Жоден нейрон не існує в самоті, наданий самому собі. Зазвичай він контактує з іншим нейроном. Це відбувається шляхом переплетення аксона одного нейрона (гілок, що виходять з кінця аксона) з декількома дендритами іншої. Ні в одному місці відростки одного нейрона не зливаються з відростками іншого. У будь-якому випадку між відростками контактують нейронів існує мікроскопічна, але чітко визначна щілину. Ця щілина називається синапсом ( «синапс» по-грецьки означає «з'єднання», хоча це слово в даному випадку означає те, чого насправді немає).
Тут виникає перша проблема. Нервовий імпульс дійсно переходить від одного нейрона до іншого, по яким чином він долає синаптичну щілину? Перша думка - імпульс проскакує між нейронами, як іскра проскакує через ізолюючу повітряне середовище, що розділяє струмопровідні поверхні при достатньому електричному потенціалі. Але електричні потенціали, що зумовлюють поширення нервового імпульсу (за винятком електричних скатів, про які ми вже говорили), недостатньо сильні для того, щоб провести ток через ізолюючу щілину. Треба шукати якесь інше рішення, і якщо в цьому нам не допоможе електрику, то доведеться звернутися до допомоги хімії.
В процесі еволюції, на ранніх її стадіях, природа виробила спосіб стимуляції нервового волокна шляхом впливу на нього речовиною, синтезованим з оцтової кислоти і холіну, двох речовин, присутніх в будь-якій клітині. В результаті цієї реакції утворюється ацетилхолін. Саме цей ацетилхолін змінює роботу натрієвого насоса таким чином, що відбувається деполяризація і виникає нервовий імпульс.
Дуже легко уявити собі, як ацетилхолін огортає мембрану і змінює її властивості. Таку картину багато малюють для ілюстрації дії гормонів на клітину взагалі, і з цієї причини ацетилхолін іноді розглядають як нейрогормон, діючий на нервове волокно. Таке порівняння, однак, кульгає. Ацетилхолін НЕ секретується в кровоносне русло і не транспортується з кров'ю, як це відбувається з усіма гормонами, які я описав в першій частині книги. Навпаки, ацетилхолін секретується безпосередньо на мембрану нервової клітини і діє прямо на місці. Ця різниця змусила деяких дослідників говорити про ацетилхоліну як про нейрогуморе (гумором в старі часи називали будь-яку біологічну рідину).
Ацетилхолін, утворений нервовими закінченнями, не може довго перебувати біля нервової клітини, так як в його присутності не відбувається регюлярізація. На щастя, в нервах міститься фермент холінестерази, який знову розщеплює ацетилхолін на оцтову кислоту і холін. Як тільки це розщеплення відбувається, відразу змінюються властивості клітинної мембрани і починається ре-поляризація. Освіта і розщеплення ацетилхоліну відбуваються з приголомшливо високою швидкістю, і швидкість цих хімічних змін не поступається швидкості формування і проведення по волокнах нервових імпульсів, тобто швидкості чергування циклів деполяризації і реполяризації.
Доказ того, що пара ацетилхолін / холінестераза завжди присутній при проведенні нервового імпульсу, не є прямим, але представляється досить переконливим. Всі нервові клітини містять ферменти, що каталізують як утворення ацетилхоліну, так і його розщеплення. Я хочу сказати, що ця речовина можна виявити у всіх багатоклітинних організмів, за винятком найпростіших - губок і медуз. Особливо багато холінестерази в електричних органах електричного вугра, причому потенціали, що генеруються вугром, прямо пропорційні вмісту в електричних органах холінестерази. Більш того, будь-яка речовина, яке блокує дію холінестерази, блокує і проведення нервових імпульсів.
Виникає уявлення про нервовий імпульс як про координовані хімічних і електричних ефекти, які спільно проявляються в аксоні нервового волокна. Це більш плідно, ніж вважати, що передача імпульсу обумовлена тільки електричними явищами, так як, прибуваючи разом з імпульсом до прірви синапсу, ми вже не відчуваємо себе безпорадними тому, що електричний імпульс не може її подолати; хімічна речовина легко вирішує цю задачу. Ацетилхолін вивільняється в закінченнях аксона одного нерва і діє на дендрит або на тіло клітини іншого нейрона, перетинаючи синапс, і породжує на наступному нейроне новий нервовий імпульс. Електрична хвиля піде за таким нейрона до синапсу, де в гру знову вступить хімічний ефект, і так далі. (Імпульс переходить з аксона на дендрит, але не в зворотному напрямку. Саме ця обставина змушує нерв проводити імпульси тільки в одному напрямку, хоча нервове волокно має здатність проводити його в будь-яку сторону.)
Аксон нейрона може з'єднуватися не тільки з іншим нейроном, але і з будь-яким органом, на який він передає імпульс. Зазвичай таким органом є м'яз. Кінець аксона його тісний зв'язок з сарколеммой, тобто з мембраною, що покриває м'язове волокно. Там, в найближчому сусідстві з м'язом, аксон галузиться. При цьому кожна гілка прямує до окремого м'язового волокна. Треба при цьому пам'ятати, що закінчення аксона не зливаються з м'язовими волокнами. У місцях їхнього зіткнення існує мікроскопічна, але цілком помітна щілина. Це схоже на синапс з'єднання між нервом і м'язом називається нервово-м'язовим з'єднанням (або міоневрального з'єднанням).
У нервово-м'язовому з'єднанні розігруються цікаві хімічні та електричні явища. Рух електричного потенціалу припиняється, але хімічна речовина ацетилхолін легко долає перешкоду. Секреція ацетилхоліну змінює властивості мембрани м'язового волокна, викликає вхід іонів натрію в м'язову клітку і ініціює хвилю деполяризації, майже так само, як це відбувається в нервових клітинах. М'язові волокна, отримавши хвилю збудження, у відповідь скорочуються. Всі м'язові волокна, до яких підходять гілки одного нерва, скорочуються одночасно як одне ціле. Таку групу волокон називають руховою одиницею.
Будь-яка речовина, переважна дію холінестерази і перериває цикл синтезу і розщеплення ацетилхоліну, не тільки погасить нервовий імпульс, але придушить також стимуляцію і скорочення м'язи. Це придушення призведе до розвитку паралічу довільних м'язів кінцівок і грудної клітки, а також серцевого м'яза. При цьому смерть настане дуже швидко, через 2 - 10 хвилин.
У 40-х роках німецькі хіміки, досліджуючи інсектициди, синтезували кілька речовин, які виявилися потужними інгібіторами холінестерази. Ці речовини дійсно смертельні. У рідкому вигляді вони проникають крізь шкіру і, досягнувши кровоносних судин, швидко вбивають. Ці речовини виявилися більш убивчими, ніж ті отруйні речовини, які використовувалися в Першій світовій війні. Німеччина не використовувала бойові отруйні речовини під час Другої світової війни, але передбачається, що під назвою «нервові гази» їх можуть застосувати в третю світову війну, якщо, звичайно, залишиться кого вбивати після нанесення перших і відповідних ядерних ударів.
Природа теж не сиділа склавши руки і працювала над створенням такого роду сполук. Є деякі алкалоїди, які, будучи чудовими інгібіторами холінестерази, можуть стати не менш чудовими вбивцями. Йдеться про кураре - отруті, якою індіанці Південної Америки змащували наконечники своїх стріл. (Коли новина про це отруті проникла в цивілізований світ, все заговорили про таємниче, що не полишає слідів американському отруті. Хвиля паніки стимулювала фантазію письменників, що вигадали масу містичних трилерів на цю тему.) Ще одним прикладом природного інгібітора холінестерази можуть служити отрути деяких поганок, включаючи один, який дуже влучно нарекли «ангелом смерті».
Але, тим не менше, навіть нервові гази можуть виявитися корисними. Іноді трапляється так, що нервово-м'язові з'єднання людини починають насилу пропускати надходять по нервах імпульси. Це захворювання називається тяжку міастенію (тобто важкої м'язовою слабкістю). Хвороба проявляється наростаючою слабкістю м'язів, особливо мімічних. Найбільш імовірною причиною хвороби є або недостатнє утворення ацетилхоліну, або швидке його руйнування холінестеразою. Лікувальна дія інгібіторів холінестерази полягає в збереженні ацетилхоліну і хоча б у тимчасове поліпшення стану хворих.
Хоча м'язові волокна можна стимулювати безпосередньо і змусити їх скорочуватися, - наприклад, прямим впливом електричного струму, - в нормі м'яз стимулюється тільки імпульсами, що передаються з нервових волокон. З цієї причини будь-яке пошкодження нервових волокон, або в результаті травми, або в результаті такого захворювання, як поліомієліт, призводить до розвитку паралічів. Піддався дегенерації в результаті травми або хвороби аксон може регенерувати за умови, що його неврілемма залишилася цілою. Якщо ж неврілемма загинула або якщо у аксона немає неврілемма (а це стосується багатьох аксонів), то регенерації не відбувається. Більш того, якщо руйнується тіло нервової клітини, то її відновлення не відбувається. (Тим не менш, не все ще втрачено. У 1963 році вперше була здійснена успішна пересадка нерва від однієї людини іншій. Можливо, настане такий час, коли будуть створені «банки нервів», і ми зможемо лікувати паралічі, викликані загибеллю нервових клітин.)
В окремо взятому нервовому волокні не спостерігають градації імпульсів. Це означає, що слабкий стимул не викликає формування слабкого імпульсу, а сильніший стимул - більш сильного імпульсу. Нейрон сконструйований так, що реагує на стимули за законом «все або нічого». Стимул, занадто слабкий для того, щоб викликати виникнення імпульсу, називається «підпороговим». Дійсно, можна зареєструвати малі за амплітудою мембранні потенціали, які викликають появу слабких трансмембранних струмів, але ці струми швидко згасають, що не формуючи нервовий імпульс. (Якщо, проте, до того, як встигне згаснути перший слабкий стимул, на нервову клітину подіє другий слабкий, підпороговий стимул, то їх дія підсумовується, і імпульс може виникнути.)
Звісно ж, що малі струми не можуть довго існувати в нерві - опір його мембрани занадто велике. З іншого боку, досить сильний стимул, здатний ініціювати імпульс ( «пороговий стимул»), призводить до електричних і хімічних ефектів, які, не згасаючи, регенерують по всій довжині нервового волокна. (Чому амплітуда потенціалів у міру проходження хвилі деполяризації по нерву не згасає, невідомо, але вважають, що в цьому відіграють важливу роль перехоплення Ранвье.) Граничний стимул викликає максимальний відповідь нерва. Сильніший стимул не може викликати більш сильного відповіді. Цим можна постулювати згаданий закон «все або нічого»: нервове волокно або проводить імпульс максимальної сили, або не проводить ніякого імпульсу взагалі.
Закон «все або нічого» поширюється і на органи, які стимулює нерв. М'язове волокно, яке отримало стимул від нервового волокна, відповідає на нього скороченням постійної сили. Здається, що це суперечить повсякденному досвіду. Дійсно, якщо нервове волокно завжди проводить один і той же імпульс (якщо взагалі проводить) і якщо м'язове волокно завжди скорочується з постійною силою (якщо взагалі скорочується), то яким чином нам вдається за бажанням регулювати силу скорочення біцепса від ледь помітного посмикування до повного потужного скорочення?
Відповідь полягає в тому, що не можна вважати нерви і м'язи ізольованими в часі і просторі. Орган не обов'язково інервується єдиним нервовим волокном, цих волокон може бути кілька десятків. Кожне нервове волокно має свій поріг в залежності, наприклад, від його діаметра. Чим товщі волокно, тим нижче його поріг стимуляції. Слабкого стимулу цілком може вистачити для її порушення. Отже, слабкий стимул може ініціювати потенціал в одних волокнах і не ініціювати його в інших. (Мінімальним називається такий слабкий стимул, який здатний ініціювати порушення тільки в одному нервовому волокні.) М'яз лише ледь сіпнеться, якщо скоротиться одна рухова одиниця під впливом мінімального стимулу. При посиленні стимулу все більше і більше волокон буде розряджатися, все більше і більше рухових одиниць буде скорочуватися. Коли стимул стане настільки сильним, що викличе порушення всіх нервових волокон (максимальний стимул), то м'яз скоротиться повністю. Ніякої більш потужний стимул не зможе викликати більш сильного відповіді.
Сила відповіді залежить також від тимчасових факторів. Якщо нервове волокно передає на рухову одиницю імпульс, то вона у відповідь скорочується, а потім розслабляється. Це розслаблення триває деякий час. Якщо другий імпульс приходить до м'яза до закінчення процесу розслаблення, то м'яз скорочується знову, але з більш високою точки старту, тому скорочення буде сильніше. Третій імпульс додасть скорочення ще більше сили і так далі. Чим швидше будуть слідувати імпульси, тим сильніше буде скорочення м'язи. Число імпульсів, яке може бути проведено по нервовому волокну за одну секунду, дуже велике і залежить від тривалості рефрактерного періоду. Тонкі нервові волокна мають рефрактерний період близько 1/250 частки секунди, тобто навіть таке волокно може провести двісті п'ятдесят імпульсів в одну секунду. Товсті міелінізірованние волокна можуть за той же час провести в 10 разів більше імпульсів.
У реальному житті м'яз зазвичай стимулюється частиною нервових волокон нерва, а кожне волокно розряджається з певною частотою. В результаті взаємодії цих двох змінних параметрів можна, не порушуючи закону «все або нічого», тонко регулювати силу скорочення м'язи.