Кроме активных элементов, насосов, в мембране имеются пассивные, каналы, которые пропускают ионы в обоих направлениях. Но вторые — избирательны и позволяют пройти только своему типу ионов, кроме того, каналы могут быть открыты, а могут — закрыты.
Начальный потенциал в 10 милливольт, созданный насосами, открывает калиевые каналы, которые пропускают ионы калия, но не натрия. Так как концентрация калия внутри клетки во много десятков раз выше, чем снаружи, толпа ионов калия устремляется наружу, и на несколько десятков выходящих через каналы ионов калия приходится только один входящий. Таким образом клетку покидают положительно заряженные ионы, и отрицательный потенциал внутри клетки быстро растет до -70 милливольт. После этого наступает динамическое равновесие ионов калия, так как отрицательный заряд с внутренней стороны мембраны тянет их назад и начинает мешать им выходить наружу. Установившийся электрический потенциал, или напряжение, в (-70) милливольт называется потенциалом покоя, а процесс его установления — поляризацией.
При возбуждении мембраны типичной нервной клетки с установившимся потенциалом покоя открываются натриевые каналы, позволяющие ионам натрия выровнять концентрацию снаружи и внутри клетки, и разность электрических потенциалов меняется. Если это изменение превышает некоторое пороговое значение, то процесс становится лавинообразным. Все натриевые каналы открываются, и из-за притока внутрь положительно заряженых ионов натрия отрицательный потенциал внутри клетки уменьшается, а потом сдвигается в положительную сторону и в максимуме достигает (+30) милливольт. Устанавливается так называемый потенциал действия, а сам процесс называется деполяризацией.
После достижения деполяризации натриевые каналы моментально закрываются, и в действие вновь вступает механизм поляризации, быстро восстанавливая на старом участке прежнее состояние по описанному вначале механизму возникновения потенциала покоя. Процесс его восстановления называется реполяризацией. Но еще до того, как мембрана вернется в состояние покоя, потенциал действия открывает натриевые каналы на соседнем участке, порождая на нем возникновение нового потенциала действия в момент, когда старый уже угасает. Так возникает волна электрического напряжения, идущая по нервному волокну, или нервный импульс. Нервные импульсы служат сигналами, позволяющими нейронам обмениваться сообщениями.
Весь процесс создания нервного импульса проходит за две миллисекунды (две тысячных доли секунды): одна — на деполяризацию и одна — на реполяризацию. Теоретически нервная клетка может генерировать 500 (даже 800) импульсов в секунду, но на практике дело не доходит до более, чем 100–200. В палочках и колбочках биохимические процессы настолько сложны, что они генерируют всего 20 кадров/c.
На рисунке показан типичный нервный импульс с деполяризацией и реполяризацией. По оси «Y» — напряжение, по оси «X» — время.
В палочковых и колбочковых нейронах процесс нетипичен (я об этом говорил выше). В них потенциал покоя внутри клетки около -30 милливольт, а при возбуждении он не снижается, а нарастает до -70. Это — так называемая гиперполяризация.
Осталось рассказать про типичный коннектор для передачи сообщений между двумя нервными клетками, называемый синапсом.
Синапсы бывают электрические и химические. Первые, в основном, свойственны древним жизненным формам, вторые, на языке электриков, скорее, реле, а не котакт, потому что передача потенциала происходит не напрямую, а с использованием вещества-посредника, медиатора.
Под действием света молекулы родопсина и йодопсина, содержащиеся в рецепторных клетках (палочках и колбочках) меняют свою структуру (геометрию расположения атомов), что приводят в действие многоступенчатую систему химических реакций, запускающих процессы изменение электрического потенциала на мембране этих клеток, к которой подключены дендриты нервных клеток, следующего, биполярного слоя.