Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе

Хаймбург до сих пор расстроен тем, как биологи реагируют на его идеи. Он столкнулся с яростным противодействием с того момента, как в 2005 году опубликовал свою теорию в Proceedings of the National Academy of Sciences USA, хотя журнал пользуется большим уважением.

Консервативные нейробиологи считают, что вся работа пропитана превосходством физика, который думает, что может просто прийти в другую область и наставить людей на путь истинный.

Одно дело – говорить, что в нервах действуют и механические, и электрические силы, и совсем другое – отвергать представления о том, что ионные каналы играют ключевую роль в проведении сигнала, как это делают Хаймбург и Шнайдер – это их самое большое и наиболее сомнительное отклонение от общепринятой линии в биологии. Для них неважно, что учёные обнаружили сотни белков ионных каналов или что лекарства могут избирательно влиять на потоки ионов, или что учёные создают мутации, изменяющие белки и влияющие на возбудимость нейронов.

Хаймбург и Шнайдер признают, что эти белки должны играть некоторую роль. Но они ссылаются на эксперименты, где показано, что нервные волокна временно «набухают», когда по ним проходят импульсы, потому что молекулы воды текут внутрь сквозь мембрану через те же ионные каналы, которые впускают натрий, а затем вытекают через ионные каналы, выпускающие калий.

Хаймбург и Шнайдер заняли непримиримую позицию. Возможно когда-нибудь они разделят Нобелевскую премию. Или они не придут ни к чему, увязшие в своём упрямстве, как на много десятилетий застрял Тасаки.

Ажиотаж вокруг этой темы немного затих.

Модель Ходжкина – Хаксли устояла и укрепилась. Но, если опустить идею с «точкой замерзания», то есть физический смысл в заявленной гипотезе, то в математическом описании гидродинамической волны как солитона эта модель очень перспективна.

А Хаймбург тем временем продолжает свои исследования. В 2014 году он повторил эксперимент с наркотизированным головастиком, используя искусственные мембраны вместо животных: когда он повысил давление до 160 атмосфер, действие анестетиков прекратилось, но теперь Хаймбург мог связать это с фазовым переходом в мембране. В 2016 году он точно измерил в одиночной клетке механическую волну, которую Тасаки и Иваса впервые описали в 1979 году.

Интересно, что тепловая энергия в передающем сигнал нерве может быть в два раза больше того значения энергии электрического сигнала, которое принято в нейробиологии. То, что эти неэлектрические характеристики попали в немилость, отчасти произошло по историческим причинам. Хаймбург утверждает, что в старых экспериментах систематически недооценивалось количество выделяемого тепла, поскольку там было сразу много нейронов, поглощение тепла после раннего прохождения импульса сглаживало картину выделения тепла от более поздних импульсов.

Тасаки измерял тепло, выделяемое пучком волокон, а Хаймбург планирует с помощью микрочипа оценить изменение температуры одиночного нейрона. Эксперимент должен ответить на главный аргумент критиков его теории: что быстрый переход участка мембраны из жидкого состояния в кристаллическое и обратно должен сопровождаться выделением, а затем поглощением большего количества тепла, чем наблюдал Тасаки. Если измерения подтвердят данный факт, это будет в пользу его утверждения, что по мембране передаётся механическая волна.

Модель Ахмеда Эль Хади и Бенджамина Мачты

Прошло совсем немного времени и вот в 2014 году американские молодые исследователи Бенджамин Б. Мачта и Ахмед Эль Хади [58] предлагают новую теоретическую модель, в соответствии с которой существующая механическая поверхностная волна, распространяется совместно с электрическим потенциалом действия.

Модель, разработанная Ахмедом Эль Хади и Бенджамином Мачтой, основана на данных о биофизических параметрах, таких как диаметр аксона, эластичность мембраны нервных клеток, а также плотность и вязкость аксоплазмы (цитоплазмы внутри аксона), взятой из других экспериментов. [59]

– Мы называем их «волнами действия», – говорит Эль Хади, – и мы думаем, что они движимы потенциалами действия. Они немного похожи на поверхностные волны, которые вы получаете, когда бросаете камень в воду – камень похож на электрический импульс, который вызывает механическое смещение мембраны». Далее снова следовала математическая модель солитона. Учёные верили, что их модель послужит основой для понимания физического происхождения и возможных функциональных ролей этих волн в нейробиологии. Но как показала жизнь этой амбициозной цели они не достигли.

Недавно группа исследователей из Китая показала, что цитоскелет аксонов организован в виде серии концентрических колец, и Эль-Хади подозревает, что «волны действия» могут возникать при последовательном сужении этих колец.

Другие