Текст книги "Анатомия жива! Удивительные и важные медицинские открытия XX-XXI веков, которые остались незамеченными"

Сложим открытия в одну корзину

Сегодня мы знаем, что сердце действительно способно сокращаться самостоятельно, без контроля нервной системы. Но для того чтобы завестись, сердцу, как и мотору в машине, нужна первоначальная искра. В машине искру высекает свеча зажигания, а в сердце за первоначальный электрический импульс отвечают нервы, которые подходят к синоатриальному узлу.

После того как первоначальный нервный импульс задаст ритм, синоатриальный узел становится самостимулируемым, то есть для того, чтобы задавать ритм, ему больше не нужно получать сигналы от нервов. От синоатриального узла в левое предсердие и к атриовентрикулярному узлу бегут мышечные пучки.

Проходя по предсердным пучкам, нервный импульс способствует сокращению предсердий. Затем он добирается до атриовентрикулярного узла, разбегается по пучку Гиса по желудочкам, и они тоже начинают сокращаться. А поскольку до предсердия импульс добирается раньше, чем до желудочков, возникает пауза, столь необходимая для работы сердца.

Как открытие проводящих путей сердца изменило кардиологию

Перечислять, к каким революционным изменениям привели открытия анатомов XX века, можно долго. Расскажем хотя бы о двух из них – об электрокардиографе и электрокардиостимуляторе.

Для начала, открытие подарило врачам возможность читать электрокардиограмму (ЭКГ). Нидерландский физиолог Виллем Эйнтховен (1860–1927) [14] изобрел прототип кардиографа – тогда его называли струнным гальванометром – еще в 1901 году. Но разобраться в записях прибора без открытий Тавары, Ашоффа, Кейта и Флэка все равно не получилось бы.

Дело в том, что электрокардиограф рисует на бумажной ленте не сокращения сердца, а линию, соответствующую пути, которую электрический импульс проходит от синоатриального узла до последнего волоконца Пуркинье.

Проводящие мышечные волокна распространяют нервный импульс по сердцу точно так же, как и нейроны. Волна возбуждения, которую они проводят, создает потенциал действия: он бежит по волокну и заставляет сокращаться сердечную мышцу. Когда волокно возбуждается или, наоборот, возвращается в состояние покоя, на ленте ЭКГ появляется зубец.

Предсердия сокращаются с середины Р-пика и примерно до середины QRS-пика. Затем начинают сокращаться желудочки, и сокращаются почти до конца T-волны. С конца Т-волны и до начала Р-пика график ЭКГ представляет собой почти прямую линию, потому что и предсердия, и желудочки в это время расслаблены. Если же ЭКГ рисует какой-то другой, «неправильный» график, кардиолог не только сразу видит, что у сердца появилась проблема с проводимостью, но и понимает, на каком именно участке дерева Гиса это случилось.

Вторая очень важная вещь, которая никогда не появилась бы без открытия сердечной проводимости, – это электрокардиостимулятор.

Сама мысль о том, что остановившееся сердце можно запустить, если вновь высечь в нем электрическую искру, была бы невозможна, если бы ученые не смогли разобраться, почему же оно вообще бьется.

Пожалуй, четверку анатомов-первооткрывателей можно по праву назвать не только отцами-основателями электрофизиологии, но и реаниматологии!

Глава 2
Тайны позвоночной венозной системы: 1940–1970

Если бы позвоночник придумал человек, он получил бы Притцкеровскую премию – это такая Нобелевская премия для архитекторов. Жюри наверняка отметило бы многофункциональность, практичность и элегантность такого решения, ведь позвоночник не только поддерживает все тело в вертикальном положении и амортизирует его при ходьбе, но еще и защищает спинной мозг – «телефонный кабель», с помощью которого головной мозг «созванивается» со всеми частями тела.

На рубеже XIX и XX веков ученые уже очень неплохо представляли, как работает позвоночник, и хорошо понимали, как он снабжается кровью. Но позвоночная венозная система все еще хранила несколько важных секретов. Например, только в XX веке ученым удалось выяснить, что без системы позвоночных вен мы даже не смогли бы встать с кровати.

Как устроен позвоночник

Позвоночник похож на конструктор. Он состоит из 30–33 отдельных костей-позвонков [15], собранных в единый каркас, на котором и держится все тело. Между позвонками находятся «амортизаторы» – хрящевые межпозвоночные диски. Они напоминают подушки с плотной наволочкой, заполненной мягким гелем, – именно он уменьшает трение, когда мы поворачиваем шею или нагибаемся.

Если взглянуть сбоку, позвоночник взрослого человека будет похож на латинскую букву S. Шейный и поясничный отделы имеют вогнутую форму, а грудной и крестцовый образуют плавные выпуклости. Это превращает позвоночник в элегантную костную «пружину», которая амортизирует удары при ходьбе.

Но самое интересное прячется внутри костных отростков позвонков, которые образуют спинномозговой канал. Это, конечно, спинной мозг. Как и головной, спинной мозг покрыт тремя мозговыми оболочками [16]: твердой, арахноидальной и мягкой. Оболочки защищают спинной мозг – примерно как стены средневекового замка.

Спинной мозг похож на телефонный кабель не только по своим задачам. Он состоит из пучков «проводов» – нервов, некоторые проходят через отверстия между костными отростками позвонков и «подключаются» к разным частям нашего тела. Всего у нас 31 пара спинномозговых нервов. Каждый такой нерв состоит из переднего (двигательного) и заднего (чувствительного) корешков. Двигательный корешок отправляет команды от головного и спинного мозга к другим частям тела, в первую очередь скелетным мышцам. А чувствительные корешки передают информацию в мозг от других частей тела.

Спинной мозг проходит не через весь позвоночник, а только примерно через три четверти его длины. В нижней части позвоночника мозг «выпускает» длинный пучок спинномозговых нервов, которые управляют ногами, – этот пучок напоминает конский хвост, именно так анатомы его и называют.

Вся эта сложная конструкция должна получать кислород и питательные вещества и как-то избавляться от отходов. Эти задачи в нашем организме выполняет кровеносная система. Но, оказывается, роль позвоночного венозного сплетения не исчерпывается только доставкой питания и вывозом мусора.

Что ученые знали о кровоснабжении позвоночника к началу XX века

Позвоночную венозную сеть открыл Андреас Везалий в 1543 году. Правда, в De humani corporis fabrica, самый первый анатомический атлас в истории, позвоночные вены не попали.

Возможно, знаменитый анатом счел свое открытие не слишком важным или просто не придумал способа сохранить вены от повреждений при вскрытии, поэтому их не получилось зарисовать.

На анатомические иллюстрации позвоночные вены попали только в 1819 году [17]. Их изобразил французский анатом Жильбер Бреше. Скорее всего, сделать изображение получилось в том числе благодаря усовершенствованию препаровальной техники. Чтобы избежать разрушения хрупких сосудов, Бреше при помощи шприца закачивал в них смесь из «воска, мягкого скипидара и массы из смолы, окрашенной цианидом железа»[3]3
  Художникам эта смесь известна под именем «берлинская лазурь». – Прим. автора.


[Закрыть]. Этот состав окрашивал и бережно консервировал вены, сохраняя их форму.

При этом французский анатом не ограничился простым описанием и зарисовками. Бреше выяснил, что вены позвоночника образуют несколько связанных между собой венозных сплетений и сообщаются с венами головного мозга.

Современник Бреше, известный патологоанатом Жан Батист Крювелье, предположил, что кровь из вен головного мозга способна перемещаться в венозное сплетение спинного мозга. Вскоре мы поймем, почему это было так важно.

В 1881 году польский патологоанатом Альберт Адамкевич [18] описал строение артерий спинного мозга. Одна из самых крупных позвоночных артерий – большая передняя корешковая – получила имя в честь первооткрывателя. Сегодня часть врачей называют ее артерией Адамкевича, а часть – артерией поясничного утолщения Лазорта.

Сеть позвоночных артерий несет богатую кислородом кровь к мышцам спины и разным отделам спинного мозга, а еще быстро перераспределяет кровь, если тромб перекрывает одну из крупных артерий.

В дальнейшем речь пойдет о позвоночных венах: в XX веке ученым предстояло узнать о них много интересного.

Опираясь на открытия французского мэтра, в 1885 году американский хирург Джеймс Леонард Корнинг впервые провел успешную спинальную анестезию. Он направил иглу между остистыми отростками двух нижних позвонков пациента, попал в спинномозговую вену и ввел в нее раствор кокаина. Так ему удалось обезболить всю нижнюю часть тела пациента, начиная от поясницы.

Хотя далеко не все тогдашние врачи оценили потенциал спинальной анестезии, сам факт существования спинномозговых вен при жизни Бреше считался широко известным. Во всяком случае, изображения вен есть в самых известных анатомических атласах XIX века. Тем более удивительно, что после смерти французского анатома о позвоночных венах забыли на целых 120 лет.

Как в головной мозг попадают метастазы из простаты?

«Переоткрыть» позвоночные вены было суждено профессору анатомии Пенсильванского университета американцу Оскару Бэтсону (1894–1979). Будущий исследователь родился в штате Миссури, в семье школьного учителя [19]. После школы Бэтсон поступил в Университет Миссури. Там он увлекся анатомией и решил посвятить ей жизнь.

Пожалуй, в те времена Университет Миссури был наилучшим местом для начала карьеры анатома. Во время учебы Бэтсон познакомился с двумя техническими новшествами, без которых прославившие его анатомические открытия, скорее всего, никогда не состоялись бы.

Первым новшеством была продвинутая техника коррозионной консервации сосудов, которую практически без изменений применяют до сих пор [20]. В кровеносные сосуды медленно, чтобы не образовались пузырьки, вводят жидкую эластичную массу. Когда она застывает, то, что получилось, погружают в стеклянный сосуд и заливают раствором кислоты. Ткани разрушаются, и на дне остаются точные слепки сосудов, которые можно подкрасить и демонстрировать студентам. Эта техника позволяла консервировать вены еще бережнее, чем это делал Бреше.

Вторым новшеством была рентгеноскопия. Во время диагностики [21] рентгеновские лучи проходят сквозь объект – часть из этих лучей поглощают ткани организма, а часть улавливает специальный флуоресцентный экран. В результате исследователь может изучать внутреннее устройство организма в реальном времени. Сегодня при помощи рентгеноскопии врачи обследуют вполне живых пациентов. Бэтсон же стал одним из первых анатомов в истории, получившим возможность исследовать строение кровеносных сосудов трупов, не разрушая окружающие их ткани.

В 1933 году Бэтсон стал профессором анатомии в Высшей медицинской школе Пенсильванского университета, где и проработал всю свою жизнь. Администрация Высшей школы предоставила рентгенологическое оборудование, так что Бэтсон смог провести исследования, которые теперь считаются классическими.

Правда, поначалу Бэтсон не слишком интересовался венами позвоночника. Он хотел найти ответ совсем на другой вопрос [22]: «Почему при раке простаты метастазы оказываются совсем не там, куда им полагается попадать?»

Рак предстательной железы – распространенное и коварное заболевание, которое долго себя не проявляет. Даже в наши дни обнаружить его непросто: пациент должен пройти ректальное обследование и сдать несколько подтверждающих анализов. В 1940-е годы дела обстояли еще хуже.

Как правило, рентгенологи ставили этот диагноз, когда было уже слишком поздно. Поводом сообщить грустные новости были метастазы, которые обнаруживались в костях таза. А иногда, уже после смерти пациента, метастазы из предстательной железы находили в головном мозге.

В те времена ученые предполагали, что метастазы распространяются по лимфатическим сосудам. Однако проблема была в том, что лимфатические сосуды таза идут совсем в другом направлении и совершенно точно не добираются до головного мозга. Бэтсон предположил, что на самом деле раковые клетки покидают простату по сосудам полового члена, из них уходят в систему вен, которые снабжают кровью крестец и позвоночник, и уже по ним добираются до мозга.

Но и с «венозной» гипотезой были проблемы. Давление в венах куда ниже [23], чем в артериях. Чтобы под действием силы тяжести кровь из вен не стекала назад в руки и ноги, в венах предусмотрены специальные перегородки – венозные клапаны. Они нужны, чтобы кровь из вен могла возвращаться к сердцу, игнорируя силу тяжести. Но если вены – перекрытые перегородками сосуды, как же тогда метастазы из простаты ухитряются преодолевать преграды и добираться до головного мозга?

С этим вопросом Бэтсон разобрался [24], сделав коррозионные препараты позвоночных вен. Оказалось, что это уникальные сосуды с очень тонкими стенками, у которых в принципе нет клапанов! Чисто теоретически ничто не могло помешать метастазам распространяться.

Теперь осталось доказать, что раковые клетки действительно способны путешествовать по позвоночным венам.

Чтобы это выяснить, Бэтсон в нескольких разных экспериментах вводил в вены полового члена сульфид мышьяка или ртути. Оба вещества издавна использовали в живописи: первое – в качестве пигмента под названием «королевский желтый», а второе – в качестве ярко-красного пигмента под названием «киноварь». А поскольку оба красителя хорошо поглощают рентгеновские лучи, флюороскоп позволил Бэтсону проследить путь пигментов по венам от таза до черепа в реальном времени. Гипотезу можно было считать доказанной!

Почему мы не падаем в обморок, когда встаем с кровати?

Раскрытия тайны метастазов Бэтсону было мало. Ему стало очень интересно, зачем эволюции понадобилось создавать настолько сложную венозную систему, связывающую головной мозг и таз? Чтобы снабжать кровью спинной мозг и мышцы спины, можно было бы обойтись куда более простым трубопроводом. Не для того же нужна эта разветвленная система, чтобы раковым клеткам было проще путешествовать?

В 1960 году у Бэтсона появилась идея [25]. Сформулировать гипотезу помогло знание о том, как на организм влияет маневр Вальсальвы. А проверить идею Бэтсону помогла живая макака-резус.

Антонио Вальсальва – анатом XVIII века, который всю жизнь изучал строение человеческого уха. В 1704 году он опубликовал книгу Aure Humana Tractatus, в которой рассказал, что содержимое среднего уха можно вытеснить в наружный ушной канал, если сделать выдох, предварительно закрыв рот и зажав нос. Этот маневр увеличивает давление во внутреннем ухе и помогает выровнять давление внутри уха и во внешней среде.

Сегодня водолазы и пассажиры самолетов прибегают к маневру Вальсальвы, чтобы избавиться от заложенности в ушах, однако это увеличивает давление не только в ухе, но и во всех полостях тела – например, в груди. Уже во времена Бэтсона было известно: при выполнении маневра внутригрудное давление настолько превосходит давление в грудных венах, что те схлопываются и перестают возвращать кровь к сердцу. После завершения маневра кровоток успешно восстанавливается.

Отсюда вопрос: куда во время маневра Вальсальвы девается венозная кровь? Давление внутри грудной и брюшной полостей увеличивается постоянно – не только во время маневра Вальсальвы, но и, например, при чихании, кашле, мочеиспускании, дефекации и даже при родах. Но если кровь в это время никуда не уходит, почему тогда кровеносные сосуды не разрываются из-за избыточного давления?

Бэтсон предположил, что невостребованная кровь переходит в систему позвоночных вен. В конце концов, система компактных разветвленных тонкостенных трубочек – весьма объемный карман, в который можно много чего спрятать. Проверить гипотезу Бэтсону помогла макака-резус. Ученый выбрал именно это животное, а не более привычную крысу или мышь, потому что анатомия наших ближайших родичей очень схожа с человеческой.

Эксперимент Бэтсона вовсе не был жестоким. Он дал обезьянке наркоз, ввел в ее кровь рентгеноконтрастное вещество с йодом – в точности такое же используется для рентгенологических исследований у людей. Потом, чтобы увеличить давление в груди, исследователь спровоцировал у макаки кашлевой рефлекс – ведь кашлять можно, не приходя в сознание. Бэтсон своими глазами наблюдал, как кровь с рентгеноконтрастным веществом устремилась в спинномозговые вены.

Этот эксперимент доказал, что многочисленные кровеносные сосуды, проходящие через тела позвонков, работают как «венозные озера». Именно туда переходит кровь, если в грудной клетке или в брюшной полости повышается давление, а ее перераспределение помогает избежать увеличения давления в кровеносных сосудах.

От этого открытия оставался всего один шаг до раскрытия еще одной тайны – венозного оттока из мозга [26].

Наш внутренний суперкомпьютер – головной мозг – очень активно использует кислород и питательные вещества, поэтому постоянно нуждается в притоке свежей артериальной крови. Отработанную кровь, несущую углекислый газ и отходы жизнедеятельности нервных клеток, из мозга нужно убирать.

Для этого в организме предусмотрены специальные «канализационные трубы» – вены, которые образуют яремную венозную систему, которая, однако, справляется с этой задачей, только когда человек лежит. Стоит ему сесть или встать, как яремные вены схлопываются. Отсюда вопрос: куда девается кровь из черепа, когда мы работаем за компьютером или идем в магазин за хлебом? После того как Бэтсон вслед за Бреше повторно открыл, что позвоночная венозная система соединена с венами, снабжающими кровью головной мозг, оставалось только сформулировать гипотезу и проверить ее.

В 1966 году это сделал американский анестезиолог Джеймс Эккенхофф [27]. В 1970 году группа коллег Эккенхоффа доказала это в эксперименте с участием макаки-резус [28]. В расположенные между листками твердой мозговой оболочки вены спящей обезьянке ввели рентгеноконтрастное вещество. Когда ее подняли в вертикальное положение, венозная кровь из головы устремилась прямиком в позвоночные вены. Это помогло доказать, что, когда тело оказывается в вертикальном положении, позвоночные вены помогают компенсировать ограничения, присущие яремной венозной системе.

Сложим открытия в одну корзину

Сегодня мы знаем, что позвоночник снабжает кровью уникальная бесклапанная венозная система, соединяющая мозг, глаза, спинной мозг и таз. Это превращает ее в важнейший «бассейн», куда организм при необходимости может перелить лишнюю кровь. Это нужно, чтобы защитить сосуды от излишнего давления, а еще помогает нам оставаться прямоходящими млекопитающими, которые могут смотреть в небо, не боясь упасть в обморок.

Как открытие позвоночной венозной системы изменило медицину

Без детальных знаний о строении и расположении позвоночных вен невозможна высокоточная хирургия позвоночника. Многие пациенты, повредившие спину при падении или в автокатастрофе, должны сказать спасибо Жильберу Бреше, Оскару Бэтсону и его обезьянкам за эффективные восстанавливающие операции с низким риском серьезных кровотечений.

Но самое главное, что благодаря этому открытию мы можем отправлять в головной мозг крупные лекарственные молекулы вроде гибридных белков и моноклональных[4]4
  Антитела, вырабатываемые иммунными клетками, принадлежащими к одному клеточному клону, то есть произошедшими из одной плазматической клетки-предшественницы. – Прим. ред.


[Закрыть] антител. Добиться того же эффекта, просто дав человеку таблетки, невозможно, потому что от всех подозрительно крупных молекул головной мозг защищает гематоэнцефалический барьер. Так называется фильтр из плотно соединенных между собой клеток, из которых состоят стенки кровеносных сосудов, снабжающих кровью головной мозг.

Знания об устройстве сети позвоночных вен позволили найти способ обмануть гематоэнцефалический барьер. Хирурги сумели разработать метод периспинальной инъекции [29], позволяющий доставлять препараты в мозг не напрямую, а через спинномозговые вены. В результате человечество получило уникальную возможность лечить часть сложных неврологических расстройств – теперь для этого достаточно сделать несколько уколов в спину.

Глава 3
Могут ли нейроны создавать гормоны: 1928–1963

Гипоталамо-гипофизарный комплекс прячется в нижней части головного мозга. Оттуда он «правит» органами и тканями: создает и выделяет гормоны, контролирующие работу тела. Однако всего сто лет назад идея о том, что в мозге могут образовываться гормоны, казалась еретической даже самым дерзким исследователям.

Как головной мозг управляет телом

Головной мозг – командный центр нервной системы [30]. Он получает информацию от органов чувств, обрабатывает ее и превращает в сигналы, при помощи которых заставляет тело отвечать на вызовы окружающей среды. Для управления телом у мозга есть две системым [31]: нервная и эндокринная, то есть гормональная. Обойтись одной только нервной системой не получится, и вот почему.

Нервная система состоит из двух частей. Центральная нервная система – это головной мозг и отходящий от него пучок «проводов», которые собраны в крупный «кабель» – спинной мозг. От основного «кабеля» отделяются отдельные «провода» – нейроны периферической нервной системы, передающие приказы от мозга всем органам и тканям. Они образуют периферическую нервную систему.

О том, какие участки коры головного мозга отвечают за движение, а какие – за чувствительность, говорится в главе 6. А о том, как устроены и работают нейроны, – в главе 8.

Для передачи сигналов нервная система использует электрические сигналы. Они стремительно пробегают по «проводу»-нейрону, быстро достигают цели, но так же быстро и затухают. Чтобы достичь долговременного эффекта, пришлось бы передавать сигналы очень часто, а это сложно и энергетически невыгодно.

В этой ситуации на помощь приходят гормоны – химические вещества, которые распространяются вместе с током крови. В артериях кровь движется со скоростью 4,9–19 см/с [32], а в венах еще медленнее – со скоростью 1,5–1,7 см/с. По сравнению с электрическими импульсами, отдельные из которых достигают цели со скоростью 120 м/с, химический способ передачи информации работает откровенно медленно. Зато когда гормоны добираются до мишени, они могут поддерживать нужный эффект достаточно долго – зачастую до тех пор, пока из мозга не поступит сигнал «отбой».

Но чтобы «химическая почта» заработала, мозгу приходится не только генерировать нервные импульсы, но и самостоятельно создавать гормоны. Для этого у него есть своеобразная фабрика-кухня [33], объединяющая нервную и эндокринную системы – комплекс «гипоталамус – гипофиз». Именно здесь электрические сигналы из других участков мозга преобразуются в гормоны, которые управляют работой тканей-мишеней и регулируют синтез и выделение гормонов из других желез.

Но это сегодня мы знаем, что гипоталамо-гипофизарная система – фабрика гормонов [34]. Еще в начале прошлого века идея о том, что в мозге могут образовываться гормоны, большинству исследователей казалась дикой. И это при том, что первым анатомические структуры под названиями «гипоталамус» и «гипофиз» в своих работах упомянул еще древнеримский врач Гален Пергамский во II веке нашей эры [35].