Мы – электрические. Новая наука об электроме тела

В конце XIX века, после тысячелетнего пребывания в эфирной сфере философских рассуждений, животный дух был перенесен на твердую почву научного метода. Александр фон Гумбольдт, Эмиль Дюбуа-Реймон и Герман фон Гельмгольц отстояли дело, которому посвятил свою жизнь Гальвани. Что за животный дух бежит по нашим нервам, оживляя каждое наше движение и ощущение? Это электричество.

Но эти ученые не могли себе представить, что их важнейшие инструменты и открытия будут развиваться еще полтора следующих столетия. Сегодня наше понимание биоэлектричества изменяется вновь, поскольку мы начинаем постигать суть электрома[101].

Понятие электрома выходит за пределы биоэлектрических сигналов, обнаруженных Гальвани и Дюбуа-Реймоном. Благодаря этим сигналам нервная система позволяет нам чувствовать и перемещаться в пространстве; на сегодняшний день эти сигналы уже хорошо изучены в результате обширного корпуса исследований, сформировавших современную нейробиологию. Но за последние двадцать лет начала вырисовываться иная картина, которая все более отчетливо демонстрирует наличие важнейших биоэлектрических сигналов за пределами нервной системы и их важную роль в функционировании других систем тела. Как геном описывает весь генетический материал организма (ДНК с записями “инструкций” для построения тела, основания A, C, T и G для составления кода этих инструкций, а также другие элементы, контролирующие активность генов), так полное описание нашего электрома может отразить все глубинные пути, с помощью которых различные электрические сигналы определяют наши биологические функции.

Карта электрома представляла бы собой уникальную электрическую схему, описывающую буквально все аспекты нашей жизни и смерти. В ней должны учитываться характеристики и размерность наших электрических свойств на уровне органов, клеток и мельчайших компонентов клеток, таких как митохондрии, и даже поведение электрических молекул.

Как было описано в первой части книги, самые ранние сведения об электроме мы получили благодаря активности наших мышц и нервов. Животный дух превратился в нервную проводимость, и в результате ее изучения сформировалась такая научная дисциплина, как неврология. В 1960-е годы результаты исследований в области неврологии (а также в области электрофизиологии, объединившей исследования электриков XVIII века с теоретическими исследованиями физиологов) сложились в формальную дисциплину, которую мы сегодня называем нейробиологией и которая занимается изучением нервной системы животных.

В XX веке были достигнуты громадные успехи в раскрытии закономерностей электрической активности нервной системы. Мы начали понимать код, позволяющий передавать информацию в мозг и из мозга. Как мы увидим в нескольких последующих главах, почти все эти открытия были сделаны благодаря исследованиям нервной системы с помощью металлического электричества. И это помогло понять, что искусственное электричество может – с разной степенью успешности – изменять наше собственное биоэлектричество и, следовательно, наше здоровье, мысли и поведение. Само по себе это уже очень значительное достижение, но к концу столетия мы осознали, что это лишь начало.

Но прежде чем двигаться дальше, нам нужно определить некоторые фундаментальные положения нейробиологии, чтобы ясно понимать, как работает нервная система и почему ученые так активно пытались изучать ее с помощью искусственного электричества. Об этом рассказывает данная глава. Я приглашаю вас отправиться со мной в краткое путешествие в 150-летнюю историю электрофизиологии.

Нервная проводимость для чайников

Понять механизм передачи электрических сигналов внутри тела намного проще, если знать структуру головного мозга, спинного мозга и специализированных клеток, обеспечивающих их коммуникацию. Эти клетки называют нервными клетками, или нейронами. Все эти данные были получены в результате потрясающих открытий, сформировавших так называемую “нейронную доктрину”, за установление которой Камилло Гольджи и Сантьяго Рамон-и-Кахаль были удостоены Нобелевской премии в 1906 году. Тогда впервые стало понятно, как именно работает нервная система. До тех пор, как следует из рассказа о животном духе, считалось, что нервная система представляет собой единую сеть трубочек, протянутых от мозга по всему телу, которые могли быть заполнены водой или гидравлической жидкостью – и именно поэтому все остальные рассуждения фактически не имели смысла.

Рамон-и-Кахаль и Гольджи поняли (опять-таки в результате долгих разногласий и пререканий), что нервная система состоит из особых, специфических клеток, названных нейронами, которые могут проводить электрические сигналы от мозга к мышцам и обратно.

До тех пор никто не мог себе представить, что нервная система состоит из клеток, потому что нервные клетки не похожи на обычные. Большинство клеток имеют сферическую и немного приплюснутую форму. Но только не нейроны. У нейрона есть три четко различимые части. У него есть тело (и это тело действительно похоже на обычную клетку), но из него во все стороны отходят отростки разной длины. Эти отростки бывают двух типов. Первый тип – дендриты: очень короткие выросты, доставляющие информацию к телу нейрона. Второй тип – аксоны: они могут достигать метра в длину, и их функция заключается в том, чтобы отправлять сообщения другим нейронам или мышцам.

Некоторые из 86 миллиардов нейронов мозга находятся только в мозге, но многие простирают свои отростки в спинной мозг, в кожу, сердце, глаза, уши, нос, рот, внутренние органы, кишечник – иными словами, во все без исключения участки тела, чтобы заставить их двигаться, чувствовать и выполнять разные другие функции.

Чувствующие нейроны, приносящие ощущения и восприятие в мозг, являются частью афферентной системы, сообщающей нам новости об окружающем мире: об изображениях, звуках, запахах, царапинах и ударах, достающихся нашему телу. Их также называют сенсорными нейронами. Двигательные нейроны, сообщающие о наших намерениях различным частям тела, являются элементом эфферентной системы, позволяющей нам реагировать на сигналы, переданные афферентной системой.

Вне зависимости от того, идет ли речь об ощущениях или движениях, соответствующие нейроны переносят информацию в мозг и из мозга за счет электричества – посредством потенциала действия. Именно это легкое отклонение стрелки прибора Дюбуа-Реймон назвал током действия, или нервным импульсом. Термины “нервный импульс”, “потенциал действия” или “спайк” – еще один термин, который вы тоже могли слышать, – обозначают одно и то же: слабый электрический сигнал, переносящий информацию между двумя соседними нервными клетками в мозге или между нервом и мышцей[102]. Получая сообщение, дендрит передает его в тело клетки, где принимается решение о том, следует ли передавать этот сигнал аксону. Если сообщение передается дальше, оно достигает окончания аксона, откуда перескакивает на дендрит соседней клетки. Почти с того самого момента, когда Дюбуа-Реймон и Гельмгольц начали измерять нервные импульсы, люди начали спорить о том, какова природа этих импульсов – химическая она или электрическая. Но когда выяснилось, как сигнал перескакивает с одной клетки на другую, споры едва не переросли в целую войну.

Дело в том, что на конце аксона сигнал вынужден немного затормозить. Здесь имеется крохотный зазор, отделяющий аксон одной клетки от дендрита другой клетки. Этот зазор называется синапсом: его окрестили так в том же году, когда “нейронная доктрина” принесла Нобелевскую своим авторам. Открытие этого промежутка между клетками, которые, как считалось, проводят электрический сигнал, возродило множество сомнений относительно реальности животного электричества и электрической природы нервного импульса. Ведь не может электрический сигнал передаваться через зазор между телеграфными проводами, так как же он может это делать в нервной системе?

В 1921 году были обнаружены химические молекулы, названные нейромедиаторами, которые переплывают через синаптическую щель, и это только усугубило сомнения. Вопрос о природе нервного сигнала очень быстро привел к разногласиям между противостоящими группировками ученых: одни были сторонниками идеи “супа” (химической проводимости), другие – сторонниками идеи “искры” (электрической проводимости)[103]. Этакая “Вестсайдская история” в науке.

В конечном итоге после жестокого сопротивления сторонников идеи “супа” сторонники электрической проводимости одержали верх. Завоевали эту победу два физиолога из Университета Кембриджа – Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли, чьи имена, возможно, вызывают легкое шевеление в глубине вашего мозга, конкретно в той его части, которая отвечала за усвоение школьного материала. Они прочно вошли в историю науки тем, что доказали ключевую роль электричества в проведении нервного импульса. Оно положило конец разногласиям между сторонниками идей “супа” и “искры” в 1950-е годы. Их эксперименты впервые показали в мельчайших подробностях, как именно потенциал действия переносится по нейрону с помощью заряженных частиц, без электрических свойств и активности которых ничего бы не происходило.

Эти частицы называют ионами. Ионы – это атомы, несущие положительный или отрицательный заряд. Их полным-полно в жидкой среде, омывающей все клетки нашего тела (этих клеток очень много, и именно поэтому нам все время твердят, что наше тело на 60 % состоит из воды). Ионы, растворенные в так называемой межклеточной жидкости, очень похожи на компоненты морской воды: главным образом это ионы натрия и калия, а также небольшое количество ионов других веществ, таких как кальций, магний и хлор. Точное соотношение их концентраций внутри каждого нейрона и в окружающей его среде является решающим условием для возможности передачи электрического сигнала.

Ионами эти частицы назвал Майкл Фарадей, поскольку они постоянно движутся, как будто по собственной воле[104]. Между прочим, Фарадей обнаружил движение ионов благодаря батарейке Вольты. В 1814 году Вольта передал ему один из своих первых прототипов[105], с помощью которого Фарадей установил принципы действия электрического мотора и индукции, а также унифицировал законы электричества. Но для нашего рассказа гораздо важнее то, что батарейка помогла ему обнаружить существование ионов. Фарадей экспериментировал с разными химическими соединениями: он помещал их в воду, подавал электрический ток и наблюдал за происходящим. Химические соединения состоят из двух или нескольких разнородных элементов и под действием электрического тока разделяются на эти элементы, как будто кекс разделяется на составляющие компоненты – сахар и муку. Если воспользоваться этим сравнением, можно сказать, что под действием тока частицы “сахара” выделяются из смеси и движутся в сторону одного электрода, пропускающего ток через воду. А частицы “муки” собираются у другого электрода[106]. Фарадей не знал, что это означает. Что протекает через воду и накапливается на электродах? В 1834 году он окрестил эти загадочные частицы ионами, и на протяжении последующих пятидесяти лет о них больше не узнали практически ничего нового.

Затем, в 1880-е годы, шведский ученый Сванте Аррениус понял, что ионы движутся под действием электрических сил, что понятно, поскольку ионы – не нейтральные атомы, а имеют положительный или отрицательный заряд. И это объясняет, почему они движутся в растворе словно по собственной воле. На самом деле это совсем не так. Просто положительно заряженные ионы притягиваются к отрицательному полюсу батарейки, а отрицательно заряженные – к положительному. Наконец-то наблюдениям Фарадея было дано простое объяснение.

Данное свойство реализуется во всех растворах, включая биологический суп, омывающий изнутри и снаружи все клетки во всех биологических тканях. Ионы поддерживают в нас жизнь. Если вам когда-нибудь ставили капельницу, вам следует благодарить за эту технологию именно ионы, а также физиолога XIX века Сиднея Рингера, который подобрал точный состав раствора натрия, калия и других электролитов, который заполняет сосуды, имитируя межклеточную жидкость. Кроме того, этот раствор позволяет поддерживать жизнедеятельность органов, извлеченных из тела. Рингер поставил первый эксперимент на сердце лягушки, которое в этом новом “физиологическом растворе” продолжало нормально биться на протяжении нескольких часов без участия самой лягушки[107]. Поначалу раствор так и называли раствором Рингера, и он оказал чрезвычайно важное влияние на развитие биологии.

Почему ионы так важны? Что в них такого особенного, что мы не можем без них жить? К концу XX века постепенно сложилось общее мнение, согласно которому ионы стали считать главными действующими элементами в электрической передаче нервных импульсов.

С появлением “нейронной доктрины” мы узнали следующее. Во-первых, биохимики установили, что положительно заряженные ионы, например ионы натрия, и отрицательно заряженные ионы, например ионы хлора, при передвижении всегда переносят с собой свой заряд. Во-вторых, благодаря таким людям, как Рингер, стало ясно, что ионы заполняют пространство внутри наших клеток и во внеклеточной среде. Наконец, в-третьих, мы поняли, что потенциал действия создает электрический ток достаточной силы, чтобы отклонять стрелку гальванометра при прохождении сигнала по нервным клеткам. Все это вкупе доказывало, что по нервам и мышцам перемещаются электрические заряды. Но, как и в XVIII веке, когда у нас имелся лишь набор разрозненных наблюдений о животном электричестве без объединяющей их теории, так и здесь у нас все еще не было способа осмыслить все эти отдельные факты об ионах и нервной системе. По крайней мере до 1940-х годов, когда в серии экспериментов было показано, как именно ионы исполняют главную роль в электрической передаче нервного импульса.

Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли понимали: если они смогут продемонстрировать, что концентрации ионов внутри нервной клетки и снаружи изменяются по-разному при прохождении потенциала действия, они раз и навсегда докажут, что в основе зарождения биоэлектрических сигналов лежит электричество, что оно является причиной, а не отражением каких-то химических процессов[108]. И вновь под нож легли лягушки, но их нервы оказались слишком тонкими, чтобы исследовать содержание ионов в их мембранах с помощью какого-либо имевшегося на тот момент инструмента. Ходжкин и Хаксли попробовали работать с крабами. Но нервы крабов тоже оказались слишком тонкими. Наконец, они нашли существо с достаточно крупными нервными клетками, чтобы подключить к ним электрод: это был кальмар.

Аксон кальмара невероятно толстый (несколько миллиметров в диаметре[109], что в тысячу раз превышает толщину человеческого нерва – за это его и называют “гигантским аксоном”), поскольку он должен мгновенно посылать команды мозга через все массивное тело кальмара[110]. И это давало Ходжкину и Хаксли возможность встроить измерительное устройство для регистрации электрических свойств клетки. Они хотели знать, как эти свойства меняются при возбуждении нерва и как в ответ изменяется концентрация ионов внутри клетки и снаружи. Они придумали, как ввести один электрод внутрь клетки, а другой пристроить снаружи, и в результате впервые смогли измерить разницу зарядов во внутриклеточном и внеклеточном пространстве. И эта разница оказалась весьма значительной: в состоянии покоя, когда нерв не возбуждался, напряжение на внешней поверхности клетки было на 70 милливольт выше, чем внутри.

Эту величину называют мембранным потенциалом клетки. Она отражает разницу между количеством заряженных частиц внутри клетки и снаружи. Вы ведь помните, что ионы – это положительно или отрицательно заряженные атомы? Это означает, что при перемещении этих атомов их заряд перемещается вместе с ними. Например, ион натрия несет заряд +1. И калия тоже. А ион хлора несет заряд –1, и мне он кажется стыдливым и скромным. Модный кальций гордится зарядом +2. За пределами нейронов смесь этих ионов с их зарядами распределяется в свободном пространстве внеклеточной жидкости. Из-за ограниченности пространства внутри каждого конкретного нейрона содержится менее значительная популяция ионов, и суммарный заряд внутри клеток оказывается ниже, чем снаружи. Вот почему существует разница в 70 милливольт между внутренним пространством каждого нейрона и внешним пространством, и именно такой показатель нравится нейрону[111]. По этой причине это значение называют потенциалом покоя. Это начальная точка для действия нейрона, в которой он не растрачивает свою энергию.

Но, как обнаружили Ходжкин и Хаксли, ситуация сильно меняется при прохождении потенциала действия. Разница зарядов внутри клетки и снаружи быстро нивелируется, становясь все менее и менее заметной, пока не исчезает полностью (а затем потенциал оказывается ниже нуля, и на какое-то время внутриклеточное пространство приобретает положительный заряд по сравнению с внеклеточным супом). Но по завершении процесса мембранный потенциал всегда возвращается к своему комфортному показателю в 70 милливольт.

Однако Ходжкин и Хаксли заметили, что во время этой электрической суматохи разные ионы ведут себя совершенно по-разному. При потенциале покоя внутри клетки содержится много ионов калия. Но при прохождении потенциала действия в клетку проникают ионы натрия, выталкивая большую волну ионов калия наружу. Возвращение клетки к счастливому состоянию покоя сопровождается возвращением ионов калия. Это явление каскадом прокатывается вдоль всего нерва, перенося волну нервного импульса. Именно так Ходжкин и Хаксли наконец доказали, что потенциал действия совершенно очевидно создается за счет изменения концентрации ионов[112]. Ионы калия и натрия каким-то образом отвечают за передачу сигнала по аксону: электрический заряд передается за счет четко отрегулированной хореографии прибытия и отхода этих ионов.

В этом и заключается разгадка секрета раствора Рингера. Эта ценная смесь ионов поддерживает жизнь в теле по той причине, что позволяет передавать нервные импульсы по нервам. Без ионов передача нервных сигналов невозможна. Без них мы не можем вдыхать и выдыхать воздух, не можем глотать, и наше сердце не способно биться.

В 1952 году Ходжкин и Хаксли опубликовали результаты многолетней работы, в которой показали, как ионы калия и натрия меняются местами в клетке, внося и унося свои электрические заряды и создавая при этом потенциал действия. За установление механизма потенциала действия они были удостоены Нобелевской премии, но для Ходжкина настоящий триумф заключался в том, что была доказана роль электричества в качестве движущей силы нервного импульса, а не побочного эффекта. Как он сказал в своей речи при получении Нобелевской премии в 1963 году, “потенциал действия – это не просто электрический признак импульса, но причина его распространения”.