В последние десятилетия XIX в. были достигнуты решающие успехи в изучении строения клеток тканей мозга. Начало этим открытиям положил Камилло Гольджи, профессор из Павии, который создал очень эффективный метод специфического окрашивания нервных клеток. Работая, в самых, различных областях экспериментальной медицины, он решил использовать для окрашивания, препаратов ткани, мозга нитрат, серебра. Соли серебра, селективно поглощаясь нервными клетками, придавали им черный, цвет. Это позволяло хорошо видеть различные отростки нервной клетки, благодаря чему итальянский ученый смог описать мелкие ответвления (дендриты) и крупный отросток (аксон), осуществляющие связь нервных клеток с другими клетками организма.

Гольджи никогда, не придавал, особого значения этому открытию, и даже не известно точно, когда оно было, сделано. Метод окрашивания был принят на вооружение другими учеными, и микроанатомия мозга достигла большого прогресса. В 1891 г. Вильгельм Вальдейерввел, понятие нейрона как основного элемента нервной системы. Согласно его представлениям: нейрон — это функциональная единица, состоящая из тела нервной клетки и отростков, которыми она связывается с другими клетками. Эта теория утвердилась в науке ценой больших усилий. Одним из самых убежденных её противников был Гольджи, хотя теория возникла и развивалась в значительной степени благодаря его экспериментальным методам. Новые данные в подтверждение идей Вальдейера были получены в результате усовершенствования методов приготовления препаратов. Главная заслуга в этом принадлежит испанскому гистологу Сантьяго Рамон-и-Кахалю, который усовершенствовал методы Гольджи. Наряду с нитратом серебра он стал использовать и хлорид золота. Этим соединением он пропитывал даже тончайшие отростки нейронов, делая их видимыми. Так, из хаоса переплетенных нитей и клеток ткани мозга вырисовывалась более ясная картина.

Гольджи описал несколько типов нервных клеток и их отростков. Он установил, что аксоны клеток мозга соединяются со спинным мозгом, осуществляя таким образом связь мозга с телом. Рамон-и-Кахаль провел обширные наблюдения структуры различных частей мозга и нервной системы, нередко исследуя структуры мозга на эмбриональной стадии развития, когда они имеют более простое строение, и это позволило лучше разобраться в устройстве мозга. Оба ученых приобрели широкую известность в начале нашего столетия, их кандидатуры неоднократно выдвигались на Нобелевскую премию. Однако против этого было немало возражений, при этом, в частности, ссылались на то, что Гольджи уже десятилетия не занимается названными проблемами и, в сущности, более известен теперь своими работами по субклеточным структурам. Вместе с тем Рамон-и-Кахаль по-прежнему активно работал и, безусловно, заслуживал высокой награды. Но ведь создателем метода был не он. Перед Нобелевским комитетом при Каролинском институте (который в первые годы более жестко следовал завещанию Альфреда Нобеля) встала сложная дилемма. С одной стороны, некоторые считали, что награждение Гольджи будет первым случаем присуждения премии как своего рода пенсии. С другой стороны, нельзя не отметить заслуги этих исследователей. Наконец, несмотря на колкие реплики, в 1906 г. был достигнут компромисс. Гольджи и Рамон-и-Кахаль получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в знак признания их работ по исследованию структуры нервной системы.

Однако от выяснения структуры мозга до разгадки его функций было еще очень далеко. Эта задача выглядит отдаленной перспективой и сегодня, несмотря на огромные успехи нейрофизиологии. Как это обычно происходит в науке, исследователи начали с самого простого. Они поставили перед собой цель: понять, как действуют нервные волокна, проводящие импульсы.

Биоэлектричество как явление стало известно еще в конце XVIII в. благодаря опытам Луиджи Гальвани. В начале XIX в. оно было исследовано его соотечественниками Леопольдом Нобили и Карло Маттеучи. К 1843 г. Эмиль Дюбуа-Реймон уже располагал достаточно совершенной техникой для изучения импульсов, идущих по нервному волокну. Он показал, что это импульс отрицательного электричества. Спустя несколько десятилетий Аларику Фритьофу Холмгрену удалось «подслушать» сигналы нервов с помощью телефона. Эти исследования позволили собрать данные о биоэлектрических явлениях. Генри Пикеринг Боудич установил, что функции нерва, в частности его возбуждение, осуществляются по закону «все или ничего», иначе говоря, сигнал возникает лишь когда возбуждение достигает определенного порога. Эти результаты получили дальнейшее подтверждение в начале XX в. в работе Кейта Лукаса. Арчибальд Вивьен с сотрудниками исследовали выделение нервом тепла, показав, что при прохождении нервного импульса резко усиливается обмен веществ нервных клеток.

Эти опыты были поставлены в Кембриджском университете, где существовала крупная школа физиологов. После первой мировой войны туда вернулся из госпиталя молодой исследователь, который приступил к изучению нервных путей с помощью самой совершенной техники того времени. Эдгар Дуглас Эдриан, используя электронные усилительные лампы, которые обеспечивали тысячекратное усиление сигнала, смог уловить импульсы единичных нервных волокон — отростков нейрона. Он получил интересные данные о характере и распределении импульсов, которые впоследствии оказались очень ценными при изучении механизма возникновения биоэлектрического импульса.

Эдриан достиг больших успехов в исследовании проводящих путей нервных импульсов, особенно органов, чувств. За свои работы он был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине. Вместе с ним был награжден. один из ветеранов нейрофизиологии — Чарлз Скотт Шеррингтон, исследовавший нейронный механизм рефлексов. Оба ученых получили премию за исследование функции нейронов. Эту проблему они рассматривали с разных сторон, взаимно дополняя результаты друг друга.

Технические усовершенствования обеспечили возможность более глубокого изучения функций нервов — проводников биоэлектричества. После работ Германа Гельмгольца, который в конце прошлого века измерял скорость прохождения нервного импульса, в нашем столетии исследования этого рода продолжали бурно развиваться. Густав Йотлин установил, что толстые волокна проводят импульсы с большей скоростью. Эдриан открыл, что импульсы выделяются сериями, причем их частота повышается с увеличением силы раздражения. Это наводило на мысль, что нервы, подобно кабелям, состоят из пучков волокон-проводников. Джозефу Эрлангеру и Герберту Спенсеру Гассеру выпало счастье первыми установить сложную структуру нерва. В 1920 г. на конгрессе инженеров в Чикаго, демонстрировались новые радиолампы-усилители и усовершенствованные электронные осциллографы, которые спустя два десятилетия после их изобретения Карлом Фердинандом Брауном достигли довольно высокого уровня. Записав с помощью этой техники нервные импульсы с весьма высокой точностью, Эрлангер и Гассер пришли в 1924 г. к выводу, что их сложный характер можно довольно легко объяснить, если принять, что сам нерв состоит из нескольких типов волокон, проводящих электрические импульсы с разной скоростью. Эти двое американских ученых, работавшие в известном Институте Джорджа Вашингтона в Сент-Луисе (шт. Миссури), установили наличие трех типов волокон, которые были обозначены первыми тремя буквами латинского алфавита. Наиболее толстые волокна типа А проводят импульсы со скоростью 5—100 м/с, волокна типа В — со скоростью 3—14 м/с и волокна типа С — со скоростью 0,3—3 м/с.

Эрлангер и Гассер сумели доказать, что отдельные волокна, входящие в состав нерва, служат различным целям. Толстые волокна, передающие импульсы с высокой скоростью, несут команду для быстрого действия мышц. Более тонким волокнам, по которым передается информация от органов чувств, столь высокая скорость не нужна. С наименьшей скоростью переносят импульсы нервные нити, проводящие, например, чувство боли. Это разнообразие — результат миллионов лет эволюции, в ходе которой выживали только существа, наиболее быстро приспосабливающиеся к окружающим условиям.

В 1944 г., когда вторая мировая война подходила к концу, комитет при Каролинском институте возобновил свою деятельность, тогда-то премия по физиологии и медицине была присуждена Эрлангеру и Гассеру за открытие высокодифференцированных функций единичных нервных волокон. Работы этих ученых явились крупным шагом вперед в развитии нейрофизиологии — науки, исследующей нервные структуры во взаимосвязи с их функциями.

К 50-м годам были получены наконец результаты, которые бесспорно показывали, как проводится нервный импульс. Еще Дюбуа-Реймон высказывал предположение, что биотоки обусловлены ориентацией молекул в живой клетке. После этого некоторые ученые связывали работу нерва с различными биохимическими процессами в его протоплазме. Постепенно, однако, выяснялось, что нервный импульс связан с мембранными явлениями. Известный физико-химик Вильгельм Фридрих Оствальд еще в 1890 г. высказал мысль, что возникновение электрических зарядов обусловлено различием в проницаемости ионов. В 1902 г. Юлиус Бернштейн, продемонстрировав замечательную интуицию и глубокое понимание проблемы, разработал первую мембранную теорию, которая объясняла появление нервного импульса различием в концентрации ионов на внутренней и внешней сторонах мембраны и изменением ее проницаемости. Эта теория была довольно умозрительной, но время показало, что в принципе она верна. В 1904 г. Эрнест Овертон внес важное уточнение в теорию, предложив механизм образования мембранного потенциала. Он выдвинул гипотезу, что электрический заряд возникает в результате различия концентрации ионов натрия и калия с разных сторон мембраны нервной клетки. Прошло почти полвека, прежде чем эта гипотеза стала научным фактом. В ее утверждение внесли вклад многие исследователи, среди которых особо следует выделить Алана Ллойда Ходжкина и Андру Филлинга Хаксли.

Их успех в значительной степени был обеспечен удачным выбором объекта для исследования. В 1938 г. Ходжкин находился в командировке в известной Морской лаборатории в Вудсхолле (шт. Массачусетс), где познакомился с работой К. Коула и Г. Дж. Кёртиса, которые изучали прохождение нервных импульсов по гигантским аксонам кальмаров. Это необыкновенные нервные волокна: их диаметр достигает 1 мм. Такие крупные размеры волокон обусловлены необходимостью быстрого прохождения импульсов, так как кальмары, сепии и осьминоги — активные, быстро плавающие хищники. Поверхность нервного волокна возрастает пропорционально квадрату линейного увеличения диаметра, и это повышает возможность прохождения импульса. У человека и других позвоночных животных проблема высокой скорости передачи нервных импульсов решена технически более элегантно: их нервные волокна обвиты изолирующей миелиновой оболочкой (из мякотных нервных волокон), причем мембрана нервов открыта в так называемые перехваты Ранвье. Импульс проходит только в тех участках, где нет изоляции, и распространяется не по всей длине нерва, а движется по нему скачкообразно, одновременно с этим происходит усиление импульса.

Подобная структура выглядит значительно более совершенной, но также очень трудна для исследования. Счастливое открытие зоолога Дж. Йонга, который в 1936 г. установил, что огромные аксоны кальмаров вполне можно исследовать невооруженным глазом, предоставило нейрофизиологам замечательный объект для исследований. Ходжкин и Хаксли с помощью различных экспериментов подтвердили гипотезу Овертона. Один из таких опытов, задуманный П. Бейкером и Т. Шоу и проведенный ими вместе с Ходжкином в 1961 г., наилучшим образом иллюстрирует мембранную теорию.

Они взяли аксон кальмара и выдавили его из протоплазмы. После этого вводили в нервное волокно различные растворы и проверяли, как концентрация ионов сказывается на передаче нервного импульса. Было установлено, что мембранный потенциал зависит от концентрации калия и натрия снаружи и внутри нервного волокна. В плазме аксона концентрация ионов калия в 20—50 раз больше, чем в межклеточной среде, где преобладают ионы натрия и хлора. Это обусловлено тем обстоятельством, что мембрана свободно пропускает калий, но очень слабо — натрий. При возбуждении, когда проходит импульс, мембрана становится проницаемой и для натрия. В состоянии покоя на разных сторонах мембраны накапливаются электрические заряды разных знаков, что и обусловливает возникновение его мембранного потенциала. При возбуждении происходит деполяризация: проникновение ионов натрия в нервную клетку нейтрализует потенциал, а затем приводит к инверсии зарядов. В состоянии покоя внутренняя сторона клеточной мембраны заряжена отрицательно по отношению к внешней, а в момент возбуждения — положительно.

После того как импульс проходит, вступает в действие мембранный ферментативный комплекс, так называемый «натриевый насос», который восстанавливает исходное состояние нервной клетки и подготавливает ее для следующего импульса. Это занимает несколько миллисекунд, и поэтому импульсы не могут следовать друг за другом непрерывно. Мембранная теория Ходжкина и Хаксли, описывающая процессы генерации и передачи нервных импульсов, явилась крупным достижением физиологии XX в. Основные подтверждения в ее пользу были получены в 50-е годы, а в 1963 г. А. Ходжкину и А. Хаксли вместе с Джоном Эклсом была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине. (Интересно отметить, что Аидру Хаксли — внук известного естествоиспытателя Томаса Хаксли, одного из соратников Дарвина, брат крупного биолога Джулиана Сорелла Хаксли и писателя Олдоса Хаксли.)

Изменение электрических зарядов приводит к возникновению в нервных клетках локальных токов и появлению волны возбуждения, т. е. нервного импульса. В организме этот импульс всегда распространяется от рецепторов к мозгу, а от него — к различным органам тела. Природа изобрела замечательный механизм, обеспечивающий прямолинейность проведения нервного сигнала и контроль за ним. Это своеобразное реле, которым заканчивается нерв, Шеррингтон назвал синапсом («связью»). В точке соприкосновения нерва с другим нервом или мышцей, железой и т. д. электрический сигнал преобразуется в химический. Возбужденная мембрана выделяет вещества-медиаторы, которые диффундируют к соседней мембране. Химическое воздействие возбуждает другой нерв, порождает новый электрический импульс. В синапсе импульс распространяется только в одном направлении. Химическое действие может не только возбуждать, но и подавлять нервный импульс, что очень важно для работы мозга. Исследование химических медиаторов началось в первые десятилетия нашего века. Это были первые шаги в чрезвычайно сложной области психохимии, которая сегодня составляет одну из увлекательнейших глав физиологии.

 

Химия мозга

Ученые, занимавшиеся исследованием биоэлектрических явлений в нервной системе, считали совершенно естественным, что нервы, подобно телеграфным кабелям, осуществляют связь как между собой, так и с различными органами тела. В начале века, однако, обнаружилось, что в работе нервной системы принимают участие химические вещества. В 1904 г. Томас Рентой Эллиот выделил из сердцевины надпочечников адреналин — вещество, которое оказывало на организм такое же воздействие, как и возбуждение симпатической нервной системы. Исследователь предположил, что это соединение вырабатывается в окончаниях нервных волокон симпатической нервной системы. Через десять лет, в 1914 г., Генри Халлетт Дейл опубликовал результаты исследований ацетилхолина. По своему воздействию это вещество напоминало возбуждение парасимпатической нервной системы, но оно в отличие от адреналина не обнаруживалось в теле, и это весьма затрудняло исследования.

Такие результаты привели ученых к мысли, что нервное возбуждение может вызываться определенными химическими соединениями, -своеобразными переносчиками возбуждения. Эти гипотезы утвердились лишь в 1921 г., когда Отто Леви поставил простой, но довольно своеобразный эксперимент. Изолировав и поместив в раствор сердце лягушки, он с помощью маленькой трубочки соединил его с сердцем другой лягушки. Раздражение первого сердца вызывало сокращение второго, что указывало на выделение в раствор какого-то вещества, способного вызывать нервные импульсы. Оно присутствовало в ничтожной концентрации, поэтому его выделение и определение было сопряжено с большими трудностями. Лёви и его сотрудник Э. Навратил открыли растительные соединения, тормозящие разложение парасимпатического вещества, что дало возможность установить его природу: это был хорошо известный ацетилхолин.

В дальнейшем указанное соединение было обнаружено и в других органах. Лёви и Навратил показали, что существует специфический фермент холинэстераза, который вызывает быстрое разложение ацетилхолина, и поэтому последний встречается в минимальных количествах. На этом этапе исследований большую роль сыграли работы Г. Дейла. Используя метод, созданный Алексеем Васильевичем Кибяковым и независимо Вильгельмом Фельдбергом и Джоном Гэддамом, Дейл показал, что ацетилхолин образуется и в нервных связях различных структур нервной системы. Это вызвало оживленные дискуссии, так как впервые был поставлен вопрос о том, связана ли передача импульсов в нервной системе с химическими веществами.

Хотя, как уже говорилось, ацетилхолин выделяется в нервных окончаниях в ничтожно малых количествах (около одной стотысячной миллиграмма), Дейл и его сотрудники смогли показать, что он всегда возникает при передаче нервного импульса в синапсах (в местах соединения двух нервов или нервного волокна с рабочими органами, такими, как мышца, железа и т. д.).

Открытия Лёви, работавшего в Институте фармакологии в Граце (Австрия), и Дейла — из Национального института медицинских исследований в Лондоне положили начало нейрохимии, из которой в дальнейшем выросла психохимия. Это ознаменовало революционный переворот в изучении нервной системы. Новые идеи утвердились в результате упорной борьбы и получили признание в решении Каролинского института присудить в 1936 г. Нобелевскую премию по физиологии и медицине Г. Дейлу и О. Лёви за исследования химической природы передачи нервных импульсов. Это знак уважения к трудам двух ученых, которые в то время вместе работали в лаборатории Э.Г. Старлинга в Лондоне и сохранили тесные контакты в дальнейшем.

Открытие химических медиаторов оказало большое влияние на исследования в области нейрохимии. Вслед за адреналином и ацетилхолином был выделен ряд других веществ, участвующих в передаче нервных импульсов. К ним относятся такие соединения, как норадреналин, гистамин, серотонин и др. Этими открытиями заинтересовались многие фармакологи, так как изучение медиаторов позволило объяснить действие ряда токсичных и лекарственных препаратов и способствовало поиску новых лекарств. Итальянский химик Даниеле Бове, работавший почти 20 лет у Эмиля Ру в Пастеровском институте в Париже, посвятил свои научные исследования веществам, блокирующим действие химических медиаторов.

Еще в 1937 г. Бове получил первый антигистаминовый препарат, на основе которого впоследствии были разработаны другие соединения для клинического применения. В дальнейшем Бове занялся алкалоидами, блокирующими действие нервных импульсов.

Алкалоиды отличаются довольно сложной структурой, и их вытяжки из природных веществ имеют непостоянный состав и дают непредсказуемый эффект. Это значительно затрудняет их клиническое использование. Бове и его группа постепенно научились синтезировать вещества с более простой структурой, которые оказывали такое же действие, что и природные алкалоиды, не давая при этом нежелательных побочных эффектов. Например, на основе кураре были созданы препараты, эффективно парализующие мышцы и значительно облегчающие хирургические операции.

От экспериментальной нейрофармакологии Бове пришел к психофармакологии. Эта сравнительно новая область науки изучает химические процессы, происходящие в центральных структурах нервной системы. С помощью соответствующих веществ стало возможным непосредственное вмешательство в деятельность мозга. Бове, в частности, занимался диэтиламидом лизергиновой кислоты, более известной под сокращенным названием «ЛСД». Это соединение, случайно открытое одним швейцарским химиком, оказывает исключительно, сильное воздействие на психику. Сегодня оно используется даже как наркотик. Открытие подобных веществ создает угрожающую перспективу манипуляции сознанием человеках помощью различных препаратов. К счастью, человечество еще далеко от этого, но в лечении различных заболеваний химическим путем психофармакология уже имеет, великолепные достижения.

В 1957 г., когда стали намечаться пути, развития этой области, Бове была присуждена Нобелевская, премия по физиологии и медицине за открытия, связанные с изучением механизма действия, синтетических соединений лекарственных препаратов.

Изучением химических механизмов передачи нервных импульсов занимался и австрийский ученый Дж. Кэрью Эклс, ассистент Шеррингтона, многие годы работавший в Оксфордском университете, а затем в Австралии, Новой Зеландии и США. С помощью микроэлектродов Эклс исследовал механизм передачи нервных импульсов через синапсы. Измеряя мембранный потенциал, Эклс показал, как возникает возбуждение и торможение под действием химических медиаторов. В момент, когда химическое вещество оказывает стимулирующее действие, в нервном волокне возникает характерный импульс, который передает информацию дальше. Эти точные и тонкие исследования были сделаны приблизительно в то же время, когда Ходжкин и Хаксли разрабатывали мембранную теорию передачи нервного импульса. Исследования Эклса в значительной степени содействовали выяснению общей картины, так как он занимался мембранным потенциалом в области синапсов — своеобразных реле живого организма. В 1983 г. Эклс вместе с Ходжкином и Хаксли были удостоены Нобелевской премии.

Исследования Дейла и Лёви в 20-е годы просто привели к идее о химических механизмах передачи нервных импульсов. В дальнейшем Эклс выяснил некоторые элементы этого процесса, в частности возникновение мембранных потенциалов. Новым этапом было исследование на ультрамикроскопическом уровне процессов в синапсах в сочетании с изучением биохимических механизмов, что создало довольно целостное представление об этих явлениях.

Один из ассистентов Эклса продолжил начатые им в Сиднее исследования, углубив представления об электрофизиологических явлениях в синапсах, связывающих моторные нервы с мышечными волокнами. Это Бернард Кац, немецкий эмигрант, проработавший несколько лет у Арчибалда Вивьена Хилла в Лондоне, а в 1939 г. переехавший в Сидней к Эклсу, чтобы заняться там исследованием процессов в нервно-мышечных соединениях. В 1946 г. он вновь возвратился к Хиллу и несколько лет спустя стал заведовать кафедрой биофизики Лондонского университета, не прекращая в течение всего этого времени исследований нервно-мышечных процессов.

В 1946 г. Ульф фон Эйлер (Эйлер-Хельпин), новый представитель большой династии ученых, отец которого, Ханс Эйлер-Хельпин, был лауреатом Нобелевской премии по химии в 1929 г., сделал интересное открытие. Он установил, что нор адреналин служит медиатором для симпатической нервной системы. Вместе со своими сотрудниками Эйлер обнаружил, что на конце нервного волокна в синаптической мембране образуются небольшие гранулы, в которых синтезируется и хранится химический медиатор. Достигая поверхности мембраны, гранулы освобождают вещество-посредник, которое проникает на расстояние 200—500 Å к мембране следующего нерва. Именно так осуществляется химическая передача импульса.

Джулиус Аксельрод из Нью-Йорка выяснил дальнейшую «судьбу» медиатора. Он показал, как это вещество инактивируется в результате воздействия специального фермента. После этого медиатор возвращается обратно и вновь попадает в гранулу, готовый к новому импульсу. Оказалось, что природа выработала быстрый, эффективный и экономичный способ работы синапсов.

Химическая передача нервных импульсов оказалась исключительно важной проблемой. Установлено, что некоторые психические заболевания связаны с нарушениями в медиаторах и синапсах. Дальнейшие исследования показали, что мозг использует для передачи сигналов еще более сложные вещества, и, в сущности, он напоминает гигантскую железу. Разгадка тайн биохимии мозга, несомненно, имеет особое значение для клинической медицины и экспериментальной физиологии. Д. Аксельрод, У. Эйлер и Б. Кац, внесшие большой вклад в исследование этих вопросов, были удостоены в 1970 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине. Она была присуждена им за исследования медиаторов и их роли в передаче нервных импульсов.

 

Мозг и поведение

В 30-е годы в исследовании высшей нервной деятельности наметилось новое направление, которое постепенно оформилось в самостоятельную науку. Речь идет об этологии, изучающей поведение животных в естественных условиях. По-гречески «этос» означает «поведение, характер, нрав». Отличительная черта этой науки — использование полевых методов. Как и естествоиспытатели прошлого, этологи проводят дни и недели на природе, внимательно наблюдая за животными в естественных условиях и получая этограммы, фиксирующие с помощью киносъемки различные моменты поведения животных. Особенно большие заслуги в этой области принадлежат трем ученым. Это Карл фон Фриш, Конрад Лоренц и Николас Тинберген.

Имя профессора Фриша навсегда останется связанным с пчелами. В течение многих лет он исследовал сложные взаимоотношения между многочисленными обитателями ульев, пытаясь проникнуть в тайные законы, управляющие этим обществом. Столь высокая организация невозможна без сложной системы коммуникации. Фриш поставил перед собой задачу расшифровать язык этих насекомых и добился своей цели.

Прежде всего он пометил пчел, чтобы можно было различать их. Повсюду вокруг улья исследователи расставляли мисочки с сахаром, о которых тотчас же становилось известно всему улью. Фриш заметил, что, обнаружив сахар, пчела быстро возвращается в улей и исполняет своеобразный танец, которым уведомляет остальных пчел о местонахождении лакомства. Этот танец рассказывает обо всем: расстоянии до объекта, направлении на него и о положении Солнца, которое служит ориентиром. Аналогичную информацию получают пилоты перед вылетом к определенной цели, так что принципы навигации одинаковы для всех. Следуя полученным указаниям, пчелы вылетают и быстро находят источник питания.

Эти проведенные на раннем этапе исследования показали, что в поведении животных весьма разнообразно проявляются примитивные рефлексы, которые были исследованы еще в XIX в. Впоследствии Лоренц и Тинберген рассматривали более сложную картину поведения многих видов птиц, млекопитающих, рыб и насекомых. Они установили, что во многих случаях поведение животных определяется врожденными инстинктами, причем под влиянием разных ключевых стимуляторов проявляются различные его элементы. Обычно определенная ситуация играет роль сигнала, который «отключает» механизм торможения в мозгу и приводит в действие сложный комплекс инстинктивных реакций. Сигналами могут служить звуки, запахи, а также морфологические признаки, связанные с формой и окраской животных.

Наряду с этим животные наделены своеобразным языком, с помощью которого они обмениваются информацией. Это дает им возможность обучаться в пределах их способностей, развивать новые формы поведения и более гибко реагировать на изменения в окружающей среде. Взаимосвязь между врожденным и приобретенным — проблема, которая издавна интересовала исследователей психической деятельности и которая в этологии решается сравнительно легко и однозначно. Просто-напросто животные, как и люди, имеют психику, хотя и более элементарную.

Имена Фриша, Лоренца и Тинбергена значились в списках кандидатов на Нобелевскую премию еще в 50-х годах. Однако эксперты Каролинского института, преимущественно медики, считали, что исследования указанных специалистов в области зоологии вряд ли можно «втиснуть» в рамки медицины и физиологии. Их мнение изменилось лишь после того, как стало понятно, что животные — удобная модель для исследования сложной психики человека. Совершенно очевидно, что этологи во многом способствуют развитию психологии вообще, помогая ей найти новый подход к проблемам. Поэтому в 1973 г. Каролинский институт наконец принял решение о присуждении К. Фришу, К. Лоренцу и Н. Тинбергену Нобелевской премии по физиологии и медицине за создание и развитие новой научной дисциплины — этологии.

Важным этапом в развитии нейрофизиологии стали исследования английского ученого Чарлза Скотта Шеррингтона в начале XX в. Соединив данные различных авторов со своими собственными экспериментальными результатами, он глубоко исследовал нейронный механизм рефлексов — самых элементарных актов поведения. Исследования анатомов позволили в общих чертах понять строение нервной системы. Вершиной достижений в этой области были работы Камилло Гольджи и Сантьяго Рамона-и-Кахаля, заложивших основы нейронной теории. Было установлено, что в спинном и головном мозге на различных уровнях имеются комплексы нейронов, соединенных между собой отростками. Это — серое и белое вещество (нервные клетки и связывающие их нервные волокна).

В 1893 г. Шеррингтон решил разобраться, как осуществляется простой рефлекс, возникающий при постукивании невролога по колену резиновым молоточком. Он выяснил, каким путем сигналы раздражения доходят от рецептора к нервному центру, откуда по двигательному нерву поступают команды к мышцам. После этого успеха Шеррингтон перешел к изучению более сложных рефлексов, реализующихся в более высокоорганизованных участках мозга. Он исследовал нервную регуляцию ходьбы, бега и других функций организма. Результаты своих исследований Шеррингтон обобщил в монографии, изданной в 1906 г. По мнению его коллег-современников, этот труд можно было сравнивать лишь с работами Павлова в данной области. Английский ученый исследовал особенности проведения возбуждения в рефлекторной дуге и выяснил, что она состоит из афферентных нейронов, воспринимающих раздражение, промежуточных нейронов, обрабатывающих информацию, и эфферентных нейронов, посылающих команды к рабочим органам. Он установил однонаправленность проведения возбуждения в синапсе и наличие синаптической задержки. Открыл явления взаимодействия рефлексов, их облегчения, конвергенции и т. д.

Еще в 1902 г. Шеррингтона выдвигали на Нобелевскую премию, однако он был удостоен этой награды лишь в 1932 г. в возрасте 75 лет. Он разделил Нобелевскую премию с Эдгаром Дугласом Эдрианом. Шеррингтон исследовал нейроны, а его более молодой коллега — распространение нервных импульсов. Оба ученых рассматривали проблему рефлексов, но с противоположных направлений.

Большой вклад в изучение рефлекторных механизмов поведения внесла школа советских физиологов. В 20-е годы И.П. Павлова повторно выдвигали на Нобелевскую премию, и, хотя он не получил ее, этот факт, безусловно, свидетельствует о высокой оценке его достижений. Большие заслуги в изучении координации рефлексов принадлежат советскому физиологу Алексею Алексеевичу Ухтомскому, который в 1931 г. получил премию имени В.И. Ленина за созданную им теорию доминанты. Эта теория описывает взаимодействие нервных центров, и особенно случаи, когда какой-либо из них, имеющий повышенную активность, доминирует над другими.

В первые десятилетия нашего века португальский нейрохирург Антонио Каэтану ди Абреу Фрейриди Эгаш Мониш приобрел известность благодаря созданному им методу радикального лечения ряда психических заболеваний. В своей клинике в Лиссабоне он детально разработал методику так называемой префронтальной лейкотомии (разрез белого вещества переднего мозга). Такое хирургическое вмешательство эффективно излечивало различные психические заболевания, связанные с депрессией, неврозами страха, навязчивыми идеями, манией преследования и многими случаями шизофрении. Радикальная операция (часто ее называют «лоботомией») позволяла восстановить до приемлемого уровня психику людей, находившихся в состоянии полной инвалидности. Когда было невозможно радикально излечить пациента, лоботомия по крайней мере помогала уменьшить его страдания.

Эгаш Мониш помог тысячам людей вернуться к нормальной жизни, и в 1949 г. он был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине. Вместе с ним был награжден швейцарский физиолог Вальтер Рудольф Гесс, который исследовал мозге помощью инструмента значительно более тонкого, чем хирургический скальпель.

В 1928 г. Гесс занялся исследованием различных структур мозга путем электрического раздражения. В то время он был уже известным физиологом, специализировавшимся у таких светил, как Ленгли, Шеррингтон, Старлинг, Хопкинс, Дейл и другие. В 1917 г. стал директором Физиологического института в Цюрихе. Это обеспечило ему значительную свободу в исследовательской деятельности, которую он использовал в полной мере.

Швейцарский ученый разработал метод вживления электродов в различные структуры мозга (главным объектом его исследования был гипоталамус), что позволило изучать их функции и реакции. Во время своей Нобелевской лекции в 1949 г. Гесс показал фильм, продемонстрировавший поведение подопытных кошек с вживленными в мозг электродами; по желанию экспериментатора животные шипели и бросались на воображаемого врага, успокаивались, засыпали, просыпались, занимались поисками пищи и т. д. Гесс вводил электрода в средний и промежуточный мозг — в две из пяти частей головного мозга, регулирующих ряд физиологических процессов и элементарных реакций поведения. Созданный им метод открыл широкую область для исследований, в которую сразу же устремились многие ученые. Особых успехов добился здесь Хосе Мануэль Родригес Дельгадо. Как истинный испанец, он пренебрег кошками и занялся быками, управляя ими с помощью имплантированных электродов лучше самых знаменитых тореадоров.

Развитие нейрохирургии привело к интересному открытию, пролившему свет на работу обоих полушарий головного мозга. В 60-е годы в целях борьбы с эпилепсией стали перерезать мозолистое тело — пучок нервных волокон, связывающих полушария головного мозга. После такой операции больные на первый взгляд не отличались от здоровых людей. Но профессор психологии Калифорнийского технологического института Роджер Сперри высказал предположение, что эта процедура далеко не безобидна. Уже при первых своих наблюдениях в 1968 г. он заметил, что у пациентов с «расщепленным мозгом» в буквальном смысле левая рука не ведает, что делает правая.

Сперри предпринял обширную серию экспериментов, используя самые различные психологические тесты. Его целью было исследовать, как реагируют оба полушария на воздействие света. У нормальных людей это трудно выяснить, но при лечении эпилепсии трудности отпадают. Сперри показал, что после рассечения мозолистого тела мозга процессы в каждом полушарии протекают независимо. Он доказал, что каждое полушарие мозга выполняет свои собственные функции: левое ответственно за речь, письмо и счет, правое — за восприятие пространственных взаимосвязей и интуитивное распознавание окружающих предметов. Поскольку нервные пути пересекаются, правое полушарие управляет левой половиной тела, а левое — правой. Поэтому, если оперированный человек касается левой рукой какого-либо предмета, то он его узнает, но не может назвать. Необходимо, чтобы, на помощь пришла правая рука — тогда информация от осязания преобразуется в левом полушарии в словесное описание. В дальнейшем Сперри выявил пластичность речевых функций, обнаружив, что у больных с рассеченным мозолистым телом (в особенности у молодых людей) со временем речевые функции правого полушария совершенствуются. В связи с этим Сперри высказал предположение, что взаимодействие между двумя полушариями обусловлено их различной «специализацией».

Оригинальные исследования Роджера Сперри показали, что нервный субстрат сознания образуют именно большие полушария головного мозга и связи между ними. Будучи развитыми у человека в наибольшей степени, они полностью доминируют над более примитивными структурами, унаследованными эволюционным путем. За свои замечательные открытия в области функциональной специализации полушарий мозга Роджер Сперри был удостоен в 1981 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине. Эту почетную награду разделили с ним американский ученый Дэвид Хьюбел и шведский исследователь Торстен Визел за открытия в области обработки информации в зрительной системе.

 

Исследование органов чувств

Мозг, как и любая ЭВМ, нуждается в источниках информации. Его информационными каналами служат органы чувств — настоящие окна в мир, которые улавливают свет, звуки, а также многие другие сигналы окружающей среды и кодируют их в нервные импульсы, идущие в мозг.

Важнейшим органом чувств является зрение. Более 90 процентов информации об окружающем мире человек получает с помощью глаз. Теория зрения была разработана военным врачом Германом Гельмгольцем, который затем от медицины перешел к физике, став одним из известнейших естествоиспытателей XIX в.

В 1853 г. Гельмгольц объяснил, как происходит аккомодация — фокусировка глаза на близких и далеких предметах. Под роговицей глаза находится хрусталик, главная функция которого как раз и заключается в фокусировке изображения на глазное дно, покрытое светочувствительной сетчаткой. Хрусталик заключен в специальную капсулу и поддерживается нитями, которые изменяют его кривизну. При сокращении определенных мышц нити расслабляются и хрусталик благодаря своей эластичности становится более выпуклым, что увеличивает его преломляющую способность и уменьшает фокусное расстояние. Так глаз фокусируется на близких предметах.

Теория Гельмгольца была принята ученым миром с удовлетворением, и никто не ожидал, что в нее можно что-либо добавить, пока за изучение глаза не взялся другой врач, который также отдавал предпочтение физике. В 1890 г. молодой исследователь из Стокгольма Альвар Гульстранд публикует свою докторскую диссертацию по теории астигматизма (один из дефектов зрительного восприятия, который устраняется с помощью очков с цилиндрическими стеклами). В последующие два десятилетия Гульстранд все глубже проникал в оптику, расширяя свои знания, пока наконец не стал одним из крупнейших специалистов в этой области.

Гульстранд поставил перед собой исключительно трудную задачу — детально изучить оптическую систему глаза. Прежде всего он установил, что изменение кривизны глазного хрусталика только на две трети обеспечивает увеличение преломляющей способности, необходимой для точной фокусировки. Таким образом, выяснилось, что теория Гельмгольца охватывает не все явления. Шведский офтальмолог, ставший профессором Упсальского университета, обратил внимание на особое микростроение глазного хрусталика: он состоит из большого количества прозрачных нитей. Обнаружилось, что при аккомодации наряду с изменением кривизны оптической поверхности хрусталика происходит и перемещение нитей, в результате чего изменяется показатель преломления, — это и дает дополнительное увеличение преломляющей способности хрусталика. Все эти выводы стали возможны благодаря многочисленным тончайшим экспериментам и сложной теоретической обработке данных. Открытие новых фактов в области, где на протяжении более полувека все выглядело незыблемым, явилось большой неожиданностью для научных кругов. В 1911 г. Альвар Гульстранд был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине за работы по диоптрике глаза, в частности за исследование астигматизма и аккомодации.

В 1865 г. Фритьоф Холмгрен из Упсальского университета впервые записал электроретинограмму. Он установил, что при освещении глаза в его сетчатке (ретине) возникают электрические импульсы. В 20-е годы нашего века в результате работ Эдгара Эдриана и Юнгве Зотермана стало возможным исследовать отдельные сенсорные клетки и их электрические сигналы. Примерно в то же время молодой шведский исследователь Рагнар Гранит, родившийся в Финляндии, специализировался по электрофизиологии у Шеррингтона. Для исследования глазной сетчатки, служащей приемником светового излучения, он использовал самые совершенные методы того времени. Анализируя электроретинограммы, он показал существование зрения двух типов. Один реализуется в полумраке, когда действуют преимущественно те клетки сетчатки, которые называются палочками. При сильном освещении вступают в действие и так называемые колбочки — клетки другого типа, чувствительные к цветам.

Гранит предположил, что в клетках сетчатки имеются специальные вещества, реагирующие на яркость света. Он назвал эти вещества доминаторами, в отличие от других субстанций — модуляторов, которые, по его мнению, воспринимают соответственно красный, зеленый и синий цвета и находятся в специализированных клетках, обеспечивающих цветовое зрение, — колбочках. Палочки обладают высокой чувствительностью к свету, реагируя даже на единичные фотоны, но не воспринимают цвета. Это делают колбочки, имеющие, однако, более низкую чувствительность к свету. Не случайно старая пословица говорит: «Ночью все кошки серые».

В период первой мировой войны в Дании было установлено, что один из видов нарушения зрения, так называемая «куриная слепота», связан с недостатком витамина А. В начале 30-х годов молодой зоолог из Колумбийского университета Джордж Уолд (Георг Вальд), находясь в командировке в Европе и работая в лаборатории Отто Генриха Варбурга, установил, что в сетчатке глаза содержится витамин А. Пока в Далеме (Берлин) проводились эксперименты, из Цюриха пришла весть, что Пауль Каррер и его сотрудники определили структуру этого витамина. Уолд сразу же выехал в Швейцарию, чтобы ознакомиться с новейшими результатами. После этого он продолжил свои исследования у Отто Мейергофа в Гейдельбергском университете. Там Уолд показал, что зрительный пигмент родопсин состоит из ретинена (вещества, близкого по структуре витамину А) и белка опсина.

Это открытие было сделано в 1934 г. За несколько десятилетий до этого в том же университете Вилли Кюне не исследовал желтый зрительный пигмент родопсин, незадолго до этого открытый (1877) Францем Болом. Эксперименты Уолда, проведенные вместе с его сотрудницей Рут Хебарт (впоследствии ставшей женой Уолда), уточнили и закрепили представление о том, что зрительный пигмент в сетчатке глаза состоит из двух частей. Небольшая молекула, названная хроматофором, связывается с большой белковой молекулой опсина. Под действием светового кванта этот комплекс распадается, что ведет к серии реакций, которые в конечном счете и порождают электрический импульс в фоторецепторной клетке. Как говорил Уолд, все химические, физиологические и психологические изменения — это всего лишь «темные последствия» первоначальной световой реакции. Хроматофор, который позднее стали называть ретиненом (от названия сетчатки — «ретина»), оказался производным витамина А, а тот в свою очередь является производным каротина, вещества, содержащегося в моркови и придающего ей хорошо знакомую всем окраску. Так было доказано большое значение для зрения витамина А и каратиноидов.

Глаз — это совершенная телекамера, снабженная, кроме того, «ЭВМ». Начало исследований, которые привели к такому представлению, связано с опытами Эдриана и Зотермана над единичными рецепторными клетками. Углубляя их эксперименты, американский физиолог и биохимик Холден Кефер Хартлайн получил интересные результаты. В 1931 г., закончив биологический факультет университета Джона Гопкинса и пройдя специализацию у Гейзенберга и Зоммерфельда в Европе, Хартлайн стал работать в университете шт. Пенсильвания в Филадельфии. Там он начал исследование зрения, избрав для этой цели удивительно подходящий объект: мечехвоста — членистоногого, живой окаменелости, оставшейся от далеких эпох. Это крошечное существо, обитатель морских. лагун, имеет множество глазок, которые соединены длинными нервами с центрами мозга. Эти анатомические особенности были очень удобны для изучения функций зрительного аппарата. Исследования нервных волокон показали, что оптическое изображение, попадающее на светочувствительные клетки, подвергается обработке. Одни клетки реагируют на яркость, другие на форму, третьи на цвет, четвертые на движение и т. д. Вся эта информация кодируется в нервных импульсах и поступает в мозг.

В 1967 г. Нобелевский комитет при Каролинском институте оценил значение названных работ, присудив двум физиологам, Рагнару Граниту и Холдену Хартлайну, совместно с биохимиком Джорджем Уолдом Нобелевскую премию по физиологии и медицине за их исследования первичных физиологических и химических зрительных процессов.

Уже упоминавшимся ранее Дэвиду Хьюбелу и Торстену Визелу из Гарвардского университета удалось выяснить основные детали строения той части коры головного мозга, в которую поступают сигналы от органов зрения. Они раскрыли принципы переработки информации в нейронных структурах мозга. Еще Павлов говорил, что принимающие системы служат своеобразными биологическими анализаторами, которые «дробят» внешние воздействия, выделяя различные признаки. Не было, однако, известно, как именно это происходит.

В отличие от примитивных животных (например, лягушки), имеющих в сетчатке специализированные нейроны, которые распознают некоторые признаки объектов, у млекопитающих фоторецепторные клетки слабо специализированы и распознавание признаков осуществляется в коре больших полушарий головного мозга. В своих опытах Хьюбел и Визел использовали в качестве зрительного стимула (раздражителя) линию — простейший элемент формы.

Оказалось, что в зависимости от ориентации линии импульсы, генерируемые нейронами-детекторами, отличаются по своим характеристикам. Иными словами, нервные клетки специализированы таким образом, что реагируют на положение линии. Дальнейшие исследования показали, что это универсальный принцип работы анализаторов мозга независимо от того, с каким из органов чувств они связаны.

После этого успеха Хьюбел и Визел приступили к изучению структуры детекторов. Они использовали два основных экспериментальных метода.

С помощью микроэлектродов, вводимых в зрительную кору головного мозга, исследователи установили, что область, где перерабатываются поступающие в мозг сигналы, состоит из «островков» диаметром 1 мм и толщиной 2 мм. Эти колонки нейронов наделены общим свойством: они максимально реагируют на линии одного и того же наклона, т. е. на один элементарный зрительный признак.

Другой метод, которым пользовались Хьюбел и Визел, — введение диоксиглюкозы, меченной тритием или радиоактивным углеродом. Сахар — это «топливо» для мозга. Активно действующие нейроны быстро его расщепляют, причем отходы уносятся кровью. Если на животного, помещенного в темноту, подействовать простым зрительным раздражителем, а затем извлечь его мозг и приготовить из него тонкие срезы, то участки, где обнаружена поглощенная радиоактивная глюкоза, покажут, какие нейроны среагировали на раздражитель. (Далее за движением меченой диоксиглюкозы можно следить с помощью сканирующего гамма-томографа.) Результаты подтвердили реальность существования нейронных колонок в зрительной коре головного мозга…

В заключение своих экспериментов Хьюбел и Визел исследовали процесс формирования анализаторов мозга в процессе развития лабораторных животных. Помещая молодых животных в условия зрительной изоляции, они строго контролировали действующие на них зрительные раздражители. Было установлено, что формирование тех или иных детекторов зависит от поступающей в них зрительной информации: формируются только те детекторы, которые возбуждаются предметами, окружающими животное в ранний период его развития. Так, животные, выращенные в «вертикальной среде», не имели детекторов горизонтальных линий и не могли преодолевать горизонтальные препятствия. Соответственно животные, выращенные в «горизонтальной среде», не могли пройти даже между ножками стула. Таким образом, был открыт метод изучения взаимоотношений признаков (генетически обусловленных и определяемых внешним воздействием) при формировании мозга. За эти плодотворные и обширные научные исследования Д. Хьюбел и Т. Визел были удостоены в 1981 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине; вместе с ними был награжден и Р. Сперри.

Возможно, следующим после глаза наиболее важным органом чувств является ухо. Его анатомия известна в подробностях довольно давно. Ушная раковина играет роль своеобразного рупора, улавливающего звуковые колебания и направляющего их к барабанной перепонке. Это маленькая мембрана, отделяющая внешнее ухо от внутреннего. Барабанная перепонка соединена с тремя косточками, образующими систему рычагов, передающих вибрацию другой мембране, расположенной на «входе» улитки — спиралевидного образования во внутреннем ухе. Именно в улитке звуковые колебания преобразуются в нервные импульсы. Как это происходит, показал американский физик (венгр по национальности) Дьёрдь Бекеши.

В 20-е годы он работал в венгерской фирме «Телефон систем лаборатори» и занимался проблемами эксплуатации телефонных линий. В то время междугородные разговоры были сопряжены с большими трудностями, и специалисты постоянно искали причины плохого качества связи. Исследуя все элементы системы телефонной связи, Бекеши совершенно логично пришел к конечному приемнику сигнала — к человеческому уху. Он подходил к проблеме с деловой точки зрения — как физик и инженер. Техники с ужасом стали замечать на своих станках и машинах в лаборатории следы анатомических препаратов. Бекеши резал, расчленял и исследовал ухо, пытаясь выяснить, как оно работает. С невероятной изобретательностью он разработал метод исследования органа слуха и создал прибор для этой цели (аудиометр Бекеши). Его познания в области физики и электроники давали ему большие преимущества перед другими исследователями, которые зачастую ограничивались бесплодным теоретизированием.

Бекеши исследовал ухо и процесс звукового восприятия от начала до конца: восприятие звуковых колебаний барабанной перепонкой, передачу их через слуховые косточки на мембрану внутреннего уха, возникновение гидравлических колебаний в улитке и преобразование их в кодированные нервные импульсы в ее базилярной мембране, на которой расположены рецепторы. Мало ученых, которые внесли бы столь большой индивидуальный вклад в эту область. Бекеши показал, как именно воспринимается звук. В начале базилярной мембраны, где нити более жесткие, улавливаются высокие частоты, а в верхней ее части с гибкими нитями — низкие частоты. Спиралевидное строение улитки увеличивает ее длину при общей компактности. Длина мембраны определяет диапазон воспринимаемых частот, который у человека простирается от 16 до 16 000 Гц (герц, или колебаний в секунду).

Большой вклад Бекеши в исследование физиологии слуха, сделанный в 30—40-е годы, не мог не привлечь внимания, и в 1961 г. профессора из Каролинского института приняли наконец решение присудить ему Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Вслед за улиткой в ухе расположены полукружные каналы. Они действительно имеют вид двух половинок окружности и представляют собой дуги, расположенные в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Долгое время об их функциях ничего не было известно. На протяжений всего XIX в. исследованием полукружных каналов занимались многие крупные ученые. Врачи накапливали клинический опыт, а теоретики, в частности Эрнст. Мах, доказывали, что три взаимно перпендикулярных канала служат как раз тем устройством, которое определяет положение тела в пространстве.

В мае 1905 г. в изучении вестибулярного аппарата был сделан большой шаг вперед. Австрийский врач Роберт Барани, специалист-оториноларинголог, установил, что если в ухо вбрызнуть холодную воду, то это вызывает потерю равновесия и головокружение. Вбрызгивание теплой воды дает тот же эффект, причем инстинктивно тело движется в противоположном направлении. Это явление объяснили следующим образом: нагревание или охлаждение полукружных каналов приводит в движение эндолимфу. В нерве вестибулярного аппарата возникает импульс, и движение эндолимфы воспринимается мозгом как нарушение положения тела. Чисто рефлекторно вступают в действие соответствующие мышцы, и человек, сопротивляясь мнимому падению, теряет равновесие.

Этот тест стал началом серии экспериментов, в ходе которых Барани разработал методы клинического исследования вестибулярного аппарата. Предложенные им методы диагностики резко снизили смертность от инфекций и воспалений внутреннего уха. Его теоретические работы по нервной регуляции, связанные с координацией движений и равновесием тела, привели к выяснению функций одного из важнейших органов чувств — органа равновесия. За работы по физиологии и патологии вестибулярного аппарата, выполненные в первое десятилетие нашего века, Барани был удостоен в 1914 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине.