Первым таким признаком является временная задержка, те самые 0,8 мс; в случае электрического синапса ждать задержки не было оснований. Другим отличительным свойством химических реакций является их сильная температурная зависимость. Чем выше температура, тем быстрее идет реакция. В случае электрических синапсов ожидать такой зависимости также не приходилось. Кроме того, при изучении химических синапсов было показано, что для их работы нужны ионы кальция в среде, омывающей клетки. Замена кальция на магний блокировала передачу сигнала через химический синапс. И вот в 1957 г. с помощью микроэлектродов был открыт синапс, в котором сигнал передавался практически без задержки, передача слабо зависела от температуры и не блокировалась магнием. Был открыт первый чисто электрический синапс. Это показалось странным исключением, да и синапс открыли всего лишь у какого-то речного рака. Но лиха беда начало. Вскоре электрические синапсы открыли у рыб, кошек, обезьян.

Как мы уже неоднократно видели это и раньше снова оказался прав Ходжа Насреддин, утверждая, что оба спорщика правы. Сейчас четко показано, что существуют и химические и электрические синапсы,

Электрические синапсы существуют, но их не может быть

Полученные в эксперименте доказательства передачи сигнала через синапс чисто электрическим путем вступили в противоречие с существовавшими на тот момент теоретическими расчетами. Сложилась парадоксальная ситуация: электрические синапсы есть, существуют, их существование доказано прямыми экспериментами, а расчеты показывают, что они не могут работать!

Действительно, как показало серебрение, а потом и электронная микроскопия, непосредственного контакта между клетками все-таки нет: клетки разделены щелью, заполненной жидкостью, через которую ток пойдет не только в клетку-мишень, но и вытечет куда-то «на сторону». Расчеты, проведенные в разных лабораториях мира, дали обескураживающие результаты. Оказалось, что при реальных экспериментально известных значениях сопротивлений мембран, межклеточной среды и размеров синаптических контактов и щелей в клетку-мишень будет затекать не более 0,01% всего тока, вытекающего из терминали. Этот ток к тому же растечется по всему телу клетки и не сможет создать изменения ее потенциала, необходимого для возбуждения или сопоставимого с реально измеряемыми изменениями.

За решение этой задачи в 1965 г. взялась группа молодых сотрудников Теоретического отдела Института биофизики АН СССР.

Первая их идея состояла в том, что в синапсе и сопротивление мембраны, и сопротивление межклеточного вещества могут быть другими, отличаться от сопротивления клеточной мембраны и внеклеточной среды. Ведь известные значения этих параметров были получены совсем на других объектах. Так что в расчетах, о которых говорилось выше, достоверными можно было считать только размеры синаптической области. Да и методы расчетов были весьма приближенными.

Для проверки выдвинутой гипотезы надо было повторить расчеты для разных значений этих неизвестных параметров; кроме того, требовалось усовершенствовать и сам метод расчета, чего никак не удавалось сделать. Тогда решили сделать аналоговую модель синапса.

Эту работу поручили дипломнику, который паял схемы, все время перепаивая их для новых значений параметров, подбирая сопротивления, причем сопротивлений с нужными параметрами, как обычно бывает, в лаборатории не оказывалось, и приходилось соединять несколько имеющихся. Канители было много и работа продвигалась медленно. А тут еще пришло лето и отделу предложили выделить двух сотрудников для поездки на месяц в колхоз. Никому не хотелось на столь долгий срок прерывать работу, и сотрудники предложили другой выход: поехать всем вместе, но зато на короткий срок. Жаль было только, что в полевых условиях нельзя ставить эксперименты и паять новые схемы.

Нужда научит калачи есть

Но этот отрыв от паяльника и сопротивлений оказал благотворное действие. Единственными доступными орудиями научного труда тут были карандаш и бумага. И вот Володе Смоляшгаову удалось заменить физическую модель математической: описать связь всех величин, характеризующих синапс, математическими функциями. Необходимый точный метод расчета был найден.

Вернувшись в лабораторию, засели за математические таблицы, линейки и прочие математические приборы того времени. Результаты работы на такой математической модели казались, на первый взгляд, совершенно невероятными.

Оказалось, что, хотя и существует некоторое оптимальное сопротивление мембраны в синапсе, при котором в клетку-мишень попадала самая большая часть тока, все равно эффективность такого синапса была несравнима с реальной. Если сопротивление мембраны бралось ниже оптимального, то увеличивалась утечка тока через щель, если сопротивление увеличивалось, то падала общая сила токах вытекающего из терминали.

Другой результат был уже совсем странным. По модели получалось, чтоулучшить связь между клетками можно, если… их лучше изолироватьдруг от друга! Через синапс, щель которого заполнена веществом с высоким удельным сопротивлением, терминаль может возбудить клетку-мишень, если только синапс имеет подходящие размеры: диаметр в несколько микрометров и, как обычно, тонкую щель. Этот результат, немного подумав, легко понять и на качественном уровне. Высокое сопротивление внутрищелевого вещества будет мало мешать току, текущему из терминали в клетку, так как в этом направлении его слой тонок, но зато будет эффективно препятствовать вытеканию тока через щель, так как в этом направлении сопротивление изолирующего слоя велико. Дело, как видите, опять оказалось в геометрии. Беда только, что электрические синапсы с щелью* заполненной жиром, не были известны в природе.

Отрицательный результат – тоже результат

Модель доказала, что электрический синапс не может работать ни при каком сопротивлении мембраны, одинаковом на всей поверхности синапса. И тогда был сделан следующий шаг в единственном возможном направлении: предположили, что мембрана синапса неоднородна по сопротивлению – она имеет «окна» с низким сопротивлением в центральных областях и высокое сопротивление у края синапса.

Эта гипотеза оказалась верной. С усовершенствованием методов электронной микроскопии в разных лабораториях мира было обнаружено, что, действительно, в ЭС используется неоднородная мембрана, но ее неоднородность создается особым способом: с помощью специального белка – коннектина. Молекулы этого белка имеются и в мембране терминали, и в мембране клетки-мишени и образуют там особую структуру – коннексон, состоящую из шести молекул и имеющую внутри канал. Когда аксон дорастает до клетки-мишени, два коннексона соседних мембран соединяются друг с другом и в каждом из них открывается отверстие – канал, который до того закрыт. Этот канал представляет низкое сопротивление для прохождения ионов. В ЭС много коннексонов. Таким образом, ЭС связывает две клетки множеством тоненьких трубочек диаметром около 1 – 1,5 нм, проходящих внутри белковых молекул.