Как работают нейроны: от электрического импульса к химическому сигналу
Нейрон — это нервная клетка, которая передаёт сообщения короткими электрическими импульсами. В покое на её мембране около −70 милливольт; когда раздражение поднимает напряжение до порога около −55 милливольт, по аксону бежит импульс — потенциал действия, который подчиняется правилу «всё или ничего» и длится миллисекунду-две. На конце аксона сигнал переходит через крошечную щель, синапс, в виде химического вещества — нейромедиатора, который делает следующую клетку более или менее склонной к срабатыванию.
Нейроны — клетки, на которых держится каждая мысль, движение и ощущение, а их секрет в том, что они соединяют два вида сигнала: электричество для скорости внутри клетки и химию для прыжка к следующей. Здесь прослежено одно сообщение от дендритов до синапса.
Главные идеи
- У нейрона есть дендриты, принимающие сообщения, тело клетки, которое их складывает, аксон, посылающий сигнал, и окончания, передающие его дальше.
- В покое внутренняя сторона клетки примерно на 70 милливольт отрицательнее наружной — это потенциал покоя около −70 мВ.
- Потенциал действия подчиняется правилу «всё или ничего»: он начинается у порога около −55 мВ, достигает около +30 мВ, а более сильное раздражение даёт больше импульсов в секунду, но не более высокий.
- Миелин позволяет импульсу перепрыгивать от перехвата к перехвату, поэтому самые быстрые волокна проводят сигнал со скоростью около 100–120 метров в секунду.
- Между нейронами сообщение проходит щель шириной около 20–40 нанометров в виде нейромедиатора; в мозге человека около 86 миллиардов нейронов.
Из чего состоит нейрон
У нейрона несколько отчётливых частей. Ветви — дендриты — собирают сообщения от других клеток. Они передают их телу клетки, или соме, где находится ядро и где всё поступившее суммируется. Сигнал уходит по аксону — тонкому волокну, которое в ноге может достигать примерно метра длины. На дальнем конце аксон разделяется на окончания, передающие сообщение дальше.
Многие аксоны покрыты миелином — жировой оболочкой с небольшими разрывами, перехватами Ранвье. Нейрон никогда не бывает один: по подсчёту Azevedo и коллег 2009 года, который пересказала Herculano-Houzel, в мозге взрослого мужчины около 86 миллиардов нейронов и примерно столько же других клеток.
В покое: батарейка в мембране
В покое нейрон похож на заряженную батарейку. Его мембрана держит ионы натрия в основном снаружи, а ионы калия в основном внутри, а молекулярный насос — натрий-калиевый — постоянно поддерживает это равновесие. В итоге на мембране возникает напряжение: внутренняя сторона примерно на 70 милливольт отрицательнее наружной. Точное значение у разных клеток разное, а чаще всего называют −70 мВ.
Милливольт — это тысячная доля вольта, так что клетка работает на крошечном напряжении. Весь размах потенциала действия, от −70 мВ до примерно +30 мВ, составляет около 0,1 вольта — у пальчиковой батарейки 1,5 вольта.
Потенциал действия: всё или ничего
Слабое раздражение лишь заставляет напряжение дрогнуть и угаснуть. Но если раздражение поднимает напряжение с −70 мВ до порога около −55 мВ, открываются потенциалзависимые натриевые каналы, ионы натрия устремляются внутрь, и напряжение взлетает примерно до +30 мВ. Затем открываются калиевые каналы, калий выходит, и напряжение возвращается назад. Весь импульс занимает около 2 миллисекунд.
Потенциал действия подчиняется правилу «всё или ничего». Каждый импульс достигает примерно одного и того же напряжения, поэтому более сильное раздражение не делает импульс выше, а заставляет импульсы идти чаще. Пока импульс идёт, другой начаться не может: этот промежуток называется рефрактерным периодом.
Импульс — не ток, бегущий по проводу. Это волна, которая обновляет себя вдоль мембраны: каждый участок запускает соседний.
Почему миелин ускоряет сигнал
Нервные импульсы бегут со скоростью от примерно 0,5 метра в секунду в медленных волокнах без миелина до более чем 100 метров в секунду в самых быстрых миелинизированных. По голому аксону импульс распространяется непрерывно, участок за участком, и это медленно.
Миелин изолирует аксон, и импульс перепрыгивает от одного перехвата Ранвье к другому. Это называется сальтаторным, то есть скачкообразным, проведением — от латинского saltare, «прыгать». В самых быстрых миелинизированных волокнах импульс достигает около 100–120 метров в секунду, а это больше 400 километров в час. Важна и толщина: широкий аксон проводит быстрее узкого — так вода в широкой реке течёт быстрее, чем в узком ручье.
Через щель: синапс и обучение
Когда импульс доходит до окончания аксона, он встречает щель — синапс шириной около 20–40 нанометров, что в тысячи раз тоньше человеческого волоса. Электрический импульс через неё перепрыгнуть не может. Внутрь входят ионы кальция, и крошечные пузырьки — везикулы — выбрасывают в щель химический посредник, нейромедиатор. Он перетекает через щель и связывается с рецепторами следующей клетки, подталкивая её к срабатыванию или удерживая от него. Примеры — глутамат, ГАМК и дофамин.
Психолог Дональд Хебб предположил в 1949 году, что связи крепнут, когда две клетки активны вместе; эту мысль часто пересказывают словами «нейроны, которые срабатывают вместе, связываются вместе». Это упрощённый лозунг, но он объясняет, почему помогает практика: повторение укрепляет задействованные пути.
Запустите нейрон сами: глава VJOURNAL SMART BOOK
В учебнике «Биология» из серии VJOURNAL SMART BOOK в VITON13 SCHOOL есть глава «Нейроны и нервные импульсы». Рядом с текстом стоит живой 3D-нейрон, и он проходит пять моментов: своё строение, напряжение покоя около −70 милливольт, импульс, прыгающий от перехвата к перехвату, синапс и сеть нейронов, которые связываются вместе.
В песочнице под рисунком вы двигаете ползунок раздражения и смотрите на линию напряжения на вольтметре, а затем отключаете миелин и видите, как импульс замедляется. В конце главы — короткий тест и источники, на которых держатся её факты.
Простыми словами
Нейрон похож на ряд домино. Толкните первую костяшку достаточно сильно — и весь ряд упадёт одинаково, как бы сильно вы ни толкнули. В конце ряда посыльный несёт сообщение через щель к следующему ряду.
Попробуйте сами
Откройте главу про нейроны, двигайте ползунок раздражения от слабого к сильному, следя за линией напряжения, а потом отключите миелин.
Ожидаемый результат
Слабый толчок гаснет без импульса; выше порога каждый импульс одного и того же размера, а более сильный толчок лишь добавляет импульсов в секунду. Без миелина импульс идёт медленнее.
Проверьте себя: Нейрон в покое имеет −70 мВ, а его порог — −55 мВ. На сколько милливольт раздражение должно поднять напряжение, чтобы возник импульс?
На 15 мВ, потому что −55 минус −70 будет 15. Меньшее изменение угасает, а дошедшее до порога даёт импульс обычного размера.
Вопросы и ответы
Чем нейрон отличается от нерва?
Нейрон — одна нервная клетка. Нерв — пучок множества аксонов, собранных вместе, который проводит сигналы между головным или спинным мозгом и остальным телом.
Сколько нейронов в мозге человека?
Около 86 миллиардов и примерно столько же других клеток — по подсчёту мозга взрослого мужчины, который в 2009 году сделали Azevedo и коллеги, а пересказала Herculano-Houzel. Такие подсчёты — оценки, и у разных людей они различаются.
С какой скоростью бегут нервные импульсы?
От примерно 0,5 метра в секунду в самых медленных волокнах до около 100–120 метров в секунду в самых быстрых миелинизированных — это порядка 430 километров в час.
Нервный сигнал — это электричество, как в проводе?
Не совсем. Заряженные частицы, ионы, проходят через мембрану по каналам, а импульс обновляет себя вдоль аксона. Это самораспространяющаяся волна, гораздо более медленная, чем сигнал в медном проводе.
Что такое нейромедиатор?
Химический посредник, который выделяется в синапсе. Он пересекает щель, связывается с рецепторами следующей клетки и может сделать её более или менее склонной к срабатыванию. Один из примеров — ацетилхолин, который передаёт сигнал от двигательного нейрона мышце.
Проследите цепочку: дендрит, тело клетки, импульс по аксону, синапс, следующая клетка. Потом откройте главу про нейроны, двигайте ползунок раздражения и отключите миелин, чтобы увидеть, зачем нужен каждый шаг.
Источники и дальнейшее чтение
- OpenStax Anatomy and Physiology 2e: The Action Potential ↗Источники проверены:
- OpenStax Anatomy and Physiology 2e: Communication Between Neurons ↗Источники проверены:
- Herculano-Houzel, Frontiers in Human Neuroscience, 2009: The human brain in numbers ↗Источники проверены:
- Wikipedia: Nerve conduction velocity ↗Источники проверены:
- Wikipedia: Chemical synapse ↗Источники проверены: