Как клетки общаются между собой
Прежде всего, конечно, придется разобраться: а кто, собственно говоря, принимает эти сигналы, кто является тем адресатом, которому предназначена информация? Кто отправитель - вроде бы ясно, по крайней мере, когда речь идет о передаче информации из внешней среды: это органы чувств, на которые действуют физические или химические факторы. Но если мы хотим выражаться более аккуратно, то надо отметить, что всегда, когда мы говорим «мозг посылает сигнал мышцам глаза» или «раздражающий сетчатку сигнал передается в мозг», все равно речь идет на самом деле о передаче сигнала от одной клетки к другой клетке. Так что вся сложная работа нервной системы - регулирование работы внутренних органов, управление движениями, будь то простые и неосознаваемые движения или сложные целенаправленные движения руки живописца - все это, в сущности, основано на «разговоре клеток». Причем все эти «собеседники» вовсе не болтуны: каждая клетка выполняет свою работу, а иногда делает и несколько дел.
Разнообразие функций, выполняемых этим сложным «коллективом», обеспечивается двумя факторами: тем, как клетки соединены между собой, и тем, как устроены «стыки» между клетками.
Что такое синапс
Простейшая реакция нервной системы на внешний раздражитель - это рефлекс. Он осуществляется рефлекторной дугой, строение которой всем хорошо известно. На схеме рефлекторной дуги стрелками обозначен путь сигнала от одной клетки к другой. Этот путь выглядит так, как будто клетки соединены проволочками. На самом деле «проволочки» - это отростки клеток, которые входят в рефлекторную дугу. Давайте присмотримся к более детальному портрету нейрона - элемента рефлекторной дуги. Нервный импульс возникает в теле клетки и распространяется по ее аксону. Аксон заканчивается множеством тоненьких веточек, которые называются терминалями. С этих-то терминалей сигнал и переходит на другие клетки-адресаты: непосредственно на их тела или, чаще, на их «приемные отростки» - дендриты. Аксон может давать до 1 ООО терминалей, оканчивающихся на разных клетках. С другой стороны, типичный нейрон позвоночного получает от 1 ООО до 10 ООО терминалей от других клеток.
Итак, от клетки к клетке сигнал передается через контакт «терминаль - дендрит» или «терминаль - тело клетки». Этот контакт и называется синапсом. Термин «синапс» был введен в физиологию знаменитым английским ученым Ч. Шеррингтоном.
В месте контакта не спайка, а разрыв
Если говорить о техническом устройстве, то в месте контакта двух участков электрической схемы ничего особенного не происходит: два проводочка соединяются друг с другом - проще всего их спаять.
Среди биологов, изучавших нервную систему, долгое время существовало представление, что мозг - это непрерывная сеть, так что все нервные клетки имеют общую протоплазму, т.е. соединены так, как сосуды кровеносной системы. Считалось, что, например, клетки кожи или мышц - это отдельные клетки, а мозг - единая сеть.
Но вот в 1875 г. итальянский ученый, профессор гистологии университета в Павии К. Гольджи придумал новый способ окраски клеток - серебрение. При серебрении из тысяч лежащих рядом клеток окрашивается одна-единственная, но зато полностью со всеми своими отростками.
Метод Гольджи сильно помог изучению строения нервных клеток. Его использование показало, что, несмотря на то, что в мозгу клетки упакованы чрезвычайно плотно и их отростки перепутаны, все же каждая клетка четко отделяется от другой, т.е. мозг, как и другие ткани, состоит из отдельных, не объединенных в общую сеть клеток. Этот вывод был сделан испанским гистологом С. Рамон и Кахалем, который тем самым распространил клеточную теорию на нервную систему.
Отказ от представления о единой сети означал, что в нервной системе сигнал переходит с клетки на клетку не через прямой электрический контакт, как в электрической схеме, а наоборот, через разрыв.
Когда в биологии стал использоваться электронный микроскоп, эти представления о наличии разрыва получили прямое подтверждение. Оказалось, что и терминаль аксона, и тело клетки-мишени имеют свои собственные мембраны в месте контакта. Между мембранами имеется щель, ширина которой составляет примерно 20 нм.
Как же передается сигнал через этот разрыв?
Какие бывают синапсы. Опять «великий спор»
К тому времени, как было обнаружено наличие таких разрывов в цепи «живой сигнализации», было уже достаточно очевидно, что в решении вопроса о том, как проходит сигнал через этот разрыв, выбирать приходится между двумя способами: электрическим и химическим. В дискуссии о том, какой из этих способов реализуется в природе, участвовали уже знакомые нам Дюбуа-Реймон и его ученик Герман. И по этому вопросу их мнения оказались различными. Герман считал, что одна клетка влияет на другую с помощью местных токов, а Дюбуа-Реймон отдавал предпочтение химическому механизму.
Поясним, в чем существо разногласий, используя современные знания о строении синапсов.
Электрическая гипотеза состоит в том, что нервный импульс, дойдя до терминали клетки-отправителя, вызывает ток в синантической щели, который, затекая в клетка-адресат и вызывает ее возбуждение.
Химическая гипотеза может быть изложена так. Импульс, приходящий по аксону, вызывает в конце терминали выделение химического вещества, которое диффундирует через синаптическую щель и достигает мембраны к летки-мишени. В результате меняется проницаемость этой мембраны и возникает ток, который течет через синаптическую щель и через мембрану тела клетки.
Итак, какими же являются синапсы: «электрическими» или «химическими»?
Первые достаточно прямые эксперименты говорили в пользу химической гипотезы. Отто Леви, раздражая блуждающий нерв лягушки* собрал внеклеточную жидкость, омывающую сердце, на которое действовал этот нерв, и подействовал этой жидкостью на сердце другой лягушки. И вот без всякого раздражения нерва сердце второй лягушки тоже стало биться реже. Правда, в данном случае речь шла не о синапсах между двумя нервными клетками, а о синапсе между нервом и сердечной мышцей. Но, проведя в Казани сходный по идее опыт на нервном ганглии, А.В. Кибяков показал, что и между нервными клетками существует химическая передача. Такой опыт свидетельствовал, что из окончаний раздражаемого нерва выделяется какое-то вещество, которое само по себе может действовать на другие нейроны или на мышцу.
Итак, химическая теория торжествовала. Некоторые медиаторы, которые вначале были столь же гипотетичны, как клеточная мембрана, были выделены в чистом виде и их химическое строение было определено. С помощью микроэлектродов, введенных в клетку и аксон, было выяснено, что время, затрачиваемое на выделение медиатора из терминали и его диффузию через щель, составляет примерно 0,6-0,8 мс у теплокровных животных.
Казалось, что химическая передача в синапсах доказана, а электрическая не находила никаких подтверждений. Но как можно было найти электрический синапс? Надо было показать, что есть синапсы, которые не обладают существенными признаками химических.
Первым таким признаком является временная задержка, те самые 0,8 мс; в случае электрического синапса ждать задержки не было оснований. Другим отличительным свойством химических реакций является их сильная температурная зависимость. Чем выше температура, тем быстрее идет реакция. В случае электрических синапсов ожидать такой зависимости также не приходилось. Кроме того, при изучении химических синапсов было показано, что для их работы нужны ионы кальция в среде, омывающей клетки. Замена кальция на магний блокировала передачу сигнала через химический синапс. И вот в 1957 г. с помощью микроэлектродов был открыт синапс, в котором сигнал передавался практически без задержки, передача слабо зависела от температуры и не блокировалась магнием. Был открыт первый чисто электрический синапс. Это показалось странным исключением, да и синапс открыли всего лишь у какого-то речного рака. Но лиха беда начало. Вскоре электрические синапсы открыли у рыб, кошек, обезьян.
Как мы уже неоднократно видели это и раньше снова оказался прав Ходжа Насреддин, утверждая, что оба спорщика правы. Сейчас четко показано, что существуют и химические и электрические синапсы,
Электрические синапсы существуют, но их не может быть
Полученные в эксперименте доказательства передачи сигнала через синапс чисто электрическим путем вступили в противоречие с существовавшими на тот момент теоретическими расчетами. Сложилась парадоксальная ситуация: электрические синапсы есть, существуют, их существование доказано прямыми экспериментами, а расчеты показывают, что они не могут работать!
Действительно, как показало серебрение, а потом и электронная микроскопия, непосредственного контакта между клетками все-таки нет: клетки разделены щелью, заполненной жидкостью, через которую ток пойдет не только в клетку-мишень, но и вытечет куда-то «на сторону». Расчеты, проведенные в разных лабораториях мира, дали обескураживающие результаты. Оказалось, что при реальных экспериментально известных значениях сопротивлений мембран, межклеточной среды и размеров синаптических контактов и щелей в клетку-мишень будет затекать не более 0,01% всего тока, вытекающего из терминали. Этот ток к тому же растечется по всему телу клетки и не сможет создать изменения ее потенциала, необходимого для возбуждения или сопоставимого с реально измеряемыми изменениями.
За решение этой задачи в 1965 г. взялась группа молодых сотрудников Теоретического отдела Института биофизики АН СССР.
Первая их идея состояла в том, что в синапсе и сопротивление мембраны, и сопротивление межклеточного вещества могут быть другими, отличаться от сопротивления клеточной мембраны и внеклеточной среды. Ведь известные значения этих параметров были получены совсем на других объектах. Так что в расчетах, о которых говорилось выше, достоверными можно было считать только размеры синаптической области. Да и методы расчетов были весьма приближенными.
Для проверки выдвинутой гипотезы надо было повторить расчеты для разных значений этих неизвестных параметров; кроме того, требовалось усовершенствовать и сам метод расчета, чего никак не удавалось сделать. Тогда решили сделать аналоговую модель синапса.
Эту работу поручили дипломнику, который паял схемы, все время перепаивая их для новых значений параметров, подбирая сопротивления, причем сопротивлений с нужными параметрами, как обычно бывает, в лаборатории не оказывалось, и приходилось соединять несколько имеющихся. Канители было много и работа продвигалась медленно. А тут еще пришло лето и отделу предложили выделить двух сотрудников для поездки на месяц в колхоз. Никому не хотелось на столь долгий срок прерывать работу, и сотрудники предложили другой выход: поехать всем вместе, но зато на короткий срок. Жаль было только, что в полевых условиях нельзя ставить эксперименты и паять новые схемы.
Нужда научит калачи есть
Но этот отрыв от паяльника и сопротивлений оказал благотворное действие. Единственными доступными орудиями научного труда тут были карандаш и бумага. И вот Володе Смоляшгаову удалось заменить физическую модель математической: описать связь всех величин, характеризующих синапс, математическими функциями. Необходимый точный метод расчета был найден.
Страницы: 1, 2, 3
