Рис. 5. Накручивание ДНК на катушки (или нуклеосомы), состоящие из белков гистонов

В цитоплазме, обычно ближе к центру клетки, размещается ядро с хромосомами. Это упакованные с помощью белков гистонов молекулы ДНК. На эти белки молекулы ДНК спирально накручиваются, как на катушки, а затем еще несколько раз укладываются (рис. 5). Если распутать молекулу ДНК и вытянуть в нить, ее длина составит около двух метров!

Вокруг ядра находятся органоиды клетки, синтезирующие белок (их называют рибосомами). Также в клетке есть аппарат Гольджи – структурный комплекс, похожий на набор микроскопических цистерн. В аппарате Гольджи к белкам присоединяются молекулы сахаров, остатков ортофосфорной кислоты. Все это нужно для того, чтобы в дальнейшем белки могли работать в разных частях клетки и выполнять специфические функции.

Белки – главные строительные элементы организма. По сути, гены (последовательности внутри ДНК) кодируют информацию о белках, а белки выполняют практически все физиологические функции в нашем организме. Они транспортируют кислород, строят соединительные и мышечные ткани организма, увеличивают скорость химических реакций. Ферменты – тоже белки. И ряд гормонов является белками.

Вы можете удивиться, но на самом деле информация о наших внешних признаках (цвет глаз, структура волос, рост, величина мышечной массы и так далее), записанная в ДНК, – это своего рода программа для строительства белков. Наш внешний вид и поведение – это белки! Даже память и внимание – белки!

В общем, с этого белкового корабля нам никуда не деться. Мы и есть этот корабль с ног до головы.

На рис. 6, схематично показаны матричные (связанные с ДНК) процессы в клетке. Они называются так, потому что молекула ДНК выполняет роль матрицы-шаблона, с которой считывается информация.

Рис. 6. Матричные процессы в клетке

Мы видим, что с ДНК синтезируется РНК. Затем с этой самой молекулы РНК (она выступает матрицей-шаблоном) на органоидах-рибосомах происходит синтез белка. Запомните эту схему, мы еще вернемся к ней чуть позже, когда будем говорить о памяти.

Также в нейроне есть митохондрии. В них синтезируются молекулы, снабжающие клетку энергией.

Рис. 7. Схематическое изображение разных типов синаптических контактов (шипиков)

Органоиды в нейроне работают на то, чтобы клетка могла создавать новые отростки и синтезировать ряд важных веществ.

Нервные клетки связываются друг с другом различными путями. Большинство нейронов передают сигнал друг другу с помощью электрических и химических структурных соединений – синапсов. Иногда в популярной литературе синапсы называют шипиками. Еще в мозге эмбриона нервные клетки в первую очередь отращивают именно шипики (синапсы) (рис. 7).

Чаще всего в нервной системе встречаются химические синапсы.

Химический синапс – место, где мембраны двух нейронов располагаются очень близко друг к другу, но при этом напрямую не соприкасаются (рис. 8).

В некоторых случаях синапс может состоять из мембраны нейрона и мембраны другой клетки (которую он обычно активирует). Одним из примеров является нервно-мышечный синапс. Это путь, по которому мышце передается команда действовать. Отросток нейрона отправляет импульс к синапсу, и в результате мышца сокращается.

Рис. 8. Строение синапса (схема)

На рис. 8 мы видим, что в месте контакта мембраны имеют специальные утолщения. Они похожи на своеобразные присоски. Между мембранами есть пространство: его называют синаптической щелью. Ширина синаптической щели может достигать около 40 нанометров (нм). Это совсем немного. Для сравнения: ширина двойной спирали ДНК около 2 нм. Получается, что ширина синаптической щели в 20 раз больше и, соответственно, в нее умещается только 20 молекул ДНК. А ведь туда еще надо «загрузить» молекулы нейромедиатора…

Чтобы запустить процесс передачи нервного импульса, необходимо вещество-посредник – его называют нейромедиатором. В синаптическую щель из отростка передающего нейрона выбрасывается нейромедиатор. Он связывается с молекулами-рецепторами на поверхности отростка принимающего нейрона подобно тому, как замок сочетается с ключом. Это и есть передача информации через синапс.

Связывание нейромедиатора с рецепторами приводит к тому, что в мембране отростка принимающего нейрона открываются специальные поры (каналы), пропускающие заряженные частицы (ионы). Из-за этого возникает изменение мембранного потенциала (формируется разница зарядов на внутренней и внешней поверхности мембраны). Волна возбуждения следует далее, перемещаясь по мембране отростка нейрона. Попеременно открываются и закрываются каналы на все более удаленных участках по ходу отростка. Каждый последующий участок возбужденной мембраны как бы заставляет соседа изменить заряд. Так и происходит перемещение нервного импульса по отростку нейрона дальше к другой клетке.

Это очень упрощенная схема, но она показывает, что в таком контакте передача возбуждения происходит иначе, чем, например, в электрических проводах. Здесь нужны биохимические молекулы – нейромедиаторы. Они как раз и открывают поры, регулирующие потоки заряженных частиц.

Но есть и электрические синапсы. Их совсем немного в нервной системе человека.

В электрическом синапсе мембраны двух нейронов располагаются очень близко друг к другу, и синаптическая щель узкая – менее 4 нм. Это в 10 раз меньше, чем у химического синапса. Поэтому в таких контактах возможно возбуждение мембраны соседнего нейрона и передача импульса от одного нейрона к другому напрямую, без посредника.

Пожалуй, единственное преимущество электрических синапсов перед химическими состоит в том, что они проводят нервные импульсы быстрее. Однако в некоторых случаях сигнал может ослабевать.

В химических синапсах используются разные нейромедиаторы в разном количестве, и вместе с тем могут открываться поры для различных ионов. Все это позволяет более тонко настраивать передачу информации. Именно поэтому подавляющее большинство наших синапсов химические.

Каждый день в первые месяцы после рождения в мозге ребенка возникают миллионы новых синапсов. 86 миллиардов нейронов выбрасывают ответвления, как щупальца, в поисках многочисленных отростков других клеток для передачи сигналов.

Например, синаптическая плотность (количество контактов) в зрительной коре достигает своего пика приблизительно в возрасте 9–15 месяцев. Затем она снижается, приближаясь к уровню взрослого человека.

Параллельно с образованием новых синапсов в мозге происходит уничтожение старых (прунинг). Наиболее активно этот процесс протекает в возрасте до 11–13 лет (до начала полового созревания). Прунинг позволяет стабилизировать уже имеющиеся нейросети. Такая обрезка синапсов на физиологическом уровне также обеспечивает процессы обучения.

Образование новых синапсов и их разборка происходят неравномерно, но с некоторой периодичностью. Мозг сотрясают последовательные волны производства и уничтожения синапсов. Каждая волна связана с определенным критическим периодом развития. Это своеобразные физиологические окна возможностей для обучения. Полагают, что в эти моменты мозг наиболее восприимчив к обучению разным типам деятельности: ходьбе, речи, чтению, сложным движениям и так далее.

Физиологические окна имеют свойство закрываться за счет приостановки создания (и разборки) синапсов. Так, если ребенок не слышал достаточное количество речи в возрасте до 3–4 лет, потом практически невозможно научить его полноценно разговаривать. Отсюда и возник описанный еще в XIX веке феномен детей-маугли.