Приход нервного импульса в нервное окончание дает возможность выбросить в синаптическую щель 5 миллионов молекул ацетилхолина, однако по прямому назначению будет использовано не больше четверти, но и этого вполне достаточно, чтобы вызвать возбуждение нейрона-адресата.
Молекула ацетилхолина представляет собою цепочку, состоящую из атомов кислорода, азота и 5 атомов углерода. К атому азота, несущему положительный заряд, крепятся три метильные группы (атом углерода с прикрепленными к нему тремя атомами водорода). Эта массивная головка молекулы выполняет функцию бородки ключа. Она попадает в специальное углубление замка и удерживается его отрицательным зарядом.
Об устройстве замка удалось кое-что узнать, попробовав открыть его различными отмычками. Эти исследования подтвердили важность электрических зарядов ключей. Молекулу ацетилхолина легко лишить положительного заряда, если атом азота заменить углеродом. Такая отмычка способна отпирать замок, но действует в 12 тысяч раз слабее, чем настоящий ацетилхолин.
Использование грубо сделанных отмычек подтвердило, что отверстие замка по размеру точно соответствует бородке ключа. Если любую из метильных групп головки ацетилхолина заменить на более крупную этильную, состоящую из двух атомов углерода и пяти атомов водорода, такая молекула в 3–5 раз хуже отпирает ионные двери. Причина понятна – ключ стал велик и с трудом входит в замочную скважину. При замене двух или всех трех метильных групп сильно увеличенный ключ уже не помещается в замочной скважине и мембранных дверей не отпирает.
Точно так же можно испортить ключ, уменьшив у молекулы ацетилхолина размер ее головки. Легко заметить, что все три ее метильные группы могут быть заменены атомами водорода. Замена на водород одной метильной группы снижает результативность медиатора в 50 раз, двух – в 500, а всех трех – в 40 тысяч раз. Ключ легко входит в замочную скважину, но головка стала слишком маленькой, он «хлябает», проворачиваясь в замке, и не может его отпереть.
Ацетилхолин оказался ключом с двумя бородками. Второй бородкой является атом кислорода, несущий отрицательный заряд. Расстояние между бородками известно: атомы кислорода и азота разделяет два атома углерода и они удалены друг от друга на 4,7 ангстрема. Молекулу легко удлинить, вставив в цепочку дополнительно один, два или больше атомов углерода, и это полностью испортит ключ. Такая молекула не войдет в замочную скважину, и двери не откроются.
Зная размеры ключа, подобрать к замку отмычку нетрудно. Атом азота в молекуле ацетилхолина можно заменить любым другим, лишь бы он нес положительный заряд и оказался отделен от кислорода двумя атомами углерода.
Медиков особенно заинтересовали отмычки, которые, как и кураре, способны надежно выводить из строя замок. Это нужно хирургам, чтобы на время сложнейших операций полностью обездвижить человека или устранить судорожные сокращения мышц.
Неожиданно очень эффективными оказались крупные молекулы сходных с ацетилхолином веществ. Особенно значительный эффект давали молекулы с двумя атомами азота на концах, если между ними было 10 или 16 атомов углерода. Именно столько – не больше и не меньше. Не сразу удалось разгадать механизм их действия. А разгадка была проста. Двери, а следовательно и замки, не разбросаны на мембране как попало, а сгруппированы по четыре. Если замочные скважины соединить прямыми линиями – получится квадрат. У длинной отмычки каждый из двух атомов азота, как бородка ключа, попадает в отдельную замочную скважину. Этим объясняется эффективность отмычек. В отличие от молекул кураре отмычка выводит из строя сразу два замка. Меньший из ключей попадает в замки, лежащие по любой из сторон квадрата, а более длинный, чтобы попасть обеими бородками в замочные скважины, должен лечь по его диагонали. Зная размер ключей, нетрудно выяснить и размеры квадрата. В использованных веществах между атомами азота расстояния 14 и 20 ангстрем. Следовательно, замки находятся в углах правильного квадрата. В этом каждый легко убедится сам. Из геометрии мы знаем, что квадрат гипотенузы равен сумме квадратов двух катетов. Проверим цифрами высказанное предположение о расположении замков:
20² ≈ 14² + 14² (двадцать в квадрате приблизительно равно четырнадцать в квадрате плюс четырнадцать в квадрате)
Как видите, ошибка ничтожна.
В головном мозгу человека огромную роль играет тормозной медиатор ГАМК (его полное название гаммааминомасляная кислота). Считают, что не менее трети синапсов головного и спинного мозга человека используют этот медиатор. В отличие от ацетилхолина, обеспечивающего поступление в клетку положительно заряженного иона натрия, понижающего отрицательный внутриклеточный заряд, ГАМК открывает ворота для отрицательно заряженного иона хлора, что усиливает ее отрицательный заряд и препятствует возникновению возбуждения.
Механизм действия многих медиаторов значительно сложнее, чем ацетилхолина и ГАМКа. Например, норадреналин и дофамин, также весьма распространенные медиаторы, действуют на клетку с помощью посредников. На одном нейроне могут быть синапсы, использующие разные медиаторы – тормозные и возбуждающие. Они могут усиливать эффект друг друга или блокировать его. Характер взаимодействия различных синапсов определяет конечный эффект: возбудится ли нейрон или покой его не будет нарушен, донесет ли аксон свои сигналы до следующих нейронов или они будут перехвачены и блокированы тормозными воздействиями.
Физиологам уже многое удалось узнать о работе нейрона. Кажется, что в общих чертах мы понимаем, как он выполняет свою основную функцию – обработку информации, но совершенно очевидно, что дальнейшие подробности о механизмах его интимной деятельности будут не менее интересны. Нейрон еще не раз удивит нас невообразимой сложностью своего поведения.
Откуда берутся мысли
Черный ящик
Борьба с материалистическим подходом к изучению мозга всегда велась под знаменами церковников. Россия в этом отношении не была исключением. В начале шестидесятых годов XIX века редактор самого прогрессивного отечественного журнала «Современник» Н.А. Некрасов обратился к выдающемуся русскому физиологу И.М. Сеченову с просьбой написать статью о насущных вопросах естествознания. Сеченов охотно откликнулся. Он уже давно обдумывал основные положения будущего трактата «Рефлексы головного мозга». Журнальный вариант этой работы Сеченов озаглавил так: «Попытка свести способы происхождения психических явлений на физиологические основы». Редакция журнала, опасаясь преследований цензуры, изменила название, но это не спасло положения. Номер «Современника» со статьей Сеченова был конфискован. Оговорив ряд условий, в том числе требование сократить или коренным образом изменить заключительный раздел статьи, цензура разрешила ее публикацию лишь в специальном медицинском журнале.
Несколькими годами позже И.М. Сеченов попытался издать свой труд отдельной книгой, и тогда разразилась настоящая буря. Когда книга была напечатана, совет Главного управления по делам печати вынес постановление о наложении на нее ареста и возбуждении судебного преследования против автора. Петербургский цензурный комитет сообщал прокурору, что «сочинение Сеченова объясняет психическую деятельность головного мозга… Эта материалистическая теория… разрушая моральные основы общества в земной жизни, тем самым уничтожает религиозный догмат жизни будущей…». Как видите, чиновники царской России недалеко ушли от деятелей средневековой инквизиции.
После покушения Д.В. Каракозова на царя Александра II чрезвычайная следственная комиссия, поощряемая министром внутренних дел, организовала третий тур наступления на автора труда «Рефлексы головного мозга». Что же вызвало такой гнев у царских министров и охранников? Может быть, Сеченов в своей книге призывал к свержению царского режима или хотя бы критиковал его? Нет, книга посвящена работе мозга. Никаких политических проблем автор в ней не затрагивал, но зато доказал, что тайну психической жизни можно раскрыть методами естествознания, так как в ее основе лежат реально существующие физиологические процессы. Сама мысль, по мнению Сеченова, – всего лишь сложный рефлекс и, как всякий рефлекс, может быть изучена физиологами.
«Рефлексы головного мозга» ознаменовали начало нового этапа в изучении мозга. Сеченов первым из ученых сделал попытку представить психические процессы чисто физиологически. Он внес весомый вклад в изучение нервной системы, подводя экспериментальную базу под свои теоретические построения, но не располагал еще достаточным числом надежно проверенных фактов для построения законченного учения о функциях головного мозга. Честь создания физиологии высших психических функций выпала на долю другого выдающегося русского ученого – И.П. Павлова.
