Нервы и электрические провода сравнение

За последние пару месяцев мне пришлось в обсуждении всяких околоневрологических вопросов столкнуться с вопиющим незнанием и непониманием самых базовых (как мне до сих пор казалось) вещей, касающихся работы нервной системы. Причем непонимание это меня не особо удивляло у дилетантов, но один раз мне пришлось объяснять все это человеку, который называл себя врачом-неврологом. Правда практиковал он при этом какую-то альтернативно одаренную херопрактику, но вродькак претендовал на то, что у него был диплом врача и сертификат о специализации. Но это совсем другая история.
Короче, несколько раз столкнулся я с этим самым вопиющим непониманием. И с тем, что при отсылках не то, что к более-менее ученым источникам, а к обычной википедии непонимание это только увеличивается. Приходилось на пальцах разъяснять, что к чему и не всегда получалось разъяснить. Поэтому я решил написать об этом, чтобы просто давать людям ссылку и не тратить каждый раз время и не стирать подушечки пальцев о клавиатуру.
Итак, как работают наши нервные клетки. Начнем, пожалуй, с того, как они устроены. Это, кстати, изучают в школах и если вы не успели забыть школьную программу, то следующие несколько абзацев можете пропустить.

Вот примерно вот так выглядит более-менее обычная нервная клетка. Есть вариации, то это все вариации на тему. Часто говорят, что она похожа на дерево, как по мне, так больше это похоже на какой-то кишечнополостной полип: ножка, переходящая в тело и потом в щупальца. Щупальца называются дендриты, тело называется тело, а ножка называется аксон. Присосочка на конце ножки называется синаптическое утолщение.
Главное отличие от полипа (и дерева) в том, что «основание» клетки находится не на ножке, а наоборот, на щупальцах. К ним подходят волокна от других нервных клеток, передающие нашей клетке импульсы. Впрочем, волокна подходят не только к дендритам, походят они и к телу клетки и к аксону. Главное тут что: возбуждение по клетке распространяется от дендритов к телу и далее по аксону к синаптическому утолщению. Если «входов» у нервной клетки может быть бессчетное множество — столько, сколько к ней подходит волокон других нервных клеток — то «выход» у нее только один — синаптическое утолщение.
Это утолщение очень-очень плотно (но с микроскопическим зазором) прилегает к другой нервной клетке или мышце. Когда нервная клетка возбуждаться из синапса выделяется вещество, которое называется нейромедиатор. Нейромедиаторов много, но каждая нервная клетка может выделять только один из них. Этот медиатор возбуждает определенные рецепторы на нервной или мышечной клетке, к которой прилегает синаптическое утолщение, а дальше… А вот что дальше в школе уже не учат.
Самая распространенная ошибка по поводу нервного импульса состоит в том, что люди думают, что это электрический ток. Нет, электрические токи играют роль в возникновении и распространении нервного импульса. Но сам импульс — это не ток, а химическая реакция. Чтобы понять, как он происходит нам нужно спуститься «вниз» от строение нервной клетки к строению ее мембраны.

Это — мембрана нервной клетки. Впрочем, мембрана практически любой клетки выглядит почти так же. Странные головастики-сперматозоиды — это так называемый «бислой липидов», головки ихние растворимы в воде, а хвостики нет, поэтому в водной среде (которой заполнены наши тела) головки поворачиваются к воде, а хвостики друг к другу.
А вот странные бесформенные штуки, нарушающие стройность и единообразность липидного бислоя это мембранные белки — то, что превращает клеточную мембрану в живую структуру. На разных клетках эти белки разные.
Нас сейчас интересуют белки, называемые «какой-то там ион-АТФазы». Самый распространенный из них и самый известный это Калий-Натрий-АТФаза.
«АТФаза» означает «фермент, расщепляющий АТФ». АТФ, если вы не в курсе, это универсальная «энергетическая валюта» наших клеток, но это совсем другая история. Так вот K-Na АТФаза расщепляет одну молекулу АТФ и, с помощью высвободивщейся химической энергии переносит три иона натрия изнутри клетки наружу и два иона калия снаружи клетки внутрь. В результате наружная поверхность клеточной мембраны приобретает отрицательный заряд, а внутренняя — положительный.
Но дело даже не в заряде, а в градиенте, то есть в разнице концентрации ионов внутри и снаружи клетки. Мембранные АТФазы перекачивают ионы против градиента как-бы превращая мембрану нервной клетки в сжатую физико-химическую пружину. И в момент возникнновения нервного импульса эта пружина расжимается.
Как же это происходит? Все начинается вот тут:

Это синапс, о котором я уже вспоминал. Он состоит из пресинаптической мембраны, синаптической щели и постсинаптической мембраны. Пресинаптическая мембана принадлежит нервной клетке, которая несет возбуждение нашей. Из нее в синаптическую щель выделяется медиатор, коих есть великое множество. Медиатор связывается с так называемыми лиганд-зависимыми ионными каналами. Слово «лиганд» происходит от латинского слова ligare — связывать и в данном случае обозначает этот самый медиатор.
Ионные каналы — это тоже мембранные белки, вроде K-NA АТФазы, но действуют они по-другому. В неактивном состоянии они закрыты. Но когда с ними связывается лиганд-медиатор, то они открываются и начинают пропускать с одной стороны мембраны на другую определенный вид ионов, в данном случае ионы натрия. А их, как мы помним, на наружной поверхности мембраны много, а на внутренней мало. В результате появляется стойкий поток ионов, направляющийся снаружи клетки внутрь и электрический потенциал мембраны начинает меняться.
Все это ограничивалось бы областью синапса и никакая нервная клетка никуда бы не возбуждалась, если бы не другой тип ионных каналов — потенциал-зависимые. Их на клетке гораздо больше и они расположены повсюду. Они реагируют на изменение электрического потенциала мембраны. В тот момент, когда он достигает определенного предела, они открываются и ток ионов натрия в клетку усиливается на порядки. На это тут же реагируют потенциал-зависимые каналы, находящиеся поблизости и волна деполяризации катится по клеточной мембране, пока не докатится до синапса, где она закончится выделением медиатора в синаптичекую щель. По другую сторону, которой находится следующая нервная клетка или мышца, или железа, которым нервное волокно отдает команду включиться.
Есть такой избитый трюизм «быстрее мысли». Так вот она, как и большинство избитых трюизмов имеет смысл практически противоположный тому, который в нее вкладывают. Скорость распространения импульса по простому нервному волокну около пяти метров в секунду, то есть около 18 километров в час. Для сравнения спортсмен-олимпиец бежит на стометровке более чем в два раза быстрее. Так что, Усейн Болт быстрее мысли? Не совсем.
Эволюция придумала способ ускорить передачу импульса: так называемые миелиновые оболочки. Вот они, на картинке.

Миелиновая оболочка — это на самом деле еще одна клетка, которая называется «шванновская» в честь ученого, который их открыл. Шванновские клетки как бы намотаны на аксон, образуя в результате нечто вроде рулета из множества слоев своей клеточной мембраны. Таких клеток на одном аксоне много и они выглядят как ожерелье из четок-шванновских клеток между которыми образуются узкие участки «неизолированной» клеточной мембраны, называемые перехватами Ранвье. По миелинизированным нервным волокнам импульс распространяется на порядок быстрее и его скорость достигает 120 метров в секунду, то есть около 430 километров в час. Скорость уже весьма приличная, но далеко не немыслимо огромная. До такой скорости может разгоняться гоночный болид, современные авиалайнеры летают примерно в два раза быстрее, а о истребителях и космических ракетах я даже и говорить не буду.
Очень распространено мнение, что миелиновая оболочка — это «изоляция» нервных волокон, которые есть провода. Но с этой точки зрения непонятно, с чего вдруг по изолированному проводу ток будет распространяться быстрее, чем по неизолированному и зачем нужны перехваты, то есть неизолированные участки. А они явно нужны — концентрация в этих участках вышеупомянутых потенциал-зависимых ионных каналов выше в разы, чем на «изолированных».
А дело все как раз в том, что нерв не провод, нервный импульс не ток и миелиновая оболочка — это не изолятор, покрывающий снаружи нерв-провод.
На самом деле это слой диэлектрика, разделяющий две обкладки конденсатора: деполяризованную и поляризованную. Между ними возникает потенциал, который значительно превышает обычный потенциал между двумя рядом лежащими участками немиелинизированной клеточной мембраны и деполяризация «перепрыгивает» миелинизированный участок с одного перехвата Ранвье на другой, а иногда даже по нескольку перехватов за раз.