Нервные клетки и мозг
Мы провели аналогию между цифровым фотоаппаратом и системой зрения человека. С одной стороны имеем: оптическую матрицу, карточку памяти и проводящую систему между ними. С другой стороны, соответственно имеем: сетчатку глаза, мозг и зрительный нерв. Так как темой нашего обсуждения является память, то оставим в стороне сетчатку глаза и оптическую матрицу, а рассмотрим сначала более детально, как устроены нервные клетки, ведь именно из них сформирован зрительный нерв. Их отличие от других клеток организма заключается в способности передавать нервные импульсы. Для этого они имеют очень развитую мембрану, которая является внешней границей клетки, формируя ее поверхность в виде некоего «осьминога». В максимальной конфигурации нервная клетка имеет один очень длинный отросток, который называется аксоном. Он может достигать огромной длины до одного метра и более, хотя обычный характерный размер клетки равен примерно толщине человеческого волоса. Помимо аксона клетка может иметь несколько существенно более коротких отростков, они называются дендритами. В нервной клетке с меньшей конфигурацией часть дендритов или аксон могут отсутствовать. Дендриты обычно служат для связи нервных клеток между собой, а аксон нужен для передачи сигнала в отдаленные от мозга части организма. Передача нервного импульса происходит вдоль поверхности мембраны за счет изменения электрического заряда или, другими словами, возникновения потенциала действия. Этот процесс схематически показан на следующем рисунке.
Рис. Схема распределения зарядов по разные стороны мембраны возбудимой клетки в спокойном состоянии (A) и при возникновении потенциала действия (B).
«Потенциал действия – волна возбуждения, перемещающаяся по мембране живой клетки в процессе передачи нервного сигнала. По сути своей представляет электрический разряд – быстрое кратковременное изменение потенциала на небольшом участке мембраны возбудимой клетки (нейрона, мышечного волокна или железистой клетки), в результате которого наружная поверхность этого участка становится отрицательно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны, тогда как его внутренняя поверхность становится положительно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны. Потенциал действия является физической основой нервного или мышечного импульса» (Википедия, статья «Потенциал действия»).
Как происходит распространение потенциала действия изучено достаточно детально. Схема этого процесса показана на следующем рисунке.
Рис. Простейшая схема, демонстрирующая мембрану с двумя натриевыми каналами в открытом и закрытом состоянии
На мембране клетки находятся ионные каналы – это белковые молекулы, образующие в мембране поры, через которые ионы могут проходить с внутренней стороны мембраны на наружную и наоборот. Большинство каналов избирательны, то есть натриевый канал пропускает практически только ионы натрия и не пропускает другие. Мембрана клеток возбудимых тканей, не только нервной, но и мышечной, содержит большое количество ионных каналов, способных быстро реагировать на смещение мембранного потенциала. Когда одновременно открывается достаточно много натриевых каналов, положительно заряженные ионы натрия устремляются через них на внутреннюю сторону мембраны. Возникший потенциал действия за счет электрического поля способен деполяризовать мембрану соседнего участка до критического уровня, в результате чего на соседнем участке генерируются новые потенциалы. Сам потенциал действия не перемещается, он исчезает там же, где возник. Главную роль в возникновении нового потенциал действия играет предыдущий.
Если внутриклеточным электродом раздражать аксон посередине, то потенциал действия будет распространяться в обоих направлениях. Обычно же потенциал действия распространяется по аксону в одном направлении – от тела нейрона к нервным окончаниям, хотя деполяризация мембраны происходит по обе стороны от участка, где в данный момент возник потенциал. Одностороннее проведение потенциала действия обеспечивается свойствами натриевых каналов, после открытия они на некоторое время инактивируются и не могут открыться ни при каких значениях мембранного потенциала. Поэтому на ближнем к телу клетки участке, где до этого уже прошел импульс потенциала действия, новый потенциал не возникает.
Здесь довольно подробно описано прохождение нервного импульса в мембране нервной клетки для того, чтобы проиллюстрировать насколько глубоко, вплоть до уровня отдельных молекул и атомов, изучен этот процесс к настоящему времени. Отметим, что передача импульсов является основной функцией нервной клетки, которую она выполняет для организма, остальные ее функции примерно такие же, как и в других клетках, и служат лишь для поддержания собственной жизнедеятельности.
Мы увидели, что сигналы от сетчатки глаза передаются в мозг через электрические импульсы в нервных клетках. Также через электрические импульсы передаются сигналы от оптической матрицы к карточке памяти и в цифровом фотоаппарате. Теперь посмотрим, насколько нам удастся установить аналогию в принципах действия между устройствами хранения информации, то есть между карточкой памяти и мозгом.
Принцип хранения информации практически во всех современных устройствах от компьютера до мини плеера является цифровым. Причем, как правило, используются всего два числа 0 и 1. То есть вся информация выглядит как длинный ряд чередующихся в различном порядке нулей и единиц. Таким способом можно записать любое десятичное число. Например, обычный натуральный ряд чисел записывается следующим образом. Начинаем с 0, затем пишем 1, а как быть с двойкой, ведь этой цифры у нас нет? Поступаем также, как и в привычной нам десятичной системе, а там после последней имеющейся у нас цифры 9, мы пишем 10, это уже число, состоящее из двух цифр. То есть в нашем случае, когда имеются всего две цифры, мы двойку обозначим как 10, тройку как 11, а четверку как 100, и т.д. Таким образом, всего двумя числами мы можем записать любое число из всего натурального ряда. А так как любой букве тоже можно сопоставить число, то и целую книгу можно представить в виде чередующихся нулей и единиц, надо только знать, как их читать или, скорее, расшифровывать. Примерно также как и книгу можно зашифровать любое изображение в виде аналогичного ряда.
Конечно, такой ряд нулей и единиц очень неудобен для восприятия человеком, но зато для чтения и последующей обработки на компьютере он очень выгоден. И вот почему. Для хранения такого ряда нужны очень простые устройства памяти. Такое устройство содержит обычно множество ячеек, если ячейка пуста, то это означает 0, если в ней что-то есть, то это 1. Конкретно, таким устройством может быть, например, магнитная лента: один участок ленты намагничен, следующий нет, то есть имеем 1 и 0. Сейчас научились делать ячейки памяти таких крохотных размеров, что на карточке памяти размером в квадратный сантиметр могут поместиться миллиарды ячеек. Если лет двадцать назад было популярно слово «микроэлектроника», производное от слова микрон, которое означает единицу длины в одну миллионную часть метра, то сейчас популярно слово «нанотехнологии», производное от слова нанометр, что означает одна миллиардная часть метра. Нанотехнологии подразумевают создание устройств, которые настолько малы, что состоят из нескольких десятков атомов, так как характерный размер атома равен одному ангстрему, что всего в десять раз меньше нанометра.
Мы видим, что в современной науке понятие информация осмыслено очень хорошо, а устройства памяти для ее хранения минимизированы почти до размеров атомов. Теперь посмотрим, что же известно о способах хранения информации в человеческом мозге. Итак, смотрим определение, что такое мозг. «Мозг – центральный отдел нервной системы животных, обычно расположенный в головном (переднем) отделе тела и представляющий собой компактное скопление нервных клеток и их отростков. У многих животных содержит также глиальные клетки, может быть окружен оболочкой из соединительной ткани. У позвоночных животных (в том числе и у человека) различают головной мозг, размещённый в полости черепа, и спинной, находящийся в позвоночном канале» (Википедия, статья «Мозг»).
Из этого описания получается, что мозг является частью нервной системы. Однако, в нервной системе основной клеткой является нейрон, а он, как мы видели выше, приспособлен только для передачи нервных импульсов, в нем нет никаких ячеек памяти для хранения информации. Может быть, хранителями памяти являются глиальные клетки упомянутые выше, которые тоже входят в состав мозга? Смотрим их свойства. «Нейроглия, или просто глия (от др. – греч. νεῦρον – волокно, нерв + γλία – клей), – совокупность вспомогательных клеток нервной ткани. Составляет около 40 % объёма центральной нервной системы. Количество глиальных клеток в среднем в 10–50 раз больше, чем нейронов. Глиальные клетки имеют общие функции и, частично, происхождение. Они составляют специфическое микроокружение для нейронов, обеспечивая условия для генерации и передачи нервных импульсов, а также осуществляя часть метаболических процессов самого нейрона» (Википедия, статья «Нейроглия»). Итак, глиальные клетки, только обеспечивают условия для генерации и передачи нервных импульсов, то есть к хранению информации они, как и сами нейроны, отношения не имеют.
