coś w rodzaju bańki mydlanej. Sama w sobie bańka nie może zdziałać zbyt wiele – potrafimy stworzyć w laboratorium sztuczną komórkę składającą się wyłącznie z błony i taka komórka nic nie robi. Natomiast prawdziwa błona komórkowa naszpikowana jest mnóstwem maleńkich, nadzwyczaj skomplikowanych maszyn wykonujących ściśle określone zadania; nas najbardziej będą interesowały cząsteczki białka, które wykrywają napierające na nie inne cząsteczki i otwierają furtki w błonie, przez które przepływają jony. Tak w wielkim skrócie powstaje impuls nerwowy.
Mimo że neurony mają zdumiewająco bogaty repertuar funkcjonalny, ich podstawowym zadaniem – pozwalającym odróżnić je od niemal wszystkich pozostałych komórek organizmu – jest komunikowanie się z innymi neuronami. Najczęściej odbywa się to za pośrednictwem krótkich impulsów elektrycznych (iglic), zwanych też potencjałami czynnościowymi, które mogą być przekazywane na mniejsze lub większe odległości. Neurony „rozmawiające” (przekazujące impulsy nerwowe) wyłącznie ze swoimi najbliższymi sąsiadami nazywane są interneuronami (neuronami obwodów lokalnych); przekazują one impulsy na co najwyżej 10 mikrometrów, czyli jedną setną milimetra. Ale są i takie impulsy nerwowe, które biegną od mózgu aż do podstawy rdzenia kręgowego (jak wówczas, gdy chcesz poruszyć paluchem stopy) lub w odwrotnym kierunku (gdy uderzysz paluchem w cegłę).
Nie należy mylić impulsu nerwowego z prądem elektrycznym płynącym przez miedziany przewód. Przewodnictwo nerwowe to bardziej skomplikowane zjawisko biologiczne, w którym aktywnie uczestniczą błony komórkowe; to elektryczne odzwierciedlenie ruchów jonów przepuszczanych do komórki i poza nią przez wyspecjalizowane białka wbudowane w błony komórkowe. Natura tego procesu powoduje, że w porównaniu z prądem elektrycznym w miedzianym przewodzie impulsy nerwowe biegną bardzo wolno, mniej więcej od 10 do 100 metrów na sekundę w zależności od aksonu, podczas gdy prąd elektryczny pędzi z oszałamiającą prędkością około 300 milionów metrów na sekundę. Ta powolność przekazywania impulsów nerwowych ma ogromny wpływ na możliwości obliczeniowe naszych mózgów – przy rozwiązywaniu problemów nie mogą się one odwoływać do strategii opartych na prymitywnej sile.
Na końcu aksonu znajduje się zwykle synapsa, która umożliwia przekazywanie informacji do mniej lub bardziej oddalonych neuronów. W synapsie potencjał czynnościowy neuronu zostaje zamieniony w sygnał chemiczny – dzięki wyspecjalizowanej maszynerii synaptycznej impuls nerwowy uwalnia związki chemiczne przechwytywane przez kolejny neuron. Te związki to słynne neuroprzekaźniki, o których co rusz słyszymy i czytamy w mediach. Ponieważ jest ich mnóstwo, są używane do wykonywania rozmaitych zadań w różnych obszarach mózgu, a że procedura ich uwalniania jest wielostopniowa, możemy oddziaływać na nie i w ten sposób wpływać na funkcjonowanie mózgu – w celach leczniczych i dla rozrywki[3]. Na synapsy działają nikotyna, neuroleptyki oraz leki przeciwkonwulsyjne używane przez pacjentów z padaczką. Oddziałuje na nie również lek uspokajający Valium i poprawiający nastrój Prozac.
Neuroprzekaźnik uwolniony przez jeden neuron może pobudzić lub wyhamować drugi. (W rzeczywistości neuron rzadko otrzymuje tylko jeden sygnał, ale na potrzeby tego wywodu załóżmy, że tak właśnie się dzieje). Drugi neuron łączy wszystkie otrzymane impulsy i jeśli w krótkim czasie dotrze do niego wystarczająca liczba sygnałów, uruchomi się jego potencjał czynnościowy, który może „przeskoczyć” na trzeci neuron i spowodować jego pobudzenie lub inhibicję, czyli wyhamowanie. I tak dalej.
Na tym etapie obserwujemy kolejną niesamowitą zdolność neuronów: mogą one decydować, które sygnały przekazywać do kolejnych neuronów, a które zatrzymywać. Decyzje te zapadają wyłącznie poprzez sumowanie sygnałów docierających do komórki. To trochę uproszczony obraz, jako że sposoby przekazywania sygnałów między neuronami są cudownie zróżnicowane. Niemniej można to sobie wyobrazić w ten sposób, że neurony dodają do siebie sygnały pobudzające i odejmują hamujące. Badaniem tych zjawisk zajmują się specjaliści z całkowicie odrębnej dziedziny neurobiologii; wielu moich wybitnych kolegów poświęciło całe życie studiowaniu tajemnic bardzo bogatej i eleganckiej komunikacji synaptycznej.
Teraz jednak wyobraźmy sobie neurony w ich najprostszej postaci: jako komórki nerwowe oczekujące na sygnały i generujące potencjał czynnościowy, kiedy moc owych sygnałów przekroczy określoną wartość. Ale samo przekazywanie sobie informacji przez neurony nie tworzy jeszcze mózgu, ten bowiem łączy sygnalizację ze zdolnością neuronów do podejmowania określonych decyzji. Znacznie teraz upraszczam sprawę, lecz w tej książce skupiamy się na samym procesie widzenia, wystarczy nam więc zrozumienie podstawowych zasad. Do najważniejszych należy to, że przekazany potencjał czynnościowy zawsze wywołuje zmianę potencjału elektrycznego w neuronie. Ma to zasadnicze znaczenie dla naszej historii, gdyż owe zmiany potencjału – impulsy nerwowe – mogą być rejestrowane przez badaczy uzbrojonych w długie, cienkie sondy zwane mikroelektrodami.
Neurony czuciowe nadają
Jak już powiedzieliśmy, neurony mogą przekazywać informacje na mniejszą lub większą odległość w obrębie układu nerwowego. U żyrafy neurony kontrolujące chód mogą się rozciągać na 2,5 metra – od mózgu do dolnej części rdzenia kręgowego. Sposoby sygnalizowania są jednak niemal zawsze takie same: gdzieś na powierzchni komórki powstaje bodziec, który generuje potencjał czynnościowy pobudzający cały neuron. Wyjątki od tej reguły są bardzo rzadkie.
Wszystkie neurony, które odbierają informacje ze świata zewnętrznego – za pośrednictwem dotyku, słuchu, wzroku czy zapachu – mają jedno podstawowe zadanie: wykrywać zdarzenia w środowisku i informować o nich mózg, niekiedy z pomocą jednego czy dwóch pośredników. Zadanie to mogą wszakże wykonywać na wiele sposobów, w zależności od natury wykrywanych zdarzeń w świecie zewnętrznym, które różnią się w swojej fizycznej rzeczywistości.
Rozważmy zmysł dotyku. Wrażenie dotyku powstaje, gdy skóra zostaje odkształcona pod wpływem nacisku – może to być dotyk palca na nadgarstku, ruch komara szukającego powoli odpowiedniego miejsca do wkłucia się w naczynie lub nieprzyjemne zderzenie z twardym przedmiotem. Wszystkie te deformujące skórę naciski, słabe i mocne, są rejestrowane przez zakończenia nerwowe znajdujące się tuż pod jej powierzchnią. Każde takie zakończenie jest częścią neuronu.
Powyższa ilustracja pokazuje dwa neurony drogi czuciowej dotyku; fragment skóry zaznaczony przerywaną linią po lewej nazywany jest polem odbiorczym lub polem recepcyjnym. Informacja w sytuacji przedstawionej na rysunku biegnie z lewej do prawej. Pierwszy neuron ma długie włókno (akson), które prowadzi z określonego miejsca na skórze – gdzie zakończenia nerwowe tworzą sieć małych rozgałęzień – do rdzenia kręgowego. Załóżmy teraz, że na ramieniu ląduje komar. Zakończenia jego odnóży nadzwyczaj delikatnie naciskają na skórę nad zakończeniem nerwu. Sygnał o nacisku zostaje przekazany do neuronu, który wzbudza impuls nerwowy. Impuls ten biegnie przez akson oraz ciało komórkowe do synapsy (zaznaczonej rozgałęzieniem) i do kolejnego neuronu, który mieści się w rdzeniu kręgowym i przekazuje sygnał do mózgu. (Istnieją też inne drogi czuciowe. Omówiona tutaj należy do najprostszych).
Rozgałęzienia neuronów zmysłu dotyku mogą wykrywać odkształcenie powierzchni skóry dzięki funkcjonowaniu kanału jonowego aktywowanego naprężeniem mechanicznym, czyli mechanoreceptora, który jest cząsteczką białka wbudowaną w błonę komórkową. Odkształcenie skóry powoduje otwarcie kanału jonowego, przez który do zakończenia nerwowego docierają jony naładowane dodatnio i pobudzają je. Kiedy to pobudzenie przekroczy pewien próg, zakończenie przekazuje dalej potencjał czynnościowy. Ten biegnie przez nerw czuciowy skóry (akson) i ciało komórkowe do rdzenia kręgowego,
