Голос нервової клітини
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Вони говорять на різних голосах: одні тріщать, інші клацають, треті пищать, четверті шиплять. «Говорять» в буквальному сенсі: невдоволено пихкають, коли електрод встромляється в їх оболонку, жалібно пищать, коли він проколює їх наскрізь. Коли чуєш це вперше, буквально не віриш своїм вухам.
Я в лабораторії професора П. К. Анохіна. Співробітниця, яка ловить на кінчик електрода клітини, розташовані в самих різних місцях мозку, показує мені на зеленуватий екран, де мерехтить частокіл світлових піків, розповідає про свою роботу. А я не можу позбутися думки, що найголовніше, найцікавіше почую безпосередньо від самих нервових клітин.
Знову і знову вслухуюся то в тихі скарги, то в гучне незадоволене бурчання крихітних невидимих нейронів, намагаючись зрозуміти, про що розповідають клітини.
– Скажіть, а чи пробував хтось із фізіологів розібратися в голосах нервових клітин?
Я питаю явно невпопад. Моя співрозмовниця здивовано замовкає. Вона давно звикла до різноголосого «щебетання» нейронів. І не відразу розуміє, що мене зацікавило. Потім вона, мабуть, здогадується, як має це дивувати новачка.
– Та ні, знаєте, – посміхається вона. – Адже це попутне явище. Нас цікавить інше: що відбувається всередині нервових клітин, коли вони порушені або перебувають у спокої. Для цього ми записуємо їх електричні відповіді. Ось ті світлі криві на екрані – сліди електричних розрядів, що виникають в тілі нервової клітини під час її роботи. Це її справжній голос, і по ньому ми складаємо собі уявлення про те, що робить клітина в той чи інший момент: спить, працює, відпочиває.
Зазвичай електроди просто прикладають до поверхні голови, і вони вловлюють ті біоструми, які самі сюди дісталися. Зрозуміло, виходить якийсь середній біострум. Він зібраний з досить великої ділянки, тому голоси окремих клітин в ньому важко розрізнити.
Це як мікрофон, встановлений серед площі: чутні відразу всі розмови. Окремі голоси можуть, звичайно, прорватися, якщо хтось випадково виявиться близько від мікрофона. Але, якщо ми хочемо почути один певний голос, потрібно поставити мікрофон прямо перед мовцем.
Легко сказати! Спробуйте знайти серед 14 мільярдів клітин саме ту, яка вам необхідна. Здається, тільки тепер я цілком починаю розуміти, за яку найтяжчу роботу взялися фізіологи. Адже їм потрібне не різноголосся, а одна «солістка». Виручають вже відомі нам карти. За ним дослідник знаходить потрібну точку і обчислює її координати. Потім визначає місце: тут розпочнеться проникнення в глибини мозку.
…Просвердлюють крихітну дірочку в черепі кролика. Це – перший крок, і не найважчий. Зупинитися на заданому рівні, намацавши електродом невидиму клітину, ось це дійсно важко! Помилитися легко, для цього достатньо промахнутися на яку-небудь тисячну частку міліметра.
Який же повинен бути сам електрод, якщо той, що використовується для більш грубих досліджень на тваринах, важко утримати в руці – так він малий, а «робочий» кінчик його взагалі невидимий!
Це металевий електрод, а той, яким досліджують нервову клітину, – скляний. Він такий тонкий, що займає тільки соту частину поверхні клітини. Діаметр його всього 2-4 мікрона.
Ця найтонша трубочка м’яко входить у мозок. Проходить секунда, інша… Пискливий звук, що супроводжував її рух крізь мозкову тканину, змінюється рівним потріскуванням електричних розрядів, що відводяться з поверхні нервової клітини.
– Тепер дивіться, ми проткну оболонку клітини і введемо електрод, так би мовити, в саму гущу внутрішньоклітинних подій, – каже моя співрозмовниця.
Поворот гвинта, що регулює становище електрода, – пихтіння посилюється, на екрані тремтять гострі світлі піки.
– Пройдемо її наскрізь… – Нові повороти гвинта, і вже зовсім з іншого поверху мозку рапортує крихітний електрод про все, що побачив, почув, відчув.
– У цьому досліді електрод – пасивний спостерігач, – кажуть мені, – але ми часто робимо інакше. Вводимо в клітину відразу кілька таких мікроелектродів. Через один з них підводимо до нервової клітини струм, дратуємо її. А всі інші повідомляють, як вона на це реагує.
Подумати тільки! Дослідники як би насильно викликають клітину на «розмову», задаючи ті питання, які їх цікавлять. А не чекають, поки вона сама захоче що-небудь розповісти.
Мені здаються цілковитою фантастикою ці бесіди «на задану тему» з кожною клітиною. Бути може, це якийсь винятковий дослід, який виходить далеко не завжди? Бути може, не всі клітини доступні таким дослідженням?
У сумніві я звертаюся до статей і книг професора Анохіна. «В даний час немає жодного пункту мозку, – читаю я в одній з них, – як немає жодної клітини з 14 мільярдів клітин мозку, в яку не міг би «увійти» дослідник і визначити механізми її діяльності».
Але тоді, ймовірно, нейрони нарозповідали силу-силенну цікавих речей про свою дивно злагодженість, багато в чому ще незрозуміле життя? Так, чимало цікавого дізналися вчені. Ось тільки один приклад. У лабораторії професора Анохіна, де вперше стали вивчати роботу окремих клітин мозку, було зроблено цікаве відкриття.
Якось мікроелектрод приставили до однієї з нервових клітин. Вона старанно «чмихала» – працювала. Тоді тварині ввели в кров «заспокійливу» речовину – аміназин. Через п’ять-шість хвилин клітина стала «здавати» – все менше і менше електричних розрядів знімав з неї електрод. Нарешті, вона замовкла зовсім.
Однак варто було відвести записуючий електрод трохи в сторону (трохи – це означає на 50 тисячних часток міліметра), тобто переставити його на сусідню клітину, як знову пролунали клацання і потріскування. На екрані виріс частокіл світлих піків – сусідня клітка працювала як ні в чому не бувало. Значить, на неї аміназин не подіяв? Але раз вона «не боїться» аміназину, стало бути, і її хімічний склад зовсім інший!
Цей дослід, повторений тисячі разів в самих різних варіантах, з різними речовинами, поставив фізіологів перед несподіваним висновком. Уявлення про нервовий центр, в якому об’єднані сотні і тисячі нервових клітин, що працюють як єдиний механізм, навряд чи правильно. Всередині кожного нервового центру виявилося таке різноманіття абсолютно різних клітин, з такою неповторною хімічною індивідуальністю, яка навіть не піддається поки якому б то не було обліку. Навіщо ж потрібна така тонка спеціалізація нервовим клітинам?
Як показали спостереження останніх років, багато складних рефлекторних дій людини починаються з порушення всього однієї клітини в мозку. Взяти хоча б такий простий випадок: людині захотілося пити. Щоб втамувати спрагу, вона робить самі різні дії – знаходить колодязь, опускає в нього відро, черпає їм воду… Якщо справа відбувається в горах, в поході, на розшук води нерідко доводиться витрачати багато сил, проявляти винахідливість.
А адже все почалося з того, що одна або дві клітини в головному мозку, особливо чутливі до нестачі води в крові, прийшли в сильне збудження і «розпалили» 14 мільярдів нейронів. Вони змусили працювати весь мозок – згадувати, як вдавалося напитися колись раніше, зіставляти стару ситуацію з теперішньою, посилено думати над новими способами добування води.
Один крихітний елемент у кілька тисячних часток міліметра розміром, а не горезвісний великий «питний центр» привів у дію весь складний мозковий агрегат.
Мабуть, така вузька спеціалізація взагалі властива клітинам мозку. Припускають, що є нейрони, які реагують головним чином на поступаючі роздратування. Їх називають «нейронами уваги». Інші фіксують сліди подразнень, що приходять від перших, і на їх основі виробляють нервові імпульси, що як би передбачають силу, ритм і т. д. нових подразнень, які мають надійти в кору. Це нейрони, якщо можна так сказати, передбачення.
Ще один різновид клітин – це ті, що порівнюють імпульси порушення, що виникають в нейронах уваги і передбачення. Якщо немає збігу, нейрон порівняння спрацьовує. Якщо ж збуджені і перші і другі, нейрон порівняння мовчить. Він реагує, таким чином, коли спостерігається неузгодженість між дійсними і передбаченими сигналами.
Далі буде.
Автор: Е. Сапаріна.