Мозг материален. О пользе томографа, транскраниального стимулятора и клеток улитки для понимания человеческого поведения

Кислород и глюкоза нужны, чтобы клетки могли синтезировать АТФ – универсальную клеточную батарейку, молекулу, которая расщепляется с высвобождением энергии. Эту энергию Na⁺/K⁺‐АТФ‐аза использует для того, чтобы непрерывно перекачивать ионы через мембрану клетки: калий внутрь, натрий наружу. Если мы перестанем дышать, АТФ быстро закончится, Na⁺/K⁺‐АТФ‐аза перестанет работать, ионы потекут по градиенту концентрации (оттуда, где их много, туда, где их мало), и тогда, например, нервные клетки больше не смогут отправить ни одного импульса. А это и есть смерть.

Пока мы еще живы, у нас много ионов калия внутри клеток и мало – снаружи. Этот градиент концентрации подталкивает их к тому, чтобы постоянно пытаться утекать на свободу, и у многих получается. И это тоже хорошо, потому что они уносят с собой свой положительный заряд и в результате на мембране нервной клетки формируется разность потенциалов: отрицательный заряд внутри и положительный снаружи. Именно так обстоят дела, пока нейрон находится в состоянии покоя и никуда не посылает никаких импульсов.

Но нейрон не был бы нейроном, если бы не был готов к тому, чтобы все изменилось. Ключевая идея его работы в том, что на каком‐то участке его мембраны может возникнуть локальная деполяризация, то есть снижение разности потенциалов, а часто и инверсия ее знака. Это возможно благодаря тому, что на мембране нейрона есть много каналов, которые до поры до времени закрыты, а вот если они откроются, то через них интенсивно потекут внутрь ионы натрия. Именно это происходит, в частности, тогда, когда нейрон получает сигнал от соседа. Этот сигнал приходит в виде молекул-нейромедиаторов, они связываются с белками-рецепторами, форма рецепторов изменяется, открываются ворота для ионов, натрий устремляется внутрь, и на конкретном небольшом участке мембраны теперь получается положительный заряд внутри и отрицательный снаружи.

Если стимуляция была слабой, каналов открылось мало и натрия зашло мало, то ничего не произойдет. Na⁺/K⁺‐АТФ‐аза выкачает натрий из клетки обратно, и история закончится, не начавшись. Но если удалось преодолеть пороговый уровень деполяризации (в случае классического нейрона из учебников – изменить мембранный потенциал с – 70 до – 55 милливольт), то начинается цепная реакция. К тем каналам, которые открылись благодаря химическому сигналу от соседнего нейрона, подключаются потенциал-чувствительные ионные каналы, которые открываются уже просто потому, что изменился заряд на мембране. В результате этих событий возбуждение начинает распространяться вдоль по мембране, открывая все новые и новые каналы. Когда оно дойдет до синапса – места контакта между нейронами, – там тоже выделятся нейромедиаторы и активируется уже следующая нервная клетка. А на том месте, где возбуждение исходно возникло, мембранный потенциал и концентрация ионов постепенно возвращаются к прежнему состоянию.

(Сразу после того, как по мембране прокатился импульс, у нас отрицательный заряд снаружи и положительный внутри. Натриевые каналы, которые только что пропустили внутрь клетки много ионов натрия, теперь временно закрылись и больше натрий внутрь не пускают. Зато открыты калиевые каналы, и ионы калия интенсивно вытекают наружу – под действием электрического градиента, то есть оттуда, где заряд положительный, туда, где он отрицательный. Потом подключается Na⁺/K⁺‐АТФ‐аза и постепенно наводит порядок: загоняет ионы кальция обратно внутрь нейрона и выгоняет оттуда ионы натрия. Теперь нейрон снова готов к работе.)

Существование потенциал-чувствительных ионных каналов оказывается очень полезным, когда мы хотим стимулировать нейроны с помощью электродов (или транскраниальной магнитной стимуляции). Внешнее электрическое поле, наведенное на какой‐то участок нервной ткани, приводит как раз к тому, что эти каналы открываются и нейроны, соответственно, начинают генерировать собственные импульсы, а потом и возбуждать своих соседей. Хосе Дельгадо (тот биолог, который останавливал разъяренных быков) говорит об этом так: