МЫСЛЬ И РЕАКЦИЯ - СО СКОРОСТЬЮ СВЕТА

Несколько лет назад группа кандидата физико-математических наук Армена МАКАРЯНА начала проводить исследования, связанные с передачей импульсов в нервной системе животных и человека. Работа нервной системы – самой сложной в живом организме, всегда вызывала большой интерес ученых. И неудивительно. Она играет важнейшую роль в передаче информации и координации работы всех органов и систем, однако ее деятельность изучена пока недостаточно. И перед наукой все еще стоит достаточно много вопросов, на которые нет однозначных и экспериментально подтвержденных ответов.

ТО, ЧТО ЭТИ ВОПРОСЫ ВЫЗВАЛИ ИНТЕРЕС ФИЗИКОВ – СОВЕРШЕННО ЕСТЕСТВЕННО, поскольку передача информации в нервной системе происходит по нервным волокнам электрическим путем. Электрические импульсы генерируют и передают нервные клетки – нейроны, что и является основой коммуникации внутри нервной системы животных и человека. Однако все очень непросто.

А поскольку известно, что самый быстрый способ передачи информации - электромагнитным путем, то исследователей заинтересовали вопросы электрической активности мозга и возможность обнаружения высокочастотных сигналов. Для выявления различных патологий и нарушений в работе мозга в медицинской диагностике широко применяется электроэнцефалограмма, которая записывает только низкочастотные импульсы. Самая большая частота - 1000 герц, то есть не более 1000 импульсов в секунду. Однако, многие процессы, происходящие в нервных системах, как например, восприятие и анализ информации, память, логическое рассуждение, обучение, сознание, эмоции и т.д. предполагают существенно более высокие частоты обмена информацией. Поэтому, в данном случае перед учеными стояла задача обнаружить сигналы более высокой частоты.

При использовании традиционных методов исследований можно регистрировать тепловое излучение мозга, иначе говоря, тепловой шум, но это интересующей информации не дает. Тепловой шум регистрируется во всех случаях, независимо от того, человек напряженно думает или спит. Но что является источником шума? В общем-то любые объекты, в том числе и не биологические, излучают электромагнитные волны, что обусловлено движением элементарных заряженных частиц в атомах и молекулах, из которых они состоят, причем излучение меняется в зависимости от температуры объекта: чем она выше, тем сильнее излучение. Если при проведении исследований использовать спектральный анализ, то он не дает новых данных, тепло выделяется независимо от состояния мозга и активности его деятельности. Тогда были использованы другие статистические методы обработки сигнала мозга, которые позволили обнаружить радиочастотные компоненты сигнала, связанные с состоянием человека.

Исходя из известных условий, максимальная скорость движения нервного импульса в организме не превышает 100 метров в секунду, тогда как скорость электрических импульсов по проводам приближается к скорости света, а это примерно 300000 километров в секунду. Чем же объясняется такая разница в скорости? Дело в том, что нервные волокна устроены не так, как провода, используемые в электроснабжении. Они неоднородны, в них участки изолированных проводников чередуются с неизолированными участками, так называемыми, перехватами Ранвье, которые раскрываются в результате химических процессов, происходящих под воздействием электрических импульсов, из-за чего продвижение импульса по волокну замедляется.

КОГДА В КОМПЬЮТЕРЕ ЗА СЕКУНДУ ОБРАБАТЫВАЮТСЯ МИЛЛИАРДЫ БИТОВ ИНФОРМАЦИИ, это вопросов не вызывает, поскольку этот процесс происходит в физических условиях, которые полностью этому соответствуют. А в случае с нервной системой животных и человека, как мы ее представляем, быстрый обмен информацией не должен происходить, а он происходит. Но почему? Почему мы сразу же ощущаем возникшую в том или ином органе боль, четко различаем ее особенности, равно как и моментально реагируем на какие-то внешние воздействия – радость, неожиданную опасность, испуг, быстро принимаем решения в критических ситуациях?

Выходит, имеются серьезные основания полагать, что передача электрических сигналов в живом организме происходит иначе, чем, согласно принятым представлениям, должен передаваться сигнал в нервной системе, а возможно, важную роль играют какие-то неучтенные факторы. Удивительно, но этот не только интересный, но и важный вопрос достаточно редко привлекает ученых, хотя существуют и опубликованы некоторые предположения, относительно того, как происходит обмен информацией в живом организме, однако ни одна из высказанных гипотез не подтверждена экспериментально.

Известно, что из конечностей организма электрический импульс проходит через отдельные нервы сначала в спинной мозг, а затем - в головной, который обрабатывает полученные сигналы, принимает решение и отправляет соответствующие импульсы к органам и таким образом управляет организмом, отвечает за все его действия.

Причем нервные волокна, передающие импульсы, не соприкасаются между собой. И все-таки, как же происходит обмен импульсами, когда человек думает, вспоминает, получает и обрабатывает информацию, принимает решения?

Чем обусловлена высокая скорость этих процессов? По мнению Армена Макаряна, обмен информацией в человеческом организме, как и в организме животных, происходит каким-то другим путем и с передачей информации высокочастотными импульсами.

Ученых заинтересовал очень важный вопрос - проходят ли через нервную систему токи высокой частоты, и начали эксперименты. Два года назад у группы Армена Макаряна появился терагерцовый спектрометр, что позволяет понять, как ведут себя материалы в этом диапазоне. Для исследований использовался спиной мозг животного – овцы или свиньи, который достаточно долго сохраняет свои свойства. Это позволило выявить некоторые важные особенности. Оказалось, что если направление электрического поля терагерцового излучения совпадает с направлением нервных волокон, то система ведет себя определенным образом, а если электрическое поле перпендикулярно нервным волокнам, то по-другому.

КАК ПОКАЗАЛИ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ПРИ ПОДАЧЕ НАПРЯЖЕНИЯ ВЫШЕ ОПРЕДЕЛЕННОГО ПОРОГОВОГО ЗНАЧЕНИЯ нервные волокна на всем своем протяжении становятся проводниками для терагерцовых волн, а значит терагерцовый импульс может продвигаться по ним со скоростью света. Но что же является источником напряжения в естественных условиях? Это химические процессы, происходящие в организме. Возможно, это и есть разгадка. То, что получено экспериментальное подтверждение способности нервных волокон проводить терагерцовые волны, стало важным шагом к пониманию происходящих процессов. Но вопросов, на которые пока нет окончательно подтвержденных ответов, все еще много.

Исследования продолжаются и, будем надеяться, что их результаты позволят составить полное представление о том, как происходит движение импульса в организме и чем обусловлены те или иные реакции, каким образом нам удается различать сигналы об опасности, боли и радости со всеми нюансами.

Пока что проводимые группой Армена Макаряна исследования носят чисто фундаментальный характер, однако этим их значение не исчерпывается. Когда механизмы распространения информации в живом организме будут полностью расшифрованы, появится много возможностей практического применения новых знаний, в частности, в медицине, для улучшения физического и психологического состояния человека, совершенствования его реакций на внутренние и внешние воздействия и т.д. На более продвинутом этапе к этим исследованиям присоединятся биологи, что приблизит практическое использование результатов исследований. Но это уже дело будущего, возможно, совсем недалекого.