41. Всё или ничего

В августе 1939 года в Плимуте, в лаборатории Морской биологической ассоциации, двое молодых кембриджцев ввели стеклянную нить внутрь нервного волокна кальмара. Волокно было толщиной с грифель тонкого карандаша, и нить входила в него вдоль, как соломинка в коктейль. По экрану осциллографа пробежал импульс и сделал то, чего по тогдашней теории сделать не мог. Он не просто сбросил напряжение на оболочке клетки до нуля, а проскочил через ноль, и внутри волокна на мгновение стало плюс. Короткая заметка Алана Ходжкина и Эндрю Хаксли вышла в октябре, когда уже шла война. Объяснять было некогда: Ходжкин ушёл разрабатывать бортовые радары для ночных истребителей, Хаксли — рассчитывать зенитную, а потом корабельную стрельбу.

Нейрон собран как любая сложная клетка, и геном у него тот же, что у клетки печени того же животного: разница в том, какие гены включены. Решение он принимает за тысячную долю секунды, и принимает его оболочка. Она набита белками-порами, их называют ионными каналами. От тела клетки отходят ветвистые входы, дендриты, и один длинный выход, аксон. У человека аксон может тянуться от поясницы до пальцев стопы.

Оболочка работает как батарейка. Насосы в ней без остановки выталкивают натрий наружу и затаскивают калий внутрь. Калий понемногу просачивается наружу сквозь поры, открытые и в покое, и уносит с собой плюс, поэтому внутри клетки держится небольшой минус. Это то же неравновесие, по которому жизнь видно из космоса, только размером с клетку, и платить за него приходится так же, постоянной работой. Большую часть энергии мозга съедают как раз эти насосы: после каждого сигнала они возвращают ионы на место.

Каждая пора умеет одно: открыться или закрыться. Натриевые поры охотнее открываются, когда минус внутри слабеет, и впускают натрий. Натрий ослабляет минус ещё сильнее, и открываются соседние поры, а за ними те, что дальше по волокну. Если толчок был слабым, открывшихся пор не хватит, напряжение сползёт обратно, и ничего не случится. Если толчок дотянул до порога, остановить это уже нельзя: волна вспыхивает во всю высоту и бежит по аксону до конца. Следом натриевые поры захлопываются, а калиевые, чуть запаздывая, открываются и возвращают минус на место.

Ни одна пора не знает, что такое порог. Порог есть только у тысяч пор вместе, как у бикфордова шнура: он либо не загорелся, либо горит до конца, и спичка побольше не делает огонь ярче. Поэтому импульс всегда одной высоты, около десятой доли вольта, в пятнадцать раз меньше пальчиковой батарейки, и через тысячную долю секунды всё кончено. Силу удара или громкость звука нейрон передаёт не высотой, а частотой. Чем сильнее, тем чаще щелчки, как у счётчика Гейгера.

Бежит сигнал не так, как ток по медному проводу. Это волна открывающихся пор и ионов, перетекающих сквозь оболочку, и скорость её зависит от волокна. По тонким голым волокнам она идёт со скоростью пешехода. Толстые волокна обмотаны изоляцией, импульс перескакивает по ним от просвета к просвету и мчится как скоростной поезд. Ударившись мизинцем о ножку стола, сначала чувствуешь резкий удар и лишь через мгновение тупую ноющую боль. Два сигнала вышли одновременно, но поехали разными дорогами.

Ходжкин и Хаксли вернулись к кальмару после войны. Они научились держать напряжение на оболочке постоянным и смотреть, какой ток при этом течёт, разделили ток на натриевый и калиевый и записали правила, по которым открываются и закрываются те и другие поры. Самих пор никто не видел, в уравнения их вписали как допущение. К марту 1951 года уравнения были готовы, но университетский компьютер в Кембридже стоял на переделке. Хаксли сел за механический арифмометр и около трёх недель крутил ручку, шаг за шагом вычисляя один импульс, который в кальмаре длится пару тысячных секунды. Самого импульса в уравнениях не было, только правила открывания пор, но на бумаге он получился сам: почти той же формы, что на экране осциллографа, и со скоростью лишь на десятую часть меньше измеренной.

Одну пору услышали через четверть века. В 1976 году в Гёттингене Эрвин Неер и Берт Закман прижали кончик стеклянной пипетки к мышечному волокну лягушки, и запись тока легла ровными ступеньками: ток есть, тока нет, ток есть. Щёлкала одна молекула белка. Эту пору открывал не сдвиг напряжения, а химический сигнал, но через несколько лет тем же способом услышали и натриевую. А в 1998 году калиевую пору бактерии разглядели до отдельных атомов. Она пропускает калий сплошным потоком и почти никогда не пускает натрий, хотя его ион меньше.

Каналы старше нейронов. Они есть у бактерий, а импульсы «всё или ничего» дают и инфузория-туфелька, и мухоловка, захлопывающая лист. Нейрон сделал этот щелчок своей профессией и научился передавать его далеко, другим клеткам. Бывает он только у многоклеточных животных: у губок нейронов нет, у медуз они уже есть.

На дендриты нейрона коры приходят около десяти тысяч входов от других клеток, и каждый чуть подталкивает напряжение к порогу или от него. Клетка складывает толчки, пришедшие одновременно в разные места и один за другим в одно место, и выносит одно решение: стрелять или нет. Десять тысяч голосов шепчут, а судья поднимает флажок или не поднимает. Сложение это хитрее простой суммы. Когда нейробиологи попробовали повторить подробную компьютерную модель одного нейрона коры обычной искусственной нейросетью, понадобилась сеть в несколько слоёв. Сколько считает живая клетка, пока не решено: ответ зависит от того, насколько точной копии требовать.

Памяти в нейроне нет. Он не помнит ни лица, ни дороги домой, и в его решении нет смысла, только «да» или «нет». Всё, что он отдаёт миру, — одна и та же буква, повторённая чаще или реже. Развилки на этом этаже нет. Слова начинаются на конце аксона: там буква превращается в химический сигнал и переходит к соседней клетке, а насколько громко её там услышат, зависит от того, что этот контакт пережил раньше.