Липиды — это жироподобные молекулы. Все жиры относятся к липидам. Молекула жира такую структуру имеет. Тут особая химия нам не нужна, хотя картинка красивая, но комментировать ее особенно некогда. У липида глицериновая голова и три хвоста, которые сделаны из остатков жирных кислот. Главное, что здесь CH₂-CH₂-CH₂… Такие хвостики плохо взаимодействуют с водой, но зато хорошо взаимодействуют друг с другом, любят слипаться в шарики и в пленочки. Жиры в еде собираются в капли, в шарики. Если эту каплю раздавить, то получится двухслойная липидная пленка. Это очень важно, потому что липидные пленки — основа всех биологических мембран. Мембраны снаружи клеток и внутри — это тонкие, но прочные пленки. Важно понимать их существование и их значимость. Зачастую у липида не три хвостика, а два: одни хвостик замещен на фосфорную кислоту. Тогда это называется фосфолипидом. В реальных мембранах есть липиды и с тремя хвостами, и с двумя. Художники обычно ленятся рисовать три хвоста и рисуют два. На самом деле здесь всякие есть липиды. Важно, что с этой точки зрения, липиды выполняют строительную функцию. Особенно это активно делают растительные липиды, поэтому растительное масло полезнее: оно позволяет строить новые мембраны. А сало — это просто энергия. Это тоже важно, но строительство важнее. Кремы все на основе липидов. Если вы не едите масло из-за диеты, хотя бы намажьте его снаружи, тогда ваши клетки это съедят. Еще никто не догадался на креме писать калорийность, поэтому вы не думаете о том, что, намазываясь кремом, вы его едите. Что же теперь, не намазываться? Клеткам тоже нужны липиды, чтобы чинить свои собственные мембраны.

https://www.youtube.com/watch?v=O_8FZ9rmcAk

Теперь белки. Вот здесь уже нужно поговорить подробнее. Белки — это основные труженики в наших клетках, в том числе и в нервных. Напоминаю, что белки — это полимеры, бусы молекулярные. Мономерой белка, бусинкой белка, являются аминокислоты. Ситуация осложняется тем, что аминокислот 20 типов, хотя все они аминокислоты. В них есть аминогруппа -NH₂ и кислотная группа -CОOH. Это самая большая химия, которая у нас будет. Я сам перерисовал, что-то мне не понравилась эта схема. Аминогруппа — NH₂, кислотная группа — CОOH, углерод, который их связывает, и радикал. Нижняя часть молекулы у всех аминокислот одинаковая, а радикал у всех разный. Именно радикалы бывают 20 типов. Самый простой радикал — водород. Тогда получается аминокислота, которая называется глицином. Бывают CH₃ группы или бензольные кольца, или дополнительные аминогруппы, и вообще порой что-то очень сложное. Всего 20 аминокислот, которые могут друг с другом соединяться. Аминогруппа одной аминокислоты соединяется с кислотной группой другой, еще и еще, и еще. Это называется пептидной связью. Получаются линейные цепочки, состоящие из 500 аминокислот или из 100. Это уже белки. 100 аминокислот — это уже белок, 99 — это еще пептид. 100 аминокислот, 500 аминокислот, 1000 аминокислот — это все белки, разные белки. В каждом конкретном белке разные аминокислоты способны стоять в разном порядке — 20 типов. Когда школьникам про это рассказываешь, говоришь так: «Дети, представьте, что перед вами коробочки, а в них бусинки 20 разных цветов. Вам нужно собрать бусы из 500 бусин. Представляете, сколько вариантов? Море. Хотите только из красных, хотите только из синих, или красных пополам с синими, еще добавьте оранжевых, серо-буро-малиновых. Разнообразие гигантское». Наука, которая занимается белками, называется биохимией. У нас есть кафедры биохимии на разных факультетах. Последовательность аминокислот в белке — первичная структура. Если на эту первичную структуру посмотреть, то бросается в глаза, что в такой цепочке куча положительных и отрицательных зарядов. Дело в том, что на аминогруппах положительный заряд сидит, а на кислотных — отрицательный. Получается плюс-минус-плюс-минус-плюс-минус. Плюсы к минусам притягиваются. Первичная структура в виде таких бус практически не существует и тут же начинает сворачиваться. Сворачивание идет несколькими способами. Самый известный из них — это спираль, когда все это сворачивается в конструкцию, где на одном витке примерно три аминокислоты. Это есть во всех школьных учебниках. 

https://www.youtube.com/watch?v=O_8FZ9rmcAk

Это называется уже вторичной структурой белка. Радикалы пока совершенно не при чем. Они при сворачивании этой штуки в спираль торчат наружу. Но радикалы разные. На некоторых из них есть положительные заряды, на некоторых — отрицательные. Некоторые способны вступать друг с другом в настоящие химические реакции. Поэтому спираль, вторичная структура белка, — это еще не конец. На первом этапе возникает первичная структура, потом — вторичная, на третьем этапе возникает третичная структура белка. За счет взаимодействия радикалов эта спираль сложным образом конфигурируется в пространстве, возникает белковый клубок — третичная структура. Почему об этом идет разговор? Зачем я вам морочу так долго голову? Потому что именно в таком состоянии белок работает. Третичная структура — это рабочая конфигурация белка. До этого это был просто мешок с деталями.

https://www.youtube.com/watch?v=O_8FZ9rmcAk

А теперь эти детали собрали и получилась молекулярная машинка, которая способна схватить какую-нибудь молекулу и что-нибудь с ней сделать. Если посмотреть на такой белковый клубок, он будет иметь какую-то такую конфигурацию: это будет не просто клубок, а клубок с ямочкой. Эти спиральки, петельки, я сам, конечно, нарисовал. И ямочку сам нарисовал. Она называется активным центром. Это рабочая зона белка. С помощью активного центра белок захватывает какою-нибудь молекулу и что-нибудь с ней делает. Эта молекула в общем виде называется лигандом. Вся эта штуковина называется принципом «ключ-замок». Лиганд входит в активный центр как ключ в замочную скважину. Реально это требует соответствия 3D конфигурации. Поэтому по-английски это называется docking — «корабль, входящий в док». В «Звездных воинах» висит большая «Черная звезда», в нее влетают маленькие кораблики, они должны так извернуться, чтобы не разбиться. Очень все точно, 3D сконфигурировано. Еще там есть положительные и отрицательные заряды, которые должны друг другу соответствовать. В итоге получается, что конкретный белок может схватить какую-нибудь молекулу и чего-нибудь с ней сделать. Тип операции с молекулой, с лигандом, это и есть тип белка. Для того, чтобы говорить о мозге, о принципах его работы, нам понадобятся прежде всего белки-ферменты, транспортные белки и белки-рецепторы, хотя есть еще двигательные белки, защитные белки, строительные белки и так далее. Но нам нужны будут прежде всего ферменты, транспортные и рецепторы.

https://www.youtube.com/watch?v=O_8FZ9rmcAk

Давайте мы на них посмотрим. Я для примера нарисовал фермент. Как он устроен? Положение номер один — схватил лиганд. Дальше меняет свою конфигурацию. Очень многие белки так сделаны, что у них есть несколько стандартных конфигураций, как игрушки трансформеры. Вот и белок так же: то он схватил лиганд и держит, то порвал его на две части. Отпустил, вернулся в исходное положение, опять захватил лиганд, опять порвал и так долго. Вот как работает белок. Он — многоразовая молекулярная машинка, которая способна повторно реализовать операции с лигандом. В данном случае вы видите фермент распада, рвет молекулы на две части. Бывают ферменты синтеза. Фермент синтеза схватил два лиганда и соединил их вместе. Здесь еще одна новая идея — две ямочки. Никто не говорил, что ямочка должно быть одна, может быть 2-3, иногда даже бывает 5. Соединили, отпустили, вернулись в исходное положение, захватили еще двух партнеров, соединили. Это ферменты синтеза. Лигандов много разных, надо что-то новое синтезировать, надо разрушать. У нас в организме порядка 5000 разных групп ферментов работает. Это очень обширная категория белков.

Вторая группа белков — это белки транспортные. Самый банальный транспортный белок — гемоглобин. Про него все знают. Он в крови транспортирует кислород. Гемоглобин схватил кислород, это произошло в легких, и потащил. Притащил в правую пятку, отдал, опять в легкие направился. И так всю жизнь, точнее 20 дней — обычно столько работает один эритроцит. Здесь задача — транспорт. Белок проносит молекулу через какую-то потенциально опасную зону, где молекула может потеряться, или на нее ферменты нападут, и дальше он ее отпускает. Подобного рода транспортные белки функционируют в плазме крови. Нам они почти не понадобятся. Нам понадобятся другие транспортные белки, которые сидят на мембранах клеток. Тут я нарисовал белок. Темная линия обозначает мембрану клетки. В нее вставлен белок-канал, который представляет из себя цилиндр. Я надеюсь, вы уже понимаете, что там в стенках цилиндра закрученные спиральки. Цилиндр с проходом внутри. Когда такой белок встает в мембрану, торчит внутрь и наружу, получается дырка в мембране. Мембрана, которая состоит из двух слоев липидов, тоненькая, но прочная — через нее мало что проходит. 

https://www.youtube.com/watch?v=O_8FZ9rmcAk

Вода, например, не проходит, натрий — не проходит, этиловый спирт — проходит. Нормальные молекулы в основном не проходят. Если мы хотим, чтобы что-то проникало в клетку или уходило из клетки, нам нужны транспортные белки. Самый простой вариант — это вот такие белки. Они называются белками-каналами, это постоянно открытые каналы. Эта дырка существует всегда. Проход внутри — это по сути активный центр. Он настроен на определенную молекулу или на определенный ион. Это только канал для воды или только канал для калия. Если калия снаружи много, а внутри клетки мало, а дырка есть, то что будет делать калий? Входить. Это называется диффузией — великий и могучий закон, по которому молекулы стремятся равномерно распределиться по доступному пространству. Входит и будет так входить, пока концентрация не уравняется. Я то же самое нарисовал, но уже в разрезе. Дальше я буду этой схемой пользоваться. На следующей лекции, когда мы будем говорить об электрических свойствах работы мозга, электрических особенностях работы мозга, нам эти каналы понадобятся. Постоянно открытый канал. 

https://www.youtube.com/watch?v=O_8FZ9rmcAk

Но это цветочки. Большинство каналов не такие, а вот такие — каналы со створкой. У них молекула белковая образует дополнительную петлю, турникет, внутри прохода. Этот турникет при каких-то условиях открывается, при каких-то — закрывается. Например, реагируя на заряд цитоплазмы, или при появлении какого-то гормона, или при повышении температуры. Разные есть каналы. Такие каналы называются каналами со створкой. Они то включены, то выключены. Это гораздо более богатые возможности. Большинство каналов такие. Если канал открыт, идет диффузия. 

https://www.youtube.com/watch?v=O_8FZ9rmcAk

https://www.youtube.com/watch?v=O_8FZ9rmcAk

Теперь давайте коротко пройдемся по основным уровням организации мозга. Раз уж мы начали с нейросетей, то давайте посмотрим на нейроны, как они выглядят, как устроены. Я собрал в эту вводную лекцию довольно много банальной информации. Я понимаю, что математики и физики давным-давно забыли, что там было на школьной биологии. Сидящим здесь медикам, наверное, сейчас будет скучновато. С другой стороны, может, и не будет: медики вообще мозгом не успевают заниматься, им бы с костями разобраться и сосудами. Давайте посмотрим на просто нервные клетки. Вот они такие. В разных мозга они имеют звезчатую форму с большим количеством отростков. Это рисунки, фотографии зафиксированных кусочков мозга. А вот живые нейроны в клеточных культурах. Современные технологии позволяют у эмбриона взять нервные клетки и выращивать их как бактерии в чашке Петри. Если нейрон передает сигналы, и электрические импульсы по нему бегут, то можно краситель внутрь нейрона поместить, он будет вспыхивать вовремя электрического импульса, нейрон будет светиться. Это все называется цитологией — наукой о тканях, клетках. Очень интересная красивая современная наука. Это мой любимый нейрон — клетка Пуркинье. Клетки Пуркинье — это ключевые клетки мозжечка, совершенно потрясающее дерево из отростков — дендритное дерево. Отростки сверху называются дендритами. 

Давайте с ними поближе познакомимся. Это уже я нарисовал нейрон, немножко коряво, но все равно я старался. Каждый видит, что нейрон состоит из тела — центральной части, где есть ядро. Тело называют сомой. Размер этой сомы невелик — от 50 до 100 мкм. 100 мкм — одна десятая миллиметра. Если точечку такого размера поставить на стекло и посмотреть на свет, то это видно. Это самые крупные нейроны. Они у нас в двигательной коре находятся. У большинства нейронов размер тела составляет где-то 10-20-30 мкм. Есть совсем маленькие — 5 мкм. Тело нейрона — это его центр, центральная часть, процессор. Если говорить об обработке информации, о запоминании, особенно о долговременной памяти, то это во многом функции именно тела. С телом нейрона связаны два типа отростков: дендриты и аксон. Сверху нарисованы дендриты. Дендра — это ветвь. То, что образуют дендриты, как раз называют дендритным деревом, древом даже.

https://www.youtube.com/watch?v=O_8FZ9rmcAk

Это реально похоже на дерево: веточек несколько, они сильно ветвятся. Чем дальше от тела, тем они становятся тоньше, как в реальном дереве. Еще они ветвятся под острым углом. Все это действительно на какой-нибудь куст похоже. В Ботаническом саду дендрарий — это место, где всякие кусты растут. Дендриты — это принимающая часть нейронов. Их так много, они так сильно ветвятся, потому что это по сути антенна, тарелочка, которая принимает сигналы. Чем больше входных потоков, тем больше это дендритное дерево. Дендриты — это вход.

Снизу нарисован отросток — аксон, от слова «цилиндр», «ось». У аксона постоянный диаметр. По сути это кабель, который уходит от нейрона. Он длиннее, чем дендриты, хотя исключений много. Отростков у аксона не очень большое количество, хотя они есть. Называются они коллатералями. У них тоже стабильный диаметр, гораздо меньший, чем у аксона. Отходят они под прямым углом. Самое главное — это опять же функция. Аксон — это отросток, по которому информация уходит от нервной клетки. Дендриты — вход, тело — обработка, аксон — выход. Получается, что нейрон — это устройство с односторонней проводимостью. В эксперименте мы можем заставить импульс бегать в любую сторону, но в реально работающей нервной клетке сигнал бежит от дендритов к телу и дальше по аксону, убегает к следующим клеткам: нервным, мышечным, клеткам внутренних органов. Главное, что убегает.

Поодиночке нейроны не работают. Для того чтобы информацию обрабатывать, анализировать нужны сети нейронов. Коннектом — это уже большой уровень сложности. Начнем с гораздо более простых ситуаций. Я здесь нарисовал сеть, состоящую всего из 5 нервных клеток. Давайте мы их осознаем. Все начинается с нейрона номер один — он на входе. На его дендриты приходит информация, например, запах или прикосновения. Такие нейроны называют сенсорными. Часто они находятся в составе органов чувств где-нибудь в носовой полости, например. Когда действует некий стимул, тут возникает импульс, и этот импульс бежит по аксону к следующим клеткам. 

https://www.youtube.com/watch?v=O_8FZ9rmcAk

Синий сенсорный нейрон находится на входе. Зеленые обрабатывают информацию. Мы к ним еще вернемся. Сейчас давайте посмотрим на выход. На выходе красная клетка и желтая. Аксон красной клетки идет к мышце. Вот это я так мышцу нарисовал. Эта мышечная клетка будет в ответ на некий сигнал сокращаться. Нейрон, который с ней работает, называется двигательным или мотонейроном.

Желтый нейрон работает с внутренним органом. Внутренние органы — это сосуды, бронхи, кишечник, сердце — то, что не подчиняется произвольному контролю. Наше сознание прекрасно может управлять мышцами: я хочу согнуть руку и я ее сгибаю. Но наше сознание не пускают в вегетатику — состояние внутренних органов. Я хочу расширить сосуды в мышце, но не получится. Потоотделение увеличить в какой-нибудь части кожи тоже не получится, по крайней мере прямо сразу. Можно, конечно, 20 лет медитировать где-нибудь на красивом холме, но есть же куча других интересных занятий. Мало кто тратит свою жизнь именно на такие задачи. Такие нейроны называются вегетативными, они работают с внутренними органами. Это два варианта выхода или реакции. А между ними, между входом и выходом, находятся вставочные или промежуточные нейроны — зеленые под номером 6. Они тут самые главные. Именно они принимают решение о запуске реакции. В зависимости от их состояния сенсорный стимул либо пройдет в конце концов к мышце или железе, либо не пройдет. Они тут главные. Высоко развитый мозг в основном состоит из вставочных нейронов. Их еще называют промежуточными нейронами или интернейронами. Если вы осознали, что сигнал по нервным клеткам идет от дендрита к телу и дальше по аксону, то понятно, что направление передачи информации в любой точке нейросети довольно легко определить. Мы всегда смотрим, как аксон уходит от тела, и ставим стрелочки: от сенсорного нейрона вот сюда, дальше тут интересное разветвление, а вот тут интересный цикл. 

https://www.youtube.com/watch?v=O_8FZ9rmcAk

Видите, вот тут можно зациклить сигнал? Коллатераль аксона возвращается на первый промежуточный нейрон. Зацикливание сигнала — это простейший вид памяти. Сохранить информацию можно, заставив бегать ее по контуру. Даже такая простая нейросеть говорит о том, что можно на один стимул выдать две реакции. Можно что-то запомнить. И это всего 5 нейронов. А если бы их было 500 или 5 млрд? Понятно, что сложность очень-очень возрастает. Глобальные принципы работы все равно остаются одни и те же. Эти принципы существуют на электрическом уровне работы мозга и на химическом уровне.

Сначала про электрический уровень. Какая бы информация в какой бы части нейросети не передавалась, пока сигнал бежит по нейрону она имеет вид коротких электрических импульсов. Эти импульсы имеют треугольную форму и бегут по мембране нервных клеток. Это и есть передача сигнала, передачи информации. Этот способ передачи в виде ступенек тока дивно напоминает двоичный код компьютера. Получается, что пик этой волны — это единичка, а основание — это ноль. Это действительно так. Называются эти ступеньки тока потенциалами действия. Если мы начнем смотреть на их параметры, мы будем огорчены, потому что они явно уступают тем параметрам, которыми обладают компьютеры. Длительность такой ступеньки порядка 1 миллисекунды: за секунду не больше 1000 импульсов можно передать. Компьютер передает гигагерца, тактовая частота гигантская. Получается, что информационная емкость канала очень невелика в случае мозга, правда, каналов много. Тут мы как раз у компьютеров отыгрываем фору, потому что аксонов могут быть миллионы, и в целом информационный поток может оказаться довольно приличный. 

Амплитуда этого потенциала действия составляет порядка 100 милливольт — одной десятой вольта, довольно заметно. По нейронам сигнал передается в виде коротких электрических импульсов — потенциалов действия. 

Они бегут по мембране, передавая информацию. Все наши мысли, чувства, движения будущие закодированы в виде таких импульсов. Если подключиться к правильному месту нейросети и давать такие импульсы, мы можем вызвать эйфорию или сенсорную иллюзию, или запустить движение. Главное — к правильному месту подключиться, а это не просто. Например, протезирование зрения или протезирование руки основано как раз на использовании наших знаний об электрических принципах работы мозга. Следующая лекция, которая через неделю состоится, будет подробно посвящена тому, откуда берутся эти потенциалы действия, какие у них свойства, как мы можем использовать наши знания о потенциалах действия. Это электрический уровень.

Есть еще химический уровень. Химическая передача сигнала начинается в тот момент, когда потенциал действия, импульс, добегает до конца аксона. Тут оказывается, что для передачи информации на следующую нервную клетку уже электрический феномен не годится, не используется, а используется выделение химического вещества. Из окончания аксона выделяется химическое вещество, которое воздействует на следующий нейрон. Получается, что по нейронам информация передается в электрической форме, а между нейронами — в химической. Те вещества, которые выделяются из конца аксонов, имеют колоссальное значение для работы мозга. Это медиаторы — посредники, а сами контакты аксона со следующей клеткой называются синапсами. На этой маленькой нейросети вы можете насчитать семь синапсов: пять из них центральные, внутри самой нейросети; один синапс на мышце — нервно-мышечный синапс; один синапс на железе — вегетативный синапс. Когда информация передается по нейросети, идет то электрическая передача, то химическая в синапсе, потом опять электрическая, потом опять химическая в синапсе. 

https://www.youtube.com/watch?v=O_8FZ9rmcAk

Когда в синапсе выделился медиатор, он действует на следующую клетку и может запустить в ней потенциал действия. Если это случилось, если импульс побежал дальше, значит, некий бит информации достоин того, чтобы передаваться, и когда-нибудь запустит реакцию, о чем всякий бит информации мечтает. Синапс сейчас здесь изображен крупнее. У нас будет много разговоров о синапсах, потому что химия мозга прежде всего вот здесь вот варится. Наша третья лекция будет посвящена работе синапсов. Если мы поймем глобальную логику их работы, дальше уже можно говорить о синапсах, связанных с положительными эмоциями, с отрицательными, с памятью, о каких-то более частных вариантах.

Давайте посмотрим и полюбим синапс, если кто еще его не полюбил. Что тут изображено? Сверху — окончание аксона. Эти кругленькие штучки — это мембранные пузырьки или везикулы с веществом — медиатором. Они как патроны с дробью наготове, а дробь — это медиатор. Прибегает импульс по мембране аксона. Это ступень тока — потенциал действия. Когда он добегает до окончания аксона, он запускает движение пузырьков, пузырьки выходят совсем на конец аксона и лопаются. Здесь вы видите узкое белое пространство — это межклеточное пространство — синаптическая щель. То, что до нее, называется пресинаптическим окончанием. То, что после нее, называется постсинаптической мембраной. Постсинаптическая мембрана принадлежит следующему дендриту. Все это вместе есть синапс. Медиатор выделяется из пузырьков: пузырьки лопаются и впрыскивают медиатор в синаптическую щель. Дальше мы видим, что на следующей клетке есть специальные чувствительные белки — кнопки, на которые медиатор нажимает.