Нервная система человека — это сложнейшая система, состоящая из миллиардов нейронов, которые общаются друг с другом посредством электрических сигналов. Эти сигналы передаются по особым структурам, называемым синапсами, и играют решающую роль в передаче информации между нейронами. В этом разделе мы рассмотрим основные принципы электрических процессов в нервной системе, в частности, потенциал действия и его генерацию.
Потенциал действия: короткие ступеньки электрического тока
Потенциал действия — это короткие ступеньки электрического тока, которые распространяются по мембране нервной клетки. Они имеют примерно треугольную форму и бегут по мембране дендритов, тела нейрона и аксонов до синапса. Этот процесс можно сравнить с двоичным кодом компьютера, где информация кодируется последовательностью нулей и единиц. Аналогично, потенциалы действия кодируют все наши мысли, чувства, сенсорные переживания и движения.
Источник потенциала действия: потенциал покоя
Чтобы понять источник потенциала действия, нам нужно рассмотреть потенциал покоя — заряд внутри нервной клетки. Поскольку физическое электричество — это движение электронов, а в живых системах оно представляет собой движение ионов (заряженных частиц), таких как натрий, калий, хлор и кальций. Эта четвёрка обеспечивает разные электрические явления в нашем организме и нервной системе.
Натрий-калиевый насос: ключевой фактор формирования потенциала покоя
Когда анализировали состав цитоплазмы нервных клеток, было обнаружено, что внутри нейронов много калия и мало натрия по сравнению с внешней средой. Это различие возникает за счёт работы натрий-калиевого насоса (натрикалиевой АТФазы), который находится на мембранах всех клеток. Этот насос обменивает внутриклеточный натрий на внеклеточный калий и закачивает калий внутрь цитоплазмы.
Формирование отрицательного заряда цитоплазмы
Когда созревает нейрон, на его мембране появляются постоянно открытые каналы для калия. Эти каналы позволяют калию выходить из цитоплазмы через диффузию. Калий выходит из цитоплазмы, потому что его внутри примерно в 30 раз больше, чем снаружи. Закон диффузии гласит, что частицы выходят оттуда, где их много, туда, где их мало.
Равновесие заряда цитоплазмы
По мере того как калий уходит по диффузии, внутренний заряд цитоплазмы становится всё более отрицательным. Плюсы притягиваются к минусам, поэтому по мере нарастания этого самого отрицательного заряда цитоплазмы он начинает сдерживать диффузию ионов калия. Им выходить всё сложнее и сложнее, пока не возникает равновесие: сколько калия уходит благодаря диффузии, столько же входит обратно благодаря притяжению к отрицательному заряду цитоплазмы.
Потенциал покоя: минус 70 милливольт
Точка равновесия составляет примерно минус 70 милливольт — тот самый потенциал покоя. Нервная клетка сама себя зарядила и теперь готова использовать этот заряд для того, чтобы генерировать потенциалы действия.
Генерация потенциалов действия
Когда изучают, откуда берётся потенциал действия, замечают, что для возбуждения клетки, чтобы она сгенерировала импульс, нужно стимулировать её с определённой силой. Стимул должен поднять заряд внутри нервной клетки до уровня примерно минус 50 мВ. Потенциал покоя составляет минус 70 мВ, а так называемый порог запуска потенциала действия — около минус 50 мВ. Если поднять заряд до такого уровня, нейрон как будто просыпается: внутри него внезапно возникает очень большой положительный заряд, который доходит до уровня примерно плюс 30 милливольт, а потом быстро снижается обратно до уровня потенциала покоя. От нуля до единицы и снова к нулю — вот эта ступенька тока, которая дальше способна передавать информацию.
Ионные каналы: ключевые игроки генерации потенциалов действия
Откуда берётся этот импульс? Оказывается, работают другие ионные каналы — не постоянно открытые, а со створками. Когда заряд в нервной клетке достигает уровня минус 50 милливольт, эти створки начинают открываться, начинается движение ионов. Первым открывается натриевый канал — он открывается примерно на полмиллисекунды. За это время в нейрон успевает войти порция ионов натрия. На втором этапе происходит закрытие натриевого канала и открытие другого, электрочувствительного канала, который тоже имеет створки — он тоже открывается, затем закрывается.
Передача информации: распространение импульсов по мембране нейрона
Дальше мембрана нервной клетки организована так, что если в одной точке возник такой импульс, он способен распространяться по всей мембране. Это и есть передача информации — распространение импульса по мембране нейрона. Этот процесс происходит довольно медленно — максимум около ста метров в секунду. Мы уступаем компьютерам, которые работают со скоростью света.
Использование токсинов для изучения работы нейронов
Для изучения работы нейронов используются специальные токсины, которые блокируют работу определённых каналов. Например, тетродотоксин — яд рыбы фугу — блокирует электрочувствительный натриевый канал. Без его работы натрий не может войти в клетку, не происходит развития импульса, не передаётся сигнал.
