Текст книги "Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе"

Лягушачья лапка. Начало

Первые тщательно документированные научные эксперименты в области нервно-мышечной физиологии были проведены голландцем Яном Шваммердамом (Jan Swammerdam, 1637—1680). В то время ещё считалось, что сокращение мышц вызывают потоки «животных духов» или «нервных жидкостей» текущих по нервам к мышцам.

В 1664 году Шваммердам провёл эксперименты по изучению изменений объёма мышц во время сокращения (Рис. 4). Он поместил мышцу лягушки (b) в стеклянный сосуд (a). Когда сокращение мышцы было инициировано стимуляцией её двигательного нерва, капля воды (е) в узкой трубке, выступающей из сосуда, не двигалась, указывая на то, что мышца не расширялась. Таким образом, сокращение не могло быть следствием притока нервной жидкости. В своих экспериментах Шваммердам стимулировал двигательный нерв механически – зажимая его. По мнению исследователя, в этом эксперименте стимуляция достигалась путём натягивания нерва проволокой (с), сделанной из серебра, к петле (d), сделанной из меди.

Рисунок 4. Эксперимент по стимуляции Яна Шваммердама в 1664 году.

Это сейчас мы знаем, что согласно принципам электрохимии, разнородные металлы в этом эксперименте, внедрённые в электролит, обеспечиваемый тканью, могли явиться источником электрического напряжения и связанного с ним тока. Шваммердам же, скорее всего, не понимал, что нервномышечное возбуждение – это электрический феномен. С другой стороны, некоторые авторы и ныне интерпретируют вышеупомянутую стимуляцию как результат механического растяжения нерва.

Рисунок 4. Эксперимент по стимуляции Яна Шваммердама в 1664 году.

Результаты этого эксперимента были опубликованы посмертно в 1738 году. Тем не менее считается, что это был первый документально подтверждённый эксперимент по стимуляции двигательного нерва электричеством, возникающим в биметаллическом соединении.

Есть све́дения, что в 1678 году, Шваммердам показывал великому герцогу Тосканскому опыт с лягушкой, подвешенной на серебряной нити. Видимо, это открытие сделано было слишком рано. Шваммердама успели забыть.

Продолжение истории лягушачьей лапки

Итак, первая половина XVIII века, наука уже сосредоточена в университетах. Физика ещё не стала самостоятельной наукой. В университетах продолжают читать курсы «натурфилософии» (т. е. естествознания), первый физический институт будет открыт только в 1850 году. В те далёкие времена фундаментальные открытия в физике совершались совсем простыми средствами, достаточно иметь гениальное воображение, наблюдательность и золотые руки.

Электричество в то время рассматривали как «электрический флюид», как особую электрическую жидкость. Эта гипотеза возникла после того, как Эдвин Грей открыл, что электричество может «перетекать» от одного тела к другому, если их соединить металлической проволокой или другими проводниками.

Считалось также, что электрическая жидкость – один из сортов «теплорода». Это обстоятельство объясняли тем, что от трения предметы и нагреваются, и электризуются, а также тем, что электрическая искра способна поджечь разные предметы.

В середине XVIII века мышечное сокращение стало предметом экспериментального изучения. Швейцарский учёный Альбрехт фон Галлер в ряде опытов экспериментально доказал, что скелетные мышцы, мышцы желудка, сердечная мышца реагируют на прямое механическое, химическое или электрическое раздражение, даже когда соответствующая мышца находится вне организма и отделена от нервов.

В 1763 году один из последователей Галлера – Феличе Фонтана (Felice Fontana, 1730—1805) сделал важное открытие. Он обнаружил, что сердце может отреагировать, или нет на одно и то же раздражение в зависимости от того, сколько времени прошло после предыдущего раздражения. Казалось сердце должно какое-то время отдохнуть, чтобы стать способным ответить на очередную стимуляцию.

Таким образом, в середине XVIII века формируется представление о том, что возбудимость мышц есть свойство отвечать сокращением на раздражение. Кроме того, для раздражения нервов, скелетных мышц или сердца исследователи начали широко использовать электрические разряды.

Одно из самых ранних утверждений, касающихся использования электричества, было сделано в 1743 году Иоганном Готтлибом Крюгером из Университета Галле: «Все вещи должны быть полезны, это факт. Поскольку и электричество должно приносить пользу, но мы видим, что оно не может быть применено в теологии или юриспруденции, очевидно, ничего не осталось, кроме медицины».

В том же 1743 году немецкий учёный Ганзен выдвинул гипотезу о том, что сигнал в нервах имеет электрическую природу. А в 1749 году французский врач Дюфей защитил диссертацию на тему «Не является ли нервная жидкость электричеством?». Эту же идею поддержал в 1774 году английский учёный Пристли, прославившийся открытием кислорода. [7]

Идея явно носилась в воздухе.

«Животное электричество» Луиджи Гальвани

Итальянский профессор анатомии, учёный XVIII века Луиджи Гальвани (Luigi Galvani, 1737—1798), как и все солидные учёные того времени очень интересовался влиянием электричества на ткани животных. В то время занятия электричеством считались модными среди различных слоёв общества. Одновременно с исследованием электрических явлений росли надежды на их практическое использование, иногда, особенно вначале, самые фантастические. Например, когда обнаружилось, что разряд лейденской банки через тело убитой лягушки, вызывает сокращение её мышц, появились рассуждения о том, что с помощью электричества можно будет воскрешать мёртвых.

Очень популярным стало явление электризации. С её помощью «ускоряли» распускание цветов, прорастание семян; цыплята из наэлектризованных яиц якобы выводились быстрее, чем из обычных. Врачи электризовали и лекарства, и больных, а затем рапортовали о положительных результатах. Находилось немало людей, которые утверждали, что наэлектризованная вода лечит. Считалось, например, что парализованных больных надо для излечения заряжать положительно, а психически больных – отрицательно.

Появились люди, утверждавшие, что обладают особенно сильным электрическим зарядом в силу которого могут лечить болезни. Вошло в моду подвергать себя электризации, а те кто не мог себе этого позволить в лабораториях учёных, электризовался у ярмарочных шарлатанов[1].

Суеверия, мистика – тени научного знания, к сожалению, во все времена сопровождали научные открытия.

Идея же о том, что по нервам распространяется «животное электричество», впервые была высказана Луиджи Гальвани в 1786 году.

Описаний того, как Гальвани обнаружил эффект есть несколько. Чезаре Ломброзо в своей книге «Гениальность и помешательство» писал, что открытию гальванизма мы обязаны нескольким лягушкам, из которых предполагалось приготовить целебный отвар для жены Гальвани. Итальянские экскурсоводы рассказывают другую версию событий, согласно которой жена Гальвани, войдя в кабинет мужа, заметила дёргающуюся на столе лягушачью лапку и обратила на это внимание профессора. Но эти версии событий скорее относятся к категории исторических анекдотов.

Сам Луиджи Гальвани описывал своё открытие (26 января 1781 года) так. Всё началось с того, писал он, что, препарировав лягушку, «…я положил её без особой цели на стол, где стояла электрическая машина. Когда один из моих слушателей слегка коснулся нерва концом ножа, лапка содрогнулась как бы от сильной конвульсии. Другой из присутствовавших ассистентов заметил, что это случалось только в то время, когда из кондуктора машины извлекалась искра». Считается, что это первый документально подтверждённый эксперимент по нервно-мышечной электрической стимуляции.

Впоследствии было замечено, что сокращение лапок наблюдается и во время гроз, и даже просто при приближении грозового облака.

Гальвани продолжил исследования стимуляции препарированной лягушачьей лапки атмосферным электричеством. Он подключал электрический проводник между металлическим ограждением окна дома и нервом лягушачьей лапки. Затем «заземлял» мышцу другим проводником, соединяя его с водопроводом. В результате при вспышке молнии были отмечены сокращения.

[1] Сегодня очень похожая процедура называется франклинизация (электростатический душ) – метод физиотерапии, основанный на применении постоянного электрического поля высокой напряжённости в лечебных целях.

Рисунок 5. Однажды разряд электрофорной машины в лаборатории Луиджи Гальвани случайно вызвал сокращение лапки только что отпрепарированной лягушки.

В сентябре 1786 года Гальвани пытался получить сокращения от атмосферного электричества в спокойную погоду. Он подвешивал препараты из лягушек к железным решёткам в своём саду с помощью медных крючков, вставленных в спинной мозг. Однажды Гальвани случайно прижал крюк к перилам, когда лапка также соприкасалась с ним. Заметив сокращения, он повторил эксперимент в закрытой комнате. Он положил лягушачью лапку на железную пластину и прижал медный крючок к пластине, и вновь произошло мышечное сокращение.

Продолжая эти эксперименты, Гальвани обнаружил, что, всякий раз, когда нерв и мышца лягушки одновременно соприкасались с биметаллической аркой из меди и цинка, происходило сокращение мышцы.

Рисунок 6. Опыт с лягушачьей лапкой.

После многочисленных экспериментов Гальвани пришёл к заключению, что мышца является своеобразной батареей лейденских банок, непрерывно возбуждаемой действием мозга, электричество от которого передаётся по нервам. Он искренне верил в особые качества этого электричества по сравнению с открытым до него физиками. Вот так и была рождена теория «животного электричества», именно эта теория создала предпосылки для появления в будущем электромедицины. Открытие Гальвани произвело сенсацию.

О том, что лягушачья лапка сокращается при раздражении её электричеством, знали и до Гальвани. В чём же заслуга последнего? В том, что он предположил и доказал наличие «животного» электричества.

Гальвани считал, что мышцы сокращаются под действием «животного» электричества, рождающегося в нервах, а проволочки из меди и цинка – это только замыкающие цепь проводники.

Но зачем в этой цепи нужны два разных металла? Гальвани исследовав этот вопрос обнаруживает, что можно обойтись и просто кусочком медной проволоки. При использовании одного металла сокращение возникает не всегда, оно бывает слабее, но это уже мелкая деталь. Важно, что два металла не обязательны, а значит и несущественны – полагал Гальвани.

Позднее он демонстрирует новые опыты, в которых вообще обходится без металлов, даже препарирование лягушки он выполняет стеклянными инструментами.

Не только лягушачья лапка подвергалась действию электричества. Итальянец Запотти добился стрекотания мёртвого кузнечика. Сам Гальвани производил аналогичные опыты с конечностями овец и кроликов, а французский хирург Ларрей экспериментировал с только что ампутированной человеческой ногой.

В 1791 году в «Трактате о силах электричества при мышечном движении» Гальвани впервые опубликовал своё знаменитое открытие. Сами же явления, открытые Гальвани, долгое время в учебниках и научных статьях назывались «гальванизмом». Этот термин доныне сохраняется в названии некоторых аппаратов и процессов. На тот момент со времён опытов Шваммердама прошло без малого 100 лет, к чести Гальвани он ничего и никогда о нём не слышал.

Алессандро Вольта —никакого «животного электричества» нет

Среди последователей болонского анатома оказался и Алессандро Вольта (Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Gerolamo Umberto Volta, 1745—1827).

Итальянский физик и химик Алессандро Вольта, заинтересовавшись опытами Гальвани, увидел в них совершенно иное явление – возникновение потока электрических зарядов. Проверяя точку зрения Гальвани, Вольта проделал серию опытов и пришёл к выводу, что причиной сокращения мышц служит не «животное электричество», а наличие цепи из разных проводников (двух металлов) в жидкости. В подтверждение своей правоты – Вольта заменил лапку лягушки изобретённым им электрометром и повторил все действия.

В 1800 году на заседании Лондонского королевского общества Вольта впервые публично заявляет о своих открытиях. По его мнению, в проводнике второго класса (жидкий проводник) находящемся в середине и соприкасающемся с двумя проводниками первого класса из двух различных металлов возникает электрический ток того или иного направления.

Он полагал что, причиной сокращения мышц был электрический ток, возникающий в области контакта двух разнородных металлов (медь и железо – гальваническая пара) с тканями лягушки.

В ответ на возражение Вольта Гальвани произвёл второй опыт, уже без использования металлов вообще. Стеклянным крючком он набрасывал конец седалищного нерва на мышцу лягушачьей лапки; при этом мышца также отвечала сокращением.

Невзирая на поддержку последователей и сторонников, даже таких крупных как А. Гумбольдт, Гальвани проиграл спор с Вольта. Аргументы Вольта казались вполне убедительными. В 1797 году для Гальвани наступает окончательный крах. В 1794 году Болонью завоевал Наполеон, и через два года Гальвани был вынужден по политическим и религиозным убеждениям оставить профессорскую должность в университете. Друзья добились для него разрешения вернуться к работе, но Гальвани скончался, так и не успев воспользоваться им. Ему шёл всего 61-й год.

За изобретение источника постоянного тока Вольта становится знаменит и всеми признан. В 1801 году Наполеон приглашает его в Париж, где в Академии наук он демонстрирует свой знаменитый вольтов столб. Умер Вольта в 1827 году в возрасте 82 лет, овеянный славой.

Однако в тот раз Вольта ошибался. Во всех опытах Гальвани поставленных без использования металлических проводников тот действительно имел дело с «животным электричеством», которое ему всё-таки удалось открыть.

История примирила противников, оказалось, что прав был и Гальвани, и его критик Вольта. На самом деле, Гальвани открыл два разных явления – и животное электричество, и металлическое. Правда сам он полагал, что открыл только первое из них, а Вольта считал, что существует только второе.

После опытов Алессандро Вольта убедивших всех, что никакого «животного электричества» нет, идея Гальвани была надолго оставлена, вплоть до середины XIX века.

Последователи Гальвани

Оставлена, но не забыта. Чрезвычайное любопытство вызывали эксперименты по воздействию электричества на нервную систему умерших людей. Вообще, мысли о бессмертии, о воскрешении мёртвых занимали большое место в опытах по электрическому воздействию на трупы. Первые исследования, проведённые французами Дюпюитреном, Нистеном и Гильотеном, были, правда, не очень обнадёживающими.

Одним из последователей Гальвани был и его племянник Джованни Альдини (Giovanni Aldini, 1762—1834). Более того, он стал первым кто сумел монетизировать открытия своего дяди. Некоторые его считают даже прототипом доктора Виктора Франкенштейна.

Будучи эпатажным шоуменом, Альдини стал одним из первых, кто пытался лечить психически больных пациентов. Его эксперименты были подробно описаны в книге, опубликованной в Лондоне в 1803 году «Отчёт о поздних улучшениях в гальванизме, с серией любопытных и интересных экспериментов, выполненных перед уполномоченными Французского национального института, и повторёнными в последнее время в анатомических театрах». Это была авторитетная книга о гальванизме, содержавшая описание серии опытов, в которых принципы Вольта и Гальвани использовались вместе. Книга была иллюстрирована рисунками экспериментов, в которых участвовали тела и головы животных и людей.

Но в истории Джованни Альдини прославился тем, что смешал серьёзное исследование с леденящим душу зрелищем. Он практиковал демонстрацию так называемых «электрических плясок», проводимых в форме публичных экспериментов, которые должны были продемонстрировать влияние электричества на спазматические сокращения мускулов. Для опытов использовались отсечённые головы и другие части тел казнённых преступников.

Он отправился в тур по Европе, предлагая публике своё изощрённое зрелище. 18 января 1803 года в Лондоне состоялась его самая выдающаяся демонстрация, а именно гальванические экзерсисы с купленным телом повешенного убийцы. Он подсоединял полюса 120-вольтного аккумулятора к телу казнённого Джорджа Форстера. Когда Альдини помещал провода на рот и ухо, мышцы челюсти начинали подёргиваться, и лицо убийцы корчилось в гримасе боли. Левый глаз открылся, как будто хотел посмотреть на своего мучителя. Газета London Times писала: «Несведущей части публики могло показаться, что несчастный вот-вот оживёт».

А вот как описывал этот опыт Альдини один непосредственный наблюдатель: «Восстановилось тяжёлое конвульсивное дыхание; глаза вновь открылись, губы зашевелились и лицо убийцы, не подчиняясь больше никакому управляющему инстинкту, стало корчить такие странные гримасы, что один из ассистентов лишился от ужаса чувств и на протяжении нескольких дней страдал настоящим умственным расстройством».

Рисунок 7. Иллюстрация из тракта Альдини о его экспериментах на обезглавленных

Мечты о бессмертии! Сколько разбитых надежд породили вы во все времена! И одно из самых сильных разочарований – провал всех надежд на электрический ток, с помощью которого якобы можно оживлять трупы.

Сам Альдини не оставил никаких свидетельств того, чего он ожидал от своих опытов – хотя и описал свою конечную цель как обучение умению «управлять жизненными силами». На практике он ограничился выводом о том, что гальванизм «оказывает значительное влияние на нервные и мышечные системы (живых людей)». Также он констатировал, что с остановившимся сердцем ничего нельзя поделать.

В знак признания его заслуг император Австрии сделал Альдини рыцарем Железной Короны и государственным советником в Милане. Умер естествоиспытатель 17 января 1834 года. В своём завещании он пожертвовал значительную сумму на создание школы естествознания для ремесленников в Болонье.

Между тем за полтора века, прошедших со времени первых экспериментов, электричество всё же спасло жизнь не одному человеку. Взять хотя бы случаи, когда сердце больного, остановленное разрядом электрического тока дефибриллятора, вновь начинает свою ритмичную работу[1].

А спустя столетие появится электрошоковая терапия. Но об этой истории медицины поговорим чуть позже.

[1] Дефибрилляция проводится при фибрилляции желудочков. В случае успешной дефибрилляции разряд останавливает сердце, после чего оно должно восстановить собственную нормальную электрическую активность.

Безумие Эммануэля Сведенборга

Шведский теософ Эммануэль Сведенборг (Emanuel Swedenborg, урождённый Swedberg 1688 – 1772), крайне странный персонаж на исторической сцене. Хотя он был воспитан в благочестивой обстановке – его отец происходил из семьи богатого бергсмана, был профессором богословия в Уппсальском университете и настоятелем собора, – Сведенборг посвятил свою жизнь не только теологии, но также физике, астрономии и геологии.

Он предвосхитил теорию небесной механики Лапласа и Канта, выдвинув гипотезу, что Солнечная система могла сформироваться из гигантского облака космической пыли, сжавшегося под собственным весом. Подобно Леонардо да Винчи, в своих дневниках он проектировал корабль, способный летать по воздуху, и другой, военный, способный двигаться под водой, рисовал схемы автоматического оружия. Современники называли его «шведским Аристотелем».

В 1730-х годах, вскоре после его сорокалетия, Сведенборг увлёкся анатомией мозга. Но вместо того чтобы препарировать мозги животных, он устраивался в уютном кресле и просматривал десятки книг. Опираясь только на эти источники, он развил некоторые удивительно дальновидные идеи.

Его мысль о том, что мозг состоит из миллионов крошечных независимых частиц, соединённых волокнами, опередила нейронную доктрину; он правильно рассудил, что мозолистое тело обеспечивает коммуникацию между правым и левым полушарием, и определил, что шишковидная железа служит «химической лабораторией». В каждом случае Сведенборг утверждал, что лишь делал некоторые очевидные выводы из исследований других учёных. На самом же деле он радикально преобразовал неврологию того времени, хотя большинство тех, на кого он ссылался, осудили бы его как безумца или еретика.

Сведенборг умер в 1772 году и запомнился в истории написанными в последние болезненные годы жизни теологическими сочинениями. Описания его эклектичных видений зачаровывали таких людей, как Кольридж, Блейк, Гёте и Йейтс. С другой стороны, Кант называл Сведенборга «верховным вождём всех фанатиков», а Джон Уэсли «одним из самых оригинальных, ярких и эксцентричных безумцев, когда-либо бравшихся за перо». [6]