Евгений Плисов - Научное мировоззрение изменит вашу жизнь. Почему мы изучаем Вселенную и как это помогает нам понять самих себя?

Схема изучения внутреннего заряда нейрона с помощью микроэлектрода.

Как ученые поняли, что внутри клетки относительно внешней среды есть заряд и этот заряд равен -70 мВ? Они придумали иглу с полостью внутри. Что-то наподобие шприца, но настолько маленькое, что им можно проколоть мембрану отдельной клетки, причем шприц не пройдет насквозь, а его конец останется внутри. Иглу делают из стекла: помещают стеклянную трубочку толщиной 1 мм в нагревательный прибор, и, как только стекло начинает плавиться, две пружины резко растягивают эту трубочку в противоположные стороны. В месте, где стекло было нагрето, создается настолько тонкая струна, что ее не видно. Пустой канал внутри иглы вы заполняете токопроводящим раствором, например раствором соли, а затем с помощью специальных держателей под микроскопом вводите эту иглу внутрь клетки.

И как только игла окажется внутри клетки, прибор покажет, что относительно окружающего раствора клеточное содержимое имеет отрицательный заряд в -70 мВ. И эти показания будут стабильны, пока игла находится внутри клетки и пока клетка жива.

Работа натрий-калиевого насоса.

Пока клетка жива, на ее мембранах работает так называемый натрий-калиевый насос (Na +-K +-насос). Этот белок, словно насос, закачивает из окружающей среды в клетку ионы К+ и при этом выкачивает из цитоплазмы клетки ионы Na +. Стоит подчеркнуть, что этот насос — не эфемерная штука, а реальная физическая конструкция, которая работает что есть силы. Внутри конструкции белка есть полости, в которые могут попасть ионы, и эти полости разные. Есть полости для ионов Na +, если полости для ионов K +, причем для натрия таких полостей три, а для калия две.

Мозг — самая энергозатратная структура тела. Так вот, она такая энергозатратная как раз из-за этих насосов — именно они тратят большую часть энергии, поддерживая батарейку клетки в постоянно заряженном состоянии. Во время работы насоса происходит своеобразный обмен, расходуется энергия молекул АТФ. В результате снаружи клетки концентрация ионов Na +становится в 10 раз больше, чем внутри, а внутри клетки в 30 раз больше ионов К +, чем снаружи.

Изначально, когда нервная клетка только появляется, она не несет в себе заряда. В таком состоянии они находятся у эмбрионов до двух-трех первых месяцев развития. Поэтому говорить о каких-либо чувствах эмбриона как минимум до этого срока преждевременно, его нервные клетки не выполняют свои функции. Компьютер еще не включен в розетку. Концентрация положительных и отрицательных ионов внутри клетки одинакова. Затем происходит следующее.

1. На мембране у нейрона появляются каналы, способные пропускать К +. Внутри клетки концентрация К +высокая, снаружи низкая, и К +начинает потихоньку покидать клетку. Представьте, что вы едете в переполненном общественном транспорте, и тут открываются двери. К +, по идее, должен выходить из клетки до тех пор, пока его концентрация снаружи не сравняется с концентрацией внутри, однако полностью ему выйти помешают оставшиеся в клетке отрицательные ионы. Плюс притягивает минус.

Выход ионов калия из клетки.

Оставшиеся отрицательно заряженные ионы (это может быть Cl -, PO 4 3-, остатки органических кислот и пр.) не полностью останавливают поток К +из клетки, но делают так называемое динамическое равновесие. Сколько К +покидает клетку, столько же из-за притяжения проникает в клетку.

Проникновение ионов натрия в клетку.

3. Если оставить все на этом моменте, нетрудно догадаться, что рано или поздно клетка обменяется с внешней средой всеми ионами и ее внутренний заряд станет равен 0. Чтобы не допустить подобного, и существует Na +-K +-насос, постоянно поддерживающий динамическое равновесие на уровне -70 мВ.

Работа Na +-K +-насоса.

Вся активность нашего мозга по большому счету сводится к постоянному закачиванию в клетки ионов. И это закачивание должно быть беспрерывным, так как если его прекратить, то сдвигается ПП (потенциал покоя). Сдвигаться он не должен, поскольку чем меньше внутри клетки отрицательный заряд, тем она становится возбудимее. Но если вам нужно, вы можете сломать собственную систему транспорта ионов. Например, вы можете взять растение-лиану строфант комбе и выделить из него строфантин. Этот токсин сломает Na +-K +-насос, и теперь нечему будет выкачивать лишний натрий из клеток вашего мозга. ПП начнет сдвигаться в сторону -60 мВ и выше.

Зачем растения придумали массу разнообразных интересных токсинов? Это их защита от травоядных животных. Вы можете придумать колючки, быть горьким, кислым, острым, твердым или настолько жухлым, что жевать вас будет совсем не классно. Но самое крутое, что вы можете сделать, это придумать яд, способный убить абсолютно любое животное. У растений такой же план на жизнь, как и у всех других существ, — жить, размножаться, по возможности захватить мир. То, что животные вас едят, не входит ни в коем разе в ваши планы, только если вы этого не хотите и ваши семена не распространяются по окрестностям посредством кишечника лемура. Так что лиана строфант — хитрая.

Человек оказался еще более хитрым. Он догадался взять страшный яд и сильно его разбавить. Так получают лекарство на основе строфантина, кардиостимулятор, способный усилить работу сердца (то есть сделать клетки сердечной мышцы более возбудимыми). Все дело в дозировках. Когда вы пьете чай, не думайте, что мята, ромашка или календула придумали все свои вещества просто так или для нашего с вами удовольствия. В подавляющем большинстве случаев растение пыталось кого-нибудь отравить, будь то млекопитающее или насекомое. Но человек — исключение из правил, мы можем разбавлять эти вещества и получать полезный для себя продукт. В следующий раз, когда будете пить чай с горными травами, порадуйтесь собственному величию, ведь какая-нибудь травка в вашем чае точно намеревалась вас убить, но вы оказались хитрее.

Попробуем же теперь возбудить нервную клетку. Допустим, стеклянная трубочка до сих пор торчит из нее, а мы наблюдаем за нейроном в микроскоп. Подадим через трубочку слабый электрический сигнал и посмотрим, как отреагирует клетка. Если сигнал будет недостаточно сильный — ничего не произойдет. Клетка вернется в нормальное состояние. Но нам же интересно. Будем повышать дозу воздействия до тех пор, пока что-нибудь не случится. Пять милливольт, десять, пятнадцать. Ничего. Но как только мы подадим разряд в 20 мВ, то нервная клетка возбудится, у нее поменяется полярность внешней и внутренней мембраны, а затем все вернется на свои места. Это и есть потенциал действия — нейрон «включился». Напомню, что вся ваша память, все эмоции, чувства и прочее работают на нейронах, у которых два состояния — «вкл» и «выкл».