Текст книги "Мозг: биография. Извилистый путь к пониманию того, как работает наш разум, где хранится память и формируются мысли"

Тем не менее значение расширенной метафоры Кизса состояло в том, что он определил функции компонентов нервной системы – передатчиков, входящих и исходящих сообщений, реле или «переключателей» – посредством технологического сравнения. Этот пример научно-популярной коммуникации показывает, как трансформировалось восприятие работы мозга в результате развития анатомического знания и одновременного усовершенствования технологий того времени.

Кизс сравнил спинной мозг (справа) и телефонную станцию (слева)

Кахаль не использовал никаких технологических метафор, но в 1899 году исследователь достаточно смело предположил, что сложнейшая нейронная сеть в человеческом мозге может порождать осознание:

«Импульс вызывает химические изменения в концевых разветвлениях нейронов, которые, действуя в свою очередь как физико-химический стимул на протоплазму других нейронов, создают в них новые токи. Состояние сознания, надо предполагать, связано с химическими реакциями, спровоцированными в нейронах нервными окончаниями» [32].

Хотя это утверждение общепринято сегодня, для Кахаля оно было скорее символом веры, чем научным объяснением. Он не мог предложить никакого механизма или аналогии, которая помогла бы объяснить, как именно химические изменения могут порождать сознание. Честно говоря, более века спустя мы не продвинулись дальше.

* * *

В начале XX века ученые, изучавшие работу нервной системы, столкнулись с серьезной проблемой. Кахаль и другие исследователи выяснили, что нейроны являются независимыми структурами. Также было известно, что некий электрический заряд передается по нейронам – от дендрита к аксону, – подобно тому, как сообщение следует по телеграфному или телефонному проводу. Происходившее далее представлялось менее ясным. Если бы все нейроны являлись частью большой нейронной сети, как предположили Гольджи и другие, то этот заряд просто нашел бы свой путь через сеть. Но нервная организация у большинства животных была совершенно иной. Каким-то образом нервный импульс передавался от одной клетки к другой, хотя они были разделены.

Электрический заряд передается по нейронам подобно тому, как сообщение следует по телеграфному или телефонному проводу.

Для Кахаля наиболее близкая аналогия происходящему была найдена в мире техники: «Ток должен передаваться от одной клетки к другой путем соприкосновения или контакта, как при соединении двух телеграфных проводов» [33]. Но это была в лучшем случае всего лишь гипотеза, а в действительности – просто предположение. Несмотря на свои навыки, Кахаль не имел доказательств того, что происходит, когда встречаются два нейрона, и как передается электрический заряд.

Иногда проблема должна быть названа, прежде чем ее можно будет полностью понять. В данном случае прорыв в исследовании нейропередачи начался с точного наименования места, где встречаются два нейрона. В 1897 году Шеррингтона попросили поучаствовать в подготовке нового издания «Учебника физиологии» под редакцией Майкла Фостера, профессора физиологии в Кембридже. В своей главе Шеррингтон ввел термин, описывающий взаимодействие двух нервных клеток:

«Исходя из доступного на сегодня знания, мы склоняемся к мысли, что кончик ветви древовидного образования не является непрерывным, а просто соприкасается с субстанцией дендрита или клеточного тела, на которое воздействует. Такое особое соединение одной нервной клетки с другой можно было бы назвать синапсисом» [34].

Термин «синапсис» был образован Шеррингтоном от греческого слова, значащего «застежка, замок, объятие», потому что казалось, что древовидное сплетение аксона принимающей сигнал клетки охватывает дендриты следующей клетки. В течение двух лет термин «синапсис», уже использовавшийся в клеточной биологии, стал «синапсом», который мы используем сегодня.

Шеррингтон пошел дальше простого наименования этого нейроанатомического пространства: исследователь предположил, что это не просто пассивный промежуток между двумя клетками, но что он может фактически менять природу нервного импульса, когда тот переходит от одной клетки к другой:

«Мы, вероятно, можем допустить, что каждый синапсис предоставляет возможность для изменения характера нервных импульсов, что импульс, переходя от терминали аксона к дендриту другой клетки, запускает в нем импульс, отличный по характеру от его собственного» [35].

В 1906 году Шеррингтон развил свои идеи о синапсе в «Интегративной деятельности нервной системы», пытаясь связать новые открытия в области нейроанатомии с тем, что уже было известно о нервной функции. По Шеррингтону, нервные клетки «обладают весьма выраженной способностью к распространению (проведению) различных состояний возбуждения (нервных импульсов), которые возникают в них», и эти нервные импульсы затем включаются в нервную систему, продуцируя соответствующее поведение [36]. Интеграция работает «посредством живых линий стационарных клеток, вдоль которых она рассылает волны физико-химических сдвигов, которые, в свою очередь, действуют как начала, высвобождающие энергии отдаленных органов, до которых эти волны доходят». Точная природа этого явления была все еще неясна, но описание Шеррингтоном того, что делают нервные системы, с использованием смеси физико-химических и телеграфных метафор, ознаменовало изменение взглядов XIX века. Более того, описывая синапсы как «поверхности раздела», Шеррингтон сосредоточил внимание на до сих пор неизвестных микроскопических поперечных мембранах – поверхностях аксона и дендрита, – указывая, что их поведение может содержать ответ на вопрос, что происходит, когда нервный импульс движется от нейрона к нейрону.

Отправной точкой рассуждений Шеррингтона была физическая структура нейрона, которую он описал как «проводящую единицу, внутри которой большое число отростков (дендритов) конвергируют, встречаются и сливаются в одном исходящем островке (аксоне)». «Через эту древовидную структуру – продолжает Шеррингтон, – нервные импульсы протекают, как вода внутри дерева – от корней к стволу» [37]. Хотя подобная метафора может показаться старомодной, рассмотрение функций нервов в понятиях движения воды ничем не отличалось от того, как описывалось (и до сих пор описывается) движение электрического тока. Но когда дело дошло до синапса, аналогия с водой перестала работать, потому что что-то должно было пройти через этот промежуток. Когда Шеррингтон изучил имеющиеся данные, показывающие, что происходит с нервным импульсом по обе стороны синапса, он понял, что появляется еще один вид воронки, который предполагает, что синапс работает как ряд падающих домино:

«В каждом синапсе небольшое количество энергии, высвобождающееся в процессе передачи, проявляется в виде силы, позволяющей свежим порциям энергии распространяться не вдоль гомогенной среды проводящего материала, как это происходит в нерве, но преодолевать барьер, который, будь он значительным или незначительным, тем не менее всегда оказывается препятствием».

Под этим барьером Шеррингтон имеет в виду синапс, который производит «сопротивление» в «проводящей цепи» нейронов. Как следствие, рефлекторный путь имеет «клапанный характер» – рефлексы работают только в одном направлении.

Принцип динамической поляризации нейрона был сформулирован Рамон-и-Кахалем для объяснения односторонней активности нейронов. Когда она сочеталась с работой синаптических поверхностей, рефлекторная цепь вела себя так, как если бы содержала клапаны (источником терминов вроде «клапан» или «цепь» служила сфера систем водоснабжения). Шеррингтон предположил, что причина «клапанного» поведения поверхностей раздела «может заключаться в синаптической мембране, более проницаемой в одном направлении, чем в другом». Нечто подобное недавно было обнаружено в отношении соли, движущейся по стенке кишечника [38]. Суть синаптической функции, по-видимому, крылась в структуре мембран двух вовлеченных клеток.

Чтобы установить точную природу процессов, протекающих в синапсе, потребовались десятилетия напряженной работы, поскольку представители двух научных лагерей вступили в одну из самых долгих академических дискуссий XX века, ставшей известной по названием «война супов и искр» (the war of the soups and the sparks) [39].

* * *

В 1877 году Дюбуа-Реймон попытался понять, как возбуждение нерва может вызвать сокращение мышцы. Он предложил два варианта, ставшие итогом семидесяти лет размышлений над этим вопросом:

«Из известных естественных процессов, способных передавать возбуждение, на мой взгляд, стоит говорить только о двух: либо на границе саркомеров существует стимулирующая субстанция в виде тонкого слоя аммиака, молочной кислоты или какого-либо другого мощного стимулирующего вещества, либо явление имеет электрическую природу» [40].

Иными словами, либо нервные клетки воздействовали на мышцу путем некой химической реакции, либо от нерва к мышце шел электрический заряд, непосредственно провоцирующий сокращение.

Возбуждение нерва может вызвать сокращение мышц либо путем химической реакции, либо электрическим зарядом.

До конца XIX века большинство исследований функций нервов касалось контролируемого движения, включая хорошо изученные рефлекторные дуги спинного мозга. Но есть и другие части нервной системы, которые не участвуют в движении: к примеру, блуждающий нерв, управляющий сердечным ритмом и обеспечивающий доказательство торможения в нервной системе. Речь идет о вегетативной (автономной) нервной системе – термин был введен кембриджским физиологом Джоном Ленгли, который, как и Шеррингтон, являлся учеником Фостера [41].

На рубеже XX века Ленгли начал изучать автономный контроль внутренних органов (включая слюнные железы, желудок, поджелудочную железу, печень, мочевой пузырь, кишечник и пенис). Давно было известно, что наркотические вещества вроде кураре[148]148
  Кураре (вурали) – южноамериканский стрельный яд растительного происхождения. Индейцы Гвианы бассейна реки Амазонка смазывали им концы стрел. Животное при ранении стрелой с кураре теряет подвижность и погибает от остановки дыхания. Алкалоиды (стрихнин и бруцин), входящие в кураре, биологически неактивны при попадании в организм через желудочно-кишечный тракт.


[Закрыть] способны влиять на работу вегетативной нервной системы или даже полностью ее блокировать. К концу XIX века стало ясно, что воздействие оказывается на нервно-мышечный синапс – область, где вегетативный нерв вступает в контакт с мышцей. Ленгли изучал действие адреналина, гормона, синтезируемого парой маленьких эндокринных желез, расположенных чуть выше почек (отсюда и название – надпочечники), которые, как известно, являются жизненно необходимыми органами. Исследователь обнаружил, что адреналин в основном дает тот же эффект, что наблюдается и при активации вегетативной нервной системы: подавляется работа кишечника и мочевого пузыря, расширяются зрачки и повышается артериальное давление. Несколько лет спустя коллега Ленгли, Томас Эллиотт, пришел к выводу, что «адреналин может быть химическим стимулятором, высвобождаемым каждый раз, когда импульс достигает периферии» [42]. Правда, Эллиотт полагал, что адреналин выделяется органом под воздействием нервного импульса, а не вырабатывается самим нервом. Действительно, в 1921 году Ленгли – педантичный приверженец фактов и враг всяческих спекуляций – отверг идею о том, что адреналин может действовать в синапсе, «поскольку в таком случае процесс будет включать выделение вещества из нервных окончаний», а это было невозможно [43].

Одним из тех, кто выяснил, что нервы действительно вырабатывают некую субстанцию, был другой британский ученый, Генри Дейл[149]149
  Генри Холлет Дейл (1875–1968) – английский физиолог, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1936 года «за открытия, связанные с химической передачей нервных импульсов». Кроме ацетилхолина, Дейл открыл гормон окситоцин, а в 1910 году – гистамин, медиатор аллергических реакций.


[Закрыть]. В годы, предшествовавшие Первой мировой войне, он изучал физиологические эффекты экстрактов спорыньи[150]150
  Спорынья́ (маточные рожки) – род грибов, паразитирующий на некоторых злаках, в том числе на ржи и пшенице.


[Закрыть], включая те, что могут воспроизводить действие адреналина и стимуляции вегетативной нервной системы. Одним из первых открытий Дейла было то, что такие вещества, как никотин, изменяют функционирование вегетативной системы. Дейл обнаружил, что один из экстрактов спорыньи, ацетилхолин, в основном замедляет сердечный ритм (когда исследователь впервые ввел его кошке, то подумал, что убил животное, так как не смог услышать сердцебиения) [44]. Поначалу Дейл был убежден, что ацетилхолин – не более чем мощный наркотик, потому что не располагал никакими доказательстами того, что данное вещество или подобное ему присутствует в организме [45]. Ученый постепенно наблюдал все больше свидетельств того, как различные химические соединения активируют либо замедляют активность вегетативной нервной системы. Но, ввиду отсутствия прямых подтверждений, Дейл упорно избегал предположения, что исследуемые им вещества присутствуют в организме естественным образом.

Прорыв произошел в 1920 году, когда немецкий физиолог Отто Лёви[151]151
  Отто Лёви (1873–1961) – австрийско-немецкий и американский физиолог и фармаколог, удостоенный Нобелевской премии в 1936 году (совместно с Генри Дейлом) за открытие роли ацетилхолина в передаче нервных импульсов.


[Закрыть] увидел сон, сосредоточенный на идее, которую он обсуждал с Эллиоттом много лет назад. Идее о возможности того, что химические вещества могут высвобождаться во время стимуляции мышц нервом. Отто Леви приснился сон об идее, которую он обсуждал с Эллиоттом много лет назад. История сновидения, рассказанная им сорок лет спустя, была такова:

«Я проснулся, включил свет, бегло набросал несколько фраз на клочке тонкой бумаги. Потом я снова уснул. В шесть часов утра мне пришло в голову, что ночью я записал что-то очень важное, но мне не удалось расшифровать эти каракули. На следующую ночь, в три часа, идея вернулась. Это был план эксперимента, позволяющего определить, верна или неверна гипотеза химической передачи, которую я высказал 17 лет назад. Я немедленно встал, пошел в лабораторию и поставил простой опыт на сердце лягушки в соответствии с ночным планом»[152]152
  Цит. по: Спрингер С., Дейч Г. Левый мозг, правый мозг / пер. с англ. А. Н. Чепковой. М.: Мир, 1983. 256 с.


[Закрыть] [46].

Насколько бы точна ни была история Лёви – детали менялись каждый раз, когда он повторял ее, – эксперимент удался [47]. По крайней мере, он сам так считал. Лёви провел эксперимент на двух изолированных и бьющихся лягушачьих сердцах, помещенных в специальный солевой раствор. Ученый подавлял активность одного сердца, стимулируя электрическим током его блуждающий нерв. Затем Лёви брал часть раствора, омывающего замедлившееся сердце, и впрыскивал его во второе, ритм которого тоже снижался после данной манипуляции. Несмотря на уверенный вывод, сделанный Лёви, о том, что химическое вещество, выделяемое блуждающим нервом, подавляет работу сердца, большинство ученых не приняло результатов его эксперимента. Либо они не смогли подтвердить выводов Лёви, либо их просто не убедили довольно расплывчатые цифры, приводимые в его статье [48]. Лёви собрал доказательства – в течение нескольких лет он опубликовал семнадцать статей на эту тему, – но многие исследователи все еще сомневались из-за проблем с воспроизводимостью результатов. Сейчас мы можем сказать, что эти трудности отчасти возникли потому, что Лёви был необычайно удачлив. Вещество, которое он изучал, – ацетилхолин – очень хрупкое, но если амфибии все еще находятся в состоянии зимнего оцепенения (как это было, когда ученый проводил первые эксперименты), то вероятность разрушения ацетилхолина снижается [49]. Исследователи, пытавшиеся летом повторить опыт Лёви, как правило, терпели неудачу.

К началу 1930-х годов усовершенствование экспериментальной аппаратуры и более глубокое понимание того, как ацетилхолин может расщепляться естественными ферментами, укрепили уверенность в том, что обнаруженный эффект был реальным. Удивительно, но даже Лёви не считал, что ацетилхолин является примером более общего феномена. Как и большинство ученых, он не думал, что синапсы, участвующие в движении, могут работать путем химической передачи сигналов.

Примерно в то же самое время Генри Дейл сосредоточился на вопросе о том, что именно происходит в синапсе. Его работу вскоре поддержал Вильгельм Фельдберг, еврейский ученый, который бежал из Германии вскоре после прихода нацистов к власти. Фельдберг, прибывший в лабораторию к Дейлу, привез с собой сложную методику обнаружения минимальных следов ацетилхолина, включавшую в себя пропускание веществ из нерва над определенной мышцей, вырезанной у конкретного вида пиявки. К мышце прикреплялся датчик, который показывал, насколько сильным было сокращение. Несмотря на техническую сложность эксперимента, в течение трех лет по прибытии в лабораторию Фельдберг опубликовал двадцать пять работ, доказывающих, что ацетилхолин секретируется широким спектром вегетативных нервов, включая все ветви блуждающего нерва. Метод был достаточно точен, чтобы выявить, что вещество секретируется синапсами вегетативной нервной системы, а также что оно присутствует в синапсах нервов, участвующих в произвольном движении, хотя Фельдберг и Дейл не могли проиллюстрирвовать его воздействие.

Нобелевскую премию в 1936 году дали ученым Лёви за то, что ему приснился эксперимент, и Дейлу за то, что он доказал, что это правда.

По необычному решению Нобелевского комитета премия 1936 года досталась Лёви и Дейлу за демонстрацию того, что было названо нейрогуморальной регуляцией. Лёви приснился эксперимент, а Дейл – с существенной помощью Фельдберга, не получившего вознаграждения, – доказал, что это правда.

Разногласия между теми, кто ратовал за электрическую синаптическую передачу (искры), и теми, кто выступал за химический эффект (супы), не утихали с тех пор, как Дюбуа-Реймон впервые указал на две эти возможности шестьдесят лет назад. Спор теперь велся гораздо ожесточеннее. Вероятно, самым ярым сторонником «супного» взгляда на синаптическую активность был самоуверенный австралийский физиолог Джон Экклс, ученик Шеррингтона. Он был убежден, что все синапсы в центральной нервной системе являются электрическими. Но, столкнувшись с возрастающим количеством все более убедительных доказательств позиции Дейла и других, Экклс постепенно признал, что химическое действие в синапсе может играть незначительную роль в передаче нервных импульсов.

Непреклонность сторонников «супной» позиции мало способствовала сглаживанию острых углов, и споры по этому вопросу порой выходили из-под контроля. В 1935 году будущий нобелевский лауреат Бернард Кац[153]153
  Бернард Кац (1911–2003) – британский биофизик и физиолог, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине за 1970 год. Основные исследования Каца касались нейрофизиологии: изучения передачи возбуждения от нервных клеток к мышечным волокнам. Бернард Кац доказал, что эта передача осуществляется с помощью молекул ацетилхолина при участии ионов кальция.


[Закрыть] присутствовал на своем первом заседании Физиологического общества в Кембридже. Он был поражен характером дискуссии между Экклсом и Дейлом, напоминавшей скорее «настоящую схватку» (сам Экклс описывал происходившее как «очень напряженную встречу») [50]. Однако подобные столкновения не приводили к длительным неприятностям: на самом деле Экклс и Дейл поддерживали хорошие личные отношения, какими бы агрессивными ни казались их пререкания посторонним.

Экклс упорно сопротивлялся «супной» гипотезе до начала 1950-х годов, пока данные его собственной лаборатории окончательно не указали на его же ошибку. В 1947 году он выдвинул теорию, объясняющую торможение с электрической точки зрения, предположив, что небольшая клетка вблизи синапса, теперь называемая клеткой Реншоу[154]154
  Клетки Реншоу представляют собой группу тормозных вставочных нейронов и содержатся в сером веществе спинного мозга. Торможение, осуществляющееся при участии клеток Реншоу, получило название возвратного постсинаптического торможения. Клетки Реншоу играют роль «ограничителей» или «регуляторов» системы альфа-мотонейронов и таким образом помогают предотвратить тетанус (непрерывное напряжение) и повреждение мышцы.


[Закрыть], может изменять полярность постсинаптического нейрона, тем самым эффективно препятствуя передаче электрического сигнала. Как и в случае с Лёви, озарение пришло Экклсу во сне [51]. Но по истечении четырех лет мечта Экклса испарилась, разрушенная суровыми фактами.

Клетка Реншоу действительно воздействовала на постсинаптический нейрон, но противоположным образом, чем предсказывал Экклс, и поэтому не могла объяснить торможение. Сообщая об эксперименте в 1952 году, Экклс и его коллеги писали: «Таким образом, можно заключить, что тормозное синаптическое действие опосредовано специфическим веществом-передатчиком, которое высввобождается из тормозных синаптических пузырьков». Они пошли дальше, признав, что, вероятно, «возбуждающее синаптическое действие также опосредовано химическим медиатором[155]155
  В качестве нейромедиатора клетки Рейншоу используют глицин.


[Закрыть]» [52].

Нейромедиаторы играют важную роль в функционировании нервной системы.

Так «супная» теория одержала победу, и постепенно была признана важная роль нейромедиаторов в функционировании нервной системы. Но эти изящные и изменяющие правила игры исследования не оказали непосредственного влияния на понимание работы мозга: почти все они были сосредоточены на вегетативной нервной системе и относительно медленных движениях висцеральных мышц[156]156
  Висцеральная мускулатура – гладкие мышцы внутренних органов.


[Закрыть]. Многие ученые были убеждены, что более быстрое движение, которое является предметом внимания центральной нервной системы, исключает любую химическую стимуляцию в синапсе. Немногие были готовы согласиться, что в мозге также могут функционировать нейромедиаторы. Хотя в середине 1920-х годов Шеррингтон и другие ученые допускали возможность того, что торможение в мозге может иметь такую же химическую основу, как и в вегетативной нервной системе, проверка этой гипотезы была технически затруднительной. Она требовала изоляции нервов от мозга и устранения любого влияния на их деятельность. На протяжении десятилетий подобные трудности были непреодолимы.

Открытие синаптической передачи не только улучшило понимание того, как функционируют нервы, но и высветило главную проблему, связанную с укоренившимися в науке «мозговыми» метафорами. В XIX веке открытие электрической активности нервов параллельно с изобретением сначала телеграфа, а затем телефона помогло сформулировать попытки концептуального анализа функций мозга. Но к 1930-м годам стало очевидно, что данная аналогия, какой бы притягательной она ни была, неточна на самом базовом уровне. Нервная система может состоять из бесконечного ряда переключателей, но они работают не так, как в электрооборудовании. Биологические открытия опережали технический прогресс и показывали, что, как бы убедительно ни звучали слова профессора Кизса для его юной аудитории в Королевском институте, мозг – это не телефонная станция. Требовалось отыскать иные образы и сравнения, чтобы понять, как работает мозг.