Железные нервы

В идеальном мире пассажиров, пользующихся поездами пригородного сообщения, электрички ходят строго по расписанию, никаких крупных сбоев в движении не происходит, а мелкие быстро и без ущерба ликвидируются компетентными службами. Однако в действительности движение электричек в рамках крупного железнодорожного узла, каким, например, является Москва, устроено настолько сложно, что обычному человеку трудно себе это даже представить. Для того чтобы продемонстрировать это, мы в партнерстве с крупнейшим пригородным железнодорожным перевозчиком АО «Центральная ППК» решили сравнить движение электричек с деятельностью самого сложного биологического объекта на земле — центральной нервной системой человека.

Пути, маршруты, подвижной состав, энергопотребление, узлы связи, диспетчерский центр, плотный охват железнодорожными путями больших территорий, нештатные ситуации, иногда «отключающие» участки дороги. Все это так напоминает организацию нервной системы в человеческом организме. Так же, как и инфраструктура железнодорожного транспорта, она подчиняется своим весьма определенным и жестким законам, а когда какой-то элемент вдруг выходит из строя, запускается цепь обязательных, «регламентированных» реакций, которая направлена на то, чтобы устранить неполадку, запустить обходные пути и в итоге доставить пассажиров до места назначения (если говорить о мозге — восстановить функциональную активность на участке). Что еще сближает поезда и нервную систему? 

Централизованное управление

Если рассмотреть железнодорожную инфраструктуру на примере Центрального федерального округа и сравнить ее с нервной системой, то, конечно, мозгом, то есть центральным пунктом управления и «стекания» всех транспортных потоков, станет Москва.

Многочисленные железнодорожные соединительные пути, проложенные между вокзалами и техническими пунктами внутри города, напоминают нервные тракты белого вещества — пучки длинных отростков нервных клеток, аксонов, которые связывают разные области мозга друг с другом. Сами железнодорожные вокзалы похожи на разные функционально значимые зоны мозга — приемные пункты поступающей информации, зоны ее первичной и вторичной обработки, а также области производства ответных сигналов.

Пути же пригородного сообщения можно представить в виде собирательного образа спинного мозга, распределенного по нескольким направлениям (например, Рижское, Ярославское, Киевское, Белорусское и так далее — всего девять, а с учетом Ленинградского, обслуживаемого другим перевозчиком, десять), которые, в свою очередь, расходятся на ветки — нервные волокна периферической нервной системы. В частности, в нашем организме 12 пар черепно-мозговых и 31 пара спинномозговых нервов.

Распределение функций

Механизмы, аналогичные соматической нервной системе (СНС), которая управляется сознанием (это наша сознательная деятельность, чувствительность, мышечная активность), и вегетативной нервной системе (ВНС), «живущей» автономно (управление работой внутренних органов), есть и на железной дороге. Например, управления, отвечающие за движение поездов, расписание, логистику, экстренный ремонт и так далее, в нашей системе координат соответствуют СНС. В свою очередь, управление, которое занимается только пассажирами, продажей билетов, контролем и всей связанной с этим деятельностью, становится условной ВНС.

Однако все возникающие проблемы и сложности, если, допустим, в пункте продажи билетов внезапно отключается электричество, решаются Управлениями совместно: нужно ли везти, к примеру, к той кассе запасной электрогенератор или можно переключить питание на параллельный источник, от которого также может питаться железная дорога. В это время диспетчеры уведомляют разъездных кассиров-контролеров о случившемся сбое, чтобы те были готовы и не инициировали возможный конфликт с безбилетным пассажиром или пассажиром с отрывным талончиком, который ему выдали на кассе вместо билета — по технологии ручной резки билетов.

Так же с нервами: во время стрессовой ситуации симпатическая часть вегетативной нервной системы возбуждается и вместе с соматической нервной системой подготавливает организм к рывку: усиливает мышечную силу, обостряет работу органов чувств, расширяет бронхи, чтобы в легкие поступало больше кислорода, расширяет зрачок для лучшего обзора и активизирует мыслительную деятельность — ведь нужно быстро сообразить, что происходит, и найти выход из сложной ситуации.

А если нерв оказался поврежденным («под удар» попали аксоны, длина которых может достигать метра), в нем запускаются процессы репарации — сохранные тела нейронов «уведомляются» о поломке и синтезируют новые составные детали аксона. В результате нерв постепенно восстанавливается (отрастает заново).

Направление движения

Поезд, который движется по железной дороге, как правило идет только в одном направлении (если нет какой-то чрезвычайной ситуации). То есть существуют отдельные пути для маршрутов «из точки А в точку Б» и «из точки Б в точку А». Это очень похоже на нервный импульс, который «приходит» в нейрон по дендриту (короткому отростку) и передается к следующей нервной клетке по аксону. При этом сигналы в нервной системе могут двигаться только в одну сторону, в противоположном направлении нервный импульс отправиться не может.

Другой закон, которому подчиняется нервная система, заключается в том, что электрический импульс проходит по нервному волокну изолированно, не перескакивая при этом на соседние волокна. Так, машинист по своему желанию не может во время движения по прямой направить поезд на соседние пути. Для этого есть стрелки, с помощью которых можно изменить траекторию движения состава и сориентировать его в нужное направление. В мозге, в частности, такую функцию перераспределителя для входящих сенсорных импульсов выполняет таламус (парная структура, которая расположена в промежуточном мозге).

Интересно, что каждый нерв включает как двигательные волокна, которые следуют по нисходящей от коры больших полушарий через спинной мозг к мышцам, так и восходящие сенсорные пути, которые начинаются с многочисленных рецепторов, располагающихся в коже, мышцах, сухожилиях, и, пройдя сквозь спинной мозг, достигают пункта «прибытия» — зоны коры мозга, отвечающей за обработку сенсорных сигналов. Аналогично этому, каждое путевое направление пригородных поездов состоит в основном из двух веток железной дороги, ведущих как в одну, так и в другую сторону.

Потребность в энергии

Сам по себе никакой поезд не поедет — чтобы локомотив приобрел тягу, ему нужна энергия. Поскольку эра паровозов давно прошла, основная движущая сила современного железнодорожного транспорта — электричество, поступающее через контакт токоприемника с проводом, протянутым над железнодорожными путями.

Для того чтобы в организме образовался потенциал действия, мембране возбудимой клетки, которую как раз представляет собой нейрон, тоже необходимы определенные стартовые условия. В норме соотношение заряженных частиц — ионов натрия, калия или хлора — с наружной и внутренней стороны мембраны распределяется таким образом, что внутри образуется небольшой отрицательный заряд, тогда как снаружи — положительный.

Через специальные входы в мембране — ионные каналы, которые открываются под воздействием какого-либо раздражителя, — положительные ионы могут проникать внутрь, и когда отрицательный заряд внутри снижается до определенного порогового значения, все ионные каналы лавинообразно открываются и потоки заряженных частиц устремляются в клетку, на некоторое время меняя заряды внутри и снаружи мембраны на противоположные. Этот процесс называется потенциалом действия — нейронным импульсом или сигналом, в которых информация кодируется и доносится до мозга.

Вся эта машинерия, конечно, гораздо сложнее устройства двигателя локомотива, но, тем не менее, и здесь для восстановления стартового ионного баланса по обе стороны мембраны необходима энергия, чтобы клетка снова могла проводить через себя импульсы. И эта энергия потребляется в виде АТФ (аденозинтрифосфата) — универсального «топлива» организма.

Контроль над ситуацией

Мозг, как и диспетчерский центр, всегда в курсе всего, что происходит на том или ином участке транспортного сообщения, находящемся в его ведении. И для этого тоже существуют специальные механизмы.

Например, у диспетчерского центра имеется доступ к позиционированию подвижного состава: местонахождение поезда определяется по занятости участка рельсовой цепи. То есть когда поезд находится в определенном месте, он через колесную пару замыкает рельсовую цепь. И фактически это перекрывает путь на участок любому другому составу. Последовательно занимая блок-участки, поезд прорисовывает себе нитку маршрута. Соответственно, следующий поезд может пройти по тому же самому участку только через какое-то время, и минимальный интервал движения, которого сейчас смогли добиться на маршрутах пригородных поездов,составляет четыре минуты.

Нервные импульсы тоже «передвигаются» по нерву с определенной частотой, и это связано со свойствами мембраны нервных клеток. Восстановление ионного баланса происходит не сразу, а через некоторое время — порядка двух миллисекунд, что как раз представляет собой «интервал» между двумя импульсами. Именно поэтому нервное волокно в состоянии проводить импульсы с частотой не выше 500 герц.

Скорость движения

Увы, даже если электричка опаздывает, проехать некоторые участки дороги быстрее она не сможет, поскольку там существуют ограничения скоростного режима. Они связаны с уклоном насыпи, радиусом кривых, расположением путей (в населенных пунктах или, скажем, в лесу), наконец, с тем, что между железнодорожными станциями пригородного сообщения расстояния, как правило, небольшие — всего несколько блок-участков, каждый из которых чуть больше километра, то есть не меньше длины тормозного пути грузового поезда. Не успеешь разогнаться, уже пора останавливаться. Максимальной скорости, которую может развить подвижной состав, достигают только скоростные электрички, потому что, как правило, между пунктами их маршрута расстояния гораздо больше.

Соответственно этому, у нас в организме есть «медленные» и «быстрые» нервные волокна. Скорость движения нервного импульса по медленному волокну ограничивается примерно двумя метрами в секунду, тогда как по быстрому волокну сигнал разгоняется до 120 метров в секунду. Это свойство связано с изоляционной обмоткой нерва другим типом клеток нервной системы — олигодендроцитами, или шванновскими клетками.

Когда их нет, то потенциал действия последовательно переходит с одного участка нерва на другой, так же как и рейсовая электричка, которая не пропустит ни одной остановки. Но изоляция позволяет «удлинить» участки скоростного движения, оставляя лишь небольшие «остановки» в виде так называемых перехватов Ранвье («оголенные» части волокна, остающиеся непокрытыми), и по такому пути сигнал гораздо раньше приходит в место назначения. Как и скоростная электричка, которая позволяет сэкономить время в дороге.

Отклонение в графике

Иногда на каком-то участке пригородного сообщения происходит ЧП: авария на переезде, упавшее дерево, какое-то другое происшествие. Чтобы его устранить, требуется время. И даже если путь уже свободен, поезда пока не могут ходить с обычной регулярностью: каждый следующий поезд отстает в расписании больше предыдущего, и ремонтная бригада может снова остановить движение, если обнаружит что-то неладное.

Увы, с нервной системой случается порой то же самое: существует множество демиелинизирующих заболеваний, которые разрушают в различных местах изолирующую миелиновую оболочку нейронов, нарушая проводимость. И, хотя этих «узких» мест может быть немного, нервный импульс до цели доходит с трудом или медленнее. Так возникают сначала парезы — вялость в конечностях, а затем, если разрушение достигло критических границ, — полный паралич, когда конечность вовсе перестает двигаться. К сожалению, организм может справиться с устранением «поломок» далеко не всегда.

Безопасность

Удивительно схоже выстроена в железнодорожном сообщении и головном мозге система безопасности. В обычном случае электрички сопровождаются сотрудниками полиции. Они просто проходят по вагонам и наблюдают, все ли в порядке. В головном мозге тоже есть клетки собственной иммунной системы — микроглия. В норме они очень похожи на морских обитателей – змеехвосток или офиур. Пока все хорошо, они тоже «патрулируют» мозг, контролируя вверенное им пространство, и распределяются по «своим» точкам.

Но вот в электричке происходит нарушение общественного порядка — хулиганы или антисоциальные элементы, которые угрожают комфорту и безопасности пассажиров. Тогда полицейские «активируются», собираются в вагоне с нарушителем и нейтрализуют его. Микроглия в случае, если она встречает «внутреннего врага», поступает точно так же — она активируется, превращается в макрофаги и «поедает» слабый синапс, остатки умершей клетки и другие чужеродные частицы.

Но что происходит, если в электричке или на станции обнаружен подозрительный бесхозный пакет? Вскрывать его — не в компетенции полиции, здесь нужны специалисты. И если все службы работают в четком соответствии с регламентом, то помощь приходит извне системы пригородного сообщения. В мозге все точно так же! Если в головной мозг, обычно защищенный гемато-энцефалическим барьером от инфекции, все-таки попадает патоген, то по специальным каналам связи посредством химических сигналов из печени в мозг «рекрутируются» клетки иммунной системы, которые и расправляются с микробами.

Диагностика разрыва

Самое слабое место в системе электричек — это контактный провод. Он тонкий, и иногда случаются обрывы. Причины могут быть разными: пережог провода или механический обрыв во время урагана.

Чтобы устранить неполадку, нужно ее найти, чем и занимаются соответствующие службы, проезжающие вдоль железнодорожного полотна. Кроме того, регулярно нужно проверять рельсы на наличие внутренних дефектов — потому что если внезапно рельс под колесами расколется, электричка пойдет под откос.

Обе процедуры очень похожи на поиск мест нарушения проводимости нервных волокон периферических нервов при различных травмах или заболеваниях, особенно при различных нервно-мышечных болезнях. Для диагностики в этом случае врачи чаще всего назначают электромиографию (смотрят на возбудимость нерва по его ходу, не нарушается ли она где-нибудь) или ультразвуковое исследование нервов. Кстати, дефектоскопия рельсов на железной дороге тоже производится ультразвуком.

Анна Хоружая