречаются помехи: даже слабые тепловые колебания могут заставить их открыться или закрыться случайным образом. В недавних экспериментах показано, что каналы чувствительны и к механическим воздействиям на мембрану.

Специалисты по теории информации десятилетиями пытались объяснить, как мозгу удаётся стабильно работать, имея такие ненадёжные механизмы. Однако наличие механических волн может означать, что открытие и закрытие происходят упорядоченно. Такое вполне возможно. Если механические волны помогают открывать и закрывать ионные каналы, это может сильно изменить наши представления о нервной системе.

Но если не ПД, то что?

Авторы описанных выше гипотез рассматривали механическую волну в аксоне с точки зрения термодинамики. Я же призываю взглянуть на процессы в нейроне с позиций нелинейной гидродинамики. Той самой «исконно нелинейной гидродинамики, в которой нелинейность проявляется уже в самых простых явлениях, и которая в течение почти столетия развивалась в полной изоляции от «линейной физики» [51].

А теперь, уважаемый читатель, давайте поговорим о том, о чём в нейробиологии говорить не принято.

Как в законе Ома связаны три физических величины: ток, напряжение и сопротивление (I=U/R), так же неразрывно связаны мембранный потенциал, концентрация ионов и осмотическое давление внутри клетки. Они представляют собой систему, которая всегда находится в состоянии равновесия. Изменение значения любого из этой троицы вызовет изменение остальных.

В 1884 году Анри Ле Шателье (фр. Henri Louis Le Chatelier; 1850—1936) сформулировал термодинамический принцип подвижного равновесия, позже обобщённый Карлом Брауном.

Ныне этот принцип носит имя Ле Шателье – Брауна:

если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия (температура, давление, концентрация, внешнее электромагнитное поле), то в системе усиливаются процессы, направленные на компенсацию внешнего воздействия.

Принцип применим к равновесию любой природы: механическому, тепловому, химическому, электрическому.

Изменения внешних условий изменяет равновесные концентрации веществ. В этом случае принято говорить о нарушении или смещении химического равновесия.

Ещё в 1908 году Нернст выявил зависимость между разностью потенциалов и ионной концентрацией. Уравнение Нернста позволяет предсказать максимальный рабочий потенциал, который может быть получен в результате электрохимического взаимодействия, при известных значениях давления