Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе

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.