Как работает нейрон: потенциал действия и синапс в 3D

Части нервной клетки

На рисунке один нейрон, увеличенный во много тысяч раз. Ветви, называемые дендритами, собирают сообщения от других клеток, как антенны. Они ведут к телу клетки, где находится ядро и где решается, посылать ли сигнал дальше. Сигнал уходит по аксону — тонкому отростку, который в ноге может достигать метра в длину. Многие аксоны обёрнуты миелином — жировой оболочкой, прерывающейся небольшими промежутками, которые называются перехватами Ранвье. На дальнем конце аксон делится на окончания, передающие сообщение следующей клетке.

Батарейка в мембране

В покое нейрон похож на заряженную батарейку. Его мембрана держит ионы натрия в основном снаружи, а ионы калия в основном внутри, и молекулярный насос — натрий-калиевый — постоянно поддерживает это равновесие. В итоге по обе стороны мембраны возникает разность электрических зарядов: внутри примерно на 70 милливольт отрицательнее, чем снаружи. Учёные записывают этот потенциал покоя как около −70 мВ. Найдите вольтметр на рисунке. Милливольт — тысячная доля вольта, поэтому вся клетка работает на крошечном напряжении, но его хватает, чтобы переносить мысль.

Потенциал действия

Теперь раздражите клетку. Слабый толчок лишь заставит напряжение дрогнуть и угаснуть. Но если толчок поднимет напряжение до порога около −55 мВ, натриевые каналы распахнутся, положительные ионы хлынут внутрь, и напряжение взлетит примерно до +30…+40 мВ. Затем открываются калиевые каналы, и напряжение падает обратно. Этот всплеск — потенциал действия — длится около миллисекунды. Он подчиняется правилу «всё или ничего»: более сильное раздражение не делает всплеск выше, а лишь увеличивает число всплесков в секунду. Потяните ползунок раздражения и следите за кривой.

Почему миелин ускоряет импульс

Всплеск — это не ток, бегущий по проводу. Это волна, которая заново возникает вдоль мембраны. По голому аксону она ползёт со скоростью всего около 1 метра в секунду. Миелин всё меняет. Оболочка изолирует аксон, поэтому импульс перепрыгивает от одного перехвата Ранвье к другому; это называется сальтаторным проведением, от латинского слова «прыгать». По толстым миелинизированным волокнам импульс достигает примерно 100–120 метров в секунду, это больше 400 километров в час. Выключите миелин в песочнице и посмотрите, как импульс замедляется.

Через щель

Когда всплеск доходит до окончания, он встречает щель — синапс шириной всего около 20–40 нанометров. Нанометр — это миллионная доля миллиметра, поэтому щель в тысячи раз уже человеческого волоса. Электрический импульс перепрыгнуть её не может. Вместо этого внутрь входят ионы кальция, и крошечные пузырьки — везикулы — выбрасывают в щель химического посредника, нейромедиатор. Он перетекает через щель и садится на рецепторы следующей клетки, и та становится более или менее склонной сработать. Примеры нейромедиаторов — глутамат, ГАМК и дофамин.

Учиться — значит перестраиваться

Последняя картинка отъезжает и показывает целую сеть. В мозге около 86 миллиардов нейронов, и каждый может соединяться с тысячами других; по оценкам, синапсов сто триллионов или больше. Сигналы идут сразу через целые сети. Психолог Дональд Хебб предположил в 1949 году, что связи усиливаются, когда две клетки активны вместе; эту мысль часто пересказывают как «клетки, которые срабатывают вместе, соединяются вместе». Это упрощённый лозунг, но он объясняет, почему работает тренировка: повторение укрепляет задействованные пути, и так хранится научение.

Нейроны и нервные импульсы