Сегодня у нас вторая лекция. Она будет уже посвящена углублению во всякие принципы работы мозга. Курс называется «Химия» мозга», но одна лекция будет посвящена тому, что я назвал «электричеством» нашей нервной системы. Естественно, разговор пойдет только слегка об электрических процессах, будет куча всего разного. Не познакомившись с этим разделом работы мозга, дальше двигаться просто невозможно. Половина усилий нервных клеток уходит на то, чтобы переводить информацию в электрические импульсы. Половина активности — это передача сигналов на химическом уровне, то, что происходит в синапсах. Но передача в виде электрических импульсов, в виде потенциалов действия, — это очень важная часть жизни нейронов. По сути нервные клетки работают примерно, как компьютеры с двоичным кодом, превращая все наши мысли и чувства в последовательность нулей и единиц. Сегодня мы попытаемся разобраться, откуда эти нули и единицы берутся, как мы можем повлиять на их существование, свойства параметры и так далее.

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=skxmLbOX2ys

Здесь на схеме изображена нервная клетка. У нее есть отростки: дендриты, которые воспринимают сигналы, и аксон, по которому сигнал убегает к следующим клеткам. Когда сигнал убегает по аксону, он имеет вид приближенного к треугольнику электрического импульса, который называется потенциалом действия, сокращенно ПД. Советую вам запомнить эту аббревиатуру, она достаточно универсальна. Этот ПД бежит по аксону, как импульс по электрическому проводу, и кодирует наши мысли, чувства, будущие движения и так далее. Если сравнивать с бытовой ситуацией, то по сути работа нейрона — это что-то вроде включения-выключения фонарика. Я попытался нарисовать фонарик; надеюсь, это напоминает фонарик. Напоминает? Вы пытаетесь, стоя на берегу Москва-реки на нашей Звенигородской биостанции, человеку, который в кустах с противоположной стороны, передать некую информацию. Вы нажимаете на кнопочку, фонарик включается-выключается. Вам заранее надо договориться про код, с помощью которого вы все это дело передаете. В любом случае, этими импульсами можно общаться. Чтобы фонарик работал, чтобы включался, чтобы импульсы возникали, нужна батарейка. Для того, чтобы нервная клетка по своей мембране проводила потенциалы действия, она тоже должна обладать некой батарейкой, а точнее должна иметь постоянный электрический заряд, который по кусочкам будет тратиться в тот момент, когда нейрон генерирует ступеньки тока. Оказывается, что нервным клеткам, и не только нервным, присущ такой постоянный заряд. Он называется потенциалом покоя — ПП. Эти два феномена — ПП и ПД — это основное содержание сегодняшней лекции.

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=skxmLbOX2ys

Начнем мы с потенциала покоя. Вначале общее определение ПП, как феномена электрического. Потенциал покоя — это постоянный отрицательный заряд нервной клетки, который для усредненного нейрона равен примерно -70 мВ. Это составляет -0,07 В — немного, но вполне себе осязаемо. Вот таким зарядом обладает нервная клетка. Следующий вопрос, который возникает: как это вообще можно зарегистрировать? За каждым фактом, который я вам буду в течение этих нескольких месяцев сообщать, стоят огромные пласты научных исследований, длящиеся порой десятилетиями. Если мы говорим, что внутри нейрона постоянный отрицательный заряд, значит, мы должны как-то попасть внутрь нейрона. Такая технология была придумана в середине XX века, когда изобрели стеклянные микроэлектроды. Вот здесь вполне нормально виден этот стеклянный микроэлектрод. Он утончается, его кончик упирается в нервную клетку. Видно ядро, отростки, тело нейрона. Такие микроэлектроды делаются на специальной установке. Ее называют кузницей микроэлектродов. Берется стеклянная трубочка диаметром 1 мм и помещается внутрь вольфрамовой спирали, спираль разогревается. В тот момент, когда стекло уже потекло, две специальные пружины резко дергают трубочку вверх и вниз. В итоге расплавленная зона вытягивается в тончайшую нить и ломается. У вас в руках два стеклянных микроэлектрода с очень тонким кончиком, настолько тонким, что, когда вы смотрите под микроскопом, он как бы в ноль уходит. Несмотря на то, что он уходит практически в ноль, он остается трубочкой, там внутри канал. Это значит, что можно эту штуку заполнить раствором соли (NaCl или KCl), а там есть ионы, а ионы проводят ток, и уже эту штуковину воткнуть в нервную клетку. Если вы будете делать это аккуратно, то нервная клетка этого почти не заметит, а вы сможете посмотреть, какой там содержится внутри заряд. Если это изображать в виде схемы, то представьте себе нервную клетку, у вас стеклянный микроэлектрод, вы под микроскопом с помощью специальных винтов его медленно-медленно подводите к нейрону, прокалываете мембрану, и тут очень важно остановиться. Вы же делаете не шашлык из нервных клеток, а вам надо остаться внутри цитоплазмы. Дальше можно регистрировать. Если вы вовремя остановились, если нейрон не разрушен, мембрана не разорвана, нет никакой вибрации в окрестностях, то вы можете зарегистрировать следующую последовательность электрических событий. Появилась система координат, где по горизонтали — время, события, происходящие в нашем эксперименте. Люди, я прошу сесть поплотнее. Нехорошо, что сидят на ступеньках. Я вижу свободные места. Особенно задний блок, сядьте поплотнее, куда-нибудь одежду сложите. Эмпатия — это значит сопереживать проблемам другого человека. К среднему отсеку это тоже относится. Уже лучше. Итак, по горизонтали — время, а по вертикали — показания нашего прибора, я его называю вольтметром, хотя сейчас это все в компьютере выводится. Что мы регистрируем? Мы двигаем стеклянный микроэлектрод по направлению к нейрону, пока мы не воткнулись в него, идет ноль — никакого заряда нет. Дальше момент прокола мембраны, мы оказываемся внутри нервной клетки. В этот момент показания нашего прибора прыгают резко вниз. Если вы вовремя остановились, то дальше вы можете часами находиться внутри нервной клетки и регистрировать постоянный отрицательный заряд. Внутри цитоплазмы по сравнению с внешней средой обнаруживается отрицательный заряд, разность потенциалов между цитоплазмой и внешней средой. Этот заряд равен примерно -70 мВ.

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=skxmLbOX2ys

Вот феномен, потенциал покоя. С этого начинается большинство естественнонаучных исследований. Вы открыли какой-то факт — это самое начало. Дальше надо понять, откуда эта штука берется, как можно ее использовать. Нам нужно понять, откуда вообще возникает потенциал покоя, потому что эта штука характерна только для живого нейрона. Если нейрон помер, то потенциал покоя очень быстро исчезает. Батарейка внутри фонарика очень быстро разряжается. Можно сразу взять быка за рога и сказать, что возникновение потенциала покоя — это заслуга натрий-калиевого насоса, особого белка, который способен переносить через мембрану нервной клетки ионы натрия и калия. Неделю назад я вам представлял белки-насосы. Надеюсь, вы их помните: чаша, которая может открываться и закрываться. Сейчас вы видите такой насос на мембране нервной клетки. Натрий-калиевый насос или натрий-калиевая АТФ-аза. Эта штука по ходу работы использует энергию АТФ. АТФ-аза берет натрий в цитоплазме и вытаскивает его наружу. Одновременно она берет калий снаружи и запихивает его в цитоплазму. Идет обмен внутриклеточного натрия на межклеточный калий. Вот такое занятие. В результате работы этой молекулы, оказывается, что в клетке натрия гораздо меньше, чем в окружающей среде, а калия гораздо больше. В разных нейронах, в разных частях мозга все немножко по-разному. Средние значения сейчас на доске. В среднем калия внутри в 30 раз больше, а натрия внутри в 10 раз меньше. Эта разница концентрации ионов позволяет создать отрицательный заряд. Это не очень банально, особенно если вы не занимаетесь химией или физикой. Как же так? Ведь натрий положительно заряжен, калий положительно заряжен. Откуда берется отрицательный заряд? История примерно следующая. Давайте сейчас пока забудем про натрий и будем смотреть только на ионы калия. Они играют ключевую роль для возникновения потенциала покоя. У нас нарисован кусок нервной клетки. Исходно нервная клетка, как и все клетки организма, не заряжена. Чтобы создать заряд, надо тратить какую-то энергию, какие-то процессы должны произойти, часто весьма непростые. 

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=skxmLbOX2ys

Стандартное состояние в неживой природе — это равенство положительных и отрицательных зарядов, самое энергетически устойчивой положение. Если мы посмотрим на исходное состояние нервной клетки, то она не заряжена. Надо понимать, что такое исходное состояние нервной клетки. Исходное — это имеется в виду у эмбриона, когда нервная клетка еще даже близко не начала передавать информацию. Эмбриональный мозг развивается, клетки нервные еще делятся, занимают свои места внутри будущего мозга. На этом уровне, примерно до 3 месяцев эмбрионального развития, никакого потенциала покоя нет. Будущие нейроны ведут себя как обычные клетки. В обычных клетках мы не обнаруживаем никакого заряда. Но ионов калия много во всех клетках. Работа натрий-калиевого насоса универсальна. Чтобы очень многие белки в нашем организме нормально функционировали, им нужен избыток калия. Поэтому избыток калия в цитоплазме — это общее место, которое относится к любым живым клеткам.

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=skxmLbOX2ys

Сейчас на картинке изображена цитоплазма еще незрелой нервной клетки. Плюсиками показаны ионы калия, а минусами — какие-то отрицательные ионные пары. У нас же был NaCl, хлор — отрицательная ионная пара. Бывает фосфорная кислота, бывают органические кислоты. Исходно сколько плюсов, столько и минусов. Дальше нервная клетка начинает созревать. Первый акт, который случается, это включается ген для постоянно открытых калиевых каналов. Включается ген внутри ДНК, рибосомы начинают синтезировать каналы для калия, эти каналы встраиваются в мембрану нейрона. Теперь поставьте себя на место калия. Внутри вас много, битком набито, снаружи вас мало, тут еще и дырка. Что будем делать? Выходить будем. Это называется диффузией. Калий, увидев эту дыру, двинется наружу и будет активно выходить. Я этот процесс выхода нарисовал: калий убежал, а внутри — нет. Мне в какой-то момент понравилось это рисовать. Вот еще калий убежал. Видите? Вопрос: как долго будет выходить калий? Банальный ответ: пока не уравновесится концентрация. Это было бы верно, если бы это была не заряженная частица, глюкоза какая-нибудь. Здесь ситуация несколько сложнее и интереснее. 

Каждый раз, когда убегает калий, внутри остается его трогательная одинокая ионная пара — отрицательная, а калий от нее убежал. Убегает калий, а заряд цитоплазмы уже -1. Еще убежал — уже -2, еще убежал — уже -3. Каждый раз, когда убегает калий, это приводит к накоплению отрицательного заряда. Плюсы к минусам притягиваются. Очередной убегающий калий должен преодолевать притяжение к отрицательно заряженной цитоплазме. В какой-то момент отрицательный заряд станет такой большой, что калий не то, что перестанет убегать, но возникнет состояние динамического равновесия: сколько калия будет убегать из-за диффузии, столько же будет примерно возвращаться, притягиваясь к отрицательному заряду. Застынет все на стабильном уровне. Это и есть потенциал покоя. Вот второе определение потенциала покоя уже не как феномена, а уже мы начинаем понимать, что случается. Что такое потенциал покоя? Это отрицательный заряд цитоплазмы, который останавливает диффузию калия, уравновешивает диффузию калия. Вот такая история.

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=skxmLbOX2ys

Не скажу, что это какие-то вершины современной науки, потому что все это было описано сто лет назад. В 1921 году Вальтер Нернст получил Нобелевскую премию за описание подобных систем. Здесь даже биологии особо нет. Можно смоделировать такую мембрану с помощью каких-нибудь пластиковых пленок и так далее. Окажется, что отрицательный заряд, останавливающий диффузию, можно рассчитать. Этот заряд пропорционален соотношению того, сколько ионов снаружи и сколько внутри. Еще надо взять логарифм и довольно сложный коэффициент пропорциональности, где присутствует температура. Кому интересно, вы можете посмотреть уравнение Нернста где угодно: оно присутствует во всех учебниках. У нас нет такой цели. Важно, что для тех условий, которые у нас проскочили, соотношение концентрации тридцать к одному и температуры тела человека порядка 36,6°, потенциал покоя должен составить -91 мВ. Похоже на наши -70 мВ.