Александр Спирин
Схема работы синапса. Фиолетовые стрелки показывают «приход» потенциала действия, подгоняющего пузырьки-везикулы с адреналином (красные точки). Содержимое везикул будет выделено в синаптическую щель. Синие спиральки – белковый рецептор адреналина. Иллюстрация Physorg
При статическом напряжении мышцы, так же как и во время динамических нагрузок, испытывают напряжение, приводящее к истощению (fatigue). Происходит это, помимо всего прочего, в результате предельно возможного расщепления главного клеточного энергоносителя – молекулы АТФ (аденозинтрифосфат). Переработкой трифосфата занимается головка белка миозина. Сигнал к движению двух протеинов навстречу друг другу дает нервный импульс, приходящий от двигательных (моторных) нейронов по аксонам к клеточному соединению.
Тела двигательных нейронов находятся в передних рогах спинного мозга, если речь идет о конечностях. Соединение представляет собой увеличенную копию синапса, или точки контакта двух нервных клеток. В синапсе происходит передача молекул нейротрансмиттера (посредника), которые после преодоления синаптической щели соединяются с белковыми рецепторами. Эти рецепторы участвуют в генерации ионных токов, которые регистрируются как электрический сигнал, идущий в теле нейрона-«контактера». В случае нервно-мышечного контакта тот же адреналин генерирует потенциал на поверхности мышечного волокна, миофибриллы, приводящий к началу движения миозина вдоль актиновых волокон. Вся эта цепочка электромолекулярных превращений и приводит к мышечному сокращению. Оно, естественно, сменяется расслаблением.
Все это мы знаем сегодня… А в ХVIII веке итальянец Алессандро Вольта много работал над созданием удобного источника тока. Его соотечественник Луиджи Гальвани, уроженец Болоньи, также упорно пытался понять природу животного электричества. Надо сказать, что Болонский университет был передовым в Европе в то время. Достаточно вспомнить английского ученого Уильяма Гарвея, который установил в его стенах наличие двух кругов кровообращения. Гальвани считал, что электричество рождается в результате мышечного сокращения. Это неверно с точки зрения современной электрофизиологии.
Прошло полтора века, прежде чем в 1963 году Нобелевскую премию присудили за открытие ионных токов в мембранах нервных отростков по мере прохождения в них сигналов-импульсов, сгенерированных приложением – почти по Гальвани – раздражающих электродов. Потом выяснилось, что бегущая ионная волна необходима для «подталкивания» пузырьков-везикул с нейромедиаторами к синапсу. Везикулы перемещаются по микротрубочкам с помощью моторных протеинов (названия которых – динеин, кинезин – говорят сами за себя).
Работа «Рефлексы головного мозга» Ивана Михайловича Сеченова стала теоретической основой развития физиотерапии, широко использующей различные токи для лечения тех же мышечных расстройств. Сейчас в связи со всем вышесказанным много говорят о бионических протезах.
Но, по мнению ученых из Массачусетского технологического института, протезы с электрической стимуляцией (FES – Functional Electric Stimulation) быстро истощают мышцы. Более перспективной они считают оптогенетику.
Скоро исполнится 20 лет с того момента, как Карл Дейсерот предложил нечто революционное. Тогда, в 2006 году, ученый из Стэнфордского университета предложил соединить оптику и генетику, вводя в клетки гены рецепторы, реагирующие на свет. Весь мир с 2011 года использует этот метод управления не только клетками, но и поведением разных организмов…
В Кембридже (США) предложили использовать для функциональной электростимуляции мышц не FES, а FOS (Functional Optical Stimulation), заменив электричество на поток фотонов, свет. Фотонами легче управлять, обеспечивая высокое качество воздействия на мышцы. Авторы заявляют об увеличении эффективности стимуляции на 320% по сравнению с FES.
В духе современного алгоритмического подхода они создали нервно-мышечную модель, которая детально описывает далеко не линейную динамику оптогенетической стимуляции мышц. На ее основе американские ученые продемонстрировали контроль мышечной силы в режиме реального времени и при отсутствии ее убывания. Ученые считают, что использование света заложит основу развития принципиально нового нейропротезирования. Это, как никогда раньше в истории человечества, становится актуально. Ведь в мире уже более 2 млрд автотранспортных единиц, не считая других средств передвижения, которые по закону больших чисел порождают различные травмы конечностей.
Но Массачусетский технологический не был бы технологическим институтом, если бы не смотрел вперед. Речь идет о набирающей силу и темп тенденции создания биогибридных роботов. При их производстве оптогенетика может содействовать упрощению модуляции работы синтетических мышц.
Но развитие биотехнологий и бионики идет нарастающим темпом, обещая воплощение в жизнь самых смелых идей биооптогенетиков.
