Цивилизация
Немецким нейрофизиологам удалось решить одну из основополагающих проблем, связанных с работой нервной системы человека. Проблема состоит в том, что высокую гибкость и скорость, с которой рецепторы нейронов выполняют свою работу, нельзя объяснить при помощи существующей модели Хаксли-Ходжкина - центральной концепции нейрофизиологии, удостоенной в 1952 году Нобелевской премии.
Исследователи из Института динамики и самоорганизации Макса Планка и Центра вычислительной неврологии Бернштейна в Гёттингене при участии нейрофизиолога Максима Волгушева из Рурского университета в Бохуме проанализировали и описали, какими в действительности правилами руководствуются нервные клетки в коре головного мозга, когда решают отослать импульсы.
Полученные данные предполагают, что натриевые каналы передачи нервных импульсов работают не независимо друг от друга, как считалось до сих пор, а облегчают открытие друг друга.
Такой механизм, вероятно, и помогает клеткам передавать быстро изменяющиеся сигналы, а также подавлять медленные импульсы, пишет журнал Nature.
Любая живая клетка поддерживает разность потенциалов по сторонам мембраны. Нервные клетки, в отличие от остальных, используют разницу потенциалов для обработки и передачи сигналов. Согласно модели Ходжкина-Хаксли, передача импульса (потенциал действия) от нейрона к нейрону начинается, когда напряжение мембраны первого из них достигает определенного порогового предела - когда сумма возбуждающих постсинаптических потенциалов клеточной мембраны окажется больше суммы тормозящих на некий пороговый предел (около 10 мВ).
Натриевые каналы реагируют на разность потенциалов тем, что открываются. Положительно заряженные ионы натрия текут через них в клетку, что приводит к уменьшению разности потенциалов по отношению к внешней среде с последующем закрытием канала. Порог и скорость, с которой происходит передача импульса, свои для каждой клетки. Однако главным образом величину этих параметров определяют особенности натриевых каналов клетки.
Авторы сконцентрировались на подробном анализе скорости и порога потенциала действия в нервных клетках коры головного мозга млекопитающих. Передачи импульсов в этой области происходят чрезвычайно быстро. Единичный потенциал продолжается миллисекунду, но усиленный приток натрия начинается уже в первые 200 микросекунд. Похоже, что натриевые каналы открываются почти одновременно, так, чтобы ионы натрия могли проходить в клетки очень быстро и в большом количестве. В то же время, как обнаружили исследователи, пороговая величина, при которой начинается потенциал действия, сильно варьируется.
Ученые попробовали заложить полученные показатели в модель Ходжкина-Хаксли и с изумлением увидели, что в пределах модели совместить быстрый «запуск» потенциала действия и высокую изменчивость порога не получается. Обе характеристики ведут себя как балансирные качели: высокая изменчивость пороговой величины соответствует низкой скорости, с которой инициируется потенциал действия, и наоборот.
Пришлось разрабатывать новый механизм, согласно которому натриевые каналы открываются почти одновременно по принципу «открылся - заставь открыться соседа».
Проверить гипотезу немцы решили «от обратного»: если удастся заблокировать механизм совокупного открывания каналов, то это может послужить хорошим аргументом в пользу его существования. С помощью яда тетродоксина физиологи сумели заблокировать часть натриевых каналов таким способом, что оставшиеся в функциональном состоянии оказались рассеяны по мембране и уже не могли сотрудничать. В рассеянном виде работа нейронов хорошо вписалась в классическую теорию.
По мнению исследователем, механизм кооперации нейроны, вероятно, используют как фильтр, чтобы дифференцировать получаемые сигналы, отсеивать медленные и передавать быстрые. Такое предположение также оспаривает версию Хаксли-Ходжкина.
Нейрофармаколог Сергей Силантьев из Лондонского Института Нейрологии так прокомментировал работу специалистов: «Если в двух словах: предложенная теория объясняет конкретные результаты в части исследованных клеток коры. Но она не может объяснить многих факторов, которые объясняются в рамках теории Хаксли-Ходжкина. Кроме того, судя по всему (из чисто геометрических соображений) для существования предполагаемого непосредственного взаимодействия натриевых каналов нужно доказать их кластеризацию, что пока что никому не удалось.
В общем, вывод такой: теория оригинально и близко к истине объясняет некоторые эффекты в нейронах коры мозга, но для замещения ею теории Хаксли-Ходжкина пока что оснований нет».
«Многие ученые, и мы в том числе, осознавали гипотетический характер модели Ходжкина-Хаксли, но полагали, что она все же применима к подавляющему большинству нейронов», - отмечает Фред Вольф, руководивший исследованиями в Институте динамики и самоорганизации. Но оказалось, что жизнь нейронов устроена иначе. Более высокие познавательные способности «высших» животных вроде кошки или человека по сравнению с кальмаром или улитками объясняется не только большим количеством нейронов в их мозге, но и способом обработки сигналов в нейронах. По-видимому, эти способы отличаются на молекулярном уровне у «низших» и «высших» с эволюционной точки зрения видов.