Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе

Многие учёные пытались исследовать механические волны в нервном волокне с точки зрения термодинамики и строить их математические модели на основе нелинейных одиночных волн – солитонов. Но с 2005 года после Томаса Хаймбурга и Андрю Д. Джексона больше не делалось попыток понять физическую суть явления.

Но иногда к исследованию вопроса подключаются другие учёные, не затронутые старыми спорами. Инженер Нунцзянь Тао (Nongjian Tao), специалист по биосенсорам из Университета штата Аризона, использует лазеры для отслеживания механических импульсов в одиночных нервных клетках, как и в работах Тасаки и Ивасы, но у Тао свет отражается напрямую от нерва, а не от крошечной платиновой пластинки, поэтому его измерение более точное. С помощью лазеров, выявляющих механические волны, он надеется отслеживать одновременно сотни отдельных нейронов в нервных сетях.

Такая работа могла бы дать ответ на важный вопрос – действительно ли нейроны используют их для чего-то полезного.

Могут ли механические волны действительно влиять на маленькие белковые каналы?

Известно, что работа ионных каналов нестабильна и часто встречаются помехи: даже слабые тепловые колебания могут заставить их открыться или закрыться случайным образом. В недавних экспериментах показано, что каналы чувствительны и к механическим воздействиям на мембрану.

Специалисты по теории информации десятилетиями пытались объяснить, как мозгу удаётся стабильно работать, имея такие ненадёжные механизмы. Однако наличие механических волн может означать, что открытие и закрытие происходят упорядоченно. Такое вполне возможно. Если механические волны помогают открывать и закрывать ионные каналы, это может сильно изменить наши представления о нервной системе.

Но если не ПД, то что?

Авторы описанных выше гипотез рассматривали механическую волну в аксоне с точки зрения термодинамики. Я же призываю взглянуть на процессы в нейроне с позиций нелинейной гидродинамики. Той самой «исконно нелинейной гидродинамики, в которой нелинейность проявляется уже в самых простых явлениях, и которая в течение почти столетия развивалась в полной изоляции от «линейной физики» [51].

А теперь, уважаемый читатель, давайте поговорим о том, о чём в нейробиологии говорить не принято.

Как в законе Ома связаны три физических величины: ток, напряжение и сопротивление (I=U/R), так же неразрывно связаны мембранный потенциал, концентрация ионов и осмотическое давление внутри клетки. Они представляют собой систему, которая всегда находится в состоянии равновесия. Изменение значения любого из этой троицы вызовет изменение остальных.

В 1884 году Анри Ле Шателье (фр. Henri Louis Le Chatelier; 1850—1936) сформулировал термодинамический принцип подвижного равновесия, позже обобщённый Карлом Брауном.

Ныне этот принцип носит имя Ле Шателье – Брауна:

если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия (температура, давление, концентрация, внешнее электромагнитное поле), то в системе усиливаются процессы, направленные на компенсацию внешнего воздействия.

Принцип применим к равновесию любой природы: механическому, тепловому, химическому, электрическому.

Изменения внешних условий изменяет равновесные концентрации веществ. В этом случае принято говорить о нарушении или смещении химического равновесия.

Ещё в 1908 году Нернст выявил зависимость между разностью потенциалов и ионной концентрацией. Уравнение Нернста позволяет предсказать максимальный рабочий потенциал, который может быть получен в результате электрохимического взаимодействия, при известных значениях давления и температуры.

В своё время именно по этой формуле Бернштейн теоретически рассчитал величину потенциала покоя для К+ совпавшую с экспериментально измеренным потенциалом, который составил около —70 мВ.

К сожалению Бернштейн, после публикации в 1912 году своей мембранной гипотезы прекратил дальнейшие исследования, что простительно – на тот момент ему исполнилось 70 лет. Что было тому причиной – возраст, надвигавшаяся Первая мировая война или отсутствие признания его гипотезы со стороны научного сообщества мы никогда не узна́ем.

Неизвестно и как развивались бы события продолжи он свою научную деятельность. История не знает сослагательного наклонения. Прошло время, и его последователи Ходжкин и Хаксли в 1938 году возвратились к исследованию мембранной теории, правда, несколько односторонне. Они сосредоточили своё внимание на двух элементах системы – электрическом потенциале и ионной концентрации, но игнорировали остальные – давление внутри клетки и температуру. Или не игнорировали, но приняли давление и температуру за неизменные условия среды.

Настало время восстановить справедливость, рассмотреть процесс возникновения и распространения с учётом всех составляющих.