Хлопок одной ладонью. Как неживая природа породила человеческий разум

С «натриевым каналом» в названии все понятно: как и «двери», открываемые нейромедиаторами, этот белок впускает натрий внутрь клетки. Но ключевое свойство этого конкретного канала – его потенциал-зависимость, то есть зависимость от напряжения на мембране. Эти каналы открываются не нейромедиатором, а самой мембраной, в которой они сидят. Стоит мембране (в норме отрицательно заряженной изнутри) впустить в клетку достаточное количество натрия, как раскрываются потенциал-зависимые каналы и впускают в клетку еще больше натрия, что раскрывает еще больше потенциал-зависимых каналов – и так продолжается до тех пор, пока эти каналы не захлопнутся самопроизвольно, обрубая натриевый ток. Весь процесс занимает считаные миллисекунды, но в это мгновение отрицательный заряд с внутренней стороны мембраны вдруг резко становится положительным.

Обычно потенциал-зависимые каналы сконцентрированы на некотором удалении от «принимающих» синапсов, поэтому натриевая волна, вызванная нейромедиаторами, до них доходит не сразу, а только если достаточное количество синапсов работает одновременно с достаточной частотой. Но стоит суммарной волне положительного заряда разрастись до размеров, при которых она достигает потенциал-зависимых натриевых каналов, как те разом и настежь распахивают свои натриевые двери и превращают волну в лавину. Эту лавину уже не остановить. Натрий хлещет сквозь мембрану, вызывая взрывную нейтрализацию, которая почти мгновенно охватывает всю клетку и все ее отростки. Этот взрывной эффект и называется потенциалом действия. Через мгновение потенциал-зависимые натриевые каналы спонтанно захлопнутся, и клетка быстро вернется к своему исходному состоянию. Но пробежавший по ней «натриевый взрыв», потенциал действия, приводит к главному – и, по сути, единственному – действию, на которое способен нейрон: выбросу нейромедиаторов во все его «исходящие» синапсы.

Цикл замкнулся: мы проследили движение нервного импульса от синапса до синапса. Нейромедиатор, выброшенный клеткой № 1, впустил в клетку № 2 немного натрия. При достаточном количестве впущенного натрия в клетке № 2 активируются потенциал-зависимые натриевые каналы и впускают очень много натрия, то есть вызывают потенциал действия. В результате клетка № 2 тоже стреляет нейромедиатором в следующую клетку № 3 и так далее. В английском языке при потенциале действия так и говорят: neuron fires, «нейрон стреляет».

Синапс может быть любой силы. Но потенциал действия всегда одинаковый. Каждое синаптическое соединение между двумя нейронами может усиливаться или ослабляться, что соответствует большему или меньшему количеству натрия, запускаемого в клетку B «выстрелом» из клетки A. Достигаться такие изменения могут разными способами. Например, клетка А может регулировать количество нейромедиатора, содержащегося в каждом «выстреле». Клетка B, в свою очередь, может менять на «принимающей» мембране количество белков-рецепторов, «мишеней» нейромедиатора, и тем самым тоже влиять на силу сигнала, передаваемого через отдельно взятый синапс. В общем, каждый нейрон получает с разных сторон сигналы разной силы. Но стоит всем разнообразным сигналам достичь в совокупности нужного порога, как их сминает одной и той же лавиной потенциала действия. Этот одинаковый потенциал действия – одинаковая команда к выбросу всех заготовленных нейромедиаторов из всех окончаний. Это одна и та же команда «Пли!», которая одновременно достигает всех имеющихся в нейроне «пушек» независимо от того, сколько в них «зяряда». Нейрон не может сначала выбросить немножко нейромедиатора из одной половины своих окончаний, а потом еще чуть-чуть из другой половины. Он либо молчит, либо выстреливает всем, что заряжено, изо всех окончаний.

У человека каждый нейрон постоянно получает сигналы от тысяч других нейронов. Все эти тысячи сигналов разной силы складываются, и при достижении определенного порога по всему нейрону раздается команда «Пли!». Входящие соединения как бы «голосуют» за потенциал действия, причем в зависимости от силы каждого синапса меняется его вклад в общее решение. Потенциал-зависимые натриевые каналы решают исход голосования: это они определяют порог, при котором тишина превращается в выстрел. То есть смысл потенциала действия – это превращение массы аналоговых сигналов в единый дискретный, или цифровой, сигнал.