Для того, чтобы понять масштаб этого, поможет аналогия – мы вдруг узнали, что телевизор в нашем доме работает не на электричестве, а на бензине. Сначала обратимся к простым фактам.
Анестетики используются в медицине уже на протяжении почти двух столетий, но до сих пор механизм их действия остаётся неясным. Действительно, такие совершенно разные по своей химической структуре вещества как закись азота, севофлуран или ксенон вряд ли могут действовать, связываясь со специфическими белками и блокируя в результате этого передачу электрического импульса. Уж слишком они отличаются друг от друга, чтобы взаимодействовать с одним и тем же локусом белковых молекул.
В 2011 году в Копенгагене известный биофизик Томас Хеймбург провёл публичный эксперимент. После введения анестетика лидокаина при повышении напряжения электрического тока, подаваемого на электроды, наложенные на руку женщины-добровольца, мышцы конечности начали сокращаться. Порог анестезии был преодолён, на экране фиксировалось проведение нервного импульса. Парадигма, довлеющая в медицине, противоречила тому, что наблюдалось в эксперименте.
Хеймбург полагает, что анестетики работают совершенно по другому пути, изменяя механические свойства нерва, и тогда нервные клетки и мозг является механическими машинами, а не электрическими схемами, как представлялось в течение многих десятилетий. При этом электрические импульсы служат просто побочными эффектами распространения механической волны, движущейся по нервному волокну. Тогда действие анестетиков обусловлено их впитыванием в липидные мембраны нервов с дальнейшим размягчением последних, в результате чего они становятся слишком мягкими, чтобы осуществлять проведение механической волны, как недостаточно натянутые на гитаре струны, чтобы издавать звуки.
Если это действительно так, то вся нейрофизиология и неврология основываются на фундаментальных заблуждениях и ошибках. С 1900-х годов учёные изучали проведение нервных импульсов, внедряя микроэлектроды в нервные волокна и фиксируя на мониторах изменение электрического напряжения. В 1952 году британцы Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли наблюдали всплеск напряжения, когда ионы натрия и калия устремлялись через мембранные каналы нервной клетки. В 1962 году исследователи удостоились за это открытие Нобелевской премии. С тех пор модель Ходжкина-Хаксли стала фундаментом современной нейрофизиологии. Неужели в течение 60 лет её развитие шло по ошибочному пути? Впрочем, примеров тому в науке великое множество.
Почему так произошло? Дело в том, что то время нейробиология обладала достаточно чувствительными приборами и методиками, для того чтобы фиксировать мельчайшие изменения электрических потенциалов, но не имела аппаратных средств для обнаружения крошечных механических трансформаций биологических структур. И именно перекос в методологических возможностях направил исследования по ложному пути.
Лишь к концу 1990-х удалось установить, что молекулы липидов в мембранах текучи и ориентированы случайным образом, находясь в состоянии, которое химики называют фазовым переходом. Достаточно немного сжать мембрану, и липиды конденсируются в высокоорганизованный жидкий кристалл. Нервный импульс представляет собой механическую ударную волну, проходящую по нерву. По мере его продвижения происходит сжатие молекул липидов с выделением небольшого количества тепла, подобно тому, как это наблюдается при замерзании воды. Затем при прохождении волны через несколько тысячных долей секунды мембрана возвращается в жидкое состояние, уже поглощая тепло.
Иллюстрации из учебников показывают нервные мембраны как тонкие и инертные листы изоляции, обёрнутые вокруг нервного волокна, напоминающего трубку, но оказалось они обладают удивительными свойствами. Клеточные мембраны относятся к классу пьезоэлектриков и способны преобразовывать механические силы в электрические и наоборот. По этому принципу, например, работают всем известные кварцевые часы. Электрический импульс, проходящий по нерву несёт с собой механическую волну, и, напротив, распространяющаяся механическая волна, проявляется в виде электрического импульса. В 2009 году Маттиас Шнайдер из Технического университета в Германии вызвал механическую волну, подав электрический импульс на искусственную мембрану. Ударная волна прошла со скоростью 50 м/сек, аналогично скорости, с которой распространяются сигналы от стопы к мозгу.
Теперь становится понятным принцип работы анестезии. До сих пор считалось, что её механизм действия заключается в связывании анестетиков с белками ионных каналов и блокированием последних, которые открываются и закрываются, чтобы пропускать ионы калия и натрия. Достаточно просто повторить эксперимент, проведённый Эрнестом Овертоном ещё в 1901 году. Возьмём дюжину пробирок с различными анестетиками, добавим в каждую из них оливковое масло и воду. Затем встряхнём. Подождём пока слои воды и масла снова разделятся и измерим концентрацию каждого препарата в слое масла. Чем сильнее анестетик, тем бо́льшим его содержание будет в масляном слое. Оливковое масло и клеточные мембраны состоят из одних и тех же молекул – жирных кислот. Механизм действия анестезии заключается в проникновении препаратов в мембраны и изменении их физических свойств. Всё очень просто, и это находит своё подтверждение в экспериментах с синтетическими мембранами. Введение в них анестетика предотвращает переход в жидкокристаллическое состояние. Тот же эффект достигается при изменении температуры и давления. По аналогии, как добавление соли или сахара в воду понижает температуру её замерзания.
Предотвращение этого фазового перехода в мембране остановит распространение механической волны, что на самом деле и делают анестетики. Однако этот эффект можно преодолеть, создавая более высокое давление для затвердевания мембраны с помощью ударов током, что и произошло в эксперименте с лидокаиновой блокадой верхней конечности в больнице Копенгагена.
Кстати, в биологии этот эффект был продемонстрирован ещё в 1942 году, когда, используя два различных анестетика – этанол и уретан, исследователи «опьянили» головастиков до такого состояния, что они потеряли способность плавать. Затем их поместили в барокамеру и увеличили давление в 136 раз по сравнению с атмосферным. Головастики снова начали плавать – эффект наркоза исчез. Когда же давление в камере вернули к норме, головастики опять упали неподвижно. В 2014 году этот эксперимент был проведён Хеймбургом уже на синтетических мембранах. При повышении давления в 160 раз эффект анестезии исчезал.
Механическая теория проведения импульсов возможно даст понимание функционирования мозга, механизмов памяти и мышления, феномена сознания. Ионные каналы являются очень лабильными и шумонеустойчивыми и, следовательно, недостаточно надёжными, чтобы на них зиждились управление вегетативными и локомоторными функциями организма, а тем более высшая нервная деятельность, как до сих пор считалось.
В плане теории «механического мозга» теперь успехи практического здравоохранения – врачей-неврологов, нейрохирургов, психиатров выглядят как просто выдающиеся, так и в какой-то мере удивительные. Ведь, базируясь на исходно неверной теории механизма проведения нервного импульса, получается, что лечение подбирается исключительно эмпирически, подобно тому как практиковали целители Средневековья, используя, например, противочумные маски и антисептические растворы, задолго до открытия возбудителя чумы – бактерии Yersinia pestis, или шаманы Южной Америки, применяли отвары коры хинного дерева для лечения малярии.
Платформа Дзен по определённым причинам меняет алгоритмы показов. Если вы уверены, что подписаны на канал рекомендуется проверить это в связи с возможной автоматической отпиской.
Также материалы по теме «Загадки мозга и искусственный интеллект»: