XIV. НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ

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.