Нейроны удивительны. Они обладают уникальными свойствами, которые позволяют им быстро получать, обрабатывать и посылать электрические сигналы другим нейронам, мышцам или железам. Считается, что нейроны появились около 540 миллионов лет назад у животных, похожих на современных медуз. Мы не можем точно назвать причину их появления, но знаем, что они сформировались примерно в то время, когда животные начали поедать друг друга с погонями и бегством, неизбежными для этого процесса. Таким образом, логично предположить, что появление нейронов ускорило и восприятие, и движение животных, что оказалось очень полезным, когда жизнь превратилась в состязание «кто кого съест».
* * *Нейроны бывают самых разных форм и размеров, но в их структуре есть много общего. Как и все животные клетки, нейрон окружен тонкой внешней мембраной. Нейрон обладает клеточным телом, содержащим клеточное ядро, в котором хранится генетическая информация, зашифрованная в ДНК. Клеточное тело может иметь треугольную, круглую и овальную форму, а его размер варьируется от 4 до 30 микрон в диаметре. Этот размер проще представить так: три клеточных тела, уложенные рядом, по толщине будут сравнимы с человеческим волосом. От клеточного тела отходят тонкие отростки, которые называются дендритами. Именно через них нейрон получает большинство химических сигналов от других нейронов. Дендриты могут быть короткими и длинными, веретенообразными и разветвленными а у некоторых нейронов их вообще нет. Одни дендриты гладкие, другие покрыты крошечными выростами дендритными шипиками. У большинства нейронов есть по меньшей мере несколько разветвленных дендритов, а также один длинный тонкий отросток, отходящий от тела клетки. Он называется аксоном и отвечает за передачу информации от нейрона.
Хотя от клеточного тела отходит лишь один аксон, далее он нередко разветвляется, и эти ветви могут расти в разных направлениях. Аксон может быть очень длинным. Например, некоторые аксоны тянутся от пальцев ноги человека до верхней части спинного мозга.
Информация от аксона одного нейрона к дендриту другого передается через особые места контактов, которые называются синапсами. В синапсах кончики аксонов одного нейрона подходят очень близко к другому нейрону, но не касаются его (рис. 1). Терминали аксона содержат множество крошечных пузырьков, сформированных из мембраны. В каждом из этих пузырьков, или синаптических везикул, содержится около 1000 молекул особого вещества нейромедиатора. Терминаль аксона одного нейрона и дендрит другого разделяет синаптическая щель узкий промежуток, заполненный солоноватой жидкостью, близкой по составу к плазме крови. В среднем у каждого нейрона около 5000 синапсов, преимущественно на дендритах; некоторое количество синапсов образуется на теле клетки и еще несколько на аксоне. Если умножить 5000 синапсов в нейроне на 100 миллиардов нейронов в человеческом мозге, получится просто невероятное число: 500 триллионов. Представить это число можно так: если распределить синапсы мозга одного человека между всеми живущими на Земле людьми (на 2017 год), то каждому достанется по 64 000 штук.
РИС. 1. Строение обычного нейрона и направление потока электрических сигналов от одного нейрона к другому
Синапсы представляют собой точки переключения между двумя типами быстрой передачи сигналов в мозге: электрическими импульсами и выделением и дальнейшим действием нейромедиаторов. Элементарная единица передачи электрического сигнала в мозге нервный импульс (или спайк). Нервные импульсы это короткие и мощные всплески электрической активности длительностью от одной до двух миллисекунд. Они возникают в месте соединения клеточного тела и аксона, в так называемом аксонном холмике. Мозг окружен особым солевым раствором, или спинномозговой жидкостью, с высокой концентрацией натрия и гораздо меньшей концентрацией калия. Атомы натрия и калия находятся в ней в виде положительно заряженных ионов. Концентрация ионов натрия по разные стороны мембраны нейрона значительно разнится: снаружи она почти в 15 раз выше, чем внутри. Концентрация ионов калия, напротив, внутри почти в 15 раз выше, чем снаружи. Это соотношение необходимо для передачи электрических сигналов в мозге. В такой среде образуется потенциальная энергия подобно той, которая накапливается, когда мы заводим пружину в детской игрушке. При определенных условиях эта энергия может высвобождаться, генерируя электрические сигналы в нейронах. За электрический потенциал нейрона отвечает его внешняя мембрана: внутри клетки отрицательный заряд больше, чем снаружи. При возникновении нервного импульса содержащиеся во внешней мембране специализированные белки тороидальной формы, которые называются натриевыми каналами, открывают свои ранее закрытые отверстия в центре и впускают внутрь ионы натрия. Приблизительно через миллисекунду открываются другие ионные каналы, пропускающие ионы калия, которые устремляются наружу, что приводит к завершению нервного импульса.