Травятся, к сожалению, регулярно, в основном при помощи грибов. Ботулиновая бактерия почвенная. Она настолько давно в этой почве живет, что не выносит кислород. Она анаэробная. Люди ухитряются ее вырастить в бутылке или в консервной банке, или просто в банке стеклянной под крышкой. Для этого надо взять немножко грибочков вместе с землей, их не варить, не засыпать солью, не заливать уксусом, положить в баночку, закатать, чтобы кислород не попадал, и годика на три поставить на полку. Потом вынуть в преддверии праздника и подарить любимым родственникам. Так часто делают престарелые бабушки. Жуткие истории бывают. Травятся чаще именно семьями. Слепота зачастую бывает необратимой. Тяжелая ситуация. Проблема усугубляется тем, что это не обязательно должны быть грибы. Это могут быть любые другие консервы. Поаккуратней. Вздутые банки нужно выкидывать мгновенно. Дальше оптимистичная часть сюжета. Человечество может взять токсин и, разбавив его, превратить в лекарственный препарат. Началось все с того, что в неврологической клинике стали с помощью ботулотоксина блокировать хронически напряженные мышцы. Есть целый ряд таких патологий, когда из-за чего-то (воспаления нерва) мышца все время напряжена, голова свернута набок, человек так и живет. Хирурги в этом случае предлагают перерезать нерв, мышцу. Они вообще люди простые: обрежем и проблемы нет. Зачем же резать, если можно в нервно-мышечный синапс, в эту область, ввести ботулотоксин? Тогда он выключит синапс. А когда через месяц-другой эта штука заработает, то может вообще болезнь уже не вернется. Стали это использовать в неврологической клинике, а потом в косметологии: есть же мимические морщины, хронически напряженное лицо. Давайте эти морщины основные человеческие заблокируем с помощью ботулотоксина, лицо станет гладким, прекрасным, как у Леонардо Ди Каприо и прочих. Поначалу, в девяностые годы, получалось плохо. Косметологи как подходили к делу? Давайте сделаем укольчик, и все получится. Но нет.

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=LSeNUxK1qbk

Если сделать укольчик, даже очень разбавленного токсина, в одну точку ввести много вещества, оно расползается по окрестностям, и веки может парализовать. Дальше вы уже ходите и их поднимаете пальцем, как Вий. Через 2 месяца пройдет. Сейчас уже руку набили. Всем стало понятно, что надо делать не один укол, а 50 микроуколов вдоль мимической морщины. Это реально парализует мимические мышцы, кожа разглаживается. Из ботулотоксина получился ботокс. Само название «ботокс» — это ботулиновый токсин, но только покороче. Сейчас процедура ботоксная очень широко используется, в основном теми, для кого внешность — это не просто приятное сопровождение их жизни, а та штука, которой они зарабатывают. Надо понимать, что ботулиновый токсин — это белок. Если вы повторно захотите им воспользоваться, а потом еще раз и еще раз, то каждый раз вы рискуете, что ваша иммунная система наконец-то этот белок идентифицирует как чужеродный, и начнется аллергическая реакция. Поэтому использовать ботулотоксин каждым год, скорее всего, не получится. Это двух-трех, максимум пятикратное применение. Дальше уже работать не будет. Это огромный бизнес, косметологи здорово все это умеет делать.

Еще одна история. Она связана с каракуртом. Каракурт — это паучок. Переводится как «черная вдова». Это связано с тем, что паучиха часто после спаривания съедает самца. Но у нас сейчас не об этом речь. Об особенностях полового поведения я по осени рассказывал. Нас сейчас интересует то, что каракурт делает очень сильный токсин. Яд каракурта — это очень особенная белковая молекула, которая представляет из себя постоянно открытый кальциевый канал. Представьте, что паучок укусил вас. Укус неглубокий, всего пара миллиметров. Дальше токсин начинает разноситься по окрестностям и встраиваться в пресинаптическое окончание. Эти красные штучки — это токсин каракурта. Постоянно открытый кальциевый канал. Это значит, что через данный канал начнет бурным потоком входить кальций. Везикулы начнут со страшной силой лопаться. На уровне поведения это, скорее всего, будет означать судороги. Потом из-за такого тотального выделения медиатор вообще закончится, наступит паралич, вплоть до остановки дыхания. Вот таким неприятным свойством обладает яд каракурта. Если вы, отдыхая где-нибудь в Крыму, встретите этого угольно-черного паучка с красными точками размером с горошину, пожалуйста, не тычьте в него палочкой, не изучайте его, а собирайте свои вещи и идите куда-нибудь, где асфальт, люди. Каракурты всегда жили в степном Крыму, но сейчас их стало довольно многое и по побережью, особенно в диких местах. В западном углу Крыма под названием Тарханкут людей периодически каракурты кусают. Я как-то пару лет назад имел беседу с человеком, который просто ночевал в палатке, его укусил ночью каракурт. Очень интересные ощущения, жуткая боль и все такое прочее. Он не умер, потому что это был август. Майский каракурт может убить человека. Но в принципе все это достаточно мрачновато. Где-нибудь в Казахстане этих каракуртов в степи тоже полно. Пожалуйста, будьте осторожны. В мультфильме «Труп невесты» самки каракурта выполняют даже очень позитивную роль, но не надо обольщаться: все-таки дело происходит в мире мертвых.

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=LSeNUxK1qbk

Если вы хотите больше узнать о том, как идет выброс медиатора, как идет экзоцитоз, то я вам рекомендую войти на сайт biomolecula.ru, на этом сайте много интересных статей. Студентка нашей кафедры физиологии высшей нервной деятельности Ксения Сайфуллина нарисовал там комикс о том, как работает синапс и как выбрасывается медиатор. Я вам очень рекомендую этот комикс посмотреть, он так бодро нарисован. Там белки, которые обеспечивают выброс везикулы, собираются на вечеринку, и что из этой вечеринки получается. Естественно, все разбили, везикула лопнула. Очень хороший комикс. Она даже получила второе место в конкурсе биологических комиксов. Первое занял комикс, посвященный иммунной системе.

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=LSeNUxK1qbk

Будем считать, что мы прошли с вами два этапа: медиатор родился и выбросился в синаптическую щель. Теперь третий этап, он действует на рецептор. Вы видите пресинаптическое окончание. А вот белки-рецепторы. Белки-рецепторы — те кнопки, на которые нажимает медиатор. Напоминаю, что медиатор в данном случае является лигандом, который по принципу «ключ-замок» присоединяется к рецептору. Выглядит это примерно так. Подобная картинка была уже на первой лекции. Там я рядом поставил насос для глюкозы. Сейчас никакого насоса для глюкозы не будет. Нам нужно запустить ПД. Мы должны обратно химическое событие превратить в электрическое. Это происходит при помощи рецептора. Давайте попробуем разобраться. Рецептору в данном случае много кто помогает. Во-первых, с ним соединен G-белок — вспомогательный белок, который рецептор по-соседски локтем толкает. С помощью G-белка можно уже передать сигнал на другие белки: на белки-ферменты, на транспортные белки, на белки, связанные с управлением генами — много разных вариантов. Основной наш вариант, который мы с вами будем обсуждать, это вариант воздействия на белок-фермент. В значительном проценте случаев рядом с рецепторами находятся белки-ферменты, которые синтезируют вторичные посредники. У нас появляется на сцене еще один герой, о котором я не упоминал пока что. Вторичный посредник — это такой особый класс регуляторных молекул, не менее важный, чем гормоны, медиаторы. Вторичные посредники — это вещества, которые продолжают передачу сигнала внутри клетки. Почему они вторичные? Потому что первичным посредником является то, что действует между клетками: медиатор, гормон, цитокин в иммунной системе. Вторичные продолжают передачу уже в цитоплазме. Тот белок-фермент, который сейчас на картинке, берет некое вещество-предшественник и по сигналу рецептора, который передан через G-белок, синтезирует вторичный посредник. А уже вторичный посредник способен повлиять на ионные каналы. У ионного канала откроется створка, через канал войдет, например, натрий. От этого заряд в клетке пойдет вверх, возникнет ПД, и все такое прочее. Вот какой основной механизм. Я его, конечно, упростил. Даже если он вам кажется сложным, он сильно упрощен. Фермент, вторичный посредник, ионный канал — этих участников процесса, пожалуйста, осознаете. Если мы начинаем создавать психофармакологию, мы на все эти этапы можем влиять: усиливать либо тормозить работу синапса.

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=LSeNUxK1qbk

Обратите внимание на этот ионный канал. Это еще одна группа ионных каналов, которые нам раньше не попадались. До этого у нас были постоянно открытые каналы и каналы электрочувствительные, у которых створка реагирует на заряд цитоплазмы. А вот этот канал называется хемочувствительным, он реагирует на появление химического вещества. Таким химическим веществом является вторичный посредник. Вы видите здесь активный центр для вторичного посредника. Вот он. Вторичный посредник присоединяется, створка открывается, и он входит или выходит. Если натриевый канал, то будет вход натрия и возбуждение, но бывают еще хемочувствительные каналы для калия и для хлора. Через калиевый будет убегать калий, заряд пойдет вниз; через хлорные будет входить хлор, вносить отрицательный заряд, заряд в клетке тоже пойдет вниз. Поэтому каналы калиевые и хлорные вызывают торможение, а каналы натрия — возбуждение. Этот баланс возбуждения и торможения — главный результат работы синапсов. Давайте двинемся дальше.

Пожалуйста, осознайте вторичных посредников. Это отдельная группа веществ, очень древняя. Эти механизмы передачи сигнала внутри клетки общие для всех регуляторных систем: для нервной, для эндокринной, для иммунной. Между клетками специфика: гормоны, медиаторы. А внутри — порой работают одни и те же вторичные посредники. Хотя бы одного вторичного посредника давайте осознаем. Он называется циклическая аденозин-монофосфорная кислота или сокращенно цАМФ. Заметно, что это похоже на АТФ. Действительно, данная молекула синтезируется из АТФ. Есть специальный фермент. Он называется аденилатциклазой. Вот он и делает вторичный посредник. Именно на примере цАМФ в свое время вторичные посредники вообще были описаны. Это одна из нобелевских премий по физиологии и медицине. Есть такая штука — универсальные для самых разных процессов вторичные посредники.

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=LSeNUxK1qbk

Теперь посмотрим чуть подробнее, как работают каналы, которые для натрия. Опять вернемся к нашей нервной клетке, в которую мы воткнули стеклянный микроэлектрод и стимулируем тот аксон, который подходит к этой клетке и выделяет медиатор. Пусть это будет медиатор, который открывает натриевые каналы. Что тогда получится? Вот система координат: -70 мВ — ПД, -50 мВ — порог запуска ПД. Мы стимулируем и смотрим, что показывает наш прибор. Стимул, вошел кальций, выбросился медиатор, открылись натриевые каналы, вошла порция натрия, мы видим волну вверх. Как правило, одного импульса маловато для того, чтобы достичь уровня -50 мВ. Хотя вот эта волна — явно волна возбуждения. На фоне этой волны того и гляди возникнет ПД. Как же все-таки ПД запустить? А давайте мы дадим несколько стимулов подряд с коротким интервалом. Вот прошел первый стимул, реакция на него, пошел заряд вниз, а тут — второй, а тут — третий. Вот тут мы дошли до заветного уровня -50 мВ, возник потенциал действия. Мы просуммировали эти три возбуждающие волны за счет того, что с большой частотой через один информационный канал простимулировали наш нейрон. Произошла суммация — сложение эффектов стимуляции во времени. Поэтому говорят, что это временная суммация. Мы можем запустить ПД в следующие клетки, если часто воздействовать на один и тот же синапс.

Эти волны возбуждения имеют очень характерные параметры. Эти волны длиннее, чем ПД, но меньше по амплитуде. Длительность таких волн составляет 10-20 мс — на порядок больше, чем ПД. Амплитуда — 5-10 мВ — на порядок меньше, чем ПД. Во время этих волн нейрон более возбужденный, поэтому мы говорим, что это возбуждающие постсинаптические потенциалы — ВПСП. Несколько ВПСП, просуммировавшись во времени, могут вызвать потенциал действия. Мы несколько раз воздействуем, и система реагирует.

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=LSeNUxK1qbk

Это не единственный вариант. Помимо временной суммации есть пространственная суммация. В этом случае одновременно срабатывают несколько синапсов. На нейроне рядом несколько синапсов вызывают волну верх. Тогда в средней точке на мембране эти волны суммируются, и запускается ПД. Это пространственная суммация. Мы ее довольно часто в сенсорных системах встречаем. По первому каналу идет информация о том, что мы видим черный объект. По второму каналу идет информация о том, что этот объект имеет квадратную форму. А по третьему каналу, через третий синапс, идет информация о том, что этот объект на белом фоне. Когда все это объединяется, что у нас получается? Квадрат Малевича. Спасибо. Это я пытался к вашим культурологическим знаниям обратиться. 

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=LSeNUxK1qbk

Это еще называют логической ячейкой по типу «И»: чтобы наш мозг узнал некий образ, который собирается из нескольких элементов, надо, чтобы было и это, и это, и это. На уровне нейрона этому соответствует суммация нескольких ВПСП, возникших одновременно в расположенных по соседству синапсах. С этой ситуацией мы еще встретимся. В реальном мозге параллельно идут процессы временной суммации и пространственной суммации. Если учесть, что на каждом нейроне в среднем 3-5 тыс. синапсов, то эти процессы весьма сложные. Это же еще не просто шарик, на котором синапсы, а объемный, очень сложный проводник. Он в пространстве очень сложно сконфигурирован. Создать модель математическую крайне сложно. Фантазия обычно кончается на уровне вильчатого разветвления, дальше уже очень сложные начинаются вычисления. Вы видите здесь тело нейрона и много синапсов. Примерно половина из них возбуждающие, связанные с натрием, они помечены зеленым. А половина — тормозные, они помечены красным. Они мешают запускать ПД, связаны с калием и хлором.

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=LSeNUxK1qbk

Давайте посмотрим, как выглядит ответ в случае синапса, в котором с рецепторами связаны калиевые каналы. А вот как. Открылись калиевые каналы, вышла порция калия, заряд пошел вниз. Такая волна удаляет нас от заветного уровня -50 мВ. На фоне такой волны нейрон более заторможен. Поэтому подобные волны называются тормозными постсинаптическими потенциалами или ТПСП. Две эти аббревиатуры осознайте. Вы до этого знали ПП и ПД, а теперь еще ВПСП (возбуждающие постсинаптические потенциалы) и ТПСП (тормозные постсинаптические потенциалы). 

Лекция номер 3, которая будет посвящена синапсу. Первые две лекции, если вы не осознали, носят вводный характер. Надо было хотя бы примерно представить, из каких веществ состоят нейроны, как эти вещества работают, особенно белки. Потому что никак нельзя без всех этих рецепторов, каналов, ферментов. Вторая лекция была посвящена электрическим свойствам. Не понимая, как мозг работает в качестве электрической машины, заниматься химическими событиями невозможно. Сегодняшняя лекция имеет очень базовый, общий характер. Основной темой нашего курса будут медиаторы и те химические вещества, которые базируются на медиаторах — вещества, похожие на медиаторы, которые может человек использовать в качестве лекарственных препаратов или в каких-то других целях. Поэтому очень важно понимать, что такое медиатор и как работает синапс. Сегодня мы поговорим о синапсе вообще. То, что вы сегодня услышите, будет дальше приложимо к каждой теме каждой лекции. Если вы поймете, как в принципе работает синапс, какие есть этапы в его функционировании, дальше уже можно будет говорить о нейролептиках, транквилизаторах, препаратах, влияющих на память, и так далее. Поэтому данная лекция основополагающая, закладывает базис на подходе к «химии» мозга. У меня повторная просьба сесть поплотнее: не очень хорошо, когда ваши товарищи сидят на ступеньках, а у вас там шуба или куртка лежит. Пожалуйста, плотнее садитесь. Я вижу массу свободных мест и в центре зала, и в начале зала, а уж в конце так вообще. Плотнее, плотнее. Двигаем пятую точку в сторону стен. Молодцы, очень полезно. Заодно поясница разминается.

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=LSeNUxK1qbk

Итак, речь пойдет о синапсах. Для начала нужно еще раз осознать, как эта штука сделана. Данная картинка уже появлялась, она несколько утрированна, зато показывает, что есть синапс. Здесь не очень точно выдержан масштаб, поскольку тело нейрона показано, как довольно маленькая конструкция, а аксон толстый, окончание аксона совсем огромное. На самом деле оно раз в сто меньше. Зато видно, что смысл деятельности нейрона состоит не только в том, чтобы проводить электрические импульсы, но дальше, когда импульс дойдет до окончания аксона, передавать сигнал в химической форме — выбрасывать химическое вещество, медиатор. Что такое медиатор? Как он работает в синапсе? Это сегодня нас и будет в основном волновать. Пока мы посмотрим на синапс вообще. Давайте осознаем, из каких частей он стоит. Эти слова я дальше буду использовать так, как будто вы их всю жизнь знаете. Давайте зафиксируем эти термины. Сверху нависающая штука — это окончание аксона. Чаще всего в состав синапса входит окончание аксона, его называют пресинаптическим окончанием (перед синапсом). Главная деталь строения в пресинаптическом окончании — пузырьки с медиатором. Это мембранные пузырьки, которые в общем случае делает комплекс Гольджи. Дальше туда набиваются молекулы медиатора в фиксированном количестве. Эти пузырьки скапливаются в пресинаптическом окончании в ожидании выброса. Номером три обозначена пресинаптическая мембрана.

Вот эта мембрана, которая выходит в сторону следующей клетки. Только вот эта мембрана, по которой я сейчас провожу курсором. Сразу за мембраной вы видите узкое светлое пространство — синаптическую щель. Это межклеточное пространство, межклеточный промежуток, но очень узкий. Он должен быть как можно уже, потому что через него пойдет медиатор, диффузия химического вещества. Если мы хотим, чтобы вещество быстро подействовало на следующую клетку, надо, чтобы это пространство было максимально узким. Если оно будет слишком узким, тогда электрический импульс имеет шанс напрямую перескочить на следующую клетку. Это нехорошо: мы тогда потеряем идею химической передачи. Эволюция ищет такой оптимальный промежуток. Вы видите, что ширина синаптической щели сравнима с диаметром везикулы. Это сопоставимые размеры. Номер пять — постсинаптическая клетка. Это может быть дендрит, может быть тело, может быть даже аксон — мозг очень разнообразно устроен. У этой постсинаптической клетки есть постсинаптическая мембрана. Вот она. Это та мембрана, которая выходит в сторону синаптической щели. Главный компонент постсинаптической мембраны — это белки-рецепторы, которые ловят медиатор. Они вот тут находятся. Все, что здесь на картинке, это все синапс. Пожалуйста, различайте пресинаптическую мембрану, синаптическую щель, постсинаптическую мембрану и остальные важные детали.

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=LSeNUxK1qbk

Я сам перерисовал синапс. Всегда кажется, что нарисуешь лучше, чем художник. Зато все понятно. Вы видите везикулы — пузырьки с медиатором. Синаптическую щель я побольше нарисовал, чтобы точно ее вы могли заметить. Вот эти красные штучки — это белки-рецепторы. В самом общем случае синапс образован аксоном и дендритом следующей клетки. Но на самом деле мозг очень разнообразен, существуют самые разные синапсы. Бывают синапсы между двумя аксонами, между двумя дендритами, между телами нейронов — дендро-дендритные, аксо-аксональные. Чаще всего все-таки бывают аксо-дендритные и аксо-соматические. Это классификация синапсов по компонентам, которые входят в их состав. Если мы смотрим на функцию, глобальное расположение, то большинство синапсов будут центральными — расположенными в головном и спинном мозге. Еще бывают нервно-мышечные синапсы, вегетативные синапсы. В основном нас будут интересовать синапсы центральные. Хотя о том, как идет управление работой мышц и внутренних органов, мы тоже поговорим. Пока давайте осознаем масштаб всей этой конструкции. Диаметр среднего синапса в ЦНС — 1-2 мкм. Напоминаю, что размер тел нейронов обычно где-то 20-50 мкм. В принципе, довольно заметные присосочки, которые подходят к телу нейрона. Ширина синаптической щели только 20-30 нм — одна пятидесятая от размера синапса. Размер везикул — 20-60 нм. Диаметр везикулы и ширина синаптической щели — это очень близкие величины. Еще раз эта красивая картинка. Еще раз просьба уплотниться: у нас опять люди сидят на галерке — это как-то очень сиротки выглядит. Пожалуйста, подвиньтесь. У кого раскиданы шубы, куртки, плотнее их сложите. Неправильно, что ваши товары сидят в таком неудобном положении.

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=LSeNUxK1qbk

Итак, мы видим синапс. Давайте посмотрим, как эта штука работает. Все начинается с прихода потенциала действия. Если вы осознали прошлую лекцию, вы сейчас уже почти специалисты в ПД и знаете, что открываются натриевые каналы, калиевые каналы, импульс бежит по мембране. Когда он добегает до окончания аксона, то запускает движение везикул. Эти пузырьки с медиатором начинают двигаться в сторону синаптической щели, прикасаются к пресинаптической мембране и лопаются. Сама мембрана — это липидная пленка, пузырьки тоже окружены липидной пленкой. Это можно сравнить с ситуацией, когда пузырь воздуха всплыл и лопнул на поверхности водоема, а то, что было в пузыре, вышло в воздух. Медиатор выходит в синаптическую щель и действует на белки-рецепторы. Вот они появились в виде красных кружочков. Дальше два варианта. Медиатор может вызвать возбуждении следующей клетки. Возбуждение — это вход натрия. Если натрий будет входить, все дойдет до уровня -50 мВ, то тогда есть шанс, что на следующей клетке тоже запустится импульс. Это будет означать, что некий бит информации благополучно синапс миновал, передается дальше, может быть, даже запустит какую-нибудь реакцию или процессы запоминания, что-то такое дальше случится.

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=LSeNUxK1qbk

Если медиатора окажется слишком мало, возбуждение маленькое, то сигнал может и не пройти. Есть ситуация, когда работают тормозные медиаторы — медиаторы, которые усиливают выход калия. Тогда под действием медиатора заряд клетки вообще вниз пойдет. Клетка станет менее возбудимой. Синапс может быть возбуждающим или тормозным: провоцировать запуск ПД на следующей клетке или наоборот мешать. Эти моменты мы с вами сегодня будем обсуждать. В основном будем говорить о медиаторе, потому что главное действующее лицо в синапсе — это медиатор. Мы будем сегодня рассматривать то, что можно назвать его жизненным циклом или жизненным путем. Жизненный путь медиатора. Сочинения бывают по литературе о жизненном пути какого-то героя. У нас будет жизненный путь медиатора. Медиатор, как настоящий герой, должен сначала родиться, потом учиться, готовиться, потом что-то суперское сделать, потом уйти на отдых и помереть. Эти четыре фазы мы с вами обсудим: синтез медиатора, выброс его в синаптическую щель, действие на рецептор, инактивация — заключительная стадия жизни медиатора, когда нужно его убрать с рецептора. Медиатор, как палец, нажимает на кнопку под названием «рецептор». Это нажатие не должно длиться слишком долго, иначе кнопка залипнет, сигнал будет длиться дольше, чем нужно. Поэтому есть специальные системы, которые убирают медиатор с рецептора. До них мы доберемся к концу лекции. Пока давайте начнем с рождения или с синтеза медиатора.

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=LSeNUxK1qbk

Медиатор должен быть синтезирован. Что же для этого нужно? Кто является его родителями? Это не очень похоже на половое размножение. Это всего-навсего синтез, никакие мамы-папы не нужны, а фермент нужен — это скульптор, который сделает медиатор. Как скульптору, ферменту нужен исходный материал — вещество-предшественник или несколько таких веществ. Для синтеза медиатора нужен, как правило, белок-фермент, который возьмет вещество-предшественник или два вещества, изогнувшись, сделает молекулу медиатора. Дальше отпустит этот медиатор, а сам вернется в исходное положение, и так далее. Уже даже эта схема намекает на те способы воздействия на активность синапса, которые мы можем применять. Если мы хотим, чтобы синапс работал слабее и слабее передавал сигнал, мы можем каким-то образом разрушить фермент или уменьшить количество предшественника. Если мы хотим, чтобы синапс активнее работал, мы можем добавить предшественника. Возможно, это увеличит содержание медиатора, выброс медиатора. Не всегда, но это способ. Мне бы хотелось, чтобы по ходу нашей лекции вы делали себе заметки в мозге о том, как можно повлиять на работу нервной системы. Дальше все эти пункты мы будем уже конкретизировать в отношении таких медиаторов, как ацетилхолин или дофамин. Синтез медиатора — фермент плюс вещество-предшественник.

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=LSeNUxK1qbk

Где этот синтез происходит? Есть два варианта. Образование медиатора может идти в соме нервной клетки, в теле, или может идти прямо в пресинаптическом окончании. Более древний вариант, эволюционно исходный — это синтез в соме нервной клетки — там, где есть рибосомы, которые могут сделать белковую молекулу, а потом эта белковая молекула будет нарезана на кусочки, эти кусочки станут медиаторами. Этот древний вариант общий для нервной системы, для эндокринной, потому что многие гормоны — это кусочки белков, для иммунной системы: там тоже подобные процессы идут. Если происходит так, то вот вы видите цепочку событий. Я немножко коряво нарисовал нейрон и все эти органоиды, но я надеюсь, что вы их узнаете. Это ядро, это эндоплазматическая сеть. Вот синтезирован медиатор — вот эти точечки. Дальше медиатор попадает в каналы эндоплазматической сети, по ним доходит до комплекса Гольджи, комплекс Гольджи почкует везикулы с медиатором. Дальше по специальным белковым рельсам с помощью специальных шагающих белков, молекулярных моторов, медиатор доходит до пресинаптического окончания и здесь накапливается. Патронный завод делает боеприпасы и вывозит на передовую.

Давайте для начала осознаем параметры ПД. Длительность такой ступеньки тока составляет в разных нейронах от 1 до 2 мс. Я дальше буду использовать 1 мс для простоты. Какова амплитуда? Все начинается с уровня -70 мВ, а вершина на уровне где-то +30 мВ. В сумме получается 100 мВ — одна десятая вольта. Немного, но нормально. Вот такой потенциал действия. Еще очень важный параметр здесь — это пороговый стимул. Чтобы разбудить наш нейрон нам от уровня -70 мВ нужно было подняться до уровня -50 мВ — понадобилось 20 мВ. Уровень -50 мВ — тотальный, общий для всех нервных клеток вне зависимости от потенциала покоя. Если потенциал покоя -80 мВ, какой будет пороговый стимул? 30мВ. Чувствуется, что в зале много математиков. 

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

Вот наконец-то полный ответ на вопрос: а зачем нейронам разный потенциал покоя? Чтобы нейрон среагировал, нужно поднять в нем заряда до -50 мВ. Если исходно он равен -60 мВ, то поднять несложно. А если исходно он равен -90 мВ, то надо еще потрудиться. Разный уровень возбудимости. Нейроны с низким потенциалом покоя мало возбудимы, с высоким — легко возбудимы. В разных частях мозга нужны разные нейроны. Нам еще встретятся нейроны, у которых такой сильный вход натрия, что потенциал покоя поднимается выше -50 мВ. А что из этого получится, мы узнаем чуть позже. Есть и такие нейроны.

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

Давайте еще раз посмотрим на ПД. У него довольно сложная форма, я в виде куска синусоиды нарисовал. Мы в совсем тонкости не полезем. Нужно осознать, что все это длится примерно 1 мс: 0,5 мс заряд идет вверх — восходящая фаза; 0,5 мс заряд идет вниз — нисходящая фаза. Откуда они берутся? Что такое случается с нервной клеткой, что в ней вдруг заряд поскакал вверх, а потом быстро пошел вниз. Ответ такой: восходящая фаза случается за счет того, что в клетку мощно начинает входить натрий; причина нисходящей фаза — это очень быстрый, мощный выход калия. Входит натрий, вносит положительный заряд, все идет вверх; выходит калий, выносит положительный заряд, все идет вниз, к уровню потенциала покоя. Происходит как бы перезарядки ружья, можно следующий импульс генерировать. И так всю жизнь — 50-70-120 лет. 

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

Почему натрий не входил и вдруг начинает так тотально входить? Ответ вам знаком по прошлой лекции. Это каналы. Только каналы уже не постоянно открытые, а каналы со створками. Створки такого канала реагируют на заряд цитоплазмы. Подобные каналы называют электрочувствительными. Сейчас появился этот канал на экране. Желтым цветом показана белковая петля — створка, реагирующая на заряд цитоплазмы. Цитоплазма у нас -70 мВ, например. Много отрицательных зарядов. На самой створке такие аминокислоты, что много положительных зарядов. В итоге створка притягивается к цитоплазме, закрыта — пока -70 мВ или -60 мВ. Как только заряд оказывается выше -50 мВ, его уже не хватает, чтобы удерживать створку, створка открывается. Если заряд вернуть обратно ниже -50 мВ, то створка закроется. Она совершенно спокойно туда-сюда ходит. Никакой энергии АТФ не нужно.

Все это автоматические движения белковой молекулы. На основе таких каналов и сделан потенциал действия. Получается, что потенциал действия обслуживают прежде всего электрочувствительные натриевые каналы и электрочувствительные калиевые каналы. У них разные свойства. Натриевый канал очень шустрый, очень быстрый. Его створка открывается практически мгновенно после стимула, но он самопроизвольно закрывается примерно через 0,5 мс. В итоге в клетку успевает войти порция натрия. Калиевый канал наоборот чуть медленнее. Открываются калиевые каналы в среднем через 0,5 мс после стимула, в тот момент, когда калиевые уже почти все закрылись. Начинается выход калия. В этот момент уже никакого отрицательного заряда не осталось, уже +30 мВ. Никто не мешает калию радостно убегать из цитоплазмы. Вот такая история. Есть одна важная тонкость. Натриевый канал несколько сложнее, чем я вам описал. У него не одна створка, а две створки. Желтенькая малая створка находится внутри прохода в белковой молекуле, но есть еще синяя большая створка. Она находится со стороны цитоплазмы, в исходном положении она открыта, но свойства у нее такие же, как у малой. Если будет выше -50 мВ, она начнет двигаться в сторону внешней среды и закрываться.

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

Если теперь вы все это поняли, можно наконец-то посмотреть, как эта штука работает во время ПД. Вот ПД. Нас сейчас будут интересовать пять основных точек. Положение номер один — исходное положение во время потенциала покоя: малая створка закрыта, большая открыта, в целом канал закрыт. Положение номер два — восходящая фаза после -50 мВ. Положение номер три — пик потенциала действия. Положение номер четыре — после прохода -50 мВ уже на нисходящей фазе. Точка пять — опять потенциал покоя. Поэтому точка один равна точке пять. Поэтому, строго говоря, всего четыре конфигурации натриевого канала я вам предлагаю осознать. Конфигурация номер один — малая створка закрыта, большая — открыта, ничего не происходит.

Дальше мы с помощью нашего стимула поднимаем заряд выше -50 мВ. Малая створка мгновенно открывается, а большая начинает движение в сторону внешней среды, но она помедленнее. Она еще пока не закрыла канал. Поэтому после того, как подняли заряд в клетке выше -50 мВ, натриевый канал в целом открылся, и натрий радостно входит. Но большая створка продолжает свое движение. Примерно через 0,5 мс она закрывает канал. По сути эта штука работает как дозатор — входит порция ионов натрия. Дальше начинается нисходящая фаза, выходит калий. Когда все проходит уровень -50 мВ, малая створка мгновенно отрабатывает назад. В точке четыре обе створки закрыты, но большая начинает открываться. Дальше она открывается, и вот наше ружье перезарядилось. 

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

Вот такие этапы. Если вы войдете в YouTube, то вы увидите более красивые анимации на этот счет. Но мало что изменится. Вот так вот болтаются створки. Я прорисовал это в целом для всего потенциала действия. Для тех, кто не в курсе, я выкладываю презентации в почтовый ящик. Не обязательно фотографировать с экрана. Если вам прикольно, то вы можете фотографировать, я не против. Вообще там в конце будет адрес. Кроме натриевого канала я здесь уже и калиевый канал поместил. С зеленым калиевым каналом вообще все просто. Он как раз стандартный, у него одна створка. Она медленно открывается. В точке три она открылась, калий выходит. А тут вот закрылась малая створка, а калий все выходит. Когда опустится все до уровня потенциала покоя, как раз и калиевые каналы закроются, и большая створка натриевого канала откроется. На самом деле для понимания всяких тонкостей работы мозга, может быть, эти движения створок не так важны, но не рассказать об этом мне казалось странным. Это совсем базовые механизмы. Дальше можно обсуждать, что мы с этим можем сделать. Итак, восходящая фаза — вход натрия. При вот такой конфигурации натриевого канала входят эти ионы. Нисходящая фаза — выход калия. При вот такой конфигурации калий выходит.

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

Теперь давайте с этой штукой экспериментировать. Возьмем токсин, который называется тетродотоксином. Tetraodon — четыре зуба. Тетрадоны или иглобрюхи — это такие рыбки, которые всякую живность в океане едят: морских звезд, кораллы. Большинство из них имеют довольно мощные шипы, в случае опасности набирают в себя воду и превращаются в колючий шар. Наверняка вы это видели, хотя бы в мультиках. Люди, которые уезжают в Тайланд или Египет, могут привезти такую колючую рыбу, повесить, потом годами о нее колоться и вспоминать о путешествии. Большинство иглобрюхов или рыб-собак не ядовитые, но некоторые из них ядовитые. В таком случае особо мощные колючки даже уже не нужны. Вы обладаете вот таким токсином, который способен затыкать электрочувствительные натриевые каналы. Это молекула работает как пробка натриевого канала. Здесь есть такая аминогруппа, которая опускается в устье канала и забивает этот канал. Если вы такую рыбку съели, то ваши натриевые каналы начнут выходить из строя. Это означает, что не будет восходящей фазы. А это означает, что вообще не будет ПД: сигналы по нервной системе перестанут передаваться.

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

Вначале у вас возникнет нарушение чувствительности, а потом может и паралич наступить, и остановка дыхания, и вообще помереть можно. Такие серьезные рыбки. Никакая акула их не ест, а люди иногда едят. В Японии существует отдельная культура поедания рыбы фугу, что-то вроде русской рулетки, но только для настоящих самураев. Специально обученные повара готовят из этой рыбы сашими, порция стоит около 200 долларов. За свои деньги вы можете попытаться отравиться. Все на самом деле не просто, токсина должно быть очень правильное количество, чтобы возникли сенсорные нарушения.

Возникает ощущение волн тепла и холода, которые бегут по коже. Паралич — это уже неправильно. Если клиент вообще помрет (это же Япония, страна строгая), повару придется делать харакири, без вариантов. По статистике не больше трех-четырех человек в год в Японии умирает. Вы видите саму эту рыбу японского повара. Впервые европейцы узнали о существовании фугу и этого яда от капитана Джеймса Кука. Это тот самый Джеймс Кук, которого потом аборигены съели. До того, как они его съели, он сначала съел фугу, довольно много. Он дошел до состояния паралича, когда отключается зрение, почти отключается слух; несколько дней лежал, но потом отошел. Все это, конечно, интересно.

Фармакологи все пытаются последние двести лет из тетродотоксина сделать какое-нибудь обезболивающее, но плохо получается. В принципе человечество с этим токсином давно и серьезно работает. Если вы наберете в сети «рыба-фугу, тетродотоксин», то вы, скорее всего, встретите статьи о зомбировании. Традиционная культура африканская, вуду, подразумевает изготовление зомби. Там такая адская смесь из разных токсинов, присутствует тетродотоксин. Не буду рекламировать эту технологию. Если что, сами посмотрите. Нужно вовремя отравить пациента, нужно вовремя выкопать его из могилы, вовремя запрограммировать его на то, чтобы он рубил тростник на плантации, ничего не просил. Все это достаточно интересно.

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

Еще один токсин называется тетраэтиламмонием — ТЭА. Это вещество в природе не встречается. Его химики придумали. Оказалось, что тетраэтиламмоний прекрасно затыкает электрочувствительный калиевый канал. Тут как раз показана эта пробка. Давайте подумаем, что случится с потенциалом действия в этом случае? Вот обычный потенциал действия длиной 1 мс. Мы выключили электрочувствительные калиевые каналы. Это значит, что восходящая фаза по идее никак не должна пострадать, натрий войдет. Мы дойдем до уровня +30 мВ. И что будет дальше? А дальше окажется, что все-таки нисходящая фаза имеется, но она длинная. Вместо 0,5 мс она длится где-то 50 мс, в 100 раз больше. Калий все-таки выходит.

Если немножечко напрячься, то даже понятно, что он выходит через постоянно открытые калиевые каналы — те, которые участвуют в образовании потенциала покоя. Они никуда не делись, калий может выходить и через них тоже. Но этих каналов примерно в 100 раз меньше, чем каналов со створками. Поэтому выход длится в 100 раз дольше — не 0,5 мс, а целых 50 мс. Получается, что ПД вместо того, чтобы длиться одну тысячную секунды, длится гораздо дольше. Ясно, что нормальное проведение информации нарушено. При этом, например, дыхание не останавливается. Человек будет в глубоком обмороке, но при этом не помрет. В отличие от тетродотоксина, который останавливает все тотально и является очень опасным ядом.

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

Еще один момент. Если еще не догадались, сейчас я скажу о некой логической дырке во всей этой схеме. Смотрите, что получается. Потенциал действия: каждый раз входит порция натрия и убегает порция калия. А ведь потенциал покоя — это же избыток калия. Если каждый раз убегает калий, то наша батарейка очень скоро будет разряжена, нейрон не сможет генерировать следующий ПД. Как же устранить последствия потенциала действия? Это делает все тот же натрий-калиевый насос. Эту схему 20 минут назад я показывал для ПП. Ее легко превратить в схему для ПД. Достаточно добавить сюда створки. Две створки в натриевом канале, одна створка в калиевом. Получится, что каждый раз, когда во время ПД входит порция натрия, насос этот натрий начинает оперативно убирать. Убежал калий — насос начинает его оперативно запихивать обратно.

Получается, что у натрий-калиевого насоса как минимум три функции: во-первых, он обеспечивает исходно высокую концентрацию калия в цитоплазме и низкую концентрацию натрия; во-вторых, он способствует выводу потенциала покоя на некий характерный именно для этого нейрона уровень; в-третьих, он ликвидирует последствия потенциала действия. По сути натрий-калиевый насос в этой системе работает как зарядное устройство, которое держит батарейку все время в активном состоянии. Да здравствует натрий-калиевый насос. АТФ при этом в огромном количестве расходуется. Мы говорим, что мозг — это энергоемкая ткань нашего организма. Основную энергию в мозге съедают натрий-калиевые насосы. Они потребляют более 90% всей энергии. Следующий момент. Сделали мы потенциал действия, он возник. Но это только начало, потому что он должен не только появляться в какой-то точке мембраны, а он должен распространяться дальше. Сигнал должен передаваться по нейрону. Поэтому следующий момент, о котором нужно поговорить, это распространение ПД. Как это происходит? Вот мембрана нашей нервной клетки. С помощью нашего стеклянного микроэлектрода мы в этой точке запустили ПД, начал он развиваться, входит натрий.

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.

Два типа каналов: каналы постоянно открытые и каналы со створкой. Есть еще один тип транспортных белков — белки-насосы. Для каналов что характерно? Они дают возможность: хочешь — иди, не хочешь — не иди. Если концентрация большая с одной стороны и маленькая с другой — диффузия. Если одинаковая — стой на месте, никто тебя не заставляет. Но бывают ситуации, когда клетке надо вещества взять оттуда, где их мало, и запихнуть туда, где их и так много — накопить какое-то вещество. Тут уже каналами не обойдешься. Здесь нужен принудительный механизм. Это белки-насосы. Здесь изображен белок-насос. Мембрана, в которой он вставлен, и сам белок-насос похож на чашу, которая в данный момент открыта в сторону внешней среды. Сверху — межклеточная среда, внизу — цитоплазма. Это — лиганд, который присоединяется к насосу. Что дальше делает белок-насос? Он закрывается, как цветок на закате, а потом открывается внутрь цитоплазмы и выбрасывает лиганд. Потом он возвращается в исходное положение, опять схватывает, опять запихивает. Он реально работает как насос. На физическом уровне насосы, которые воздух выкачивают, очень похоже устроены. Понятно, что здесь уже нужна энергия. 

Каналы работают без затрат энергии, а насос требует энергии. Универсальным источником энергии в клетках является молекула, которая называется АТФ — аденозинтрифосфорная кислота. Без нее — никак. АТФ — это очень-очень важный компонент всех событий. От нее отрывается фосфорная кислота, ударяет по насосу, и насос запихивает молекулу в цитоплазму или наоборот ее оттуда выбрасывает, в зависимости от того, что это за насос, для чего сделан, в какую сторону повернут.

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

Третья категория белков, которая нам будет очень нужна, это белки-рецепторы. У рецептора функция информационная. Он ничего не делает с лигандом, никуда его не тащит, никаких химических реакций не реализует. Он — это кнопка, на которую нажимает палец. Скажем, гормон — это палец. Дальше нужно отреагировать на этот гормон. Гормон действует на белок-рецептор, присоединяется к его активному центру, дальше клетка запускает некую ответную реакцию: химическую, включаются насосы, двигаться начинает. Белок-рецептор — третья категория белков. Через рецепторы действуют гормоны, через них же действуют медиаторы. В синапсе на мембране дендрита белки-рецепторы. В качестве примера я здесь собрал систему, состоящую из рецептора и насоса. Инсулин — известнейший гормон, который позволяет нашим клеткам захватывать глюкозу, брать глюкозу из крови. Как это устроено? На мембране мышечной клетки находится рецептор к инсулину, инсулин сюда присоединяется, а рядом насос для глюкозы, который обычно выключен. Как только инсулин присоединяется к рецептору, рецептор белковой петлей толкает насос, насос начинает качать глюкозу, и клетка ест. Это уже комплекс белков, которые вместе выполняют общую функцию. В основном с такими комплексами мы будем сталкиваться. Здесь коротко сказано про другие типы белков: защитные — антитела; двигательные — актин и миозин, которые входят в состав мышечных клеток; строительные — кератин, из которого сделаны наши волосы; другие.

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

Два слова надо сказать о нуклеиновых кислотах. Мы почти не будем с вами опускаться на генетический уровень. Все время надо держать на краю сознания то, что всем все равно управляет ДНК. Именно в молекулах ДНК записана первичная структура белков: какие аминокислоты на какое место поставить, чтобы получился гемоглобин или насос глюкозы, или рецептор инсулина. И так примерно для 20 тыс. типов белков, которые работают в нашем организме. Фрагмент ДНК, который кодирует белок, который является инструкцией по его сборке, называется геном. Как известно, у нас эти гены в двух экземплярах: один мы получаем от мамы, другой — от папы. Они еще порой спорят, кто главнее, побеждают доминантные гены. Все это сложным образом перемешивается.

Молекула ДНК — самая главная. С точки зрения молекулярных биологов, людей, которые занимаются именно нуклеиновыми кислотами, мы — всего лишь разумная упаковка для ДНК; красивая, самодостаточная, но всего лишь упаковка. Это тоже повод для отдельной медитации. И эволюционисты тоже на этот счет любят говорить. Молекулам ДНК помогают молекулы РНК, которые копируют ген и дальше тащат его к рибосоме, чтобы рибосома напечатала белок. Рибосома — органоид клетки, синтезирующий белок. Его можно уподобить принтеру. Рибосома печатает любой белок. Информационная РНК — это файл, который пришел на принтер. Лист бумаги, который вылезает из принтера, это и есть белок. Все вполне компьютерной аналогии поддается.

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

Последние 5-7 минут потратим на то, чтобы вспомнить, как устроена клетка. Опять вернемся на клеточный уровень. Из перечисленных молекул мы собираем клетки, в которых есть разные органоиды. Нервная клетка, несмотря на свою причудливость, все-таки вполне типичная клетка: все основные органоиды присутствуют. Давайте я их перечислю. 

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

Эти белки, реагируя на медиатор, могут уже в следующей клетке запустить импульс, и он побежит дальше. Еще раз повторяю, что это будет означать то, что некая информация благополучно миновала синапс и передается дальше. 

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

Все гораздо сложнее и интереснее, потому что медиаторов много разных. В первую очередь они распадаются на возбуждающие и тормозные — два основных класса медиаторов. Возбуждающие медиаторы запускают в следующие клетки импульс. Их действия позволяют дальше проводить информацию. Самый главный возбуждающий медиатор нашего мозга — глутаминовая кислота. Половина одной лекции будет посвящена этому веществу. Тормозные медиаторы не менее важны. Выделяясь, они блокируют импульсы на следующей клетке. Это тоже очень важно, потому что не всякую информацию нужно передавать, что-то нужно останавливать. В итоге у нас в мозге примерно пополам работают возбуждающие синапсы и тормозные синапсы. Слева нарисован возбуждающий синапс: он повышает заряд в нервной клетке, в конце концов возникает импульс. Справа нарисован тормозной синапс: он понижает заряд в нервной клетке, она хуже генерирует импульсы, какие-то информационные потоки блокируются. Как это конкретно происходит, будет рассказано, почему верх, почему вниз, какие ионы играют.

Я пока вам представляю главный возбуждающий медиатор, глутаминовую кислоту, и главный тормозный медиатор — ГАМК или гамма-аминомасляная кислота. Кроме этой пары, есть еще порядка десятка основных медиаторов и около сотни вспомогательных. Следующий слой медиаторов — это медиаторы, связанные с психоэмоциональным состоянием: дофамин, серотонин, эндорфин. Все эти вещества тоже будут у нас в рамках курса, я буду рассказывать, что конкретно они делают в мозге, что делают похожие на них молекулы: лекарственные препараты, яды, наркотики. Все эти категории веществ роднит то, что большинство из них похожи на те или иные медиаторы. Совсем внизу нарисована нервная клетка. Видно, что на ней много синапсов может быть: и возбуждающих, и тормозных. Нейрон — это довольно сложный микрочип, компьютер, который порой действительно тысячи информационных потоков собирает, оценивает, сопоставляет. Важно понять, что элементарной единицей функционирования мозга является не нейрон, а синапс. Вычислительный потенциал мозга — это количество синапсов на единицу объема, а вовсе не вес и даже не количество нейронов. Я немножко поговорил о клеточном уровне.

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

Теперь два слова об уровне структурном. Из клеток складываются нервные структуры. В прошлом МФК, «Мозг и потребности», первая лекция была обзорной по анатомии. Я рассказывал, что делают какие зоны. Если вы себя совсем не уверенно в этой области чувствуете, в области строения и функций различных отделов мозга, а я так понимаю, что большинство аудитории в таком состоянии находится, то я вам искренне рекомендую зайти на сайт МФК и посмотреть первую лекцию осеннего курса. Будет проще. Я в свой теперешний курс тоже вплету всю анатомию, но специального обзора я сейчас делать не буду, только покажу на мозг. Смотрите, какой красивый. У каждого из вас такая штука внутри есть. Это вы, портрет изнутри. Как эта штука получается? Ото лба к затылку ровно посередине головы, при этом большие полушария не повреждаются, потому что они как половинки грецкого ореха разделены щелью, через нее наш срез прошел. Более глубокие мозговые структуры мы как раз посерединке режим. И вот все это во всей красе. Мозжечок — снизу на затылке. Глаз — примерно вот здесь, где сейчас курсор. Все это хорошо к себе приложить, примерить. В первом приближении можно сказать, что мозг состоит из стволовых структур, идущих по центру непарных структур мозга, мозжечка с двумя полушариями и больших полушарий. Получается ствол, две ветки и две очень большие ветки. Это совсем глобальная анатомия.

На томограмме то же самое вычислено: 1 — это стволовые структуры, все, что здесь цветом красиво закрашено; 2 — это мозжечок; 3 — это большие полушария.

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

Этот план строения одинаков у всех млекопитающих, даже у позвоночных. У лягушки или рыбы нет отдела под названием «мост», но ствол, мозжечок и полушария — это общая архитектура. Вы видите разные мозги разных существ. Человеческий мозг даже по массе не самый большой. Есть по-настоящему большие животные, которым для обработки информации от очень большого тела уже нужно много нейронов. Мозг слона больше, чем наш, но у него очень много нейронов связано с движением и с кожной чувствительностью. Мозг кита намного больше, чем у нас. У кита и тело какое: пока все эти участки кожи исследуешь, соберешь информацию… Мозг человека самый плотный: у нас на единицу объема приходится максимальное количество синапсов. К нам приближаются разве что птицы, особенно вороны и попугаи. У птиц ведь какая проблема? Они же летают, поэтому каждый грамм веса у них на счету. Поэтому у них очень маленькое все, в том числе мозг, но зато он очень мощный. Вороний мозг по вычислительным ресурсам даже собачий превышает, а по объему он на порядок меньше. Это пример того, что мозг не обязательно должен быть большим. Важно, чтобы он был эффективным.

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

Вот еще раз мозг. Конечно, ствол, полушария и мозжечок — это чересчур. Я буду настаивать, чтобы вы запомнили шесть основных отделов головного мозга: продолговатый мозг (самый задний отдел мозга, ближе всего к спинному), мост, средний мозг, промежуточный мозг, мозжечок и большие полушария. Хотя бы эти шесть отделов. Конечно, по ходу моего рассказа я буду упоминать о самих структурах. Я свел воедино те анатомические детали, которые нам за эти двенадцать лекций встретятся. Для медиков, наверное, эта штука не должна вызывать шок: они понимают, что реальный мозг раз в 50 сложнее. Здесь изображены только основные блоки, связанные с памятью, зрением, слухом, движением, гомеостазом и так далее. Я их все соединил честно стрелочками. Обещаю вам, что где-нибудь к 11-12 лекции это схема станет для вас гораздо понятнее, чем сейчас, если вы будете заниматься, регулярно посещать лекции и иногда их перечитывать. Практически обо всем этом мы так или иначе будем говорить. Это мозг.

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

Вторую часть лекции я хочу посвятить воспоминаниям о химическом строении клеток и мозга. Наверное, тут химики с медиками должны совсем заскучать, но что делать. Не сказать, что такое белки, ферменты, насосы, не вспомнить про гены я не могу. Это все нам понадобится на следующих лекциях.

Из чего же мы состоим? Опускаемся на молекулярный уровень. Самая главная молекула, из которой мы сделаны, это вода. Мы существа водянистые, на 2/3 из воды состоим. H₂O все знают. Вода — это универсальный растворитель. Очень все это важно. Все реакции идут в воде, куча других разных функций. Сплошной водный раствор. В этом водном растворе болтаются минеральные соли. Самая известная минеральная соль — поваренная соль NaCl. На ее примере легко вспомнить, что, попадая в воду, подобного рода соли разделяются на положительно и отрицательно заряженные ионы. В данном случае — Na+ и Cl-. В таком виде в водном растворе они существуют. Это называется диссоциацией, но вообще это магия. У вас есть стакан с водой, вы насыпаете туда белый порошок, а порошок исчезает. Понятно, что мы привыкли к этому, но это совершенно волшебное зрелище. Потом вы воду выпариваете, и порошок опять появляется. Ничего себе, невидимый порошок. На самом деле там ионы между молекулами воды. Почему об этом важно вспомнить? Все электричество в нашем организме передается за счет движения ионов. Эти ступени тока, потенциалы действия, это вовсе не электроны. Это не электронные цепи. Это по проводам заряд передается в виде потока электронов. У нас ничего такого нет. У нас двигаются ионы. Организм может отдельно переносить положительный заряд, перемещая ионы натрия или кальция, или калия, и отдельно перемещать отрицательный заряд, двигая ионы хлора.

Забегая вперед, в основном мы будем иметь дело с этими ионами: Na, Ca, K, Cl. Обратите внимание, у кальция двойной положительный заряд. Именно эти четыре иона особенно важны для работы мозга нервных клеток. Na и Ca оказывают на нервную систему активирующее действие. Натрий — довольно мощное: хороший соленый огурец наш организм бодрит. Кальций — помягче. Калий и хлор участвуют в торможении нервных клеток, о чем мы еще не раз с вами поговорим и вспомним.

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

Следующая категория веществ — углеводы. Это вещества, которые у нас в организме, в мозге в частности, выполняют энергетическую функцию. Когда мы едим крахмал или что-нибудь сладенькое (глюкозу, фруктозу), то мы некий бензин употребляем, на котором дальше будут работать наши клетки. Дальше эти молекулы распадаются с выделением энергии, с образованием углекислого газа и воды. Они как бы сгорают внутри наших клеток и дают энергию. Основная функция — энергетическая. Здесь показаны молекулы глюкозы — C₆H₁₂O₆. Это прилично знать всем, потому что именно на этой молекуле держится вся жизнь на нашей планете, с нее начинается фотосинтез, который выбрасывает энергию в экосистемы Земли. 

Дальше молекулы глюкозы могут для удобства хранения и транспортировки собираться в цепи. У растений подобная ветвистая цепь называется крахмалом, а у нас — гликогеном. Крахмал в основном мы едим: выкапываем картошку и едим. Понятно, что картошка не для нас этот крахмал копила, а для себя. Она, как всякий живой организм, мечтает размножиться и захватить мир, а мы выкапываем ее и съедаем. Так мы, животные, устроены. С точки зрения всего этого механизма, колбасу есть гуманнее, чем яблоко. Колбаса мертвая, ее уже кто-то убил давно, а яблоко, когда вы его едите, совершенно живое, там живые клетки. Хорошо, что у них нет нервной системы. А вообще стоит просить прощение у яблока. Если разрезать яблоко пополам и немножко потерпеть, на срезе образуется много витамина C: яблоко пытается зализывать раны, и тут вы его окончательного доедаете. Если вы делаете салат, хорошо подождать минут 10, чтобы на раневой поверхности овощей образовались дополнительные витамины.

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