Імпульс в нейроні робить сальто. Нервовий імпульс і принцип його передачі. Як все працює в мозку

8317 0

нейрони

У вищих тварин нервові клітини утворюють органи центральної нервової системи (ЦНС) - головний і спинний мозок - і периферичної нервової системи (ПНС), яка включає в себе нерви і їх відростки, що з'єднують центральну нервову систему з м'язами, залозами і рецепторами.

структура

Нервові клітини не відтворюються митозом (поділом клітин). Нейрони називають амитотическое клітинами - якщо вони зруйновані, вони вже не відновляться. Ганглії - це пучки нервових клітин поза ЦНС. Всі нейрони складаються з перерахованих нижче елементів.

тіло клітини. Це ядро \u200b\u200bі цитоплазма.

Аксон. Це довгий, тонкий відросток, який передає інформацію від тіла клітини до інших кяеткам через з'єднання, звані синапсами. Деякі аксони мають довжину менше сантиметра, а інші - більш 90 см. Більшість аксонів знаходяться в захисному речовині, званому мієлінової оболонкою, яка допомагає прискорити процес передачі нервових імпульсів. Звуження на аксоні через певний проміжок називаються перехопленнями Ранвье.

Дендрити. Це мережа коротких волокон, які відходять від аксона або тіла клітини і з'єднують кінці аксонів від інших нейронів. Дендрити отримують інформацію для клітини, отримуючи і проводячи сигнали. У кожного нейрона можуть бути сотні дендритів.

структура нейрона

функції

Нейрони контактують один з одним електрохімічним способом, передаючи імпульси по всьому тілу.

мієлінова оболонка

. Шванновские клітини обвивають спіраллю один або більше аксонів (А), Утворюючи миелиновую оболонку.
. Вона складається з декількох шарів (можливо, 50-100) плазматичних мембран (Б), Між якими циркулює рідка цитозоль (цитоплазма, позбавлена \u200b\u200bіпохондрії і ін. Елементів ендоплазматичної мережі), за винятком самого верхнього шару (В).
. Мієлінова оболонка навколо довгого аксона розділена на сегменти, кожен з яких утворений окремої шваннівською клітини.
. Сусідні сегменти розділені сужениями, званим перехопленнями Ранвье (Г), Де аксон не має мієлінової оболонки.

нервові імпульси

У вищих тварин сигнали посилаються по всьому тілу і від головного мозку у вигляді електричних імпульсів, що передаються через нерви. Нерви створюють імпульси, коли відбувається фізичне, хімічне або електричне зміна мембрани клітини.

1 Спочиваючі нейрон

Спочивають нейрон має негативний заряд всередині мембрани клітини (а) і позитивний заряд поза цією мембрани (б). Таке явище називається залишковим потенціалом мембрани.

Він підтримується двома чинниками:

Різна проникність клітинної мембрани для іонів натрію і калію, у яких однаковий позитивний заряд. Натрій діффузіруют (проходить) в клітку повільніше, ніж калій виходить з неї.

Обмін натрій-калій, при якому з клітки виходить більше позитивних іонів, ніж входить в неї. В результаті поза клітинної мембрани накопичується велика частина позитивних іонів, ніж усередині неї.

2 стимулювати нейрон

Коду нейрон стимулюється, проникність якої-небудь ділянки (в) клітинної мембрани змінюється. Позитивні іони натрію (г) починають проникати в клітку швидше, ніж в спочиваючому положенні, що призводить до підвищення позитивного потенціалу всередині клітини. Це явище називається деполяризацією.

3 Нервовий імпульс

Деполяризація поступово поширюється на всю клітинну мембрану (д). Поступово заряди по сторонам клітинної мембрани змінюються (не кілька днів). Це явище називається зворотної поляризацією. Це і є, по суті, нервовий імпульс, що передається вздовж клітинної мембрани нервової клітини.

4 Реполяризації

Проникність клітинної мембрани знову змінюється. Позитивні іони натрію (Na +) починають виходить з клітки (е). Нарешті, поза клітиною знову утворюється позитивний заряд, а всередині неї - позитивний. Цей процес називається реполяризацією.

Інформація передається між нейронами подібно току в проводах. Електричні імпульси передаються від клітини до клітини, від дендрита, в якому вони виникають, до аксону, через який вони проходять. Але є й відмінність від електричних мереж - імпульси передаються не за допомогою електронів, а за допомогою іонів.

синапс

Незважаючи на свою численність, нейрони ніколи не стикаються між собою. Але електричні імпульси не можуть передаватися, якщо немає фізичного контакту. Тому що передаються від нейрона до нейрона повідомлення повинні перетворюватися з електричної в іншу форму. У нервовій системі для передачі інформації між нейронами використовуються хімічні речовини.

Синапс - місце контакту між двома нейронами або між нейроном і одержує сигнал кліткою.

Синаптичної простір має форму щілини. Коли електричний імпульс приходить до нейрона, він вивільняє з синапсу хімічні молекули, так звані нейромедиаторами. За допомогою дифузії вони переміщаються через синаптичну щілину і потрапляють на спеціально призначені для них рецептори іншого нейрона. В результаті виникає ще один електричний імпульс.

Два типу нейромедіаторів

Мозок виробляє близько півсотні видів нейромедіаторів, які можна розділити на два типи. Збуджуючі медіатори сприяють виникненню нервового імпульсу. Гальмують нейромедіатори, навпаки, уповільнюють його виникнення. У більшості випадків нейрон виділяє тільки один тип нейромедіаторів.

межа збудження

Кожен з нейронів здатний приймати сотні повідомлень в секунду. Він судить про ступінь її значимості і робить її попередній аналіз. У нейроні складаються збуджуючі і віднімаються гальмують імпульси. Щоб нейрон згенерував власний імпульс, отримана сума повинна бути більше певного значення.

роль повторень

Схожі ідеї, схожі спогади пускають у хід одні і ті ж нейрони і синапси. Часто використовувані синапси працюють швидше. Тому ми швидше згадуємо те, що ми бачили або повторювали кілька разів. Однак ці зв'язки можуть зникнути, якщо їх недостатньо використовували, а на їх місці виникнути нові.

гліальні клітини

Інший тип нервових клітин - гліальні клітини. Їх в 10 разів більше, ніж самих нейронів. Їх називають «годувальницями нейронів», тому що вони сприяють їх харчування, видалення продуктів їх життєдіяльності і захисту від зовнішніх ворогів. Але новітні дослідження говорять про те, що вони потрібні не тільки для догляду за нейронами. Судячи з усього, вони теж беруть участь в обробці інформації, крім того, необхідні для роботи пам'яті!

нервові волокна

Відростки нейронів оточені оболонками і об'єднані в пучки, які називаються нервовими волокнами. Число нервових волокон в різних нервах коливається від 10 2 до 10 5.

Оболонка нервового волокна складається з гліальних клітин і сприяє проходженню нервових імпульсів по тілу. Вона називається мієлінової оболонкою.

Роль гормонів в роботі мозку

Для обміну інформацією мозок використовує особливі хімічні сполуки - гормони. Деякі з них виробляє сам мозок, а деякі - ендокринні залози. Гормони викликають різні фізіологічні реакції.

3. ГОЛОВНИЙ МОЗОК ЛЮДИНИ

Зовнішній шар мозку складається з двох великих півкуль, які приховують під собою більш глибинні освіти. Поверхня півкуль покрита борознами і звивинами, які збільшують їх поверхню.

Основні частини головного мозку

Головний мозок людини можна умовно розділити на три основні частини:

передній мозок

стовбур мозку

мозочок

Сіра і біла речовина

Речовина мозку складається з сірих і білих ділянок. Сірі області - скупчення нейронів. Їх понад 100 млрд., І саме вони займаються переробкою інформації. Біла речовина мозку - це аксони. Через них передається інформація, яку обробляють нейрони. У внутрішній частині спинного мозку також зосереджено сіра речовина.

харчування мозку

Для нормальної роботи мозок має потребу в харчуванні. На відміну від інших клітин організму мозкові клітини вміють переробляти тільки глюкозу. Мозку потрібен також кисень. Без нього мітохондрії не зможуть виробити достатню кількість енергії. Але оскільки глюкозу і кисень в мозок постачає кров, то для збереження здоров'я мозку ніщо не повинно заважати нормальному кровотоку. Якщо кров перестає надходити в мозок, вже через десять секунд людина втрачає свідомість. Хоча вага мозку становить всього 2,5% ваги тіла, до нього постійно, вдень і вночі, надходить 20% циркулюючої в організмі крові і відповідну кількість кисню.

Мотонейрони.

Управління скорочувальної активністю м'язи здійснюється за допомогою великого числа мотонейронів - нервових клітин, тіла яких лежать в спинному мозку, А довгі відгалуження - аксони в складі рухового нерва підходять до м'язі. Увійшовши в м'яз, аксон розгалужується на безліч гілочок, кожна з яких підведена до окремого волокна, подібно електричним проводам приєднаним до будинків .. Таким чином, один мотонейрон управляє цілою групою волокон (так звана нейромоторная одиниця), Яка працює як єдине ціле.

М'яз складається з безлічі нейромоторную одиниць і здатна працювати не всією своєю масою, а частинами, що дозволяє регулювати силу і швидкість скорочення.

Розглянемо більш детальну будову клітини нейрона.

Структурною і функціональною одиницею нервової системи є нервова клітина - нейрон.

нейрони - спеціалізовані клітини, здатні приймати, обробляти, передавати і зберігати інформацію, організовувати реакцію на роздратування, встановлювати контакти з іншими нейронами, клітинами органів.

Нейрон складається з тіла діаметром від 3 до 130 мкм, що містить ядро \u200b\u200b(з великою кількістю ядерних пор) і органели (в тому числі сильно розвинений шорсткий ендоплазматичнийретикулум з активними рибосомами, апарат Гольджі), а також з відростків. Виділяють два види відростків: дендрити і аксони. Нейрон має розвинений і складний цитоскелет, здатний проникати в його відростки. Цитоскелет підтримує форму клітини, його нитки служать «рейками» для транспорту органел і упакованих в мембранні пухирці речовин (наприклад, нейромедіаторів).

дендрити- розгалужені короткі відростки, що сприймають сигнали від інших нейронів, рецепторних клітин або безпосередньо від зовнішніх подразників. Дендрит проводить нервові імпульси до тіла нейрона.

аксони - довгий відросток, для проведення збудження від тіла нейрона.

Унікальними здібностями нейрона є:

- здатність генерувати електричні заряди
- передавати інформацію за допомогою спеціалізованих закінчень -синапсів.

Нервовий імпульс.

Отже, як же відбувається передача нервового імпульсу?
Якщо роздратування нейрона перевищує певну межу величину, то в точці стимуляції виникає серія хімічних і електричних змін, які поширюються по всьому нейрону. Передаються електричні зміни називаються нервовим імпульсом.

На відміну від простого електричного розряду, який через опір нейрона буде поступово слабшати і зуміє подолати лише короткий відстань, набагато повільніше «біжить» нервовий імпульс в процесі поширення постійно відновлюється (регенерує).
Концентрації іонів (електрично заряджених атомів) - головним чином натрію і калію, а також органічних речовин - поза нейрона і всередині нього неоднакові, тому нервова клітина в стані спокою заряджена зсередини негативно, а зовні позитивно; в результаті на мембрані клітини виникає різниця потенціалів (т.зв. «потенціал спокою» дорівнює приблизно -70 мілівольт). Будь-які зміни, які зменшують негативний заряд усередині клітини і тим самим різницю потенціалів на мембрані, називаються деполяризацией.
Плазматична мембрана, що оточує нейрон, - складне утворення, що складається з ліпідів (жирів), білків і вуглеводів. Вона практично непроникна для іонів. Але частина білкових молекул мембрани формує канали, через які певні іони можуть проходити. Однак ці канали, звані іонними, відкриті не постійно, а, подібно до воріт, можуть відкриватися і закриватися.
При подразненні нейрона деякі з натрієвих (Na +) каналів відкриваються в точці стимуляції, завдяки чому іони натрію входять всередину клітини. Приплив цих позитивно заряджених іонів знижує негативний заряд внутрішньої поверхні мембрани в області каналу, що призводить до деполяризації, яка супроводжується різкою зміною вольтажу і розрядом - виникає т.зв. «Потенціал дії», тобто нервовий імпульс. Потім натрієві канали закриваються.
У багатьох нейронах деполяризація викликає також відкриття калієвих (K +) каналів, внаслідок чого іони калію виходять з клітини. Втрата цих позитивно заряджених іонів знову збільшує негативний заряд на внутрішній поверхні мембрани. Потім калієві канали закриваються. Починають працювати і інші мембранні білки - т.зв. калій-натрієві насоси, що забезпечують переміщення Na + з клітини, а K + усередину клітини, що, поряд з діяльністю калієвих каналів, відновлює початкове електрохімічне стан (потенціал спокою) в точці стимуляції.
Електрохімічні зміни в точці стимуляції викликають деполяризацію в прилеглій точці мембрани, запускаючи в ній такий же цикл змін. Цей процес постійно повторюється, причому в кожній новій точці, де відбувається деполяризація, народжується імпульс тієї ж величини, що і в попередній точці. Таким чином, разом з возобновляющимся електрохімічним циклом нервовий імпульс поширюється по нейрону від точки до точки.

Ми з'ясували як нервовий імпульс проходить по нейрону, тепер розберемося з тим як же передається імпульс від аксона до м'язового волокна.

Синапс.

Аксон розміщується в м'язовому волокні в своєрідних кишенях, що утворюється з випинань аксона і цитоплазми клітинного волокна.
Між ними утворюється нервово-м'язовий синапс.

Нервово-м'язовий синапс - нервове закінчення між аксонів мотонейрона і м'язовим волокном.

1. Аксон.
2. Клітинна мембрана.
3. Синаптичні везикули аксона.
4. Білок-рецептор.
5. Мітохондрія.

Синапс складається з трьох частин:
1) пресинаптического (віддає) елемента, що містить синаптичні пухирці (везикули) з медіатором
2) синаптичної щілини (щілину передачі)
3) постсинаптичного (сприймає) елемента з білками-рецепторами, що забезпечують взаємодію медіатора з постсинаптичною мембраною і білками-ферментами, які руйнують або інактивує медіатор.

пресинаптичний елемент - елемент який віддає нервовий імпульс.
постсинаптичний елемент - елемент приймає нервовий імпульс.
синаптична щілину - проміжок в якому відбувається передача нервового імпульсу.

Коли нервовий імпульс у вигляді потенціалу дії (трансмембранний струм, обумовлений іонами натрію і калію) «приходить» до синапси, в пресинаптичний елемент надходять іони кальцію.

медіатор– біологічно активна речовина, що виділяється нервовими закінченнями і передає нервовий імпульс в синапсі. У передачі імпульсу до м'язового волокна використовується медіатор – ацетилхолін.

Іони кальцію забезпечують розрив бульбашок і вихід медіатора в синаптичну щілину. Пройшовши через синаптичну щілину, медіатор зв'язується з білками-рецепторами на постсинаптичні мембрані. В результаті цієї взаємодії на постсинаптичні мембрані виникає новий нервовий імпульс, який передається іншим клітинам. Після взаємодії з рецепторами медіатор руйнується і видаляється білками-ферментами. Інформація передається іншим нервовим клітинам в закодованому вигляді (частотні характеристики потенціалів, що виникають на постсинаптичні мембрані; спрощеним аналогом такого коду є штрих-код на упаковках товарів). «Розшифровка» відбувається у відповідних нервових центрах.
Чи не зв'язавшись з рецептором медіатор або руйнується спеціальними ферментами, або захоплюється назад в бульбашки пресинаптического закінчення.

Зачаровує відео про те як проходить нервовий імпульс:

Ще більш красиве відео

синапс

Як проводиться нервовий імпульс (слайд шоу)

Що таке нервовий імпульс

Природа влаштована дуже просто.
Інакше нічого б не працювало.
Ось тільки простоти цієї багато.
Звідси і всі складнощі.

Хоча сьогодні про мозок і його будову відомо дуже багато, проте на головне питання: «Як це працює?» поки відповіді немає. Мозок представляється нам чорним ящиком, на вхід якого через рецептори - органи чуття надходять «якісь» сигнали, що відображають обставини зовнішнього світу, а мозок в свою чергу, обробляє їх, зберігає і посилає «якісь» керуючі команди до робочих (виконавчим ) органам.

Без відповіді залишаються питання, як ця інформація відображається, записується (фіксується) і витягується.

Але, як би там не було, Наука не стоїть на місці, і вчені значно просунулися в дослідженнях мозку.

Є ідеї про те як функціонують нейрони, є спроби побудувати логічну модель роботи мозку. Правда, варто торкнутися питань передачі інформації між нейронами і ми тут же натикаємося на скромні ухильні натяки на якісь способи передачі збудження, хімічні та електричні способи передачі сигналу. Як би побіжно при цьому згадується електрична природа нервових імпульсів.

Відсутність конкретики дає простір для містичного і навколонаукового фантазування. Тому для розуміння біофізичних ефектів в мозку постійно робляться спроби введення нових постулатів, наприклад, про наявність в природі деяких життєвих сил або торсіонних полів.

Отже, сучасна модель роботи мозку.
На сьогодні достеменно відомо, що мозок складається з великої кількості окремих логічних елементів-нейронів. Кожен нейрон може порушуватися сигналами, які надходять на його входи ( аксони) З виходів ( дендритів) Інших нейронів, безпосередньо пов'язаних з ним. Збудившись, цей нейрон перебуває в збудженому (!!! а не зарядженому) стані і передає збудження через свої виходи на входи наступних логічних елементів - нейронів.

нейрон - спеціалізована нервова клітина з власною оболонкою, набором внутрішньоклітинних органел і нейрофибрилл. Від її тіла відходять довгий осьової відросток-аксон і короткі розгалужені дендрити. Дендрити отримуючи нервові імпульси від інших нейронів переводять їх на аксон, по якому збудження поширюється без загасання до інших нейронів або ефекторів - різного роду виконавчих органів (залоз, м'язів і т. П.). Словник - Довідник ентомолог Я б ще виділив синапс. синапс - місце контакту між двома нейронами або між нейроном і одержує сигнал ефекторних клітиною. Служить для передачі нервового імпульсу між двома клітинами.

Це практично все, що відомо науці про роботу нейрона. Всі інші знання зводяться до класифікації нейронів за видами, розмірами, кількістю хвостиків і іншим дуже важливим властивостям. Ну і природно величезна кількість висновків зроблених на основі по суті помилкової ідеї про електричну природу нервових імпульсів.

А тепер давайте зробимо два припущення.
перше - інформація (збудження) від нейрона до нейрона передається у вигляді акустичної (звукової) воли.
Друге - нейрон являє собою одиничну коливальну систему (коливальний контур) і здатний налаштовуватися на одну або кілька резонансних частот і перебувати в автоколебательном стані, тим самим забезпечуючи запам'ятовування (зберігання) інформації.
Тоді нервовий імпульс є не що інше як акустична хвиля передається по дендритам і аксонам нейрона. Саме ж тіло нейрона представляє акустичний коливальний контур або резонатор який в разі передачі інформації здатний здійснювати модуляцію проходить через нього нервового імпульсу, а в разі зберігання інформації знаходитися в автоколебательном стані на певній частоті. Або, припустимо, для виконання функції запису, клітина змінює свої резонансні параметри і продовжує залишатися спокійною, а відгукується тільки в разі звернення до неї.

Розглянемо, як це все працює на прикладі РИСУНКА ......

R1-Rn - рецептори. Інформація з рецепторів проходить через входи- дендрити, через тіло нейрона на вихід-аксон. Завдання нервової системи донести інформацію від рецептора до мозку. У найпростішій схемі, зображеної на малюнку 1. це можливо тільки за умови, що сигнали індивідуально помітні. Тобто вихідний сигнал несе в собі інформацію про конкретний рецепторі, з якого почався нервовий імпульс. Припустимо, що в нашому випадку, нервові імпульси відрізняються частотою.

А тепер набагато ускладнити завдання. Припустимо, що нервовий імпульс віддається від рецептора через послідовність нейронів, наприклад, два. см. рис.2.
В даному прикладі нервовий імпульс на виході схеми повинен містити інформацію не тільки про рецепторі, з якого він надійшов, але і про всі нейронах, через які він вдавався. Можна припустити, що кожен нейрон бере участь у передачі імпульсу привносить в нього свою інформаційну складову. Наприклад, модуляцію частотного сигналу, що йде від рецептора.

Всі нервові імпульси неповторні як штрих-коди на товарах в супермаркеті, як відбитки пальців. Вони унікальні і несуть в собі інформацію про факт роздратування рецептора і про пройдений шлях.
У нервовій системі людини щомиті проносяться мільйони нервових імпульсів. Запропонована вище схема дозволяє пояснити як абсолютно різні імпульси можуть передаватися по одним і тим же нервовим каналам, як може працювати служба розсилки імпульсів.

Що нам дають подібні припущення.

• По-перше, акустична ідея дає нам маломальски правдоподібну, з точки зору фізики, теорію передачі інформації всередині живого організму.
• По-друге, пояснює способи зберігання інформації в мозку.
• По-третє, дає можливість пояснення незбагненних на цей момент часу життєвих феноменів, дає інструмент самопізнання.
• По-четверте, це нова парадигма в медицині, особливо в терапії.

Риторичне питання, що є причиною хвороби, патологія органу або патологія керуючого органом сигналу? Теоретично можливо і те і інше, причому в рівній мірі ймовірності. Так що ж лікує сучасна терапія (з хірургією зрозуміліше)? І може бути плацебо і гомеопатія, над якими ввічливо посміюються «справжні» доктора, є не така вже й дурість заснована на самонавіюванні пацієнта, а як раз і є лікування шляхом коригування системи управління. Лікування опосередкованого, через зовнішні функції мозку, але що якщо можливо лікування шляхом. Наприклад, згадаємо сучасні стимулятори діяльності серця, що працюють на батарейках. А якщо стимулювати роботу серця не електричними імпульсами за принципом «», а властивим йому від природи керуючим (акустичним хвильовим) сигналом. Може тоді і операція не потрібна, достатньо докласти акустичний генератор до будь-якої частини тіла або до будь-якого нейрона і сигнал сам знайде свою мету.

Кандидат біологічних наук Л. Чайлахян, науковий співробітник Інституту біофізики АН СРСР

Читачка журналу Л. Горбунова (село Цибін, Московської області) пише нам: «Мене цікавить механізм, передачі сигналів по нервових, клітин».

лауреати Нобелівської премії 1963 роки (зліва направо): А. Ходжкин, Е. Хакслі, Д. Екклс.

Уявлення вчених про механізм передачі нервового імпульсу зазнали останнім часом суттєва зміна. До недавнього часу в науці панували погляди Бернштейна.

Мозок людини, без сумніву, найвище досягнення природи. У кілограмі нервової тканини укладена квінтесенція всього людини, починаючи від регуляції життєвих функцій - роботи серця, легенів, травного тракту, печінки - і кінчаючи його духовним світом. Тут - наші розумові здібності, все наше світовідчуття, пам'ять, розум, наше самосвідомість, наше «я». Пізнання механізмів роботи мозку - це пізнання самого себе.

Велика і приваблива мета, але неймовірно складний об'єкт дослідження. Жарт сказати, цей кілограм тканини являє собою складну систему зв'язку десятків мільярдів нервових клітин.

Однак перший суттєвий крок до пізнання роботи мозку вже зроблений. Може бути, він один з найлегших, але він надзвичайно важливий для всього подальшого.

Я маю на увазі дослідження механізму передачі нервових імпульсів - сигналів, що біжать по нервах, як по проводах. Саме ці сигнали є тією азбукою мозку, за допомогою якої органи чуття посилають в центральну нервову систему відомості-депеші про події в зовнішньому світі. Нервовими імпульсами зашифровує мозок свої накази м'язам і різним внутрішнім органам. Нарешті, на мові цих сигналів говорять між собою окремі нервові клітини і нервові центри.

Нервові клітини - основний елемент мозку - різноманітні за величиною, за формою, але в принципі мають спільний будовою. Кожна нервова клітина складається з трьох частин: з тіла, довгого нервового волокна - аксона (довжина його у людини від декількох міліметрів до метра) і декількох коротких гіллястих відростків - дендритів. Нервові клітини ізольовані один від одного оболонками. Але все ж клітини взаємодіють між собою. Відбувається це в місці стику клітин; цей стик називається «синапс». У синапсі зустрічаються аксон однієї нервової клітини і тіло або дендрит іншої клітини. Причому цікаво, що порушення може передаватися тільки і одному напрямку: від аксона до тіла або дендритів, але ні в якому разі не навпаки. Синапс - це як би кенотрон: він пропускає сигнали тільки в одному напрямку.

У проблемі вивчення механізму нервового імпульсу і його поширення можна виділити два основних питання: природа проведення нервового імпульсу або збудження в межах однієї клітини - по волокну і механізм передачі нервового імпульсу від клітини до клітини - через синапси.

Яка природа сигналів, які передаються від клітини до клітини по нервових волокнах?

Цією проблемою людина цікавився вже давно, Декарт припускав, що поширення сигналу пов'язано з переливанням рідини по нервах, як по трубках. Ньютон думав, що це чисто механічний процес. коли з'явилася електромагнітна теорія, Вчені вирішили, що нервовий імпульс аналогічний руху струму по провіднику зі швидкістю, близькою до швидкості поширення електромагнітних коливань. Нарешті, з розвитком біохімії з'явилася точка зору, що рух нервового імпульсу - це поширення уздовж по нервовому волокну особливої \u200b\u200bбіохімічної реакції.

І все ж жодне з цих уявлень не справдилося.

В даний час природа нервового імпульсу розкрита: це дивно тонкий електрохімічний процес, в основі якого лежить переміщення іонів через оболонку клітини.

Великий внесок у розкриття цієї природи внесли роботи трьох вчених: Алана Ходжкіна, професора біофізики Кембриджського університету; Ендрю Хакслі, професора фізіології Лондонського університету, і Джона Екклса, професора фізіології австралійського університету в Канберрі. Їм присуджена Нобелівська премія в галузі медицини за 1963 рік,

Вперше припущення про електрохімічної природі нервового імпульсу висловив відомий німецький фізіолог Бернштейн на початку нашого століття.

До початку двадцятого століття було досить багато відомо про нервовому збудженні. Вчені вже знали, що нервове волокно можна порушити електричним струмом, причому збудження завжди виникає під катодом - під мінусом. Було відомо, що збуджена область нерва заряджається негативно по відношенню до непорушення ділянці. Було встановлено, що нервовий імпульс в кожній точці триває всього 0,001-0,002 секунди, що величина збудження не залежить від сили подразнення, як гучність дзвінка в нашій квартирі не залежить від того, як сильно ми натискаємо на кнопку. Нарешті, вчені встановили, що носіями електричного струму в живих тканинах є іони; причому всередині клітини основний електроліт - солі калію, а в тканинної рідини - солі натрію. Усередині більшості клітин концентрація іонів калію в 30-50 разів більше, ніж в крові і в міжклітинної рідини, що омиває клітини.

І ось на підставі всіх цих даних Бернштейн припустив, що оболонка нервових і м'язових клітин є особливою напівпроникну мембрану. Вона проникна тільки для іонів К +; для всіх інших іонів, в тому числі і для знаходяться всередині клітини негативно заряджених аніонів, дорога закрита. Ясно, що калій за законами дифузії буде прагнути вийти з клітки, в клітці виникає надлишок аніонів, і по обидва боки мембрани з'явиться різниця потенціалів: зовні - плюс (надлишок катіонів), всередині - мінус (надлишок аніонів). Ця різниця потенціалів отримала назву потенціалу спокою. Таким чином, в спокої, в збудженому стані внутрішня частина клітини завжди заряджена негативно в порівнянні з зовнішнім розчином.

Бернштейн припустив, що в момент порушення нервового волокна відбуваються структурні зміни поверхневої мембрани, її пори як би збільшуються, і вона стає проникною для всіх іонів. При цьому, природно, різниця потенціалів зникає. Це і викликає нервовий сигнал.

Мембранна теорія Бернштейма швидко завоювала визнання і проіснувала понад 40 років, аж до середини нашого століття.

Але вже в кінці 30-х років теорія Бернштейна зустрілася з непереборними протиріччями. Сильний удар їй було завдано в 1939 році тонкими експериментами Ходжкіна і Хакслі. Ці вчені вперше виміряли абсолютні величини мембранного потенціалу нервового волокна в спокої і при збудженні. Виявилося, що при порушенні мембранний потенціал не просто зменшувався до нуля, а переходив через нуль на кілька десятків мілівольт. Тобто внутрішня частина волокна з негативною ставала позитивною.

Але мало повалити теорію, треба замінити її іншою: наука не терпить вакууму. І Ходжкин, Хакслі, Катц в 1949-1953 роках пропонують нову теорію. Вона отримує назву натрієвої.

Тут читач має право здивуватися: до сих пір про натрії не було мови. У цьому й річ. Вчені встановили за допомогою мічених атомів, що в передачі нервового імпульсу замішані не тільки іони калію і аніони, а й іони натрію і хлору.

В організмі достатньо іонів натрію і хлору, всі знають, що кров солона на смак. Причому натрію в міжклітинної рідини в 5-10 разів більше, ніж усередині нервового волокна.

Що ж це може означати? Вчені припустили, що при порушенні в перший момент різко збільшується проникність мембрани тільки для натрію. Проникність стає в десятки разів більше, ніж для іонів калію. А так як натрію зовні в 5-10 рез більше, ніж усередині, то він буде прагнути увійти в нервове волокно. І тоді внутрішня частина волокна стане позитивною.

А через якийсь час - після порушення - рівновагу відновлюється: мембрана починає пропускати і іони калію. І вони виходять назовні. Тим самим вони компенсують той позитивний заряд, який був внесений всередину волокна іонами натрію.

Зовсім нелегко було прийти до таких уявленням. І ось чому: діаметр іона натрію в розчині рази в півтора більше діаметра іонів калію і хлору. І зовсім незрозуміло, яким чином більший за розміром іон проходить там, де не може пройти менший.

Потрібно було рішуче змінити погляд на механізм переходу іонів через мембрани. Ясно, що тільки міркуваннями про порах в мембрані тут не обійтися. І тоді була висловлена \u200b\u200bідея, що іони можуть перетинати мембрану абсолютно іншим способом, за допомогою таємних до пори до часу союзників - особливих органічних молекул-переносників, захованих в самій мембрані. За допомогою такої молекули іони можуть перетинати мембрану в будь-якому місці, а не тільки через пори. Причому ці молекули-таксі добре розрізняють своїх пасажирів, вони не плутають іони натрію з іонами калію.

Тоді загальна картина поширення нервового імпульсу матиме такий вигляд. У спокої молекули-переносники, заряджені негативно, мембранним потенціалом притиснуті до зовнішньої кордоні мембрани. Тому проникність для натрію дуже мала: в 10-20 разів менше, ніж для іонів калію. Калій може перетинати мембрану через пори. При наближенні хвилі збудження зменшується тиск електричного поля на молекули-переносники; вони скидають свої електростатичні «кайдани» і починають переносити іони натрію всередину клітини. Це ще більше зменшує мембранний потенціал. Йде як би ланцюгової процес перезарядки мембрани. І цей процес безперервно поширюється уздовж нервового волокна.

Цікаво, що нервові волокна витрачають на свою основну роботу - проведення нервових імпульсів - всього близько 15 хвилин на добу. Однак готові до цього волокна в будь-яку секунду: всі елементи нервового волокна працюють без перерви - 24 години на добу. Нервові волокна в цьому сенсі подібні літакам-перехоплювачів, у яких безперервно працюють мотори для миттєвого вильоту, проте сам виліт може відбутися лише раз в кілька місяців.

Ми познайомилися зараз з першою половиною таємничого акту проходження нервового імпульсу - уздовж одного волокна. А як же передається збудження від клітини до клітини, через місця стиків - синапси. Це питання було досліджено в блискучих дослідах третього нобелівського лауреата, Джона Екклса.

Порушення не може безпосередньо перейти з нервових закінчень однієї клітини на тіло або дендрити іншого клітини. Практично весь струм випливає через синаптичну щілину в зовнішню рідина, і в сусідню клітку через синапс потрапляє незначна його частка, нездатна викликати збудження. Таким чином, в області синапсів електрична безперервність в поширенні нервового імпульсу порушується. Тут, на стику двох клітин, в силу вступає зовсім інший механізм.

Коли збудження підходить до закінчення клітини, до місця синапсу, в міжклітинну рідину виділяються фізіологічно активні речовини - медіатори, або посередники. Вони стають сполучною ланкою в передачі інформації від клітини до клітини. Медіатор хімічно взаємодіє з другої нервової клітиною, змінює іонну проникність її мембрани - як би пробиває пролом, в яку спрямовуються багато іони, в тому числі і іони натрію.

Отже, завдяки роботам Ходжкіна, Хакслі і Екклса найважливіші стану нервової клітини - збудження і гальмування - можна описати в термінах іонних процесів, в термінах структурно-хімічних перебудов поверхневих мембран. На підставі цих робіт вже можна робити припущення про можливі механізми короткочасної і довготривалої пам'яті, про пластичні властивості нервової тканини. Однак це розмова про механізми в межах однієї або декількох клітин. Це лише, азбука мозку. Мабуть, наступний етап, можливо, набагато важчий, - розтин законів, за якими будується координує діяльність тисяч нервових клітин, розпізнання мови, якою розмовляють між собою нервові центри.

Ми зараз в пізнанні роботи мозку знаходимося на рівні дитини, який дізнався букви алфавіту, але не вміє пов'язувати їх в слова. Однак недалеко час, коли вчені за допомогою коду - елементарних біохімічних актів, що відбуваються в нервовій клітині, Прочитають захоплюючий діалог між нервовими центрами мозку.

Детальний опис ілюстрацій

Уявлення вчених про механізм передачі нервового імпульсу зазнали останнім часом суттєва зміна. До недавнього часу в науці панували погляди Бернштейна. На його думку, в стані спокою (1) нервове волокно заряджена позитивно зовні і негативно всередині. Це пояснювалося тим, що крізь пори в стінці волокна можуть проходити тільки позитивно заряджені іони калію (К +); великі за розмірами негативно вбрані аніони (А -) змушені залишатися всередині і створювати надлишок негативних зарядів. Порушення (3) по Бернштейна зводиться до зникнення різниці потенціалів, яке викликається тим, що розмір пор збільшується, аніони виходять назовні і вирівнюють іонний баланс: кількість позитивних іонів стає рівною кількості негативних. Робота лауреатів Нобелівської премії 1963 року О. Ходжкпна, Е. Хакслі і Д. Екклса змінила наші колишні уявлення. Доведено, що в нервовому збудженні беруть участь також позитивні іони натрію (Na +), негативні нони хлору (Сl -) і негативно заряджені молекули-переносники. Покоїться стан (3) утворюється в принципі так само, як і вважалося раніше: надлишок позитивних іонів - зовні нервового волокна, надлишок негативних - всередині. Однак встановлено, що при порушенні (4) відбувається не вирівнювання зарядів, а перезарядка: зовні утворюється надлишок негативних іонів, а всередині - надлишок позитивних. Пояснюється це тим, що при порушенні молекули-переносники починають перевозити крізь стінку позитивні іони натрію. Таким чином, нервовий імпульс (5) - це переміщається уздовж волокна перезарядка подвійного електричного шару. А від клітини до клітини збудження передається своєрідним хімічним «тараном» (6) - молекулою ацетилхоліну, яка допомагає іонів прориватися крізь стінку сусіднього нервового волокна.