Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе - Александр Иванович Волошин

После Второй мировой войны он некоторое время работал приглашённым учёным в исследовательских институтах Швейцарии и Англии, а затем в 1951 году переехал в Соединённые Штаты, где продолжил исследования в Вашингтонском университете в Сент-Луисе. Его работа там прояснила ключевые детали того, как вибрации, возникающие в улитке уха в ответ на звук, преобразуются в электрические сигналы, которые мозг может интерпретировать. Эти открытия привели к развитию аудиологии, предоставляя основу для диагностики и лечения многих нарушений слуха.

В 1953 году Тасаки присоединился в качестве приглашённого учёного в тогдашний Национальный институт неврологических заболеваний и слепоты. С 1966 по 1984 год он был начальником лаборатории нейробиологии NIMH, а затем старшим научным сотрудником, пока не «вышел на пенсию» в 2008 году. В возрасте 97 лет он считался самым старым действующим учёным в истории Национальных Институтов Здоровья (США). После отставки он был назван почётным учёным и продолжил свою научную работу до самой смерти.

Он продолжал работать по семь дней в неделю, когда ему было уже далеко за 90. Однажды, в декабре 2008 г., прогуливаясь рядом со своим домом, он потерял равновесие и ударился головой о землю. Через неделю Тасаки умер, в возрасте 98 лет.

Список достижений этого учёного настолько велик, что большинство сочло бы любое из его открытий карьерным событием. Некоторые из них достойны нобелевской премии. Но, признавая «огромный вклад Тасаки в научное понимание» в посвящённом его кончине некрологе больше говорится о том, как долго и как много он работал, а не о том, как много открытий совершил.

Ещё в 1940-х годах учёные заметили, что, когда волна возбуждения проходит по нервному волокну, полупрозрачная клетка ненадолго становится более мутной. К 1968 году Тасаки и другие исследовательские группы нашли доказательства того, что, когда проходит импульс, молекулы в мембране физически перестраиваются, а затем возвращаются в исходное состояние.

Исследователи ожидали, что электрический импульс будет выделять тепло, – так обычно бывает, когда течёт электричество. Однако несколько разных групп учёных обнаружили нечто странное. Температура нервного волокна поднялась на несколько миллионных долей градуса Цельсия в момент прохождения импульса, но затем быстро упала. Тепло не рассеивалось, за несколько тысячных долей секунды нерв поглотил основную его часть.

Такое временное расширение, перестройка молекул, нагревание и охлаждение привели Тасаки к ошеломляющему выводу: нервный сигнал не был просто скачком напряжения, это было очень похоже на механическую волну. Специалисты, изучавшие нервы с помощью электродов, упускали большую часть происходящего.

В течение 1960-х годов Тасаки впервые использовал красители, флуоресцирующие при электрической стимуляции нейронов для наблюдения за физическими изменениями в нервных мембранах при передаче импульсов. Он измерил тепло, генерируемое и поглощаемое при прохождении нервного импульса.

Считается, что именно Ичиджи Тасаки впервые применил термодинамический подход к феномену распространения нервного импульса. Тогда он отметил несколько факторов, не учтённых в модели Ходжкина – Хаксли (изменение температуры и давления при прохождении ПД).

Другое его открытие (1980, Статья «Механические изменения в аксонах гигантских кальмаров, связанные с выработкой потенциалов действия»), описывающие механические изменения в аксонах гигантских кальмаров при прохождении нервного импульса [56], не столь успешно вписалось в общепринятую доктрину распространения нервных импульсов, но возможно именно оно принесёт настоящую славу Ичиджи Тасаки. И, как ни удивительно, это последнее открытие явилось логическим завершением первого, совершенного почти полвека назад – открытия сальтаторной проводимости (1930,40-е годы) которое можно было бы считать пиком его карьеры.

Оказалось, что потенциал действия в гигантских аксонах кальмара сопровождается быстрым и небольшим «набуханием» и смещением поверхности около 0,5 нм, при увеличении давления около 1 дин/см2. (По другим данным амплитуда изменения давления составляла около 1 мПа.)

В 1979 году Тасаки провёл необычный эксперимент. Глядя в микроскоп, он осторожно положил крупинку блестящей платины на тонкую белую нить – пучок нервных волокон краба, оголённый в процессе вскрытия конечности животного, и направил лазер на платину. Регистрируя отражение света лазера, он смог обнаружить движения, означавшие, что пучок волокон быстро расширялся и сужался во время прохождения импульса. Вместе со своим тогдашним аспирантом Кунихико Ивасой (Kunihiko Iwasa) он провёл сотни измерений. Спустя неделю ответ был ясен: каждый раз, когда импульс шёл по нервным волокнам, они быстро расширялись, а затем снова сужались за несколько десятых долей секунды. Максимальное набухание достигалось на пике потенциала действия.

Изменения были очень слабыми: поверхность мембраны поднималась всего на семь миллиардных долей метра. Но это абсолютно совпадало с моментом прохождения электрического импульса, подтверждая предположение, которое Тасаки лелеял годами: Ходжкин и Хаксли ошибались.

Тогда Тасаки предположил, что расширение объёма происходит как следствие бокового расширения возбуждённой части волокон, где поверхностный слой превращается в гелеобразную структуру с низкой плотностью.

Всю оставшуюся жизнь Тасаки исследовал эти эффекты. Он пришёл к выводу, что они возникали не в клеточной мембране, а в слое белковых и углеводных волокон, расположенном под ней. Согласно его теории, когда проходит нервный импульс, волокна поглощают ионы калия и воду, набухая и нагреваясь, а когда импульс проходит дальше, процесс оборачивается вспять.

Тасаки, развивая эти идеи, постепенно начал двигаться против общего научного течения. Не в его пользу работали и другие факторы. Он вырос в Японии, и его английская речь была неестественной. «Вам надо было очень много знать, чтобы что-то серьёзно с ним обсуждать, – говорил Питер Бэссер (Peter Basser), руководитель секции нейробиологии в Национальных институтах здравоохранения, который был знаком с Тасаки на протяжении 20 лет. – И я думаю, что многие люди не догадывались, насколько он компетентен и проницателен». И хотя Тасаки сотрудничал со многими учёными, у него не было учеников, которые продвигали бы его идеи.

Ярким примером раскола между Тасаки и другими учёными стало идеологическое соперничество с ещё одним известным нейробиологом из Национальных институтов здоровья, Кеннетом Коулом (Kenneth Cole), сторонником традиционных взглядов. Хотя эти два человека работали в одном и том же лабораторном здании в 1950—1970-х гг., они почти не разговаривали в течение 15 лет, за исключением публичных мероприятий, где они обменивались колкостями.

Со временем работы Тасаки исчезли из поля зрения. «Я не думаю, что кто-то сомневался в достоверности его наблюдений, поскольку его уважали в лаборатории», – говорит Адриан Парсегян (Adrian Parsegian), биофизик из Массачусетского университета в Амхерсте, работавший в Национальных институтах здравоохранения с 1967 по 2009 г. Открытия Тасаки скорее «считались неважными» для передачи нервных сигналов, не более чем побочный эффект изменения заряда. Механизмы явления не были объяснены, говорит Парсегян: «Одна часть информации попала в учебники, а другая – нет».

Основываясь на открытиях Тасаки, Конрад Кауфман в своей неопубликованной рукописи предложил рассмотреть звуковые волны в качестве физической основы для распространения нервного импульса.

Солитонная модель Хаймбурга и Шнайдера

Исследования Томаса Хаймбурга и Андрю Д. Джексона

В 2005 году Томас Хаймбург (Thomas Heimburg) и Андрю Д. Джексон (Andrew D. Jackson) предложили модель, основанную на предположении, что сигнал по нейронам распространяется по клеточной мембране в виде солитонов – устойчивых волн [57]. (Напомню, что в ещё 1879 г. немецкий физиолог Лудимар Герман рассматривал модель, в которой уподобил нерв телефонному кабелю, в котором, однако, волны должны взаимодействовать нелинейно. Только вот, решать подобные математические задачи в то время, не умели).

Физик Томас Хаймбург, специалист по квантовой механике и биофизике столкнулся с работой Тасаки в середине 1980-х годов, когда занимался своим диссертационным исследованием в Институте биофизической химии Общества им. Макса Планка в Геттингене. Увлёкшись он стал проводить всё больше времени в библиотеке, изучая старые статьи. В конце концов он нашёл иное объяснение открытиям Тасаки. Хаймбург пришёл к выводу, что и механические колебания, и оптические трансформации, и временное изменение температуры могут происходить в липидных мембранах нейронов, а не в белковых и углеводных волокнах под мембраной, как предполагал Тасаки.

К концу 1990-х годов Хаймбург начал проводить собственные эксперименты. Он сжимал искусственные клеточные мембраны, чтобы