Материалы SapiensMed не заменяют консультацию врача
Здравствуйте, друзья! В нашем традиционном лонгриде поговорим о нейроне и нервном импульсе — о том, как устроена нервная клетка и как по ней с огромной скоростью бежит электрический сигнал. Каждое движение, мысль, воспоминание и ощущение — результат работы миллиардов нейронов. Откуда в клетке электричество? Почему сигнал не затухает по дороге от спинного мозга до пальца ноги? И как один нейрон «разговаривает» с другим?
Мы разберём строение нейрона, проследим шаг за шагом, как возникает и распространяется потенциал действия, зачем нервам миелиновая оболочка и как сигнал передаётся через синапс с помощью химических веществ — нейромедиаторов. Расскажем, как нейрон «решает», передавать сигнал дальше или нет.
Отдельно обсудим, что регулирует возбудимость нейронов, как работа нервной системы меняется с возрастом, во сне, при охлаждении и нехватке витаминов, какие болезни связаны с нарушением нервного импульса и как поддержать здоровье нервной системы. В конце статьи вас ждёт краткое резюме по каждому разделу статьи.
Часть 1. Что такое нейрон и зачем ему импульс
1.1. Клетка для передачи информации
Нейрон — нервная клетка, специализированная на приёме, обработке и передаче сигналов. В головном мозге человека около 86 миллиардов нейронов, и каждый связан с тысячами других. Рядом с ними работает примерно столько же вспомогательных клеток — глии, которые питают и защищают нейроны12.
Общий план строения нервной системы описан в статье «Всё, что вы хотели знать о нервной системе». Нервная система получает информацию от органов чувств, перерабатывает её и отдаёт команды мышцам и железам. Язык этой системы — электрические импульсы и химические сигналы31.
1.2. Строение нейрона
У типичного нейрона есть тело с ядром, несколько коротких ветвящихся отростков — дендритов и один длинный отросток — аксон. Дендриты, как антенны, принимают сигналы от других клеток. Тело собирает и обрабатывает их. Аксон передаёт ответный сигнал дальше — к другому нейрону, мышце или железе14.
Аксон может быть очень длинным: у нейронов, управляющих мышцами стопы, он тянется от поясничного отдела спинного мозга до пальцев ноги и достигает метра. Многие аксоны покрыты миелиновой оболочкой, которая ускоряет проведение сигнала. Пучки аксонов образуют нервы, строение которых описано в статье «Всё, что вы хотели знать о периферических нервах»43.
1.3. Виды нейронов
- Чувствительные нейроны передают в спинной и головной мозг сигналы от кожи, мышц, внутренних органов и органов чувств.
- Двигательные нейроны передают команды мышцам и железам.
- Вставочные нейроны, их большинство, связывают нейроны между собой внутри мозга и спинного мозга и обрабатывают информацию.
Часть 2. Как это работает: нервный импульс шаг за шагом
2.1. Батарейка в каждой клетке
Внутри нейрона в покое заряд отрицательный по сравнению с наружной средой — около минус 70 милливольт. Это мембранный потенциал покоя. Он возникает потому, что внутри клетки много ионов калия, а снаружи — натрия, и мембрана в покое пропускает в основном калий. Калий понемногу выходит, унося положительный заряд, и внутренняя сторона мембраны заряжается отрицательно15.
Разницу концентраций поддерживает натрий-калиевый насос — белок, который за каждый цикл выкачивает из клетки три иона натрия и закачивает два иона калия, тратя энергию АТФ, универсального топлива клетки. Подробно о происхождении этого заряда рассказывает статья Мембранный потенциал и возбудимость: откуда в клетках электричество56.
2.2. Порог
Когда нейрон получает возбуждающий сигнал, заряд внутри становится менее отрицательным. Если он достигает порога, около минус 55 милливольт, в мембране открываются потенциалзависимые натриевые каналы — белковые ворота, реагирующие на напряжение. Если порог не достигнут, сигнал затухает. Это правило «всё или ничего»: импульс либо возникает в полную силу, либо не возникает вовсе17.
2.3. Потенциал действия
Открывшиеся натриевые каналы впускают в клетку поток ионов натрия. За доли миллисекунды заряд внутри меняется с минус 70 до плюс 30–40 милливольт. Затем натриевые каналы закрываются и на время блокируются, а открываются калиевые каналы, и калий выходит наружу, возвращая отрицательный заряд. Весь цикл занимает около одной миллисекунды и называется потенциалом действия71.
Этот механизм в 1952 году описали Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли, изучая гигантский аксон кальмара, за что получили Нобелевскую премию. Важно, что за один импульс через мембрану проходит очень мало ионов, и концентрации почти не меняются. Насос восстанавливает их постепенно75.
2.4. Рефрактерность: движение в одну сторону
Сразу после импульса натриевые каналы на короткое время не могут открыться снова. Этот период невозбудимости называют рефрактерным. Благодаря ему импульс движется по аксону только вперёд: участок позади него ещё «отдыхает» и не может возбудиться повторно. Рефрактерность ограничивает и максимальную частоту импульсов — до нескольких сотен в секунду14.
2.5. Распространение по аксону
Возникший потенциал действия возбуждает соседний участок мембраны, и тот тоже генерирует импульс. Сигнал распространяется по аксону, как огонь по бикфордову шнуру, не затухая: каждый участок воспроизводит его заново в полную силу. В аксонах без миелина импульс бежит медленно, со скоростью 0,5–2 метра в секунду18.
2.6. Миелин и сальтаторное проведение
Миелин — многослойная жировая оболочка, которую образуют глиальные клетки: в мозге — олигодендроциты, в периферических нервах — шванновские клетки. Оболочка прерывается через каждые 1–2 миллиметра узкими промежутками — перехватами Ранвье, где сосредоточены натриевые каналы89.
Миелин работает как изолятор, и ток быстро перескакивает под ним от одного перехвата к другому. Импульс как будто прыгает по перехватам, поэтому такое проведение называют сальтаторным, от латинского слова «прыгать». Скорость в толстых миелиновых волокнах достигает 70–120 метров в секунду, а энергии тратится меньше81.
Таблица 1. Типы нервных волокон
| Тип волокна | Миелин | Скорость проведения | Что передаёт |
|---|---|---|---|
| Альфа | Толстый слой | 70–120 м/с | Команды скелетным мышцам, сигналы от мышечных рецепторов растяжения |
| Бета | Есть | 30–70 м/с | Прикосновение, давление, вибрация |
| Дельта | Тонкий слой | 5–30 м/с | Быстрая острая боль, холод |
| C | Нет | 0,5–2 м/с | Медленная жгучая боль, тепло, зуд, вегетативные сигналы |
Разница в скорости объясняет знакомое ощущение: при ушибе пальца сначала чувствуется резкая точная боль по быстрым волокнам, а через секунду приходит тупая ноющая по медленным110.
Миф
Нервные импульсы передаются со скоростью света, как ток по проводам.
Факт
Нервный импульс — не поток электронов, а волна открывания ионных каналов, которая воспроизводится заново в каждом участке мембраны. Даже в самых быстрых волокнах его скорость не превышает примерно 120 метров в секунду, это около 430 километров в час, а в медленных — меньше 2 метров в секунду.
2.7. Синапс: передача сигнала между клетками
Нейроны не соединены друг с другом напрямую. Между окончанием аксона и следующей клеткой есть узкая щель — синаптическая, шириной около 20–40 нанометров. Импульс через неё перепрыгнуть не может, поэтому сигнал на время становится химическим111.
- Импульс доходит до окончания аксона и открывает каналы для ионов кальция.
- Кальций входит в окончание и запускает слияние пузырьков с нейромедиатором с мембраной.
- Нейромедиатор выбрасывается в щель и за доли миллисекунды достигает соседней клетки.
- Он связывается с рецепторами на мембране следующей клетки и открывает в ней ионные каналы или запускает внутренние сигналы.
- Нейромедиатор быстро удаляется: его расщепляют ферменты или поглощают обратно окончание аксона и глия.
Главный возбуждающий нейромедиатор мозга — глутамат, главный тормозной — гамма-аминомасляная кислота, ГАМК. Ацетилхолин передаёт команды с нервов на скелетные мышцы. Дофамин, серотонин и норадреналин работают как модуляторы, настраивая настроение, внимание, мотивацию и сон114.
2.8. Как нейрон принимает решение
Один нейрон получает сигналы от тысяч синапсов. Возбуждающие немного сдвигают его заряд к порогу, тормозные — от порога. Все эти сдвиги складываются в теле клетки. Решение принимается в начальном сегменте аксона — участке у его основания, где больше всего натриевых каналов: если сумма достигла порога, рождается импульс121.
Информация кодируется не силой импульса, она всегда одинакова, а его частотой и тем, какие именно нейроны активны. Сильное прикосновение вызывает более частые импульсы и вовлекает больше рецепторов, чем лёгкое14.
Часть 3. Кто и как регулирует возбудимость нейронов
3.1. Глия
Глиальные клетки не только образуют миелин. Астроциты убирают излишки калия и глутамата из межклеточного пространства, не давая нейронам перевозбудиться, поставляют им питание и регулируют кровоток в работающих участках мозга. Микроглия — иммунные клетки мозга — убирает погибшие клетки и лишние синапсы913.
3.2. Ионы крови
Возбудимость нейронов зависит от состава жидкости вокруг них. При низком уровне кальция в крови натриевые каналы открываются легче, нервы становятся слишком возбудимыми, и возникают судороги мышц и покалывание вокруг рта. При резких изменениях уровня калия или натрия нарушается работа нервов, мышц и сердца. Почки и гормоны держат эти показатели в узких пределах16.
3.3. Нейромодуляторы и пластичность
Дофамин, серотонин, норадреналин и ацетилхолин, выделяясь в больших областях мозга, меняют чувствительность нейронов к другим сигналам, переключая мозг между состояниями сна, бодрствования, сосредоточения и тревоги. Синапсы при этом не застывшие: при частом использовании они укрепляются, а при редком ослабевают. Это явление, долговременная потенциация, лежит в основе памяти и обучения1411.
3.4. Энергия
Мозг весит около 2% массы тела, но потребляет около 20% энергии в покое. Большая её часть уходит на работу натрий-калиевых насосов, восстанавливающих ионы после импульсов и синаптической передачи. Поэтому нейроны так чувствительны к нехватке кислорода и глюкозы: без кровотока сознание теряется через несколько секунд, а необратимые повреждения начинаются через несколько минут151.
Нейроны головного мозга почти не умеют накапливать запас энергии и зависят от постоянного притока кислорода и глюкозы. Внезапная слабость в руке или ноге, асимметрия лица, нарушение речи или зрения могут означать, что кровоток в части мозга прекратился. В такой ситуации важна каждая минута: нужно немедленно вызвать скорую помощь, не дожидаясь, пока симптомы пройдут.
Часть 4. Как работа нейронов меняется: возраст, сон, температура, питание
4.1. От рождения до старости
У новорождённого почти все нейроны уже есть, но миелин только начинает формироваться, и связей между клетками мало. Миелинизация идёт в течение всего детства и завершается в лобных отделах мозга лишь к 20–25 годам. В раннем детстве синапсов образуется больше, чем нужно, а затем неиспользуемые удаляются94.
С возрастом скорость проведения по периферическим нервам постепенно снижается, синапсов становится меньше, а миелин частично истончается. Небольшое замедление реакции и ослабление вибрационной чувствительности на стопах у пожилых — ожидаемое явление. Анатомия мозга описана в статье «Всё, что вы хотели знать о головном мозге»104.
4.2. Сон
Во время бодрствования синапсы постоянно укрепляются под влиянием нового опыта. По одной из ведущих гипотез, во сне общая сила синапсов частично снижается, что экономит энергию и освобождает место для нового обучения, а важные связи закрепляются. После бессонной ночи внимание, скорость реакции и память ухудшаются1614.
4.3. Температура
Скорость проведения импульса зависит от температуры: при охлаждении ионные каналы работают медленнее. Поэтому замёрзшие пальцы становятся неловкими и плохо чувствуют. У людей с повреждённым миелином, наоборот, жара или горячая ванна могут временно ухудшать проведение и усиливать симптомы18.
4.4. Питание и вещества
Для синтеза миелина и работы нейронов нужен витамин B12: при его длительной нехватке поражаются периферические нервы и спинной мозг. Витамин B1 необходим для энергетического обмена нервных клеток. Алкоголь в больших количествах повреждает аксоны и нарушает работу синапсов. Местные анестетики блокируют натриевые каналы и временно останавливают проведение боли — так действует обезболивание у стоматолога1017.
Миф
Нервные клетки не восстанавливаются, поэтому любой стресс губит их безвозвратно.
Факт
Большинство нейронов действительно не делится, но мозг способен образовывать новые синапсы и перестраивать связи всю жизнь. Повреждённые периферические нервы могут восстанавливаться, отрастая примерно на 1 миллиметр в сутки. Обычный повседневный стресс нейроны не убивает, хотя хронический сильный стресс влияет на работу мозга.
Часть 5. Когда нервный импульс нарушается
5.1. Поражение миелина
Если миелин разрушается, сальтаторное проведение нарушается: импульс замедляется, искажается или блокируется. Самый известный пример — рассеянный склероз, при котором иммунитет атакует миелин в головном и спинном мозге. О нём рассказывает статья «Рассеянный склероз: почему иммунитет атакует мозг, первые симптомы и как ставят диагноз»179.
5.2. Избыточное возбуждение
Если в группе нейронов нарушается равновесие между возбуждением и торможением, они начинают разряжаться одновременно и слишком часто. Так возникают эпилептические приступы. Причиной могут быть поломки генов ионных каналов, повреждения мозга, нарушения состава крови. Подробнее — в статье «Эпилепсия: почему возникают приступы, виды и как ставят диагноз»1713.
5.3. Другие нарушения
- Поражение периферических нервов, полинейропатия, при сахарном диабете, алкоголизме, нехватке витамина B12.
- Нарушение передачи в синапсе между нервом и мышцей, как при миастении, когда антитела блокируют рецепторы ацетилхолина.
- Нехватка определённых нейромедиаторов, например дофамина при болезни Паркинсона.
- Сдавление нерва, например в запястном канале, с онемением пальцев.
- Отравления веществами, блокирующими ионные каналы или передачу в синапсах.
Механизмы этих нарушений будут подробно разобраны в отдельных статьях цикла о патологии нервной системы1710.
Часть 6. Как поддержать здоровье нейронов
6.1. Что действительно работает
Нейронам нужны постоянный приток кислорода и глюкозы, стабильный состав крови, сон и активное использование. Лучшее, что можно сделать для нервной системы, — беречь сосуды, хорошо спать, двигаться, учиться новому и не травить её алкоголем и курением. Пользу специальных добавок «для нервов» у здоровых людей доказать не удалось1516.
Миф
Человек использует только 10% мозга.
Факт
Методы визуализации показывают, что в течение суток работают практически все области мозга, просто в разное время и для разных задач. Повреждение даже небольшого участка обычно даёт заметные симптомы. Мозг слишком дорог энергетически, чтобы содержать бездействующие 90%.
6.2. Пошаговый план для здоровой нервной системы
01
Спите 7–9 часов и старайтесь ложиться и вставать в одно и то же время.
02
Двигайтесь не менее 150 минут в неделю: физическая активность улучшает кровоток мозга и стимулирует образование синапсов.
03
Контролируйте давление, сахар и холестерин: они определяют состояние сосудов, питающих нейроны.
04
Питайтесь разнообразно, включайте рыбу, мясо, яйца или молочные продукты как источник витамина B12; веганам нужен его дополнительный приём по согласованию с врачом.
05
Ограничьте алкоголь и откажитесь от курения.
06
Учитесь новому: языки, музыка, сложные хобби тренируют пластичность синапсов.
07
Защищайте голову: пристёгивайтесь в машине и надевайте шлем на велосипеде и самокате.
08
При сахарном диабете ежегодно проверяйте чувствительность стоп у врача.
09
Сообщайте врачу о стойком онемении, покалывании или слабости, не дожидаясь, пока они пройдут сами.
Когда срочно нужно к врачу
Вызовите скорую помощь или срочно обратитесь к врачу, если появился хотя бы один из признаков:
Краткое резюме
Нейрон — клетка, которая принимает, обрабатывает и передаёт сигналы. В мозге около 86 миллиардов нейронов. Дендриты принимают сигналы, тело их обрабатывает, аксон передаёт ответ дальше, а глия питает, защищает и изолирует нейроны.
В покое заряд внутри нейрона около минус 70 милливольт благодаря работе натрий-калиевого насоса и выходу калия. Если возбуждение доводит заряд до порога, открываются натриевые каналы, и за миллисекунду возникает потенциал действия по правилу «всё или ничего». Рефрактерность заставляет импульс двигаться только вперёд. Миелин позволяет импульсу перескакивать между перехватами Ранвье со скоростью до 120 метров в секунду, а без миелина он идёт медленнее 2 метров в секунду. В синапсе сигнал становится химическим: кальций запускает выброс нейромедиатора, который действует на следующую клетку. Нейрон суммирует тысячи сигналов и принимает решение в начальном сегменте аксона.
Возбудимость регулируют глия, уровень кальция, калия и натрия в крови, нейромодуляторы и пластичность синапсов. Мозг потребляет около 20% энергии тела и очень чувствителен к нехватке кислорода.
Миелинизация завершается к 20–25 годам, с возрастом проведение замедляется. Сон перенастраивает синапсы, холод замедляет импульсы, а нехватка витамина B12 и алкоголь повреждают нервы.
Нарушения импульса лежат в основе рассеянного склероза, эпилепсии, нейропатий, миастении и болезни Паркинсона. Поддерживают нейроны сон, движение, здоровые сосуды, полноценное питание, обучение, отказ от алкоголя и курения и защита головы.
Источники
- Hall J. E., Hall M. E. Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology. 14th edition. Elsevier. США, 2020.
- Azevedo F. A. C., Carvalho L. R. B., Grinberg L. T. et al. Equal numbers of neuronal and nonneuronal cells make the human brain an isometrically scaled-up primate brain. Journal of Comparative Neurology. США, 2009.
- Сапин М. Р., Билич Г. Л. Анатомия человека. В 3 томах. ГЭОТАР-Медиа. Россия, 2012.
- Kandel E. R., Koester J. D., Mack S. H., Siegelbaum S. A. Principles of Neural Science. 6th edition. McGraw-Hill. США, 2021.
- Ткаченко Б. И. Нормальная физиология человека. 2-е издание. Медицина. Россия, 2005.
- Покровский В. М., Коротько Г. Ф. Физиология человека. 3-е издание. Медицина. Россия, 2011.
- Hodgkin A. L., Huxley A. F. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. Journal of Physiology. Великобритания, 1952.
- Судаков К. В. Нормальная физиология. ГЭОТАР-Медиа. Россия, 2015.
- Nave K.-A. Myelination and support of axonal integrity by glia. Nature. Великобритания, 2010.
- Barrett K. E., Barman S. M., Brooks H. L., Yuan J. X.-J. Ganong’s Review of Medical Physiology. 26th edition. McGraw-Hill. США, 2019.
- Südhof T. C. Neurotransmitter release: the last millisecond in the life of a synaptic vesicle. Neuron. США, 2013.
- Kole M. H. P., Stuart G. J. Signal processing in the axon initial segment. Neuron. США, 2012.
- Boron W. F., Boulpaep E. L. Medical Physiology. 3rd edition. Elsevier. США, 2017.
- Bliss T. V. P., Lømo T. Long-lasting potentiation of synaptic transmission in the dentate area of the anaesthetized rabbit following stimulation of the perforant path. Journal of Physiology. Великобритания, 1973.
- Attwell D., Laughlin S. B. An energy budget for signaling in the grey matter of the brain. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. США, 2001.
- Tononi G., Cirelli C. Sleep and the price of plasticity: from synaptic and cellular homeostasis to memory consolidation and integration. Neuron. США, 2014.
- Гусев Е. И., Коновалов А. Н., Скворцова В. И. Неврология. Национальное руководство. 2-е издание. ГЭОТАР-Медиа. Россия, 2018.
Материал носит информационно-просветительский характер и не заменяет очной консультации врача. Диагноз и лечение определяет только врач.
Читайте также
- Синапсы и нейромедиаторы
- Как устроена боль: от рецептора до мозга
- Как работает клетка: мембрана, обмен веществами с окружающей средой
- Рефлекс и рефлекторная дуга
Автор:
