Нейротон

Занимательные истории о нервном импульсе

Александр Иванович Волошин

© Александр Иванович Волошин, 2023

ISBN 978-5-0050-8341-8

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Предисловие

Достаточно ли мы умны, чтобы познать свой собственный разум? Этим вопросом задавались мыслители с древнейших времён. Впервые в истории цивилизации его сформулировал Гиппократ ещё в V веке до н. э. Прошло двадцать шесть столетий, а некоторые учёные и философы, занимающиеся психикой и до сих пор сомневаются в постижимости Сознания.

Стремление понять, каким образом деятельность нервной системы обеспечивает восприятие, научение, сознание и все другие проявления поведения животных – это, несомненно, один из самых дерзких вызовов, который был брошен Природе человеком.

В этой книге нас в первую очередь будет интересовать история человеческих представлений о том, как передаётся информация в нервной системе и то, как на этом фоне возникали, развивались и воспринимались идеи, как одни заблуждения в борьбе сменялись другими. Попробуем понять, находимся ли мы на очередном этапе заблуждений или уже добрались до истины.

Слегка перефразировав Альберта Эйнштейна, скажем: история науки – это драма, драма идей. В нашей драме мы будем следить за изменчивыми судьбами научных теорий. Они не менее интересны, чем судьбы людей, ибо каждая из них включает что-то бессмертное, хотя бы частицу пути к истине.

Так получилось, что во все времена, на каждом этапе своего развития человечество имело некоторое вполне определённое представление о том, как работает сознание, мозг, отдельный нейрон. Всегда существовали те или иные доктрины, на которых базировались методы диагностики и лечения, применяемые докторами, а мы бедные больные обыватели-пациенты во все века искренне верили в компетентность врача и могущество науки.

Между тем на протяжении истории представления о Душе, Сознании и Мозге сильно трансформировались. Мыслители всегда сравнивали мозг с технологическими достижениями своей эпохи: римские врачи уподобляли его акведукам, а средневековый философ Декарт видел в нём орга́н в кафедральном соборе, учёные времён промышленной революции говорили о мельницах, прялках и часах, а в начале XX века в моду вошло сравнение с коммутационной панелью телефонной станции.

Сегодня для нас мозг – это, вне всякого сомнения, суперкомпьютер, а тема построения компьютерных нейронных сетей и искусственного интеллекта в области информационных технологий стала чрезвычайно модной в СМИ. При этом мало кто понимает, что такое нейронные сети и принцип их действия. А о том, как работает реальная нервная система, по-прежнему не знает никто. Возможно потому, что никто достоверно не знает, как работает один нейрон. Вот Вы, например, знаете откуда в мозге именно электрические импульсы?

За изучение мозга сейчас активно взялись во всём мире. Такие проекты, как европейский The Human Brain Project («Исследование человеческого мозга»), американский BRAIN Initiative («Инициатива по изучению мозга»), японский MINDS, – все стартовали примерно в 2012—2014 годах с прицелом на десятилетие и с огромным финансовым подкреплением. В 2016 году Google сделал ставку на биоэлектронную медицину. В марте 2017 года стало известно, что Илон Маск создал компанию, задачей которой будет «подключение мозга к компьютеру».

В 2019 предполагается старт обширной российской программы, уже подготовлен проект дорожной карты по развитию направления «Нейротехнологии и искусственный интеллект».

Почему же мы до сих пор не стали свидетелями всплеска открытий, такого как, например, в цифровых технологиях или в генетике?

Может, не то ищем?

Часть I. История

«Наука должна быть весёлая, увлекательная и простая. Таковыми же должны быть и учёные.»

(Пётр Капица)

Первобытные представления о душе

О том, какими были наши далёкие предки, учёные делают выводы исключительно на основе археологических находок и на исследовании уклада жизни современных затерянных племён, живущих первобытно-общинным строем.

Но мы всё же рискуем предположить, что в своём стремлении хоть как-то упорядочить окружающий его мир, древний человек объяснял стихийные явления природы действиями живых существ, присутствующих в них или стоя́щих за ними; так же он, вероятно, объяснял и явления само́й жизни. Если человек или животное живёт и двигается, это, вероятно полагал наш древний предок, происходит только потому, что внутри него сидит маленький человек или зверёк, который им управляет. Этот зверёк в животном, этот человечек внутри человека есть душа. [1]

Крайне маловероятно, что древнего человека занимали вопросы функционирования нервной системы. Но о существовании нервов наши далёкие предки, вероятно, имели представление. Так, в некоторых племенах практиковались пытки, в которых нервные волокна жертвы наматывались на палочки. Это вызывало непроизвольные движения частей тела. Дикарей очень развлекали такие танцы. А интерес к мозгу, скорее всего, был чисто гастрономический.

Но не стоит недооценивать наших древних предков, найденные археологами многочисленные черепа со следами хирургической трепанации, до сих пор интригуют исследователей.

Древний мир – Античность

Бо́льшую часть летописной истории люди помещали разум – а вместе с ним и душу – не в мозг, а в сердце. Например, при подготовке мумий к загробной жизни жрецы Древнего Египта целиком сохраняли сердце в ритуальном сосуде; в то же время извлечённый мозг выкидывали или пускали на корм для животных, а пустой череп заполняли опилками или смолой. (И это не было проявлением пренебрежения к умершим, жрецы считали мозг любого человека бесполезным.)

Египтянам же принадлежит и первое из дошедших до нас описание мозга. Оно приведено в «папирусе Эдвина Смита»[1]. Здесь движение мозга в открытой ране сравнивается с «кипящей медью».

Большинство древнегреческих мыслителей считали самым возвышенным о́рганом сердце. Аристотель, например, полагал, что оно имеет толстые сосуды для передачи сообщений, в то время как у мозга они тонкие и слабые. Кроме того, сердце расположено в центре человеческого тела, как подобает командующему, а мозг находится в ссылке на вершине. Сердце первым развивается у человеческого эмбриона, оно сильно реагирует на эмоции, когда бьётся быстрее или медленнее, в то время как мозг внешне бездействует. Из чего делался вывод, что сердце является вместилищем наших высших способностей. А мозгу отводилась функция охлаждения крови, протекающей через него. (Сегодня Аристотеля мы почитаем в большей степени за изобретённый им систематический стиль мышления, чем за его нейроанатомические идеи.)

Вопрос природы сознания волновал человека всегда. Только вплоть до новейшей истории предметом исследования оставалась Душа. О Сознании начали говорить лишь тогда, когда связали мыслительные процессы и чувства с мозгом.

Некоторые врачи и в античные времена имели своё, собственное мнение о вместилище разума. Вероятно, они просто видели достаточно много пациентов, которые получив сходные ранения в голову, утрачивали какие-либо одинаковые высшие способности. Врачи начали догадываться, что именно мозг определяет внутреннюю сущность человека. Тем самым, было положено начало естественнонаучным представлениям о мозге.

Предположение, что нервные стволы являются путями, по которым передаются влияния от мозга к мышцам и в обратном направлении, было сформулировано в эпоху античности. А идею о локализации мыслей в головном мозге впервые в истории знания выдвинул врач и философ Алкмеон Кротонский (VI век до н. э.).

Гиппократ (460 – 377 годы до н. э.) – «отец медицины» выступавший как представитель материализма в медицине, как и Алкмеон, считал, что о́рганом мышления и ощущения является мозг. Он оставил после себя одно единственное рассуждение о функции мозга и природе сознания. Оно было включено в лекцию, которую Гиппократ читал собранию медиков, занимавшихся эпилепсией. Вот отрывок из той лекции: «Некоторые люди говорят, что сердце является о́рганом, которым мы думаем и которое чувствует боль и волнение. Но это не так. Людям следует знать, что от мозга, и только от мозга, проистекают наши удовольствия, радости, смех и слёзы. Посредством его… мы думаем, видим, слышим и отличаем уродливое от прекрасного, плохое от хорошего, приятное от неприятного… По отношению к сознанию мозг является посланником». Далее Гиппократ говорил: «Мозг является интерпретатором сознания». В другой части своего труда он просто отмечает, что эпилепсия происходит от мозга, «когда он не в норме». [2]

В Александрии в III веке до н. э. некоторое время было разрешено вскрытие трупов «безродных людей». Это поспособствовало важным открытиям, связанным с именами двух александрийских врачей – Герофила и Эразистрата.

Герофил в труде «Анатомия» подробно описал твёрдую и мягкую мозговые оболочки, части головного мозга, и особенно его желудочки (четвёртый из которых он считал местом пребывания души), проследил ход некоторых нервных стволов и установил их связь с головным мозгом.

Эразистрат тоже хорошо изучил строение мозга, описал его желудочки и мозговые оболочки. Он впервые разделил нервы на чувствительные и двигательные (полагая, что по ним движется душевная «пневма», которая обитает в мозге) и показал, что все они исходят из мозга. Мозговые желудочки и мозжечок он рассматривал как вместилище душевной пневмы, а сердце – центр жизненной «пневмы».

Все эти анатомо-физиологические све́дения объединил и дополнил римский врач Клавдий Гале́н (II век н. э.), автор сочинения по медицине, анатомии, физиологии, которое стало настольной книгой врачей вплоть до XVII века. Галену принадлежат открытия, связанные с выяснением строения и функций головного и спинного мозга: «…врачами точно установлено, что без нерва нет ни одной части тела, ни одного движения, называемого произвольным, и ни единого чувства».

Гален описал все отделы головного и спинного мозга, семь (из двенадцати) пар черепно-мозговых нервов, 58 спинномозговых нервов и нервы внутренних органов. Он широко использовал поперечные и продольные сечения спинного мозга в целях исследования чувствительных и двигательных расстройств ниже места сечения.

Следуя учению Платона о пневме, Гален считал, что в организме «пневма» обитает в различных видах: в мозге – «душевная пневма» (spiritus animalis), в сердце – «жизненная пневма» (spiritus vitalis), – в печени – «естественная пневма» (spiritus naturalis). Все жизненные процессы он объяснял действием нематериальных «сил», которые образуются при разложении пневмы: нервы несут «душевную силу» (vis animalis), печень даёт крови «естественную силу» (vis naturalis), пульс возникает под действием «пульсирующей силы» (vis pulsitiva). Подобные трактовки придавали идеалистическое толкование кропотливо собранному экспериментальному материалу Галена. Он правильно описывал то, что видел, но полученные результаты интерпретировал идеалистически.

Главными технологическими достижениями того времени были водопровод и канализационная система, основанные на принципах механики жидкостей. Поэтому едва ли можно считать случайным убеждение Галена, что в мозгу важную роль играет не само его вещество, а заполненные жидкостью полости. Сегодня эти полости известны как система мозговых желудочков, а выделяющаяся в них жидкость – как цереброспинальная (спинномозговая) жидкость.

Органами души Гален считал мозг, сердце и печень. Каждому из них приписывалась одна из психических функций соответственно разделению частей души, предложенному Платоном: печень – носитель вожделений, сердце – гнева и мужества, мозг – разума.

Мозг по Галену действует как некий мистический центр, рассылающий и принимающее духовные послания. Гален считал, что все физические функции тела, состояние здоровья и болезни зависят от распределения четырёх жидкостей организма: крови, флегмы (слизи), чёрной жёлчи и жёлтой жёлчи. Каждая из них имеет специальную функцию: кровь поддерживает жизненный дух организма; флегма вызывает вялость; чёрная жёлчь обусловливает меланхолию; жёлтая – гнев.

Представления Галена так глубоко проникли в научную мысль Европы, что на протяжении почти полутора тысяч лет роль этих основных жидкостей в функционировании мозга и других органов по существу не подвергалась сомнению.

[1] Папирус Э. Смита или Хирургический папирус – один из наиболее важных медицинских текстов Древнего Египта.

Епископ Немесия «О природе человека»

Имя епископа Эмессы – Немесия практически не известно у нас даже среди людей образованных, интересующихся философией и богословием.

К сожалению, нам ничего не известно о нем, кроме того, что он был христианским епископом города Эмесы (ныне – город Хомс в Сирии). Даже о времени жизни Немесия у историков нет единого мнения.

А между тем труд Немесия «О природе человека» (IV—V в.) представляет собой вполне удавшуюся попытку обоснования христианской антропологии, основанной на лучшем, что было создано в науке о человеке античными философами и учёными.

В его труде нашли обобщение представления его современников об органах чувств, каждому из которых он посвятил отдельную главу. Но, что более изумительно в трактате есть и такие главы:

• о способности мышления, • о способности помнить, • о внутреннем слове и слове произносимом.

Приведу пример его рассуждений про осязание: «…Совершенно ясно, что осязательные ощущения происходят благодаря нервам, идущим из головного мозга и разветвляющимся во всех частях тела. На том основании, что часто от укола ноги терновником у нас на голове тотчас шевелятся волосы, некоторые думали, что боль, отсылается в головной мозг и таким образом ощущается. Но если бы это соображение было справедливо, то страдала бы не уязвлённая часть, а только – мозг. Поэтому лучше сказать, что самый нерв есть мозг… Потому, та часть тела, которой присущ чувствительный нерв, получает от него чувство и становится чувствительной. Не безрассудно также утверждать, что в головной мозг передаётся не боль, но некоторая копия ощущения и извещение о боли…»

Органом памяти у Немесия служит задний желудочек головного мозга, «который называют ещё мозжечком, и находящаяся в нем психическая пневма». За способности ощущений отвечают – передние желудочки головного мозга, за способности мышления – средний. И все они «насквозь проникнуты «психической пневмой», как накалённое железо – огнём.

Процесс познания описан следующим образом: Способность представления передаёт восприятия внешних чувств мыслительной способности. Способность же мышления, или рассудок, приняв и обсудив это, отсылает способности памяти.

К таким выводам Немесия приходит вполне научно – на основе обобщения клинических наблюдений: «… если каким-либо образом повреждаются передние желудочки головного мозга, то затрудняется деятельность внешних чувств, но способность мышления ещё остаётся неповреждённой; когда же страдает один только средний желудочек – нарушается правильность мышления, а органы чувств сохраняют свои природные ощущения. Если же страдают и передние, и средний желудочки, то расстраивается рассудок вместе с внешними чувствами. А когда страдает мозжечок, то исчезает только память…» [3]

В итоге, труд Немесия «О природе человека» можно назвать обобщением знаний, накопленных в античном мире.

Развитие психологии в арабском мире

С VIII по XII века большинство естественно-научных исследований проводилось на Востоке, унаследовавшем основные философские традиции античного мира. Это была эпоха расцвета арабского Халифата, огромной империи, образовавшейся в результате мусульманских завоеваний. Наука и культура этого государства впитали достижения всех населявших его и соседних народов.

В те времена в халифате было терпимое отношение не только к отличным от ислама религиозно-философским воззрениям, не возбранялось и проведение медицинских научных исследований, в частности изучение мозга и органов чувств.

Арабские мыслители считали, что изучение сознания должно строиться не только на религиозно-философских суждениях о душе, но и на данных естественных наук.

Так, известный учёный того времени Ибн аль-Хайсам (965—1039 годы) сделал ряд важных открытий в области психофизиологии восприятия. Его научный подход к о́рганам зрения примечателен первой в истории попыткой трактовать их функции исходя из законов оптики. Важно было то, что он счёл эти законы доступными опыту и математическому анализу.

Примечательны рассуждения и другого известного арабского мыслителя – Ибн Сины (латинизированное имя – Авиценна, 980—1037 годы), который стал одним из самых выдающихся врачей в истории.

Ибн Сина в своих философских трудах сформулировал так называемую теорию двух истин, которая оказала огромное влияние на развитие наук в средневековый период. В теории двух истин доказывалось, что существуют две независимые, непересекающиеся, истины – вера и знание. Поэтому научная истина, не пересекаясь и не входя в противоречие с теологией, имеет право на собственную область исследований и на собственные методы изучения человека. В результате, формировалось две концепции о душе: религиозно-философское и естественно-научное.

Арабская научная мысль оказалась своеобразным резервным архивом научных традиций Античности, которые она сохранила и развила, а по прошествии веков возвратила в Западную Европу.

Средневековье

В период Средневековья в научной жизни Европы доминировала схоластика (от греческого «схоластикос» – школьный, учёный). Этот специфический тип философствования, господствовавший в Европе с XI по XVI век, сводился он к рациональному, использующему логические приёмы, обоснованию христианского вероучения. В схоластике имелись различные течения, общей же была установка на комментирование священных текстов. Фактическое изучение предметов и явлений, исследование реальных проблем подменялись трактованием Писания.

А что было в период между веками античности и XI веком? Учёные эпохи Возрождения назвали этот период «тёмное время» потому что сами мало знали о нём, а мы вслед за ними говорим «тёмное средневековье» и скромно пролистываем несколько столетий.

Интеллектуальное наследие античных мыслителей, возвратившееся-таки в Европу в XII веке католическая церковь вначале запретила, но затем принялась адаптировать соответственно собственным нуждам. С этой задачей наиболее искусно справился Фома Аквинский (1225—1274 годы), чьё учение позднее было канонизировано в папской энциклике как истинно католическая философия и получило название томизма (несколько модернизированного в наши дни под именем неотомизма).

Фома Аквинский утверждал, что человеческая сущность – это не только сама душа и, что душа это часть тела, а не самостоятельная субстанция – это была наиболее сомнительная, наиболее рискованная часть его рассуждений. Но он доказал, что эту позицию можно согласовать с христианством и что христианское учение не требует ни бестелесного спиритуализма, ни дуализма души и тела, ни независимости души. Фактически, Фома Аквинский отстаивал идею психофизического единства человека. Хотя этот взгляд имел античные корни, для средневековой теологии он был новаторским. [4]

В средние века католическая церковь использовала идеалистические стороны учения Галена, связав их с богословием. Так возник галенизм – искажённое, одностороннее понимание учения Галена. На переосмысление и отказ от галенизма ушло много столетий.

Возрождение

Лишь в эпоху Возрождения вместе с возобновлением интереса к естествознанию вообще, и функции нервной системы вновь стали предметом философских и научных исследований.

В какой-то степени проблемы, которые вставали перед наукой в эпоху Возрождения, были повторением старых, возникших в период становления философии на рубеже VII—VI веков до н. э. Поэтому, можно сказать, что эпоха Возрождения стала, по сути, периодом возвращения (возрождения) основ античной науки, перехода от догматизма к поиску новых путей научного исследования. В этот период наука стремилась преодолеть сакральность, которая царила в Средневековье.

XV—XVII века остались в истории временем расцвета искусств, прежде всего итальянской скульптуры и живописи. В меньшей степени в тот момент изучались проблемы души и сознания, так как вопросы духовной жизни традиционно оставались ещё вне круга научного изучения. Передовым направлением психолого-философских работ того времени стало исследование «проблемы способностей» личности. [5]

«Жизненный дух» Бернардино Телезио

Бернардино Телезио (Bernardino Telesio, 1509—1588) – итальянский учёный и философ. Он получил хорошее домашнее образование в области гуманитарных наук, а первым его учителем был дядя – литератор Антонио Телезио. Бернардино окончил Падуанский университет, а в 1535 г. получил степень доктора философии. Некоторое время жил в Неаполе, где открыл академию учёных, ориентированных на опытное познание природы (Academia Telesiana, или Consentina). По решению церковных властей академия была закрыта, а Телезио навсегда вернулся в родной город (в Козенце). Его жизненным девизом было изречение: «Realia entia, non abstracta» (Существующее реально, а не абстрактно).

Основные труды: «О природе вещей согласно её собственным началам», «О происхождении цвета», «О необходимости дыхания».

По Телезио носителем психических процессов является теплота, производящая движение и жизнь, т. е. жизненный дух, находящийся в лёгких, артериях, мозге. Кроме жизненного духа в человеке также присутствует и бессмертная душа. Познание мира происходит в результате соприкосновения жизненного духа с природой, имеющей единую с человеком сущность. За счёт этой общности достигается гармония человека с окружающим миром, а также гармония в самом человеке – так Телезио вплотную подошёл к идее гомеостаза[1].

Познание может быть сугубо эмпирическим, считал Телезио: «Строение мира, величину и природу содержащихся в нём вещей следует не постигать, как поступали древние, посредством разума, но воспринимать ощущением, выводя их из самих вещей».

Сам процесс познания Телезио описывал так: «тепло и холод, взаимодействуя с организмом, вызывают расширение и сужение „жизненного духа“, порождая образы восприятия, которые, в сущности, есть осознание изменений состояния внешней среды. Это осознание возникает на основе сравнения между входящими впечатлениями и уже имеющимися, сохранёнными в памяти. На основании прошлого опыта наблюдений за вещами человек может прогнозировать (представлять) движение событий по аналогии. Видя бутон, человек вспоминает распустившиеся цветы и может предположить, что этот цветок тоже распустится. Таким образом, постижение природы основано на ощущениях, которые по мере запечатления перерабатываются, связываются и группируются, образуя мысли, которыми оперирует разум». [4]

Кроме того, Телезио отмечает целесообразность процесса познания, действующего из принципа самосохранения, как и всё в природе. Показателем целесообразности происходящего с человеком служат аффекты: положительные аффекты связаны с самосохранением, поскольку в них проявляется сила стремления души к нему. А в отрицательных аффектах, наблюдается слабость движения души к самосохранению. Впоследствии подобную позицию в отношении аффектов будет занимать Спиноза, который построит на этих основаниях подробную концепцию организации мотивационной и эмоциональной сферы человека.

Идеи Телезио оказали значительное влияние на развитие эмпирической философии Нового времени, и не только в области познания природы человека, но и мира в целом. Его идея об отмежевании науки о природе от философии и теологии подготовила выделение физики в самостоятельную область научного знания. [5]

[1] Гомеоста́з – саморегуляция, способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия. Стремление системы воспроизводить себя, восстанавливать утраченное равновесие, преодолевать сопротивление внешней среды.

Анатомические рисунки Леонардо да Винчи

Возможно самой знаменитой личностью эпохи Возрождения является Леонардо да Винчи (Leonardo di ser Piero da Vinci, 1452 – 1519), проявивший себя в различных отраслях науки и искусства и, что важно для нашей темы, внёсший некоторый вклад в развитие медицины.

Увлечение анатомией побуждало Леонардо да Винчи препарировать трупы.

Рисунок 1. Не просто рисунок, но и наблюдения и попытка постижения знания.

Представления Леонардо о строении органов чувств вполне соответствовали научным взглядам той эпохи. Он думал, что мозг состоит из трёх луковиц с желудочками, которые располагаются по одной линии позади глазных яблок. Работы Леонардо да Винчи на полвека опередили исследования основоположника современной ему научной анатомии Андреаса Везалия, но остались неизвестными современникам.

Случилось так, что после смерти великого гения, все его рукописи числом около семи тысяч листов унаследовал его ученик, друг и компаньон Франческо Мельци, который систематизировал только то, что, по его мнению, имело отношение к искусству. Остальное наследие различными путями разошлось по частным коллекциям и библиотекам Италии и других стран Западной Европы и долгое время оставалось неизвестным.

По прошествии времени разрозненные рукописи и рисунки Леонардо стали предметом коллекционирования, и во второй половине XVIII века из них было сгруппировано 13 книг. Одной из самых интересных оказался «Виндзорский кодекс», в котором были собраны все его работы, посвящённые медицине. Таким образом, труды Леонардо да Винчи по анатомии стали известны только в XVIII веке (уже после выхода в свет труда Везалия), а изданы были ещё позднее в 1901 году в Турине.

Андреас Везалий

Вплоть до начала XVI века врачи изучали анатомию по трудам Галена, родившегося ещё в 129 году нашей эры. И только 13 столетий спустя, в эпоху Возрождения, появился человек заявивший, что Гален не во всём был прав, хотя это и казалось в то время немыслимым.

Около 1540 года нидерландский потомственный врач Андреас Везалий (Andries van Wesel, 1514—1564) составил список из двухсот ошибок Галена и пришёл к выводу, что тот дополнял све́дения, полученные при лечении гладиаторов более доступными в ту пору результатами анатомирования овец, коз, быков и обезьян, а потом экстраполировал собранные данные на людей.

К несчастью для Галена, вернее, для его учеников, человеческий мозг устроен несравненно сложнее, чем коровий, и в течение тысячи трёхсот лет медики пытались объяснить работу мозга на основе отчасти ошибочных представлений о его устройстве.

Некоторые историки обвиняли Везалия в корысти, якобы свой основной труд он написал ради придворной карьеры. Сам же он оставил нам следующую запись: «Я не мог бы сделать ничего более полезного, чем дать новое описание всего человеческого тела, чью анатомию никто не понимал, поскольку Гален, несмотря на все множество его трудов, сообщил об этом крайне мало, и я не знаю, каким ещё образом я мог бы донести результаты своих исследований до моих студентов».

Везалий опубликовал один из основополагающих трудов медицины – «О строении человеческого тела» в возрасте 28 лет, потратив много сил на то, чтобы книга была как можно более совершенной. Её иллюстрации обладают высокими художественными достоинствами и, как считают современные искусствоведы, они были созданы в мастерской самого Тициана, во всяком случае, первых двух из семи томов. В отличие от современных анатомических а́тласов, тела́ в книге не лежат безжизненно. Они позируют, как античные статуи. Некоторые устраивают настоящий стриптиз своей плоти, снимая её слой за слоем и обнажая внутренние органы и кости.

Спустя несколько недель после издания трактата «О строении человеческого тела» вышел в свет его великолепный конспект – «Извлечение» («Epitome»). Эта книга, более скромная и меньшая по объему, предназначалась для студентов-медиков, которые могли бы пользоваться ею непосредственно у анатомического стола. При том в «Извлечение» было включено несколько полностраничных рисунков скелетов и мышц из основного труда.

Шестой и седьмой тома посвящены исключительно мозгу. Анатомические исследования Везалия, относящиеся к различным отделам мозга, имели исключительное значение. До Везалия представления о структуре мозга и его функции оставались на уровне Галена. С изданием седьмого тома стали понятны хотя бы некоторые его структурные особенности, с этого времени анатомы уже не могли игнорировать его существование.

Рисунок 2. Одна из иллюстраций книги «О строении человеческого тела».

Есть такая история о Везалии [6]. Дон Карлос, наследник испанского престола, был хилым, болезненным подростком. Никто не испытывал к нему особой симпатии, поскольку он с самого детства был жестоким неуравновешенным психопатом. В подростковом возрасте он начал домогаться юных девушек.

Однажды вечером в 1562 году инфант побежал вниз по лестнице, чтобы перехватить горничную, за которой он шпионил, и тут кара судьбы настигла его. Он споткнулся, полетел кувырком и ударился головой у подножия лестницы. Испанские лекари не могли вылечить принца, поэтому отец король Филипп послал за Везалием. Тот обнаружил ушиб у основания черепа Карлоса и рекомендовал провести трепанацию, чтобы уменьшить давление.

Испанские врачи, раздражённые вмешательством иностранца, возражали против этой идеи.

Тем временем в Толедо три тысячи испанцев, раздевшись до пояса, хлестали друг друга плетьми, надеясь, что самобичевание спасёт жизнь принцу, а жители Алькалы — города, где боролся за жизнь дон Карлос — принесли мумифицированный труп брата Диего, монаха-францисканца, умершего несколько веков назад, и уложили его в постель рядом с лежащим без сознания принцем.

Такая терапия, естественно, не дала результатов, и Везалию разрешили провести операцию. Карлосу просверлили маленькое отверстие в черепе и удалили гной. Через неделю инфант поправился, но врачи и горожане приписали все заслуги чудотворной мумии монаха, которого впоследствии канонизировали за чудо, сотворённое Везалием.

Этот фарс возмутил Везалия и побудил его покинуть Испанию под предлогом паломничества. По другим све́дениям, за вскрытие трупов, при котором однажды погиб человек, находившийся в летаргии, Везалий был приговорён к смерти испанской инквизицией, но, благодаря заступничеству короля Филиппа II, смертную казнь заменили вышеупомянутым паломничеством. Правда, современные историки считают и этот рассказ выдумкой.

Зато достоверно известно, что Везалий стал жертвой чудовищной травли со стороны своего собственного учителя, который встал на защиту традиционной медицины Галена. Именно это обстоятельство и нападки Римской католической церкви вынудили его отправиться в Палестину в паломничество ко Гробу Господню

Возвращаясь из этого опасного и трудного по тем временам путешествия, при входе в Коринфский пролив, корабль Везалия потерпел крушение, и отец современной анатомии был выброшен на небольшой остров Занте, где тяжело заболел и умер 2 октября 1564 года, 50-и лет отроду.

«Животные духи» Рене Декарта

Важную роль в последующих исследованиях сыграло выдвижение в 1649 году французским философом и естествоиспытателем Рене Декартом принципа отражательной (рефлекто́рной) деятельности нервной системы. Сам термин «рефлекс» несколько позже начали использовать в своих работах английский учёный Виллизий (Уиллис (Willis) Томас, 1672) и чешский физиолог Йиржи Прохаска (Prochazka, 1784), но идея принадлежит именно Декарту.

Рене Декарт (René Descartes, 1596—1650) – французский философ, математик, механик, физик и физиолог, более известен нынешнему читателю благодаря своему афоризму: «Я мыслю, следовательно, я существую», а также как создатель аналитической геометрии и современной алгебраической символики, автор метода радикального сомнения в философии, механицизма в физике, предтеча рефлексологии.

Рисунок 3. Иллюстрация к размышлениям. Рене Декарт.

Почти до середины XVIII века большинство учёных считало, что причиной сокращения мышц и, вообще, всех движений является душа.

Допуская существование двух независимых субстанций – души и тела, он полагал, что тело не нуждается в душе как источнике активности. В его теории бренное тело рассматривается как машина, функционирующая по законам механики. Источник движения находится не в душе, а в самом теле, в его конструкции, которая «запускается», как любая машина-автомат, внешним толчком. Душа же согласно Декарту, наделена собственной волей, направляющей процессы мышления, познания, а основная функция тела – это движение, которое рассматривается как рефлекс. Собственно, термин «рефлекс» в рассуждениях Декарта отсутствует, но в его описаниях строения и функционирования тела чётко прочитываются основные компоненты рефлекто́рной дуги, в состав которой входит несколько обязательных компонентов, или звеньев, каждое из которых выполняет собственную функцию.

Значительное влияние на создание Декартом его теории рефлекса оказало открытие в 1628 году Уильямом Гарвеем (1578—1657) процесса кровообращения. Нервную активность Декарт мыслил по аналогии с прохождением крови по сосудам. Он считал, что всё тело пронизано нервами, берущими своё начало в мозге и идущими ко всем частям организма. Нервы он представлял в виде тонких ниточек, окружённых оболочкой, как трубочкой. В этих трубочках помимо ниточек содержатся «животные духи» – наиболее подвижные и лёгкие частицы крови, которые отфильтровываются от других частиц в мозге (тела, «не имеющие никакого другого свойства, кроме того, что они очень малы и движутся очень быстро»). Через поры в мозге животные духи способны проникать в нервы, а из них в мышцы, благодаря чему тело способно совершать разнообразные движения. При внешнем воздействии на нервные окончания, натяжения нитей открывают клапаны, и животные духи переходят из одной трубочки в другую, направляясь к соответствующей мышце, раздувают её, заставляя сокращаться. Так проследив путь, который проходят «животные духи» по нервам от рецепторов к мозгу, а от него к мышцам, Декарт фактически описал рефлекто́рную дугу.

Движением «животных духов» Декарт объяснял всё разнообразие действий и поведения человека. Движения «животных духов» внутри мозга осознаются душой, по его мнению, как ощущения, восприятия и представления. Изменение траектории движения «животных духов» (следовательно, и вариативность поведения) он объяснял двумя причинами: привычкой, или упражнением, и воздействием души.

Обсуждая возможность изменить течение рефлекса, т. е. возможность обучения и формирования желательного поведения, Декарт использовал понятие ассоциация, введённое ещё Аристотелем. Однако если у Аристотеля ассоциации связаны, прежде всего, с работой органов чувств, то Декарт распространяет ассоциации и на поведение, говоря о связи между двумя действиями или действием и образом предмета. Так, выстрел, который приводит к естественному порыву – убежать, скрыться, может при обучении изменить свою функцию, например, у солдата стать сигналом к атаке, а у охотничьей собаки – к поиску дичи. Такое изменение поведения не связано с влиянием души и происходит потому, что ассоциации, возникающие в результате упражнения или привычки, деформируют клапаны (поры) мозга в результате натяжения определённых «нитей». Это приводит к изменению естественного движения «животных духов», они перемещаются в новом направлении и попадают в другую мышцу, вызывая соответственно иное движение. Эти изменения поведения происходят, как было сказано, без вмешательства души, тогда как воздействие страстей на деятельность связано с её активностью. Описанные идеи Декарта получили более детальное воплощение в ассоциативной теории Гартли.

В результате, в 1632 году Декартом была сформулирована теория дуализма. Эта теория предполагает, что люди обладают двойственной природой: материальным телом и нематериальной и неразрушимой душой, живущей вне тела. Эта двойственная природа связана с двумя типами субстанций. Res externa – материальная субстанция, наполняющая тело, в том числе головной мозг, – бежит по нервам и придаёт животную силу мышцам. Res cogitans – нематериальная субстанция мысли, свойственная только людям. Она порождает рациональное мышление и сознание, а её нематериальность отражает духовную природу души. Рефлекторные действия и многие другие физические формы поведения осуществляются мозгом, а психические процессы осуществляет душа. Декарт считал, что эти два начала взаимодействуют друг с другом посредством эпифиза – небольшой структуры, расположенной в глубине мозга.

Римско-католическая церковь, чувствуя, что новые открытия анатомии угрожают её авторитету, приняла дуализм, потому что он разделял сферы науки и религии.

Идеи Декарта легли в основу представления о том, что действия, такие как приём пищи или ходьба, а также сенсо́рное восприятие, потребности, влечения и даже простые формы обучения осуществляются при посредничестве мозга и доступны для научного исследования, однако, психика, то есть душа, священна и как таковая не должна и не может быть предметом научного анализа.

Примечательно, что эти идеи XVII века были по-прежнему в ходу и в восьмидесятые годы XX века. Например, Карл Раймунд Поппер, великий философ науки, и Джон Кэрью Экклс, нейробиолог и нобелевский лауреат, всю жизнь были сторонниками дуализма и соглашались с Фомой Аквинским, что душа бессмертна и независима от мозга.

Британский философ науки Гилберт Райл критикуя идеи мыслителей XVII и XVIII веков (в частности, Декарта) о том, что человеческая природа есть механизм с «духом» внутри, назвал эту концепцию души «призраком в машине».

Механицизм Гартли

Дэвид Гартли (David Hartley, 1705—1757) – английский мыслитель, один из основоположников психологической теории, которая известна как ассоцианизм.

В основу своей теории Гартли положил идею об опытном характере знания, а также принципы механики Ньютона. Вообще, механистическое понимание человеческого организма, сути его работы, в том числе и функционирования нервной системы в то время, было характе́рной приметой психологии XVIII века. Не избежал этого увлечения и Гартли, который стремился объяснить поведение человека исходя из физических принципов.

В своей книге Размышления о человеке, его строении, его долге и упованиях (1749 год), Гартли предположил существование неких вибраций внешнего эфира, которые отзываются соответствующими вибрациями в органах чувств. Вибрация органов чувств отзывается соответствующими вибрациями в мозге, а те, в свою очередь, стимулируют работу определённых мышц, вызывая их сокращение и движение частей тела.

Осмыслив структуру сознания человека, Гартли выделил в ней два круга: большой и малый. Большой круг по сути является описанием рефлекторной дуги – он регулирует поведение, а малый является основой психической жизни, процессов познания и обучения. Гартли считал, что вибрация участков мозга в большом круге вызывает соответствующую вибрацию в малом оставляя там следы. Эти следы, по его мнению, служат основой памяти человека. Они могут быть более или менее глубокими в зависимости от силы и значимости вызывавших их событий. Принципиально новой была идея Гартли о том, что от силы этих следов зависит степень их осознанности человеком, причём слабые следы, подчёркивал он, вообще не осознаются. Таким образом, он расширил сферу душевной жизни, впервые включив в неё бессознательные процессы.

Спустя сто лет идею Гартли о силе следов и её связи с возможностью их осознания развил известный психолог Иоганн-Фридрих Гербарт (1776—1841) в своей знаменитой теории о динамике представлений. [5]

Эпоха просвещения

В XVII в. начинают бурно развиваться науки. К этому времени Иоганн Кеплер (Johannes Kepler, 1571—1630) даёт математическое обоснование открытий Коперника и завершает революционный переход от птолемеевой геоцентрической к гелиоцентрической теории строения Солнечной системы. Галилео Галилей (1564—1642) обосновывает ошибочность разделения физики земной и небесной. Англичанин Исаак Ньютон (1642—1727) сводит воедино законы гравитации, силы, управляющие орбитальным движением планет и движением предметов на поверхности земли. Уильям Гарвей (1578—1657) доказывает, что кровь циркулирует в теле, описывает большой и малый круги кровообращения с помощью механистических понятий. Роберт Бойль (1627—1691) становится основоположником научной химии и способствует переходу от алхимии к химии как естественно-научной дисциплине.

Начало Нового времени – период развития механики, время, когда инженерные открытия начинают серьёзно влиять на реальную жизнь людей. Примером такого уникального влияния становится изобретение механических часов, которые пришли на смену солнечным, песочным, водяным и другим предшественникам механических. Часы изменили мироощущение человека и позволили ему стать менее зависимым от суточного ритма освещённости. Значение механических часов в культуре Европы заметно по количеству метафор, которые используются для объяснения (и понимания) того, как работает человеческое тело и как соотносятся телесное и психическое.

В истории этот период получил название «научной революции».

Несмотря на продолжающиеся горячие дебаты по поводу дуализма Рене Декарта к началу XVII века большинство учёных помещали разум в мозг человека. Несколько смелых исследователей даже взялись за поиски анатомического Эльдорадо: вместилища души внутри мозга.

На смену теориям, связывавшим важные свойства нервной системы с потоками жидкостей, ненадолго пришли теории «баллонистов»; согласно этим теориям, нервы представляют собой полые трубки, по которым проходят потоки газов, возбуждающих мышцы. Как можно было опровергнуть подобное представление? Учёные стали препарировать животных под водой. Поскольку газовых пузырьков, которые выходи́ли бы из сокращающихся мышц, не наблюдалось, теория была признана ошибочной.

Концепция жизненных жидкостей вскоре уступила место иному представлению, которое выдвинул физик Исаак Ньютон. Он предположил, что передачу воздействия осуществляет вибрирующая «эфирная среда», постулированные свойства которой, как выяснилось позднее, присущи и «биологическому электричеству».

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]

Френология Ф. Галля

В первой четверти XIX века известный австрийский врач и анатом Франц Йозеф Галль (Franz Joseph Gall, 1758—1828) проявил себя как яркий исследователь в области морфологии мозга. Он впервые дифференцировал серое вещество, составляющее кору и подкорковые образования, от белого вещества, которое состоит, по его мнению, из проводящих волокон, связывающих отделы мозга между собой.

Наибольшую известность, однако, получили не эти его исследования, а френология.

Галль с юных лет загорелся этой идеей. Ещё когда он учился в школе, у него создалось впечатление, что самые умные из его одноклассников отличались выдающимся лбом. А встретившаяся ему очень романтичная и очаровательная вдова, напротив, имела выступающий затылок. Так Галль пришёл к заключению, что сильным умственным способностям соответствуют увеличенные лобные доли, а увеличение затылочной части есть следствие романтичности.

Он продолжил систематизировать свои наблюдения, когда его назначили заведовать венским сумасшедшим домом. Там исследуя черепа́ преступников он и обнаружил выразительную шишку над ухом, которая напоминала таковую на черепах хищных животных. Галль связал эту шишку с частью мозга, которую он считал ответственной за жестокое и разрушительное поведение. В своих работах, вышедших в начале XIX века, в частности, в книге «Исследования нервной системы», он предложил «карту головного мозга», на которой попытался разместить все умственные качества, которые были разработаны психологией способностей[1]. При этом для каждой способности указывался соответствующий участок мозга. Галль полагал, что развитие каждой области коры головного мозга вызывает её увеличение, которое приводит к деформации участка черепа над ней. Поэтому исследование поверхности черепа, по его мнению, должно было выявлять индивидуальные особенности личности.

Для различных способностей, чувств и черт характера Галль и его ученики находили соответствующие «шишки», размер которых они считали коррелирующим с развитием способностей.

Идея Галля о том, что все психические явления имеют биологическую природу, противоречила доминировавшей в то время теории дуализма Декарта.

[1] В 17—18 вв. считалось, что способности представляют собой уровень развития общих и специальных знаний, умений и навыков, обеспечивающих успешное выполнение человеком различных видов деятельности.

Рисунок 8. Френология.

Радикальная позиция Галля, ратовавшего за материалистический взгляд на психику, импонировала научному сообществу тем, что предполагала отказ от концепции небиологической души. Однако влиятельные консервативные силы видели в ней угрозу. Император Франц I, даже запретил Галлю выступать с публичными лекциями и изгнал его из Австрии.

Академическая психология того времени признавала двадцать семь психических свойств, например, память, осторожность, скрытность, жестокость. Галль сопоставил эти свойства с двадцатью семью участками коры головного мозга, назвав их «психическими о́рганами». (Позднее как самим Галлем, так и его последователями к ним были добавлены новые.) Эта теория локализации функций вызвала споры в научной среде, продолжавшиеся вплоть до следующего века. [8]

Теория Галля была верна по сути, но ущербна в деталях. Во-первых, большинство «психических свойств», считавшихся во времена Галля отдельными функциями психики, оказались слишком сложными, чтобы их мог порождать один единственный участок коры головного мозга. Во-вторых, метод, которым пользовался Галль, приписывая функции определённым участкам мозга, был основан на изначально ошибочных предположениях. Он с недоверием относился к исследованиям поведения людей с повреждениями тех или иных участков мозга, поэтому клиническими данными пренебрегал.

Галль разработал пять принципов, на которых основана френология:

1. Мозг – это о́рган ума.

2. Человеческие умственные способности могут быть организованы в конечное число способностей.

3. Эти способности соответствуют определённым областям поверхности мозга.

4. Размер выпуклости на черепе является мерой того, насколько соответствующая способность влияет на характер человека. 5. Соотношение поверхности черепа и контура поверхности мозга является достаточным для наблюдателя, чтобы определить относительные размеры этих областей.

К концу двадцатых годов XIX века идеи Галля и френология как дисциплина приобрели чрезвычайную популярность во всех слоях общества. Пьер Флуранс, французский невролог-экспериментатор, решил подвергнуть их проверке. Используя в качестве подопытных разных животных, Флуранс поочерёдно удалял участки коры головного мозга, которые Галль сопоставлял с разными психическими функциями, но ему не удалось подтвердить ни одно из нарушений поведения, предсказываемых Галлем. Более того, Флуранс вообще не нашёл никакой связи между нарушениями поведения и определёнными участками коры.

Так Флуранс пришёл к выводу, что все психические способности равномерно распределены по всему мозгу, и, следовательно, повреждение любой его области будет иметь такой же эффект, как и повреждение другой. Он утверждал, что кора эквипотенциальна, то есть каждый её участок может выполнять любые из функций мозга. «Все ощущения и решения занимают одно и то же место в этих структурах; такие свойства, как восприятие, понимание и воля, составляют, по сути, единое свойство», – писал Флуранс.

Идеи Флуранса вскоре завладели умами учёного сообщества. Возможно, их принимали так благосклонно благодаря убедительности экспериментов, но отчасти и потому, что они соответствовали чаяниям религиозных и политических противников материалистических идей Галля.

Дискуссия между последователями Галля и Флуранса на несколько последующих десятилетий разделила научное сообщество. Этот спор разрешился лишь во второй половине XIX века, когда в дело вмешались два невролога: Пьер-Поль Брока в Париже и Карл Вернике в 1879 в городе Браславу (Германия).

Поль Брока (Pierre Paul Broca, 1824—1880) описал двух больных, которые страдали симптомами утраты речи. Исследовав после смерти их мозг, он обнаружил одинаковые очаги повреждения в третьей лобной извилине левого полушария. На основании этих двух случаев, Брока сделал вывод, что именно эта зона регулирует речь. Последующие исследования подтвердили, его гипотезу.

Позднее Карл Вернике (Carl Wernicke, 1848—1905) пришёл к заключению, что словесная глухота (заболевание, при котором больные слышат звуки, но не могут расшифровать значение речевых высказываний) возникает при повреждении задней части височной извилины («зона Вернике»). Он также высказал предположение, что во второй лобной извилине, непосредственно перед двигательной зоной руки находится центр письма [9]. Таким образом, подтверждалась локализационистская концепция структуры головного мозга, что подогревало интерес к исследованиям в этом направлении.

P.S. В конце XX – начале XXI в. появилось множество весьма сомнительных исследований с фМРТ претендовавших на нахождение областей мозга, соотносящихся с психическими свойствами и способностями личности.

Совсем недавно выпускники Оксфордского университета провели исследование френологии, чтобы научно подтвердить или опровергнуть её положения. С помощью МРТ были исследованы кожа головы, форма черепа, извилины мозга и сопоставлены с личными качествами человека и его образом жизни. Увы, френологический анализ не выявил никаких взаимосвязей.

Эпоха промышленной революции

Регистрация биоэлектрических явлений. Карло Маттеуччи

Итальянский физик Карло Маттеуччи (Carlo Matteucci, 1811—1868) продолжил исследования Луиджи Гальвани. Он внёс значительный вклад в развитие электрофизиологии, показав в 1830—1840 годах, что в мышце всегда может быть зафиксирован электрический ток, который течёт от неповреждённой её поверхности к поперечному разрезу. Маттеуччи первым произвёл опыт, известный под названием «опыта вторичного сокращения» (вторичный тетанус): при накладывании на сокращающуюся мышцу нерва второго нервно-мышечного препарата – его мышца тоже начинает сокращаться. Результат опыта Маттеуччи сейчас объясняется тем, что возникающего в мышце при её возбуждении потенциала действия оказывается вполне достаточно для возбуждения другого нерва и мышцы.

В 1838 году Маттеуччи также впервые осуществил регистрацию биоэлектрических явлений с помощью гальванометра, одна клемма которого присоединялась к повреждённому участку мышцы, другая – к неповреждённому, при этом стрелка гальванометра отклонялась. Правда, Маттеуччи смог зарегистрировать только ток повреждения мышцы, а не нерва (не хватало чувствительности прибора).

До Маттеуччи единственным измерительным инструментом служила сама лапка лягушки с отпрепарированным нервом (физиологический реоскоп) и не было уверенности в том, что процессы возбуждения связаны именно с электрическими явлениями. После работ Маттеуччи это можно было считать доказанным.

Всё это происходило в 1837 году. Это был год столетия со дня рождения Гальвани. Наконец была доказана правильность толкования им своих последних опытов. А четыре года спустя в 1841-м появится полное собрание сочинений Гальвани. Профессор вновь становится знаменит и теперь уже навсегда.

Доктрина Иоганна Мюллера

Одним из самых видных физиологов XIX века был Иоганн Петер Мюллер (Johannes Peter Müller, 1801—1858), основатель новейшей физиологии.

Его главный труд – «Руководство по физиологии человека» (1833—1840). В нём наряду с вопросами общей физиологии значительное место занимают данные по физиологии нервной системы. В этом труде получило развитие учение о рефлекто́рном акте и о рефлекто́рной природе работы спинного мозга.

Много внимания в книге Мюллер уделил разделу о деятельности органов чувств, особенно зрения и слуха.

Мюллер выдвинул доктрину специфической энергии органов чувств, которая явилась крупнейшим обобщением XIX века в этой области физиологии. Доктрина включала десять законов. В соответствии с первым законом, мы осознаём не сам объект, но «представление наших нервов, нервы – это посредники между воспринимаемыми объектами и мозгом и таким образом они навязывают сознанию свои, собственные характеристики». По Мюллеру, «ощущения складываются в чувствующем органе посредством нервов, и в качестве результата от действия внешних причин дают знания некоторых качеств или условий не внешних тел, а самих сенсо́рных нервов».

Второй закон доктрины Мюллера состоял в принципе специфичности. Имеется пять видов нервов и соответствующих органов чувств, и каждый из них имеет своё специфическое качество или свою специфическую энергию, которую навязывает уму.

Третий закон доктрины специфичности опирался на эмпирическую очевидность первых двух: одна и та же причина вызывает в различных о́рганах чувств различные ощущения (зрительные, слуховые ощущения возникают и тогда, когда о́рган чувств раздражается необычным раздражителем, неадекватным для данного о́ргана чувств, например, электрическим или механическим). Следовательно, и качество ощущений зависит от природы нерва, на который воздействует причина. Таким образом, хотя причиной ощущений является материальное воздействие, ощущение не воспроизводит его свойств. Внешнее воздействие высвобождает нервную энергию, которая дремлет в о́ргане чувств и только ждёт толчка для этого возбуждения. [10]

Между тем в 1830 году Иоганн Мюллер авторитетно заявлял, что скорость распространения нервного сигнала измерить невозможно. По его мнению, поскольку нервный сигнал – имеет электрическую природу, он должен проводиться со скоростью, примерно равной скорости света (3х10^8 м/с). Учитывая небольшие размеры биологических объектов, даже с помощью лучших инструментов того времени измерить такую скорость было невозможно. [11]

Теория электромоторных молекул

Спустя несколько десятилетий вернулся к идее Гальвани швейцарский физиолог Эмиль Дюбуа-Реймон (Du Bois-Reymond, 1818—1896).

Его научная деятельность началась с того, что в 1841 году Иоганн Мюллер дал ему, тогда 22-летнему студенту третьего курса, тему для самостоятельной работы – повторить опыты Маттеуччи, который к тому времени стал уже академиком. Дюбуа увлёкся этой темой и в результате всю свою научную жизнь посвятил электрофизиологии. [7]

Обдумывая полученное от Мюллера задание, Дюбуа понял, что «повторить» опыты Маттеуччи не так-то просто: в те времена каждый учёный использовал уникальные приборы собственной конструкции, сопоставлять показания которых было практически невозможно. Поэтому Дюбуа, выполняя задание, одновременно поставил своей задачей разработать такое оборудование, которое позволило бы в разных лабораториях получать сравнимые результаты. В итоге он создал универсальный комплекс приборов, обслуживающий все основные этапы исследований: раздражение мышц и нервов, отведение возникающих в них биопотенциалов и их регистрацию.

Одна из проблем исследователей тех лет была в том, что они располагали только гальваническими источниками постоянного тока, а для экспериментов нужны были электрические импульсы. Созданный молодым учёным прибор для раздражения, который назывался «санный аппарат Дюбуа-Реймона», позволял строго дозировать раздражающее воздействие. Он представлял собой две катушки с большим числом витков; одна катушка могла выдвигаться из другой, скользя по специальным полозьям. К внутренней – первичной катушке присоединяли источник тока – гальванический элемент с известным напряжением. В цепь был включён прерыватель тока – молоточек Нефа, такой, какой позже использовали в электрическом звонке. Во вторичной катушке индуцировался ток, которым раздражали нерв или мышцу. Выдвигая одну катушку из другой можно было регулировать силу раздражающего тока; степень выдвижения катушек измерялась по специальной линейке. Теперь, если в статье по физиологии было написано: «Сила раздражения была равна 12 см», все понимали это однозначно. Подобные индукционные катушки использовались в биологических лабораториях вплоть до 50-х годов XX века, только тогда их вытеснили электронные генераторы тока.

Рисунок 9. Санный аппарат Дюбуа-Реймона

Другое техническое препятствие, с которым столкнулся Дюбуа состояло в том, что все гальванометры были сильно инерционными и не позволяли регистрировать кратковременные импульсные токи. Сам он разрешить его не смог, но это сделали его последователи.

Немного забегая вперёд расскажу, что в 1847 году Габриэль Ионас Липпман (Gabriel Lippmann; 1845—1921) изобретёт знаменитый капиллярный электрометр. С помощью этого остроумного прибора можно было с высокой точностью измерять чрезвычайно малые электрические потенциалы (до 0,1мВ). Этим устройством воспользовались Освальд, который применил его для развития теории электрического потенциала Нернста. Применяли его и Иоганн Мюллер и Дуглас Эдриан, которому, кстати принадлежат слова «история электрофизиологии определяется историей развития электроизмерительной аппаратуры».

Благодаря этому устройству известный французский физиолог Этьенн-Жюль Марей, в 1876 году получил первую кардиограмму сердца лягушки. И капиллярный электрометр стал главным инструментом электрокардиографии.

Но я почему-то не нашёл упоминаний о том, чтобы этот прибор был использован для исследования нервного импульса.

Усовершенствование, введённое Дюбуа для отведения биопотенциалов, также было очень существенным: он понял, что биопотенциалы некорректно отводить простыми медными проволочками, так как в месте соприкосновения металла с биологической тканью возникают потенциалы, вполне сравнимые с теми, которые предполагается измерить. Дюбуа разработал специальные электроды (их называют неполяризующимися), которые не создавали избыточной разности потенциалов.

Все эти, казалось бы, технические и потому второстепенные нововведения на самом деле сыграли немаловажную роль в науке. А исследования Дюбуа-Реймона, начатые им на студенческой скамье, стали выдающимся достижением науки того времени. Более того, они оказали существенное влияние и на уровень всех проводимых в то время работ по электробиологии, так как Дюбуа-Реймон широко пропагандировал и даже дарил свои приборы.

Собственные исследования Дюбуа-Реймона шли в двух основных направлениях: во-первых, он исследовал электричество, генерируемое живыми тканями (тут он продолжал линию Гальвани – Маттеуччи), во-вторых, он изучал законы действия тока как раздражителя нервов и мышц (здесь он развивал направление, начатое Фонтана и Вольта).

В 1843 году Дюбуа открыл ток повреждения в нерве. (Это был первый случай, когда электричество объективно зарегистрировали в нервах, гальванометры Маттеуччи были для этого недостаточно чувствительными.)

В 1849 году он показал, что и мозг, так же как нерв и мышца, обладает электрогенными свойствами.

Результаты своих исследований Дюбуа-Реймон изложил в трёх больших томах «Исследования по животному электричеству» (1848, 1849, 1869 гг.). Очевидно, в этих томах не все данные были получены лично Дюбуа. Но именно он был тем человеком, который привёл все све́дения о «животном электричестве» в систему, провёл колоссальную работу по их уточнению и восполнению недостающих деталей. Он описал, при каких условиях, где и на каких объектах можно наблюдать биопотенциалы, привёл их характеристики и т. д.

Кроме того, он предложил первое теоретическое объяснение потенциала повреждения. Дюбуа-Реймон полагал, что вдоль мышц и нервов тянутся цепочки особых «электромоторных» молекул. Каждая такая молекула представляет собой как бы два гальванических элемента, соединённых положительными полюсами, так что наружу ориентированы только отрицательные. Где бы ни рассечь мышцу, на разрезе обнажатся отрицательные полюса, чем и объясняется потенциал повреждения.

Здесь мы можем наблюдать пример того как биологическая гипотеза строится под влиянием аналогии с современной ей физической теорией: последним открытием в физике в это время сала теория Ампера о том, что свойства постоянных магнитов объясняются тем, что каждая молекула в нём является маленьким магнитиком.

Дюбуа-Реймон придумал, как теперь сказали бы, демонстрационную модель для проверки своей гипотезы. Он взял много маленьких гальванических элементов «медь – цинк», попарно соединил их положительными полюсами, укрепил на деревянной доске и, погрузив всю конструкцию в раствор соли, стал проводить на этой «искусственной мышце» такие же эксперименты, которые он проводил на мышце живой. Оказалось, что распределение потенциалов в такой модели действительно было сходно с распределением потенциалов у реальной мышцы.

Благодаря такой оригинальной демонстрации, и авторитету Дюбуа-Реймона, теория электромоторных молекул, несмотря на её фантастичность (и ошибочность), оставалась общепризнанной почти четверть века с момента её выдвижения в 1846 году. [7]

Скорость нервного импульса

Под влиянием Иоганна Мюллера другой его талантливый ученик Герман Гельмгольц (Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz, 1821 – 1894) заинтересовался электрофизиологией и в 1842 году защитил диссертацию «О строении нервной системы беспозвоночных». В то время уже были известны нервные клетки и нервные волокна, но как они связаны друг с другом, было ещё неясно. В 1842 году молодой Гельмгольц впервые отметил, что нервные волокна являются отростками нервных клеток. Так он одним из первых понял, что клетки и волокна одно целое – нейрон.

В 1850 году Гельмгольц был профессором физиологии Кёнигсбергского университета. Спустя 15 лет после заявления Мюллера о невозможности измерить скорость нервного импульса Герман фон Гельмгольц с помощью простого и изящного эксперимента, который легко воспроизвести на студенческом лабораторном практикуме, измерил скорость распространения импульсов в нерве лягушки.

Опыт выглядел так. На вращающийся барабан была намотана закопчённая бумага. Гельмгольц брал нервно-мышечный препарат и закреплял мышцу около вращающегося барабана с лентой. К мышце прикреплялось пишущее перо, так что сокращение мышцы оставляло след на движущейся бумаге. Момент раздражения нерва с помощью специального устройства регистрировался на ленте. На той же бумажной ленте фиксировалось, через какой промежуток времени отвечает сокращением мышца. Так вычислялось время от момента раздражения нерва до начала сокращения мышцы. Далее, Гельмгольц раздражал нерв вторично, но в другом месте, например, на расстоянии 5 см от первой точки раздражения. Теперь сокращение мышцы наступало немного позднее. Разница этих времён могла зависеть только оттого, что возбуждение прошло лишние 5 см. Зная скорость вращения барабана, можно было вычислить время запаздывания, а так как расстояние между двумя точками раздражения нерва было известно, легко рассчитывалась и скорость распространения возбуждения по волокну.

Рисунок 10. Эксперимент Гельмгольца

Оказалось, что скорость распространения возбуждения по нерву всего 30 м/с.

100 км/ч! Это показалось настолько невероятным, что сам Иоганн Мюллер не поверил талантливому ученику и отказался послать его статью в научный журнал.

Полученная в результате опыта величина оказалась на семь порядков меньше, нежели скорость распространения электрического тока в металлическом проводнике или в растворе электролита. Отсюда Гельмгольц сделал совершенно логичный вывод, что проведение нервного импульса – это не просто распространение электрического тока по нервному волокну.

При этом Гельмгольц допускал, что при движении импульса происходит перемещение неких материальных частиц, однако более определённых предположений не делал.

Гельмгольц своими опытами опроверг наивные представления о нервном волокне как электрическом проводе. Однако придумать альтернативное объяснение было не так-то просто. Открытие Гельмгольца обеспечило исследователей-физиологов работой на ближайшее сто лет.

PS. В современной медицине используется такой метод исследования работы нервной системы – электронейрография – запись потенциала действия в момент его распространения вдоль нерва. Применяется он для измерения скорости распространения импульса или потенциала действия в нерве. При проведении электронейрографии периферический нерв стимулируют в одной точке, а затем контролируют активность в двух точках по пути распространения возбуждения.

Гипотезы Лудимара Германа

В 1879 году учёный младшего поколения школы Дюбуа-Реймона немецкий физиолог Лудимар Герман (Ludimar Hermann, 1838 – 1914) вплотную подошёл к современному математическому описанию нервного импульса. Он сравнил его распространение с горением бикфордова шнура.

Такое сравнение, только на первый взгляд, может показаться наивным и подобным представлениям античных философов. На самом же деле, при прохождении импульса, как и при распространении пламени, расходуется энергия, которую нужно восполнять, иначе новый импульс не пройдёт. Попробуйте предложить другой пример из физики, в котором бы отправленная в путь волна подпитывалась в процессе своего распространения. Но сравнение это не лишено и недостатков – нервные импульсы при взаимодействии ведут себя иначе, они больше похожи на частицы.

Сегодня это явление прекрасно изучено и называется оно – автоволны1.

Позднее Герман предложил ещё одну модель, уподобив нерв коаксиальному кабелю2, в котором, однако, волны должны распространяться нелинейно. Решать подобные математические задачи в то время ещё не умели, и даже сам Герман сомневался в возможности разработать математическую теорию нервного импульса.

К сожалению, он просто не знал об опытах Джона Скотта Рассела (John Scott Russell, 1808 – 1882), который в 1838 году впервые заявил об открытии уединённой (нелинейной) волны которую называют теперь – солитон. Подробное описание этого наблюдения и выполненных им экспериментов было опубликовано в 1844 г. («Доклад о волнах»).

Возможно, Герман – этот талантливый учёный интуитивно гораздо ближе всех подошёл к открытию реальной природы нервного сигнала, но этого никто не заметил, ни тогда, ни сегодня. А история продолжила развиваться в другом русле, на основе выдвинутой им же «теории местных токов» о которой подробно мы поговорим в главе «История мембранной теории».

1 Расскажу о нём в отдельной главе

2 Электрический кабель с одной центральной жилой.

«Чёрная реакция» Камилло Гольджи

Великий голландский биолог натуралист, конструктор микроскопов Антони Ван Левенгук (Antoni van Leeuwenhoek) стал первым, кто наблюдал нервные волокна в микроскоп собственного изобретения. В 1718 году он так описал свои впечатления: «Я часто имел большое удовольствие наблюдать структуру нервов, которые состоят из очень мелких сосудов. Невероятно тонкие, они, идя бок о бок, образуют нерв». Для Левенгука нервы – это сосуды: как и артерии и вены.

Александр Монро (1697—1767) в 1732 году утверждал, что нервные волокна «выглядят как множество маленьких отдельных нитей, лежащих параллельно, а его сын (тоже Александр) в 1783 году даже сумел измерить диаметр нервных волокон, который составил три микрона. При этом он утверждал, что волокна твёрдые. (Был ещё и третий Александр Монро вместе они занимали кафедру анатомии Эдинбургского университета в течение 126 лет.)

Но различить истинную структуру нервной ткани мозга исследователи смогут уже после того как третий Монро уйдёт в отставку.

Как бы то ни было, в середине XIX века многие биологи были сторонниками «клеточной теории», гласившей, что живые существа состоят из крошечных строительных кирпичиков, называемых клетками. Неврологи же были не слишком уверены в этом. Да, соглашались они, другие о́рганы могут состоять из отдельных клеток. Но под микроскопом казалось, что нейроны не имеют ни разрывов, ни промежутков между ними; они казались сплетёнными в одну большую кружевную сеть.

Кроме того, неврологи полагали, что – в отличие от прочих клеток – нейроны действуют синхронно, пульсируя (мысля), как единое целое. Они назвали эту большую нейронную сеть «ретикулярной нейронной тканью».

Развенчание ретикулярной теории началось со случайного инцидента, произошедшего однажды вечером в 1873 году. Новая (и традиционная для всех поколений учёных) проблема настигла Гольджи (Camillo Golgi, 1843 – 1926) в 1872 году: стало туго с деньгами. И он согласился на хлопотную, зато хорошо оплачиваемую работу санитарного инспектора больницы небольшого городка Абьятеграссо. Разумеется, возможности заниматься наукой в больнице у него не было. Но никто не мог помешать ему посвятить себя исследованиям дома и за свой счёт. Микроскоп, стёкла – вот всё, что ему было нужно. По легенде, Камилло Гольджи работал дома на кухне, когда опрокинул мензурку с раствором нитрата серебра на срезы свиного мозга. Этот раствор использовался для окрашивания тканей. Гольджи решил, что из-за его неловкости образцы оказались испорченными.

Тем не менее через некоторое время он изучил их под микроскопом и с удивлением обнаружил, что раствор серебра прокрасил клетки мозга особым и очень полезным способом. Лишь единичные клетки вобрали в себя серебро, но эти клетки ярко выделялись – чёрные силуэты на кремово-жёлтом фоне, а их тончайшие волокна и отростки резко проявились. Воодушевлённый, Гольджи стал совершенствовать технику окрашивания, которую он назвал lareazionenera, или «чёрной реакцией».

Рисунок 12. Нейрон, окрашенный по Гольджи.

Этот метод весьма капризен и позволяет маркировать довольно случайным образом какие-нибудь отдельные нейроны – меньше 1% от их общего числа. Но при этом каждый помеченный нейрон выделяется целиком, позволяя исследователю увидеть и его тело, и все отростки.

До Камилло Гольджи зафиксировать нейроны смог Зигмунд Фрейд. С 1876 по 1881 годы он работал с Эрнстом Брюкке – директором института физиологии при Венском университете, физиологом школы Германа Гельмгольца. Фрейд предложил метод фиксации нейронов с помощью хлористого золота. Но его метод оказался более дорогостоящим и поэтому менее привлекательным для исследователей. [13]

В то время учёным было уже известно, что нервная система состоит из двух главных типов клеток: нейронов и глии[1]. Однако, Гольджи стал одним из первых людей, увидевших эти клетки почти во всех подробностях.

Закруглённые клетки глии с тонкими отростками, похожие на чёрных медуз, застывших в янтаре, поразили его. Нейроны, состоявшие из трёх отдельных частей, выглядели не менее экстравагантно. Каждый нейрон имел выраженную центральную часть, переплетённую поросль «дендритовых» ответвлений, отходящих от неё, и выделяющийся аксон – длинный отросток, тянущийся от центральной части на огромные по клеточным меркам расстояния и завершавшийся собственными крошечными ответвлениями на дальнем конце. [6]

Первое сообщение об опытах Гольджи (впрочем, без особого успеха) появилось в 1873 году в коротенькой статье «К структуре серого вещества мозга» в Gazzetta Medica Italiana. Первые изображения окрашенных методом Гольджи нейронов были опубликованы в 1875 году в его статье, посвящённой зрительным колбочкам, а полностью метод был обстоятельно описан в монографии по анатомии нервной системы лишь в 1886 г.

Наблюдаемые Гольджи нейроны были так тесно соединены между собой, что он не предположил наличия свободного места между аксонами и дендритами. Поэтому он стал убеждённым сторонником ретикулярной теории.

Справедливость требует рассказать о об одном событии, на 10 лет опередившем открытие Гольджи.

Около 1863 года немецкий анатом и гистолог Отто Дейтерс (Deiters Otto Friedrich Karl, 1834—1863) разработал метод исследования срезов мозга под микроскопом, с использованием красителей, в качестве которых использовались хромовая кислота и кармин.

Благодаря этому ему первому в мире удалось рассмотреть отдельные нейроны, описать разные виды ветвящихся отростков и зарисовать их. Отростки, похожие на веточки деревьев, Дейтерс назвал протоплазматическими, потому что они будто исходили из протоплазмы тела клетки (сейчас мы знаем их как дендриты). Другие, длинные волокна с несколькими очень короткими хвостиками на конце, он назвал осевыми цилиндрами, отсюда известное нам название аксон (ось).

Дейтерс впервые описал сетчатое вещество мозга и предложил термин (впрочем, ошибочный) «сетевидная ретикулярная формация».

К несчастью, после столь многообещающего старта Дейтерс скончался от брюшного тифа в возрасте 29 лет. А вся слава досталась Камилло Гольджи.

[1] Глия. Нейроны составляют лишь 25% от всех клеток мозга, остальные 75% клеток относятся к нейроглии (glia – клей, греч.). Это название было дано в 1846 г. Р. Вирховым, полагавшим, что глия – это цементирующая основа для объединения нервных клеток. В среднем глиальные клетки составляют по величине примерно 1/10 размера нейрона. В отличие от нейронов они способны делиться.

Нейронная доктрина Сантьяго Рамона-и-Кахаля

И тут появляется новый гениальный учёный, который сделал возможным изучение психической жизни на клеточном уровне и сформулировал существующую и по сей день нейронную доктрину. Этого человека звали Сантьяго Рамон-и-Кахаль (Santiago Ramón y Cajal, 1852—1934).

Кахаль заложил основу современной науки о нервной системе и был, возможно, величайшим нейробиологом всех времён. Сантьяго Рамон-и-Кахаля часто называют «отцом неврологии». В 1906 году он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за свою теорию, которая теперь называется «нейронная доктрина».

В детстве он учился сначала ремеслу парикмахера, а затем сапожника, но мечтал стать художником – его способности к рисованию видны в иллюстрациях к опубликованным работам. Однако его отец, профессор прикладной анатомии в университете Сарагосы летом 1868 года взял 16-летнего мальчика на старинное кладбище, где кости древних захоронений выходили на поверхность. Его отец надеялся, что, заинтересовав сына в рисовании костей, он возбудит его интерес к анатомии. Уловка сработала, и в 1868 году Рамон-и-Кахаль поступил в Сарагосский университет на факультет медицины.

Он прилежно учился в университете, под руководством своего отца, и стал очень хорошим анатомом. Вместе с отцом они подготовили к выпуску анатомический атлас, рисунки к которому были выполнены Рамоном-и-Кахалем, однако, книга не была опубликована. Эти занятия так увлекли Кахаля, что он отошёл от живописи, полностью посвятив себя анатомии, а затем заинтересовался и анатомией мозга.

В 1887 году он занял кафедру гистологии и патологической анатомии в Университете Барселоны. Именно здесь он начал серьёзно использовать метод Гольджи, что в результате привело его к Нобелевской премии.

До Кахаля, форма и разнообразие нервных клеток приводили биологов замешательство. Нейроны обладают формой весьма разнообразной и неправильной, они окружены множеством чрезвычайно тонких веточек, называвшихся в то время отростками. Биологи не знали, являются ли эти отростки самостоятельными или входят в состав нейронов. Невозможно было понять, откуда они растут и куда ведут.

Так что многие биологи, в том числе Камилло Гольджи, делали вывод, что, между нейронами нет ни разрывов, ни соединений и они представляют собой непрерывную нервную сеть, похожую на паутину, по которой сигналы могут передаваться сразу во всех направлениях. То есть, элементарной единицей нервной системы является свободно передающая информацию нервная сеть, а не отдельная нервная клетка.

Метод окрашивания нейронов по Гольджи позволил увидеть нейроны с изумительной ясностью.

Рамон-и-Кахаль усовершенствовал технологию, используя более высокие концентрации химикатов, делая более толстые срезы материала для исследования под микроскопом, и используя только те нейроны, на которых метод Гольджи работал лучше всего. Это были нейроны с немиелинизированными аксонами. Мозг птицы и эмбрионы млекопитающих идеально подходили для исследований Рамона-и-Кахаля. У эмбрионов сравнительно мало нервных клеток, упакованы они не столь плотно, а их отростки короче. В результате он сумел окрасить гораздо большую долю нейронов, чем смог Гольджи.

Всё это позволило Кахалю увидеть отдельные деревья в клеточном лесу мозга.

В течение года Рамон-и-Кахаль опубликовал потрясающий результат. Он обнаружил, что нервная ткань в мозге птиц состоит из отдельных клеток, соприкасающихся друг с другом – он мог это ясно показать из-за высокой доли клеток, которые он научился окрашивать.

Позднее Рамон и Кахаль назвал это открытие 1888-го года вершиной своей карьеры.

В результате удалось выяснить, что, несмотря на свою сложную форму, нервные клетки представляют собой отдельные упорядоченные единицы. Окружающие нервную клетку отростки не отделены от неё, а растут непосредственно из её тела.

Исследовав сотни препаратов, Кахаль понял, что нервная ткань совсем не такая, как утверждал Гольджи, согласно которому она была единой ретикулярной сетью. Кахаль различил отдельные нейроны. Более того, когда он во время экспериментов пережимал нервные отростки нескольких нейронов и давал им погибнуть, процесс распада всегда останавливался на границе следующего нейрона вместо того, чтобы распространяться на всю нервную систему, как можно было ожидать при неразрывной связи. Продолжив свои наблюдения, Кахаль выделил два типа отростков – аксоны и дендриты.

В девяностых годах XIX века Кахаль обобщил все эти наблюдения и сформулировал четыре принципа, составляющих нейронную доктрину – теорию организации нервной системы, которая и сейчас является абсолютной основой неврологии.

Первый принцип состоит в том, что нейрон является основным структурным и функциональным элементом мозга, то есть мозг состоит из нейронов, которые служат его элементарными сигнальными единицами.

Во-вторых, Кахаль предположил, что окончания аксонов одного нейрона передают информацию дендритам другого только в специальных участках, которые Шеррингтон впоследствии назвал синапсами.

В-третьих, Кахаль сформулировал принцип специфичности связей, согласно которому нейроны не связываются с другими нейронами без разбора, но каждый взаимодействует лишь с определёнными нейронами и ни с какими другими. Он использовал этот принцип, чтобы показать, что связи нейронов друг с другом образуют определённые последовательности, которые он назвал нейронными цепями. Сигналы распространяются по этим цепям определённым, предсказуемым образом.

Отдельный нейрон посредством многих окончаний аксона обычно связан с дендритами многих клеток-мишеней. Так единственный нейрон может широко распространять получаемую им информацию по различным нейронам-мишеням, иногда находящимся в разных участках мозга. Напротив, дендриты нейрона-мишени могут получать информацию от окончаний нескольких других нейронов. Тем самым в нейроне может обобщаться информация, поступающая от нескольких нейронов, даже расположенных в разных частях мозга.

На основе своего анализа связей, наблюдаемых в мозге, Кахаль представил мозг как орган, состоящий из специфических предсказуемых нейронных цепей, в то время как преобладавшая точка зрения предполагала, что мозг есть рассеянная нервная сеть, в которой повсюду происходят взаимодействия всех мыслимых типов.

Проявив поразительную проницательность, Кахаль пришёл к своему четвёртому принципу – динамической поляризации. Согласно этому принципу, сигналы движутся по нейронным цепям лишь в одном направлении. Информация передаётся от дендритов каждой клетки к её телу, оттуда по аксону к дендритам следующей клетки, и так далее. Этот принцип однонаправленной передачи сигналов был необычайно важен, потому что позволял связать все компоненты нервной клетки с единственной её функцией – сигнальной [8].

Рисунок 13. Рисунки Кахаля приложение к нобелевскому докладу

К сожалению, собственно термин «нейронная доктрина» Кахалю не принадлежит. Его автор – известный немецкий анатом В. Вальдейер (W. Waldeyer), который в 1891 году опубликовал обширный труд главной идеей которого был вывод о том, что клеточная теория применима и к нервной системе. Кстати, именно Вальдейер предложил называть нервную клетку «нейроном», а клеточная теория с его лёгкой руки, применённая к нервной системе, стала известна как «нейронная доктрина». Кахаль, в сою очередь, так до конца и не мог простить Вальдейеру его доктрины, поскольку считал её своей собственной.

Тем не менее «нейронная доктрина» оказалась крепким орешком для коллег Кахаля. Ему пришлось основать журнал для продвижения своих идей, но даже это не помогло, так как лишь немногие медики читали испанские журналы. Поэтому в 1889 году он отправился на конференцию в Германию, величайший научный центр того времени, и даже сам заплатил за проезд, столкнувшись с отказом университета в приглашении.

К счастью для Кахаля, великолепные рисунки нейронов завоевали ему некоторых сторонников. В следующие десять лет нейронная доктрина укрепилась в научных кругах, хотя далеко не все соглашались с ней. Многие учёные отказывались поверить Кахалю, и в 1900 году две армии неврологов выстроились по разные стороны баррикад; «ретикулисты» Гольджи и «нейронщики» Кахаля. [8]

Но история любит хорошие шутки, поэтому случилось так, что комитет Нобелевской премии решил, что Рамону-и-Кахалю и Гольджи следует разделить Нобелевскую премию по медицине/физиологии 1906 года, хотя эти два учёных придерживались абсолютно противоположных взглядов на то, как работает нервная система. И если один из них был прав, другой наверняка нет.

Кахаль вспоминает, что, возражая Гольджи в научной трактовке результатов, он всегда «высказывал ему восхищение, и во всех моих книгах можно прочесть восторженные отзывы о вкладе учёного из Павии», чего, к сожалению, нельзя сказать о Гольджи, который то и дело норовил исказить воззрения испанского коллеги. Даже в своей нобелевской речи он просто проигнорировал открытия и заслуги Рамона-и-Кахаля. Вспоминая это, тот пишет в своей автобиографии: «Какая жестокая ирония судьбы – соединить в пару, как сиамских близнецов, сросшихся туловищами, научных противников с такими противоположными характерами». Это определённо не была Нобелевская премия мира.

Как и все великие открытия, нейронная доктрина Кахаля не только ответила на многие вопросы, но и породила множество новых. Вот самый важный из них: если нейроны отделены друг от друга, то как сигнал проходит через промежуток между ними? Казалось, имеются лишь две возможности – электрический ток или химические вещества. Опять-таки каждая сторона этого спора имела своих защитников, где «радисты» выступали за электричество, а «повара» – за биохимию [6].

История синапса

Синапс (греч. σύναψις, от συνάπτειν – соединение, связь) – место контакта между двумя нейронами или между нейроном и получающей сигнал эффекторной клеткой.

Термин синапс ввёл известный английский нейрофизиолог Чарльз Шеррингтон (Charles Scott Sherrington, 1857 – 1952) в 1897 году для обозначения гипотетического образования, специализирующегося на обмене сигналами между нервными клетками.

В 1906 году Шеррингтон сформулировал основные принципы нейрофизиологии в до сих пор изучаемой всеми специалистами-неврологами книге «Интегративная деятельность нервной системы» (The Integrative Action of the Nervous System).

Следует отметить, что в те времена господствовала гипотеза о передаче информации с помощью биоэлектрических импульсов. Большинство исследователей склонялось в XIX столетии к мысли, что переход возбуждения с нервного волокна на мышцу – это физический процесс, представляющий собой электрическое явление. Поэтому понятие, введённое Шеррингтоном, изначально обозначало место электрического контакта между клетками, обеспечивающего передачу нервного импульса.

Позднее, в 1932 году Шеррингтон (совместно с Э. Эдрианом) «За открытия, касающиеся функций нейронов» удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Кураре

В 1851 году французский физиолог Клод Бернар (Claude Bernard; 1813—1878), получив кураре в подарок от Наполеона III, своими опытами однозначно доказал, что яд никак не влияет ни на мышцу, ни на нерв.

Бернар заметил, что у животных, отравленных ядом кураре, уже через минуту после смерти нервы прекращают реагировать на любые раздражения. Изучив это странное явление, Бернар пришёл к выводу, что кураре не отключает способность самой мышцы сокращаться, а нерва – проводить возбуждение. Вывод: ни нерв, ни мышца не затронуты действием яда, нарушен только переход возбуждения с нерва на мышцу. Но тогда было непонятно, каким образом кураре убивал жертву. Даже спустя двадцать с лишним лет, после опыта Бернара это оставалось загадкой.

В 1877 году Дюбуа-Реймон писал по этому поводу: «Из известных естественных процессов, которые могли бы передавать возбуждение, сто́ит, по-моему, говорить только о двух. Либо на границе сокращающейся ткани имеет место раздражающая секреция… сильно возбуждающего вещества, либо это явление имеет электрическую природу».

Дальнейшие опыты с кураре дали учёным повод предположить, что между мышцей и нервным окончанием имеется пространство, заполненное неким веществом, чувствительным к действию яда кураре.

Именно, допустив существование синапса и гипотетического вещества, находящегося в нём, можно было объяснить, каким образом кураре убивает. Яд, попавший в организм, лишает вещество синапса способности передавать нервный импульс от нерва к мышце.

Впервые такую мысль сформулировал английский физиолог Т.Р.Элиот в 1904 году. Эта гипотеза основывалась на сходстве с действием адреналина на изолированное сердце. Тем не менее идея не была воспринята его современниками.

Прямое доказательство тому, что при раздражении нервов выделяется химическое соединение, оказывающее действие на изолированное сердце, было получено в работах австрийского фармаколога Отто Лёви (об этой леденящей сердце истории расскажу чуть ниже).

«Повара» и «радисты»

Сантьяго Рамон-и-Кахаль выяснил, что нейроны являются отдельными клетками. В конечном счёте между ними оставался микроскопический промежуток, названный синапсом. Но как именно нейроны передают сигналы через этот промежуток – с помощью химических веществ или электрических импульсов – оставалось неясным. Сторонников разных направлений называли «поварами» и «радистами» соответственно, и их противостояние повлияло на добрых 50 лет развития неврологии.

Сначала «радисты» имели преимущество. Передача электрических импульсов была модным новшеством, а химическое взаимодействие выглядело устаревшим, сродни учению о «четырёх телесных жидкостях». Кроме того, сторонники электрической теории имели экспериментальные свидетельства того, что нейроны при возбуждении всегда вырабатывают электрический импульс. Этот импульс распространяется по аксону, и не было причин сомневаться в том, что нейроны могут пользоваться электричеством и для внешних сообщений друг с другом. [6]

Целый ряд мрачных экспериментов с сердцами лягушек, казалось, также служил подтверждением этой теории. К началу ХХ века биологи знали, что, если извлечь сердце у лягушки и погрузить его в физиологический раствор, оно продолжит биться само по себе. Сердце просто плавает там, сокращаясь – лишённое тела, оно каким-то фантастическим образом сохраняет жизненную силу. Учёные обнаружили, что можно замедлять или ускорять частоту сокращений, посылая электрические сигналы в разные нервные окончания, ведущие к сердцу.

Между тем было замечено, что и небольшое количество определённых химических веществ также может сходным образом ускорять или замедлять сердцебиение. Но поскольку эти вещества были искусственными, их воздействие сочли лишь странным совпадением.

Сон Отто Лёви, открытие химического синапса

Отто Лёви (Otto Loewi, 1873 – 1961), молодой учёный, посетивший Англию в 1903 году, нашёл эксперименты с сердцами лягушек весьма увлекательными, и по возвращении в Австрию решил исследовать связь между нервами, электричеством и химическими веществами. Однако Лёви был человеком рассеянным и мечтательным и на долгие годы отложил эту идею, тем более что вскоре он стал успешным фармакологом. Между тем доктрина «радистов» набирала популярность.

В конце концов, Лёви вернулся-таки к исследованию сердец лягушек в 1920-х годах, хотя и при необычных обстоятельствах.

Согласно рассказу самого Лёви, однажды ночью в 1921 году он заснул за чтением книги. Ему приснился сон, в котором он представил эксперимент, который может положить конец спорам о том, как нервы общаются друг с другом. Он проснулся посреди ночи, набросал несколько заметок об этом потенциально революционном эксперименте, а затем снова заснул. К его великому разочарованию, когда он проснулся утром, то не смог разобрать собственные ночные записи.

Следующей ночью он проснулся в 3 часа после того, как снова представил эксперимент. На этот раз он не стал полагаться на свой почерк, поэтому бросился в лабораторию, чтобы попробовать эксперимент. Лёви извлёк два бьющихся сердца лягушек и опустил их в их в две мензурки с физиологическим раствором, где они продолжали биться. Затем он стимулировал блуждающий нерв в одном из сердец – процедура, которая замедляет частоту сердечных сокращений. Он извлёк солевой раствор из сосуда с сердцем, чей блуждающий нерв он стимулировал, и перелил его ко второму сердцу. Это вызвало замедление его сокращений. Тогда он воздействовал электричеством на другие нервные волокна в первом сердце ускорив его биение. Перенос солевого раствора заставил второе сердце ускориться, как он и увидел во сне.

Лёви интерпретировал эти результаты так, что блуждающий нерв выделил какое-то вещество, которое вызвало изменение частоты сердечных сокращений. Тот факт, что вещество могло затем быть перенесено ко второму сердцу с помощью солевого раствора, укрепило его уверенность, что воздействие было химическим. Лёви назвал предполагаемое химическое вещество «vagusstoff» (в переводе с немецкого означает «вещество вагуса»).

Прошло ещё несколько лет, прежде чем сэр Генри Дейл (Henry Hallett Dale, 1875 – 1968) выделил это вещество и назвал его ацетилхолином.

Лёви и Дейл разделили Нобелевскую премию в 1936 году за то, что продемонстрировали важность химической передачи в нервной системе, а история Лёви об эксперименте, который ему привиделся во сне, будет впоследствии почитаться в истории нейробиологии. По правде говоря, Лёви, вероятно, не проводил эксперимент в ранние утренние часы, как он утверждал. Но он был известен как рассказчик склонный к драматизму. По словам Дейла, Лёви сказал ему, что он проснулся второй ночью и просто постарался сделать записи аккуратно, чтобы спокойно провести эксперимент на следующий день. Тем не менее, популярная версия этой истории немного более запоминающаяся, и любому, кто занимается ежедневной скукой лабораторных исследований, будет непросто обвинить Лёви в том, что он хотел сделать своё открытие чуть более драматичным.

Эксперимент Лёви оказал бесценную поддержку «поварам» и послужил доказательством, что нервная система, по крайней мере у некоторых животных, использует химические вещества для передачи сообщений.

P.S. Нейробиологи до сих пор восхищаются оригинальностью эксперимента Лёви. Но сны не приходят ниоткуда, и никогда не снятся неподготовленным учёным. Решение, найденное во сне это всегда результат обобщения и осмысления большого багажа предварительно накопленных знаний.

Замечательному сну Отто Лёви тоже кое-что предшествовало…

В лаборатории И. П. Павлова в 1895 году студент Военно-медицинской академии И. Л. Долинский провёл эксперимент, в результате которого он установил, что введение кислоты в двенадцатиперстную кишку вызывает значительную секрецию поджелудочной железы.

Развили это наблюдение английские физиологи Уильям Бейлисс и Эрнест Старлинг которые в январе 1901 года повторив опыт Долинского сделали вывод, что существует некоторое вещество, выделяемое двенадцатиперстной кишкой, которое стимулирует секрецию поджелудочной железы.

Учёные пошли дальше – они извлекли часть двенадцатиперстной кишки у только что забитого животного, измельчили её и погрузили в раствор соляной кислоты. Небольшое количество кислотного экстракта набрали в шприц и ввели в кровь другого животного.

Его поджелудочная железа сразу отреагировала выделением пищеварительного сока, хотя животное перед опытом не кормили. Исследователи пришли к выводу: слизистая оболочка кишки, обработанная кислотой, продуцирует некое химическое вещество, которое поступает в кровь. Кровоток доставляет это вещество по системе кровообращения ко всем участкам тела, включая и поджелудочную железу. Когда вещество достигает её, оно каким-то образом стимулирует выделение ею пищеварительного сока.

Так в 1902 году было обнаружено вещество, названное секретином. Позднее Уильям Харди (William Hardy) предложил все подобные вещества называть гормонами.

А как раз накануне знаменитого сна Леви – буквально за год до него, произошло следующее подозрительно похожее событие.

Известный канадский физиолог Фредерик Бантинг долгое время безрезультатно искал лекарство от сахарного диабета. Но однажды в 1920 году во сне он увидел решение – проснувшись посреди ночи, Бантинг записал методику проведения эксперимента: «Перевязать протоки поджелудочной железы у собаки. Подождать шесть-восемь недель. Удалить и экстрагировать».

Следуя этой инструкции он и его помощник Чарльз Бест перевязали протоки поджелудочной железы у подопытной собаки. Через несколько недель, когда железа атрофировалась, учёные, выделили из неё экстракт, а затем удалили орган. Вскоре собака стала умирать от сахарного диабета, тогда Бантинг ввёл ей сохранённый экстракт – уровень глюкозы упал, и собака успешно вышла из диабетической комы. Так появился инсулин.

Этот сон принёс Фредерику Бантингу Нобелевскую премию.

Чрезвычайно продуктивные сны снились учёным в 1920—21 годах.

Победа «поваров»

Тем временем, для Лёви и его сторонников сражение на поприще науки было выиграно лишь наполовину. «Радисты» допускали, что организм может пользоваться химическими сигналами на периферии нервной системы, контролирующей конечности и внутренние органы. Но в мозге, по их мнению, нервные импульсы могли предаваться только с помощью электричества. Они располагали вескими аргументами в пользу такого мнения – нейроны вырабатывали электричество при любой активности.

«Радисты» также иронично утверждали, что химические вещества – «материал для слюны, соплей, мочи и пота» – действуют слишком медленно для процессов, происходящих в мозге. Только электричество, которое распространяется мгновенно, может стоять за мышлением. Как когда-то сторонники ретикулярной теории Гольджи, «радисты» были убеждены, что работа нервных клеток отличается от деятельности прочих клеток организма.

Так, например, А. А. Ухтомский в 1935 году, не отрицая существования нейротрансмиттеров полагал, что они в лучшем случае подготавливают нейрон к восприятию электрического сигнала.

Но тем, кто считал мозг чем-то исключительным с биологической точки зрения, пришлось постепенно сдавать свои позиции. На роль посредников «между электричеством и электричеством» химические вещества всё-таки приняли. За следующие несколько десятилетий было открыто множество нейротрансмиттеров – веществ, передававших сигналы исключительно в мозге. Эти открытия подорвали доминирование «радистов», и в 1960-е годы большинство учёных включали нейротрансмиттеры в своё понимание работы нейронов. [6]

Учёные сошлись на том, что при возбуждении по аксону нейрона от сомы до терминали распространяется электрический импульс – то самое электричество, за которое ратовали «радисты». Но электрический сигнал не может преодолеть синаптическую щель даже если её ширина всего 0,00002 миллиметра. Поэтому аксону приходится переводить электрические сигналы на язык химических соединений, которые могут преодолеть этот промежуток.

А самые упорные «повара» даже стали настаивать, что во время работы нервов, или при прохождении нервного импульса, в них происходит «химические процессы распада и восстановления нервного вещества».

Ныне считается, что большинство синапсов, в том числе те, что исследовались в разгар этого спора, имеют химическую природу. Но некоторые нейроны образуют с другими электрические синапсы. В таких синапсах между двумя клетками появляются небольшие мостики, позволяющие электрическому току проходить из одной клетки в другую – примерно так, как некогда предсказывал Гольджи [8].

Таким образом, как это иногда бывает с научными спорами, обе стороны оказались в чём-то правы.

Так или иначе, химический аспект оказался гораздо более сложным. В мозге обнаружены сотни видов нейронов, электрические импульсы в их передаются практически одинаково. Но при этом для взаимодействия между ними в синапсах задействованы сотни разных нейротрансмиттеров, передающих различные нюансы.

Нейротрансмиттеры воздействуют на электрическую возбудимость нейрона всего двумя способами: возбудить или ингибировать. Каждую секунду нейрон получает тысячи возбуждающих и ингибирующих сигналов одновременно, некоторые считают, что по умолчанию тело клетки ингибировано. При этом разные типы нейронов используют разные нейромедиаторы. Так что каждый нейрон должен тщательно «распробовать суп» из окружающих его возбуждающих и тормозящих веществ, прежде чем ответить на управляющее раздражение.

В становлении концепции химической передачи в синапсах, значительную роль сыграли исследования российских учёных – А.Ф.Самойлова, А.В.Кибякова, А.Г.Гинецинского.

Например, Самойлов изучая температурные изменения в процессе передачи возбуждения с нерва на мышцу пришёл к выводу, что они в большей степени подчёркивают химическую, а не физическую природу передачи возбуждения.

Работами А. В.Кибякова (1933) было показано, что передача возбуждения с помощью химических веществ осуществляется не только в нервно-мышечных соединениях, но и в соединениях между нервными клетками.

Гинецинский в 1935 году обнаружил, что химические вещества в нервно-мышечных синапсах вызывают на небольшом участке мембраны изменение потенциала, названного впоследствии потенциалом концевой пластинки.

Австралийский нейрофизиолог Джон Эклз был одним из самых ярых сторонников идеи электрических синапсов. В 1930-х и 1940-х годах он решительно выступал против того, что нервные клетки связываются друг с другом химически. По мнению Эклза, передача нервных импульсов была слишком быстрой, чтобы молекулы могли участвовать в этом процессе. Только электрическое взаимодействие могло обеспечить распространение нервных сигналов с такой скоростью. Он даже измерил эту скорость в 1935 году.

Невзирая на доказательства Отто Лёви и Генри Дейла продемонстрировавшие химическую связь нервной системы с двигательными нейронами, Экклз утверждал, что всё это неприменимо для нейронов мозга.

В 1944 г. он познакомился с Карлом Поппером – одним из крупнейших философов XX века, занимавшихся проблемами науки. Поппер полагал, что определяющая роль в научном прогрессе принадлежит опровержению гипотез. Он смог убедить Экклза попытаться опровергнуть собственную гипотезу, уверив его в том, что это ничуть не менее важно, чем найти доводы в её пользу.

При изучении нейронных цепей Экклз обнаружил, что некоторые из этих цепей являются не возбуждающими, а тормозными. В этих случаях возбуждение пресинаптического нейрона вызывает так называемый тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП). С позиции «радистов» невозможно было объяснить, каким образом возбуждающий потенциал действия пресинаптической клетки может в синапсе превращаться в тормозящий постсинаптической.

За эту работу, опровергающую идею, которую он долгие годы отстаивал, спустя 12 лет, в 1963 году Экклз получит Нобелевскую премию.

Можно было говорить о решительной победе химической теории передачи информации в синапсах.

Электрический синапс

Но вот в 1957 году был открыт синапс, в котором сигнал передавался почти без задержки, передача мало зависела от температуры и почти не блокировалась магнием. Был открыт первый чисто электрический синапс.

Спор между «радистами» и «поварами» возобновился с новой силой. В 1959 году Дэвид Поттер и Эдвин Фершпан обнаружили эффективную электрическую связь между гигантским аксоном и аксоном моторного нейрона в брюшной цепочке рака. Было установлено, что возбуждение в виде электрического потенциала беспрепятственно и мгновенно передаётся в месте контакта от одного аксона к другому без всяких нейромедиаторов.

В нервной системе млекопитающих электрические синапсы тоже обнаружены, чаще всего они образуются между дендритами однотипных, близко расположенных нейронов, тогда как химические и смешанные – между аксонами и дендритами при их последовательном соединении. Однако, в ЦНС млекопитающих и человека имеется всего около 1% электрических синапсов, они более характерны и преобладают в нервных системах низкоорганизованных животных.

Появился новый термин – электрические синапсы – это места высокоспециализированных контактов между нейронами, где происходит прямая передача электрических потенциалов от одной клетки к другой. Электрические синапсы могут связывать между собой не только нейроны, но и многие другие типы клеток. Такими синапсами связаны рецепторные клетки, кардиомиоциты, гладкомышечные клетки, клетки печени, глиальные, эпителиальные и др.

Электрические синапсы также, как и химические имеют пресинаптическое образование, синаптическую щель и постсинаптическую мембрану. Синаптическая щель у них значительно уже, чем у химических (у электрических синапсов – от 2 до 5 нм, тогда как у химических синапсов – 20—50 нм). Отличительная особенность пресинаптического образования – отсутствие пузырьков с медиатором.

Выделяют следующие свойства электрических синапсов.

· Отсутствие центральной задержки. · Проведение возбуждения в обе стороны. · Относительно высокая лабильность[1]. · Являются практически неутомляемыми образованиями. · Не чувствительны к химическим соединениям. · В электрических синапсах отсутствует явление посттетанической потенциации. · Более низкая надёжность в передаче информации.

Полученные в результате экспериментов доказательства фактов передачи сигнала через электрический синапс противоречили господствовавшей к этому моменту теории. Сложилась тупиковая ситуация: электрические синапсы есть, функционируют, их существование доказано прямыми экспериментами, а расчёты показывают, что они не должны работать!

Современная электронная микроскопия показала, что непосредственного контакта между клетками нет: между ними есть зазор, заполненный жидкостью, через которую ток пойдёт не только в клетку-мишень, но и «вытечет куда-то на сторону». Расчёты, проведённые в разных лабораториях мира, дали обескураживающие результаты. Оказалось, что при реальных экспериментально определённых значениях сопротивлений мембран (которые были получены, впрочем, не для области синапса, а для аксона или тела клетки), межклеточной среды и размеров синаптических контактов и щелей, в клетку-мишень будет затекать не более 0,01% всего тока, вытекающего из терминали. Электрический потенциал распространится по всей поверхности клетки и не сможет вызвать изменения её потенциала, необходимого для возбуждения или сопоставимого с реально наблюдаемыми изменениями.

За решение этой задачи в 1965 году взялась группа молодых сотрудников Теоретического отдела Института биофизики АН СССР. [14]

Их идея состояла в решении обратной задачи – выяснить при каком электрическом сопротивлении мембраны при тех же свойствах межклеточного вещества и размерах синаптической области (диаметр около 1 мкм и ширина щели порядка 5 нм) возможна работа электрического синапса.

Выяснилось, что, хотя и существует некоторое оптимальное сопротивление мембраны в синапсе, при котором в клетку-мишень попадала бы самая большая часть тока, всё равно эффективность такого синапса была несопоставима с реальной. Если же сопротивление мембраны бралось ниже оптимального, то увеличивалась утечка тока через щель, если сопротивление увеличивалось, то падала общая сила тока, вытекающего из терминали.

Исследования показали, что электрический синапс не должен работать ни при каком сопротивлении мембраны.

Было выдвинуто предположение, что в синаптической щели есть вещество значительно увеличивающее сопротивление межсинаптического пространства. Это могло бы дать математическое обоснование возможности электрической передачи нервного импульса. Но таких веществ обнаружено не было и идею отбросили.

И тогда было сделано единственное оставшееся предположение, что сопротивление мембраны неоднородны – она имеет участки с низким сопротивлением в центральных областях и высокое сопротивление у края синапса.

Эта гипотеза оказалась верной. С усовершенствованием методов электронной микроскопии в разных лабораториях мира было обнаружено, что, действительно, в электрических синапсах используется неоднородная мембрана. Неоднородность её создаётся особым способом: с помощью специального белка – коннектина. Его молекулы присутствуют и в мембране терминали, и в мембране клетки-мишени, образуя там специальную структуру – коннексон, состоящую из шести молекул, формирующих внутри канал. Когда аксон достигает клетки-мишени, два коннексона соседних мембран соединяются друг с другом и в каждом из них открывается канал (этот процесс подобен открыванию шлюзов при стыковке). Этот канал имеет низкое сопротивление для прохождения ионов. Таким образом, электрический синапс связывает две клетки множеством тоненьких трубочек диаметром около 1 – 1,5 нм, проходящих внутри белковых молекул.

Казалось бы, всё, тема закрыта ко всеобщему удовлетворению. Но…

У птиц в цепочке нейронов, обеспечивающих реакцию зрачка на свет, был обнаружен очень большой по диаметру электрический синапс (площадью около 1000 мкм^2), щель которого заполнена миелином, т. е. изолятором.

Ответа искать не стали, просто решили, что гипотеза с заполнением синаптической щели изолятором тоже верная.

Но и на этом история не остановилась. В относительно недавнем январе 2019 года (первая публикация статьи – октябрь 2018) в выпуске The Journal of Physiology сообщается об удивительном феномене: авторам статьи удалось наблюдать передачу электрического сигнала между нейронами вообще в отсутствие синапсов – как химических, так и электрических… Сначала авторы просто регистрировали распространение активности в аксоне, а затем полностью перерезали его пополам, и стали постепенно раздвигать разрез. Сигнал всё равно распространялся. Только раздвинув края разреза на 400 микрон друг от друга, распространение сигнала удалось прекратить.

Так что точка в споре между «поварами» и «радистами» ещё не поставлена, наступило скорее перемирие, чем мир. У каждой стороны есть свой лауреат Нобелевской премии. И что очень важно, обе стороны спора правы (Правда, удобная позиция?).

А что если обе неправы?

[1] Скорость протекания элементарных циклов возбуждения в нервной и мышечной тканях.

Новейшая история

Вторая половина XIX века была богата открытиями в области физиологии нервных волокон, в это время были сформулированы основные законы возбуждения и распространения нервных импульсов.

Эдуард Фридрих Вильгельм Пфлюгер (Eduard Friedrich Wilhelm Pflüger; 1829—1910) в 1859 проводя исследования действии постоянного электрического тока на нерв и мышцу обнаружил, что при замыкании цепи постоянного тока на отрицательном полюсе (катоде) возникает возбуждение, а при размыкании оно отмечается на положительном полюсе (аноде); во время прохождения тока через ткань на катоде наблюдается состояние повышенной, а на аноде – пониженной возбудимости. На основании этих исследований он сформулировал закон электротона. Учение Э. Пфлюгера об электротоне, развитое впоследствии Б. Ф. Вериго, составило основу представлении о процессах возбуждения.

«Всё или ничего». Согласно закону Боудича (1840—1911), подпороговые раздражения не вызывают возбуждения («ничего»), при пороговых и надпороговых стимулах возбуждение сразу приобретает максимальную величину («всё») и уже не увеличивается при дальнейшем усилении раздражения. По этому закону функционируют и мышечные, и нервные волокна. [13]

Рисунок 14. Закон Боудича «Всё или ничего».

В 1922—1925 годах Эдгар Дуглас Эдриан воспользовавшись капиллярным электрометром и только что изобретённым ламповым усилителем Герберта Гассера смог записать электрический потенциал отдельных нервных волокон при физическом воздействии.

Случайное наблюдение, сделанное Эдрианом в процессе эксперимента в 1928 году, ещё раз доказало наличие электричества в нервных клетках. Эдриан рассказывал: – Я разместил электроды на зрительном нерве жабы в связи с некоторыми экспериментами с сетчаткой. В комнате было почти темно, и я был озадачен, услышав повторяющиеся шумы в громкоговорителе, подключённом к усилителю[1]. Шумы указывали на то, что имела место большая импульсная активность. Только когда я сравнил шумы с моими собственными

движениями по комнате, я понял, что нахожусь в поле зрения гла́за жабы, и что он сигнализирует о том, что я делаю [16].

Примечание. Ещё Дюбуа Реймон в 1849 г. Дюбуа Реймон соединив роговицу и дно только что удалённого гла́за лягушки с помощью неполяризующихся электродов с гальванометром обнаружил разность потенциалов в 4—10 мВ. Так-что заслуга Эдриана не в открытии электрического потенциала в глазу земноводного, а в обнаружении корреляции между интенсивностью воздействия и частотой следования импульсов.

Эдриан подтвердил, что нервы подчиняются принципу «все или ничего». Но он также обнаружил, что применительно к нервам закон «все ли ничего» имеет продолжение: амплитуда нервных импульсов действительно сохраняется одинаковой, но при этом – с ростом силы раздражения может формироваться серия нервных импульсов, и чем сильнее раздражитель, тем больше частота их следования. Вероятно, так обеспечивается градация интенсивности ощущений. «В связи с этим импульсация несёт гораздо большую информацию, чем просто сигнал о том, что возбуждение произошло», – писал Эдриан [16].

Кроме того, он обнаружил, что более сильный стимул активирует большее количество чувствительных волокон.

Тогда же сложилось и устойчивое представление о том, что сигналы возбуждений, приходящие на разные дендриты, суммируются в соме нервной клетки и в результате формируется исходящий сигнал в аксоне.

Рисунок 15. Примеры суммации нервных импульсов.

Однако, последние исследования нейробиологов из Израиля, опубликованные в 2018 году в научном издании Scientific Reports опровергают эту модель. Получены свидетельства того, что направление результирующего сигнала существенно может повлиять на реакцию нейрона. К примеру, слабый сигнал «слева» и примерно такой же «справа» нейрон не суммирует и не отзовётся выходным импульсом, но если сигнал с бо́льшей мощностью поступит с одной из сторон, то запустить реакцию нейрона может даже он один [17].

[1] В 1884 г. Н.Е.Введенский для изучения работы нервных центров применил телефонический метод регистрации, прослушивая в телефон активность продолговатого мозга

Электрическая активность кожи

Ещё Дюбуа-Реймон в своё время обратил внимание на электрические потенциалы кожи. Он измерил потенциал на изолированном участке коже лягушки и обнаружил, что её биопотенциалы по своему значению могут превосходить даже нервные и мышечные.

Целенаправленным изучением возникновения электрических потенциалов на поверхности кожи впервые в мире занялся российский электрофизиолог, ученик И.М.Сеченова – И.Р.Тарханов (Тархнишвили, Тархан-Моурави, 1846—1908). В 1888 году он обнаружил изменение электрических параметров кожи человека в ответ на раздражение органов чувств, изменения эмоционального состояния и при других проявлениях психической активности. Уже в следующем году он доложил о своём открытии на заседании Петербургского общества психиатров и невропатологов. В мировой литературе это явление носит название «феномена Тарханова».

Тарханов обратил внимание, что электрические потенциалы на коже человека заметно усиливаются при мнимом воображении ощущения, при абстрактной умственной деятельности, при возбуждении нервной системы или при утомлении. Также он открыл, что электрическое сопротивление тела человека небольшому току через руки, держащие электроды, изменяется согласно субъективному эмоциональному состоянию.

Но главное внимание он уделил регистрации электрических потенциалов кожи. Для своих исследований он сконструировал первый в мире простейший психогальванометр,

А методикой исследования биопотенциалов через измерение сопротивления кожи с успехом воспользовался французский врач Чезаре Фере и в том же 1888 году с её помощью он впервые сопоставил связи между ощущениями и эмоциями с одной стороны, и колебаниями кожного сопротивления – с другой.

Таким образом, сложились две методики регистрации кожно-гальванических эффектов: по Тарханову – измерение электрических потенциалов кожи, и по Фере – измерение электрического сопротивления. Оба метода, как показатели состояния организма, дают идентичные результаты.

Электрическая активность головного мозга

4 августа 1875 года на 43-й ежегодной конференции Британской медицинской ассоциации эдинбургский хирург Ричард Катон (Richard Caton, 1842 – 1926) заявил об открытии, которое, как это часто бывает, опередило время. В своём сообщении шотландец рассказал, что он, исследуя при помощи гальванометра открытый живой мозг (эксперимент проводился с мозгом собаки и обезьяны), сумел зарегистрировать электрические сигналы. Это были отчётливые вариации тока, которые становились более заметными во время сна. Также он констатировал, что с наступлением смерти эти явления усиливались, а после смерти ослабевали и затем полностью исчезали.

Доклад Катона «Электрические токи в головном мозге» был опубликован British Medical Journal. И… всё! Более или менее серьёзные последствия этот доклад возымел только 40—50 лет спустя, когда труды Владимира Правдич-Неминского и Ганса Бергера привели к созданию современной ЭЭГ. Да и то, потребовался авторитет Эдгара Дугласа Эдриана, чтобы электроэнцефалография начала своё триумфальное шествие по миру. Ричард Катон не дожил до публикаций Бергера всего несколько лет.

В том же 1875 году независимо от Катона российский физиолог Василий Яковлевич Данилевский в своей диссертации изложил данные, полученные при изучении электрической активности мозга у собак. В этой работе он описал наличие спонтанных потенциалов, а также изменения, вызываемые различными стимулами.

В 1882 году И.М.Сеченов опубликовал работу «Гальванические явления на продолговатом мозгу лягушки», в ней он впервые обратил внимание на существование ритмической электрической активности мозга.

1884 году Н.Е.Введенский исследовал работу нервных центров мозга лягушки и коры больших полушарий кролика с применением телефонического метода регистрации – прослушивая их активность в телефонный наушник. Введенский подтвердил основные наблюдения Сеченова и показал, что спонтанная ритмическая активность присутствует и в коре больших полушарий млекопитающих.

Гематоэнцефалический барьер ГЭБ

История открытия.

Известный врач и микробиолог, Пауль Эрлих (Paul Ehrlich, 1854 – 1915), стал знаменит, благодаря изобретению сальварсана, или препарата №606, который стал первым, пусть токсичным, поскольку содержал мышьяк, но эффективным средством для лечения застарелого сифилиса.

Но Эрлих также очень много экспериментировал с красителями. Он надеялся найти способ окрасить болезнетворные микроорганизмы. В идеале краситель должен был бы не только прочно фиксироваться на микробной клетке, но и быть для неё смертельным.

Несомненно, на направлении его мыслей повлиял тот факт, что он был женат на дочери известного и зажиточного фабриканта – текстильщика. И Эрлих начал экспериментировать с различными, в том числе и очень ядовитыми красками: анилиновыми и трипановыми.

Вскрывая лабораторных животных, он обнаружил, что краситель проникает во все органы и ткани, но не имеет возможности проникать (диффундировать) в головной мозг, который оставался чистым.

Сначала он ошибочно предположил, что краситель не окрашивает мозг вследствие наличия в нём жира, который отталкивает краску.

А затем открытия, предшествующие обнаружению гематоэнцефалического барьера, посыпались как из рога изобилия, и сама идея начала постепенно завоёвывать умы учёных. Наибольшее значение сыграли следующие наблюдения:

1. если ввести краситель внутривенно, то максимум, что он окрасит – это хориоидальные сосудистые сплетения желудочков головного мозга;

2. если же принудительно вводили краситель в ликвор, выполнив люмбальную пункцию, то мозг окрашивался. Однако, «наружу» из ликвора краситель не проникал, и прочие ткани оставались неокрашенными.

После этого совершенно логично было предположено, что есть преграда, чья главная задача – защитить центральную нервную систему.

Впервые термин – гематоэнцефалический барьер (в англоязычной медицинской литературе он именуется «blood-brain barrier»), появился в 1900 году.

В дальнейшем этот феномен изучался достаточно подробно. Накануне Второй мировой войной появились данные о том, что есть гематоэнцефалический и гематоликворный барьер, а также существует гематоневральный вариант, который расположен не в ЦНС, а находится в периферических нервах.

Сегодня известно, что основу гематоэнцефалического барьера составляют плотные соединения эндотелия. Эндотелиальные клетки выстилают внутреннюю часть капилляров.

Плотное соединение позволяет свободно проходить через стенку капилляров в ткани мозга только небольшим и жирорастворимым молекулам и некоторым газам. Некоторые более крупные молекулы, такие как глюкоза, проникают в мозг с помощью белков-переносчиков, которые открываются только для определённых молекул.

Мы пока не будем подробно вдаваться в гистологию и биохимию структур, составляющих барьер.

От бесперебойной работы гематоэнцефалического барьера зависит наша жизнь. Известно, что многие неврологические заболевания развиваются только вследствие нарушения проницаемости гематоэнцефалического барьера, в сторону его повышения.

А есть ли в центральной нервной системе участки, где гематоэнцефалический барьер не работает? Оказывается, ГЭБ не обеспечивает сплошную изоляцию, кое-где в нём имеются проходы. Они нужны для веществ, которые вырабатываются головным мозгом и отправляются на периферию в качестве команд: это гормоны гипофиза. Поэтому свободные участки оставлены как раз в зоне гипофиза и эпифиза. Эти лазейки необходимы, чтобы гормоны и нейротрансмиттеры могли свободно проникать в кровь.

Существует и другая зона, свободная от ГЭБ, она находится в районе ромбовидной ямки или дна четвёртого желудочка головного мозга. Там расположен рвотный центр. Оказывается, рвота может быть спровоцирована не только механическим раздражением задней стенки глотки, но и при попадании токсинов в кровь. Поэтому именно в этой области мозга имеются особые нейроны, которые непрерывно контролируют кровь на наличие вредных веществ. Как только их концентрация достигает критической величины, эти нейроны активируются, вызывая чувство тошноты, а затем и рвоту.

Когда нарушается проницаемость

При некоторых заболеваниях гематоэнцефалический барьер и его функции могут быть нарушены. Классическим примером могут служить инфекции, при которых токсины и бактериальные антигены способные поражать барьер и повышать его проницаемость. Такое случается при менингитах и энцефалитах, когда возбудитель определяется в ликворе и на оболочках головного мозга.

Но в этом есть и положительный момент: вследствие нарушения функций барьера сквозь него могут проникать антибактериальные препараты, которым в норме этот путь закрыт, благодаря чему антибиотики, проникающие через барьер, позволяют эффективно бороться с инфекцией.

Часто нарушается проницаемость при демиелинизации – рассеянном склерозе, остром рассеянном энцефаломиелите. Происходит нарушение функции барьера при сахарном диабете.

Для преодоления ГЭБ в терапевтических целях оказалось возможным использование ультразвука. Правда механизм этого эффекта пока неизвестен.

В заключение нужно сказать, что ГЭБ является одним из самых эффективных механизмов защиты в организме. Он имеет несколько уровней, а энергией снабжается в 10 раз лучше, чем обычные зоны капиллярного газообмена. Благодаря ГЭБ центральная нервная система сохраняет работоспособность, что даёт ей возможность полностью сосредоточиться на управлении жизненно важными функциями и на высшей нервной деятельности. [18]

«Фантомы»

Мы познаём мир с помощью – слуха, зрения, обоняния, осязания и вкуса. Ещё Аристотель, описав эти классические пять чувств дал схему, которой человечество следовало более двух тысяч лет. Но мало кто правильно вспомнит шестое – то, благодаря которому мы осознаём своё тело. В 1890 году его описал Чарльз Шеррингтон и назвал проприоцепцией.

Проприоцепция, или суставно-мышечное чувство – это ощущение положения частей собственного тела относительно друг друга и окружающего пространства.

В медицинской практике нарушения проприоцепции случай нередкий. Пожалуй, самыми впечатляющими и самыми известными являются фантомные ощущения, возникающие у людей с ампутированными конечностями. Конечность отсутствует, но центры мозга, отвечающие за «карту тела», при отсутствии нервных импульсов, идущих от рецепторов кожи, мышц, суставов при отсутствии зрительного контроля могут «по памяти» формировать образы утраченных органов. И вот человек автоматически пытается взять предмет отсутствующей рукой или встаёт на отсутствующую ногу.

Ах, какой соблазн – перехватить эти сигналы мозга и направить к протезу-манипулятору! В 2015 году начала активно развиваться новая методика – целевая реиннервация мышц.

Фантомные органы вещь небезобидная, они могут болеть вполне реально. Боли в ампутированных о́рганах – один из наименее изученных болевых синдромов. Впервые они были описаны в 1552 году Амбруазом Паре, но до сих пор механизмы, лежащие в их основе, не вполне понятны, а перспективы их эффективного обезболивания весьма туманны.

Казалось бы, вот отличный «полигон» для исследования причин возбуждения нервных клеток, а заодно и нервных импульсов. Как возбуждаются перерезанные, то есть не имеющие классических нервных окончаний, волокна? Ни электрических, ни химических синапсов нет, а потенциал действия есть.

Случай Джорджа Дедлоу

Статья в передовице июльского выпуска Atlantic Monthly за 1866 год под названием «Случай Джорджа Дедлоу» рассказала о весьма трогательной истории Гражданской войны в США. Во вступлении некто Дедлоу утверждал, что сначала он попытался опубликовать свою статью в настоящем медицинском журнале, но после нескольких отказов превратил её в личное жизнеописание.

Его история началась в 1861 году, когда доктор Дедлоу поступил ассистентом хирурга в Десятый добровольческий полк Индианы армии северян.

В 1862 году, во время одной из военных операций он попал в плен, получив ранения обеих рук. После нескольких недель мучительного лечения правую всё-таки пришлось ампутировать. На что натерпевшийся боли Дедлоу согласился, даже несмотря на отсутствие эфира.

После выздоровления Дедлоу обменяли на пленного из армии южан. Вместо того чтобы, вернуться домой, однорукий доктор взял месячный отпуск и снова присоединился к своей части.

Но во время одного из самых кровопролитных сражений в истории США, битвы при Чикамоге Дедлоу получил пулевые ранения ног, оказавшись в списке 30 тысяч жертв того сражения. Хирурги решили ампутировать ему обе ноги прямо на поле боя. В таких условиях, и ампутация не давала особой надежды на выживание. Более 60% пациентов с ампутацией обеих ног в то время умирали.

Дедлоу повезло, он пережил операцию. С этого момента и начинается история, сделавшая рассказ о Дедлоу знаменитым. Он очнулся с судорогами в обеих икрах. Дедлоу они казались целыми.

Вскоре его постигла очередная трагедия. В левой руке так и не зажившей до конца, у него развилась госпитальная гангрена – агрессивное заболевание, уничтожавшее живую плоть со скоростью сантиметр в час. Около половины её жертв умирали на своих койках, и Дедлоу позволил врачам спасти ему жизнь, ампутировав последнюю оставшуюся конечность.

Со временем Дедлоу оказался в филадельфийском госпитале известном как «приют для калек».

Всё это время он каким-то странным образом испытывал вполне реальные ощущения в отсутствовавших частях своего физического тела – он по-прежнему ощущал боль в отсутствующих пальцах рук и мог шевелить несуществующими пальцами ног.

Общаясь с другими пациентами госпиталя, он выяснил, что и те испытывали сходные ощущения в отсутствующих конечностях. Фактически неестественные боли в фантомных руках и ногах часто казались не менее реальными, чем ощущения в здоровых о́рганах.

Однажды, во время развлекательного спиритического сеанса, проводившегося в госпитале, к нему подошёл медиум и предложил мысленно призвать тех, кого хочет увидеть. По словам Дедлоу, в этот момент его посетила «шальная идея». Когда медиум спросил, явились ли гости, призванные Дедлоу, раздался двойной стук, что означало ДА. Когда же он спросил их имена, то получил загадочный ответ: «Медицинский музей армии США, №3486 и 3487».

Дедлоу, будучи военным хирургом, понял ответ. Дело в том, что армейские врачи упаковывали ампутированные конечности в бочонки виски и отправляли в Медицинский музей армии США, где их заносили в каталог и оставляли для дальнейшего исследования. Очевидно, ноги Дедлоу значились под номерами 3486 и 3487.

В этом месте история сделала новый поворот. Дедлоу внезапно издал крик и начал подниматься на стуле. По его словам, он ощутил под собой призрачные ноги. Секунду спустя его туловище приподнялось, и он двинулся вперёд. Сначала он чувствовал себя неуверенно – в конце концов, его ноги плавали где-то далеко в бочонке с алкоголем. Но он смог дойти до середины комнаты, прежде чем они исчезли, и он оказался на полу.

На этом Дедлоу резко заканчивает свою историю.

Несмотря на то, что история Джорджа Дедлоу была позднее официально опровергнута, она тронула сердца читателей.

Поэтому летом 1866 года пожертвования для капитана Дедлоу со всей страны поступали в его военный госпиталь. Многие люди пытались встретиться с героем истории, и были разочарованы, когда им говорили, что такого не существует. Его имени не нашлось и в больничных картотеках. Более того, проверка военных архивов не выявила ни единого случая ампутации всех конечностей. Статья в Atlantic Monthly оказалась вымыслом.

Парадоксальным образом, единственной настоящей подробностью были фантомные боли в призрачных конечностях.

Спустя сорок лет доктор Сайлас Вейр Митчелл (Silas Weir Mitchell, 1829—1914) признался в авторстве.

Фантомные боли

Впервые фантомные боли в ампутированных о́рганах были описаны в 1552 году Амбруазом Паре. А первое клиническое описание фантомных конечностей принадлежит доктору Сайласу Вейру Митчеллу, участнику Гражданской войны в Северной Америке, который и придумал этот термин. Тому самому, который инкогнито написал историю Джорджа Дедлоу (1866). А уже в 1872 году опубликовал свой главный труд – о фантомных конечностях.

Началось всё с того, что после нескольких месяцев работы в разных военных госпиталях. Митчелла особенно заинтересовали пациенты с неврологическими травмами, которыми большинство врачей занимались неохотно. Однако таких пациентов было так много, что в 1863 году он основал неврологический исследовательский центр при госпитале «Тернерс-Лейн» в окрестностях Филадельфии.

Большинство больных с тяжёлыми неврологическими травмами оказывались именно здесь, «лёгких» пациентов Митчелл предпочитал отдавать в другие госпитали. И хотя многие из них так и не выздоровели, Митчелл был доволен результатами своей работы. Он стал экспертом по неврологическим травмам, и особенно по фантомным болям.

Сначала он просто составлял медицинские отчёты и обобщал их. Но вскоре обнаружил, что не может отразить реальное положение вещей только с помощью цифр и графиков. Лишь описательные отчёты могли передать настоящие чувства раненых солдат. Через много лет, когда его научная работа почти прекратилась, он стал полноценным писателем, опубликовавшим более двух десятков романов. Митчелл часто наделял героев своих книг припадками, истерией, расщеплением личности и другими нервными расстройствами.

Самые лучшие и оригинальные исследования Митчелла были посвящены фантомным конечностям. Раньше люди из страха, что их объявят сумасшедшими скрывали существование фантомных ощущений. Митчелл обнаружил, что 95% его пациентов с ампутациями их испытывали.

Дискомфорт часто усиливался от стресса, во время выполнения обычных телесных функций: зевания, кашля, мочеиспускания. Возможно, наиболее важным было открытие Митчелла, что, если пациент испытывал специфическую боль перед ампутацией – например, впивался ногтями в ладонь, – эта боль запечатлевалась в его нервах и годами сохранялась в виде фантомного ощущения. В современной практике, вероятность возникновения фантомной боли слегка уменьшается, когда, помимо общего наркоза, используются местные анестетики, вызывающие онемение ампутируемой области перед операцией и во время неё.

Для объяснения природы фантомов Митчелл предложил несколько гипотез, взаимосвязанных друг с другом. В местах ампутации в процессе заживления часто формировалось утолщение центральной зоны повреждённого нерва – невро́мы (лат. neuroma). Иногда они достигают нескольких сантиметров и могут быть источником болей. Митчелл пришёл к выводу, что повреждённые, но живые нервы могут сохранять активность и посылать сигналы в мозг.

Митчелл описал случай, когда ему удалось восстановить фантомное ощущение. Пациент уже несколько лет назад перестал чувствовать свою фантомную руку (такое иногда случается), но, когда Митчелл приложил электроды к культе, тот почувствовал, как кисть и пальцы как бы материализовались, подобно тому, как это случилось с Джорджем Дедлоу на спиритическом сеансе.

Кроме того, Митчелл обнаружил, что некоторые пациенты, потерявшие руку или ногу в младенчестве, а, следовательно, не имевшие воспоминаний о ней, тем не менее тоже испытывали фантомные ощущения. На основании таких наблюдений Митчелл делал вывод, что мозг хранит неизменную психическую картину целостного тела.

Позже врачи составили каталог фантомов в совершенно разных местах. Удаление зубов может приводить к появлению фантомных зубов. Существуют даже фантомные пенисы с фантомными эрекциями. Большинство фантомных пенисов появляется после рака полового члена или ранений на противопехотных минах, о которых большинство из нас предпочитает не думать. Но в отличие от фантомных конечностей, которые часто кажутся парализованными и болезненными, многие мужчины испытывают приятные ощущения от фантомного пениса. Более того, у некоторых людей фантомные пенисы приводят к реальному оргазму [6].

Хотя Митчелл и сделал фантомные конечности предметом серьёзного научного исследования, полученные им знания не нашли никакого практического применения. Бо́льшую часть XX века, врачи просто обеспечивали пациентов с ампутированными конечностями разными протезами, а при обострении фантомных болей прописывали им опиаты.

И вот в 1990-е годы исследование фантомов пережило новый расцвет, так как неврологи осознали, что это уникальная возможность исследования мозга, в частности его нейропластичности.

Главным центром движения в мозге является моторная кора, полоска серого вещества, которая начинается возле ушей и доходит до макушки. Здесь формируются управляющие сигналы, которые через спинной мозг и периферическую нервную систему передаются в мышцы. Но для выполнения сложных движений моторные зоны нуждаются в механизме обратной связи с мышцами, гарантирующем, что их команды выполняются должным образом. Эта задача решается отчасти соматосенсо́рной корой, тактильным центром мозга. И в моторной, и в соматосенсо́рной коре содержится «карта тела», где каждая его часть имеет свою территорию (вспомним гомункулусов Пенфилда).

Что же происходит с территориями на этой карте после ампутации, например, руки. Благодаря пластичности мозга соседние области могут начать использовать освободившуюся территорию для своих целей. Замечено, что после ампутации руки́ обычно происходит расширение территории лица.

Такое переключение происходит быстро, иногда за несколько дней, и охватывает большие по нейронным меркам площади – до пары сантиметров. Поэтому возникло предположение, что такая «колонизация» не предполагает развитие новых нейронных отростков, которые вытягиваются и «захватывают» свободную территорию. Вместо этого, по всей вероятности, активируются уже существующие цепи, которые находились в латентном состоянии.

Но нейронных связей руки слишком много для их полного перепрограммирования, и бывшая территория руки, например, сохраняет остатки своей идентичности. В результате новые контуры для лица пересекаются со старыми контурами для руки. Они смешиваются и поэтому иногда могут срабатывать одновременно.

В результате прикосновение к лицу или движение лицевых мышц может спровоцировать ощущения в отсутствующей руке. В результате лицевые ощущения постоянно обращаются к ментальному образу руки и пробуждают фантомную конечность.

Сходным образом, поскольку область ступни и область гениталий в соматосенсорной коре граничат друг с другом, когда исчезает нижняя часть ноги, её место на внутренней анатомической карте могут занять гениталии. Действительно, некоторые инвалиды с ампутированными ступнями наиболее явственно ощущают свою фантомную конечность во время секса. Некоторые даже сообщают, что ощущение оргазма доходит до несуществующих пальцев ног. Это расширение территории оргазма доставляет им пропорционально большее удовольствие [6].

До сих пор не существует единой точки зрения на механизмы зарождения и развития фантомно-болевого синдрома, есть несколько теорий возникновения фантомной боли, вплоть до метафизических.

Адмирал Нельсон, национальный герой Британии, в одном из сражений тоже лишился руки. Все последующие годы он чувствовал, как фантомные ногти впиваются в его фантомную ладонь, причиняя боль. Но он нашёл утешение, назвав это прямым доказательством существования души. «Если дух руки может пережить её уничтожение, то почему человек в целом не может этого сделать?»

Современные концепции более материалистичны, но несмотря на существование более 40 методов терапии фантомного болевого синдрома (Sherman et al., 1980), только 15% больных полностью избавляются от этого страдания, что, возможно, является следствием неполного понимания механизмов, обуславливающих возникновение фантомных болей.

Большинство современных обезболивающих средств действуют через снижение болевого импульса путём отключения синаптической передачи между рецептором и нейроном. Но если нет нервного окончания, как в случае ампутации о́ргана, нет ни синапса, ни рецептора, а, значит, невозможно и обезболивание. Как следствие, для облегчения страданий таким пациентам врачи прописывают наркотические препараты, которые глушат боль непосредственно в мозге.

Главный же вопрос – как возникают нервные импульсы в остатках нервных волокон, пока неясен. Кто-то вспоминает пейсмекерные нейроны способные к самовозбуждению. Другие версии связаны с образованием на конце среза нервного волокна опухолей – неврином.

Невромы состоят из дезорганизованных аксонов, окружённых рубцом, и образуются на конце разорванного или повреждённого нерва. Невромы возникают в результате нескоординированных попыток нервных волокон регенерироваться.

Их удаление помогает больным, но тоже не всегда. В литературе описано более 150 хирургических методов лечения конечных неврином; однако это множество методов лечения лишь подчёркивает тот факт, что ни один метод не доказал своей эффективности. В некоторых случаях после ампутации части культи боль лишь усиливалась, и у пациентов появлялся ещё один фантом – фантом ампутированной культи.

Целенаправленная сенсорная реиннервация

Однажды пациенту с ампутированной рукой, которому во время операции был удалён подкожный жир, кожа груди была денервирована, назначили спиртосодержащий массаж груди. Во время одной из таких процедур он описал ощущение прикосновения к мизинцу. Объяснили феномен так – сенсорные нервные волокна регенерировали через ткани тела и повторно иннервировали кожу.

Дальше больше – другие участки кожи были сопоставлены с частями фантомной руки в соответствии с описанием ощущений, которые пациент испытывал.

Так, случайно была открыта целенаправленная сенсорная реиннервация.

Окрылённая этим открытием команда начала эксперименты по целенаправленному переносу нервов на предварительно денервированный участок груди, где афферентным нервным волокнам предстояло реиннервировать кожу. Результат впечатлял.

Казалось, что регенерирующие аксоны обладают способностью избирательно прорастать не только туда, где они находились до повреждения.

Этот метод был разработан и описан американскими учёными Тоддом Куикеном и Грегори Думаняном в 2005 году.

Пока операции по целенаправленной сенсорной реиннервации не очень популярны, польза для пациента сомнительна, а результативность не гарантирована.

Но идея иннервировать кожу не сенсорными, а эфферентными нейронами заставила задуматься о перспективах применения метода для нейропротезирования.

XX век

Вероятно, объективную оценку событиям двадцатого века смогут дать историки лет эдак через сто. В этом веке смешалось всё, и обобщение исследований прошедших веков, и новые величайшие открытия, и наивность, и дремучая дикость, и шарлатанство, и вера в то, что мы жили в лучшем из всех времён.

Прошла эпоха гениальных одиночек, теперь прорывов в науке добиваются команды. Скорость коммуникации и распространения знаний достигла таких масштабов, что кажется будто всё научное сообщество работает в едином ключе. Учёные стали больше цитировать друг друга, стали осторожнее мечтать и выдвигать новые идеи. А количество знаковых открытий, несмотря на развитие технологий в течение столетия постепенно, на мой субъективный взгляд, снижалось.

Описать открытия ХХ века я решил историями, которые начались задолго до нынешних времён, тем более что, как и всё прочее они родом из прошлого.

История методов лечения душевных расстройств

Трепанация

Трепанация черепа (лат. trepanatio) – хирургическая операция образования отверстия в костной ткани черепа с целью доступа к подлежащей полости.

Эта операция была известна ещё в глубокой древности и подробно описана у Гиппократа. Существуют несомненные доказательства того, что в самые отдалённые времена начиная с неолита, человек уже был знаком с хирургическими приёмами вскрытия черепной коробки. Свидетельством тому служат многочисленные черепа, собранные в самых различных местах и носящие следы искусственного прободения.

Доктора́ эпохи Гиппократа считали, что застоявшаяся кровь (как застоявшаяся вода) – это плохо. «Она может распадаться и превращаться в гной». Таким образом, причина трепанации или, по крайней мере, одна из причин заключалась в том, чтобы позволить крови вытечь до того, как она испортится.

Даже при незначительных признаках синяков рекомендовалось просверлить отверстие в голове. Инструмент для трепанации был очень похож на современный трепан, за исключением того, что его вращали между ладонями или с помощью лука и тетивы.

Ко временам Галена (129—199) трепанация была стандартной практикой при лечении переломов черепа, для снятия давления, получения доступа и удаления фрагментов черепа, угрожающих твёрдой мозговой оболочке, и, как в медицине Гиппократа, для дренажа.

Первый трепанированный череп ископаемого человека на нашей планете был найден в Латинской Америке – в районе города Куско в 1865 году. Анализ многочисленных трепанированных черепов человека, найденных на территории Перу показал, что в большинстве случаев (около 70%) трепанации заканчивались успешно, о чём свидетельствует образование костной мозоли по краям отверстий. (Отсутствие костной мозоли говорит о том, что человек умер во время или вскоре после операции).

Рисунок 16 Трепанированный череп инков

Причина трепанации – вопрос до сих пор дискуссионный. Большинство учёных полагает, что чаще она производилась в ритуальных целях: отверстие, как правило, делалось в типичных зонах черепа. Возможно, древний целитель полагал, что через такое отверстие дух болезни легко сможет покинуть голову больного.

В то же время существует другое мнение, которое допускает, что трепанации проводились после травматического повреждения черепа и связаны с удалением костных осколков. Обе точки зрения имеют право на существование. Однако для истории медицины принципиально важен сам факт успешной (пережитой) трепанации, что свидетельствует о реальности удачных оперативных вмешательств, которые имели место уже в периоды поздней родовой общины и разложения первобытного общества. [19]

Отголоски ритуальной трепанации были описаны в Тибете, где сохранилось предание, что после мозговой травмы люди иногда обретали дар ясновидения. И монахи задались целью открывать «третий глаз» искусственно. Отобранному по особым признакам монаху делали операцию, нередко сопряжённую со смертельным исходом. В середине лба высверливали отверстие, на несколько дней закрывали его деревянным клином с целебными мазями и давали зарасти.

Рисунок 17 Ксилография XVI века, изображающая трепанацию дома. Обратите внимание на мужчину, согревающего тканевую повязку, на женщину, молящуюся, и на кота, ловящего крысу.

Рисунок 18 Фрагмент набора для трепанации морского хирурга XVII века. Трепаны очень похожи как на древнеримские, так и на современные.

В Европе до начала XIX века трепанация проводилась в домашних условиях. Однако, когда операции перенесли в больницы, смертность стала настолько высокой, что количество случаев трепанации по любой причине, включая лечение переломов и других травм головы, резко снизилось. Практика была настолько опасной, что первым требованием к операции было, «чтобы хирург сам упал на голову». Или, как выразился сэр Астли Купер в 1839 году: «Если вы должны были трепанировать, вы должны быть подвергнуты трепанации по очереди».

В европейской медицинской традиции, помимо лечения травм головы, трепанация была важным средством лечения ещё двух заболеваний – эпилепсии и психических расстройств.

Традиция трепана для лечения эпилепсии началась ещё при Аретее Каппадокийце (около 150 г.), одном из самых известных греческих клиницистов, и продолжалась до 18 века. Хирургический текст XIII века «Quattuor magistri» рекомендовал вскрывать черепа эпилептиков, «чтобы жидкость и воздух могли выйти и испариться». Однако к XVII веку трепанация при эпилепсии стала рассматриваться как крайняя мера, например, в книге Ривериуса «Практика врачевания» (1655): «Если все средства не помогут, последнее средство – открыть переднюю часть черепа трепаном на расстоянии от швов, чтобы злой дух мог выйти. Таким образом были излечены многие острые эпилепсии, и это можно безопасно сделать, если хирурги будут искусными.»

К XVIII веку частота трепанации при эпилепсии снизилась, и её обоснование изменилось. Теперь цель заключалась не в том, чтобы дать выход злым духам и гуморам, а в том, чтобы удалить некоторую локализованную патологию. К XIX веку трепанация эпилепсии ограничивалась лечением травматической эпилепсии, то есть случаев, связанных с известной травмой головы.

Ещё одно применение трепана было для лечения психических заболеваний. В своей «Practica Chirurgiae» Роджер Пармский (ок. 1170 г.) писал: «При мании или меланхолии делают крестообразный разрез на макушке и проникают в череп, чтобы ядовитый материал вышел наружу. Пациента держат в цепях, и рану обрабатывают, как указано выше…»

Роберт Бертон в «Анатомии меланхолии» (1652) также, для лечения безумия рекомендовал сверление черепной дыры, как и великий оксфордский нейроанатом и врач Томас Уиллис (1621—1675).

Рисунок 18 Фрагмент набора для трепанации морского хирурга XVII века. Трепаны очень похожи как на древнеримские, так и на современные.

Вероятно, самые известные изображения трепанации при психических заболеваниях отражены в живописи раннего фламандского Возрождения. Так, в «Лекарстве от безумия (или глупости) Иеронима Босха, также известном как «Каменная операция», на коже черепа делается хирургический разрез. Надпись частично переведена: «Учитель, раскопай камни безрассудства». Есть похожие изображения удаления камней из головы на полотнах Питера Брейгеля, Яна Стена, Питера Хейса и других художников того времени.

К XVIII веку «наиболее авторитетные и просвещённые хирурги отказались от практики трепанации для лечения психических отклонений или головной боли без признаков травмы. [20]

Но в середине 60-х годов XX века в Европе возникло целое движение добровольных трепанаторов – людей, решивших обрести «третий глаз», мистический расширитель сознания, самым простым путём: не медитациями, молитвами или даже наркотиками, а просто просверлив дырку у себя во лбу. Лидером этого движения стал голландец Барт Хьюз (Хюго Барт Хюгес; 1934—2004). Ещё будучи студентом медицинского факультета (из которого был отчислен за пропаганду марихуаны) он разработал теорию о том, что уровень сознания напрямую зависит от объёма крови, поступающего в головной мозг.

В 1964 году он опубликовал научные статьи: «Коррекция гомо сапиенса» и «Трепанация – лекарство от психоза». В них он предлагал использовать трепанацию для расширения функциональных возможностей мозга путём балансировки кровяного давления и давления спинномозговой жидкости.

– Моя теория состоит в том, – говорил Хьюз, – что трепанация улучшает кровообращение мозга. С каждым ударом сердца мозг получает больше крови, капилляры расширяются. Увеличение объёма крови в капиллярах мозга, в свою очередь, способствует расширению сознания. Однако герметичность черепа подавляет пульсацию крови в артериях головного мозга. Наш мозг задыхается внутри нашего собственного черепа!1

Хьюз предположил, что отверстие в черепе поднимет давление внутри головы, что, в свою очередь, выжмет часть спинномозговой жидкости, увеличив таким образом соотношение крови к спинномозговой жидкости в голове (его он назвал «brainbloodvolume»).

Согласно теории Хьюза, увеличение brainbloodvolume улучшит подачу кислорода к мозгу. А чем больше кислорода, тем быстрее пойдёт обмен веществ и тем больше у человека станет психической энергии.

В доказательство своей теории 6 января 1965 года Хьюз сделал себе трепанацию черепа. Он использовал для этого стоматологическую бормашину с ножным приводом.

После операции Хьюз направился в местную больницу для получения рентгеновского снимка в качестве доказательства проведённой трепанации. Естественно, там он попал в руки психиатров, которые предположили, что парень шизофреник. На три недели Барта заперли в психоневрологическом диспансере. Однако вскоре врачи вынуждены были отпустить его. Психологические тесты показали, что он был абсолютно здоров. Позднее Хьюз опубликовал работу «Trepanation: A Cure for Psychosis», в которой представил развёрнутое изложение своей теории, а в 1972 году вышла автобиографическая книга «The Book With The Hole».

В 1966 году Барт Хьюз познакомился с Амандой Филдинг (которой в то время было 22 года). Девушка становится ярой сторонницей теории Хьюза и его подругой. Хьюз знакомит Филдинг со своей идеей о том, как кровь циркулирует в головном мозге.

Несколько месяцев спустя решила трепанировать себя и Аманда Филдинг. На этот раз операция была задокументирована. Джо снял весь процесс на камеру.

Некоторое время спустя Аманда рассталась с Бартом и вышла замуж за Джо Меллена. В 1970 году Меллен последовал примеру Хьюза и Аманды, также сделав себе трепанацию.

Брак Филдинг и Меллена распался спустя 28 лет. Причём оба они убедили своих последующих супругов сделать себе трепанацию. В 1995 году Аманда Филдинг вышла замуж за бывшего профессора Оксфорда и английского лорда. Её новый муж страдал сильными головными болями, которые прекратились после трепанации.

В 2000 году Филдинг съездила в Мехико, где ей сделали повторную трепанацию. Европейские врачи, к которым она обращалась с такой просьбой, дали ей отказ.

Барт Хьюз скончался в 2004 году в возрасте 70 лет от болезни сердца и был похоронен в Амстердаме. А результаты его научных исследований переданы в Амстердамский городской архив.

В заключение замечу, что самостоятельно подобные операции проводить категорически НЕЛЬЗЯ. Все вышеописанные в статье люди имели медицинскую практику или опыт. И древние шаманы проделывавшие отверстия в черепе, чтобы выпустить злых духов, и современные трепанаторы-любители знали, что нарушение твёрдой мозговой оболочки означает неизбежную смерть от инфекций и кровотечения. Сам мозг по-прежнему остаётся священным и неприкасаемым о́рганом.

1 Современное представление о работе капилляров вы найдёте в этой книге в главе «Пульсовая волна»

Терапия в древнем мире и в средние века

Аномальные типы поведения в человеческом обществе были всегда. Сегодня люди страдают от тех же психических недугов, что и наши далёкие предки. Изменилось отношение к больным, изменились методы лечения, болезни – всё те же.

Документальные подтверждения можно найти и у античных авторов, и в не менее древних китайских книгах (трактат «Классическая книга Жёлтого императора о внутренней медицине»). Есть упоминания на нечто подобное и в Библии.

В ранних культурах нарушения в поведении человека рассматривали как следствие вселения в него злых духов. Этот традиционный взгляд бытовал на протяжении всей истории человечества, а кое-где сохраняется и поныне.

Отношение же к душевнобольным могло сильно разни́ться в зависимости от культурных традиций и религиозного уклада, господствовавших в том или ином обществе. Где-то их подвергали наказаниям и даже смерти, где-то лечили путём изгнания злых духов.

В соответствии с традициями многих культур считалось, что устами умалишённых говорят сверхъестественные силы, например, мусульмане и православные полагали, будто Бог выбирает таких людей, чтобы поведать истину.

Так продолжалось до тех пор, пока вопросы души (а с ними и душевных недугов) оставались в исключительном ве́дении церкви. Медики могли врачевать человеческое тело, но душа – область разума и духа – считалась прерогативой бога. Никто не прислушивался к робким предположениям, что душевные расстройства представляют собой в действительности медицинскую проблему.

Только в 1793 году человечество повзрослело настолько, что был услышан французский психиатр Филипп Пинель (Philippe Pinel, 1745 —1826) призывавший считать людей с душевными расстройствами «не виноватыми, а больными», и их начали пытаться лечить. Правда методы, по-прежнему больше напоминали истязания.

Сегодня водные процедуры один из самых приятных способов лечения. Но для душевнобольных, которых врачевали этим способом, гидротерапия мало отличалась от пыток.

Поначалу процедура представляла собой расслабляющее купание больного в ванне. Потом купание растянулось почти до суток, вероятно для усиления лечебного эффекта. Но затем её решили усовершенствовать, пациентов начали внезапно окунать в ледяную воду, вызывая тем самым сильное потрясение всего тела с последующим утомлением. При этом стремились также и к устрашению. Стали – «притапливать» до первых признаков асфиксии: врачи полагали, что конвульсии, пережитые больным в этот момент – отличное лечение.

При этом никакой реальной пользы такая гидротерапия пациентам не приносила. Хотя учёные практиковавшие в XX веке электрошоковую и инсулиношоковую терапию с последним утверждением возможно не согласились бы.

Лоботомия

В то время, когда в науке происходили такие наивные открытия (для нас, людей XXI века), с такими амбициозными заявлениями как «запись языка головного мозга»1, но, безусловно, заслуживающие Нобелевских премий, появился ещё один нобелевский лауреат в области медицины. Он не сделал открытий в направлении исследования нервных импульсов, но без рассказа о нём, наша история оказалась бы неполной.

В 1949 году португалец Эгаш Мониш (António Caetano de Abreu Freire Egas Moniz, 1874 – 1955) был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине «за открытие терапевтического воздействия лейкотомии при некоторых психических заболеваниях». Лоботомия. Это слово до сих пор остаётся синонимом варварства в медицине.

В 1935 году Мониш выдвинул гипотезу, что рассечение афферентных и эфферентных волокон в лобной доле может быть эффективным при лечении психических расстройств. Первая операция была выполнена в 1936 году. Поскольку из-за подагры он не мог провести её сам, операцию провела профессор нейрохирургии Алмейда Лима под его руководством. Мониш назвал эту процедуру «лейкотомия», поскольку сами лобные части не повреждались, а прореза́лось лишь белое вещество, соединяющее лобные доли с другими отделами мозга.

Став популярной, данная процедура рекламировалась как средство спасения в безнадёжных ситуациях.

Однако, уже в 1940-е годы лоботомия получила широкое распространение в США. Психиатрические отделения госпиталей были переполнены солдатами, возвращавшимися с фронтов Второй мировой. Чтобы обеспечить уход за ними, требовались большой штат медперсонала и большие расходы (до одного миллиона долларов в день). Лоботомия оказалась идеальным решением финансовых проблем.

Медицинские учреждения по делам ветеранов организовывали ускоренные курсы для обучения хирургов методу лоботомии. «Дешёвый метод» позволял поставить на поток «лечение» многих тысячи американцев, содержавшихся на тот момент в закрытых психиатрических учреждениях без всякой надежды на выписку. Об успехах лоботомии восторженно писали ведущие газеты, формируя позитивное отношение общественности. Справедливости ради, стоит отметить, что до лоботомии в арсенале врачей не было ни одного реально действующего метода лечения психических расстройств.

На начальном этапе для лоботомии проводилась трепанация черепа, и хирург скальпелем рассекал участок мозга. Но в 1945 году Уолтер Фримен усовершенствовал процедуру, создав метод трансорбитальной лейкотомии – «лоботомия ножом для ко́лки льда», при котором можно было обойтись без трепанации.

Вот как проводилась эта чудовищная процедура: инструмент, похожий на нож для ќолки льда, вводили в глазницу между верхним веком и глазным яблоком; когда кончик ножа упирался в кость глазной впадины, по рукоятке ударяли хирургическим молотком, остриё пробивало кость и проникало в лобную долю; далее врач совершал вращательное движение рукояткой рассекая нервные волокна мозга. Фримен утверждал, что процедура устраняет из «душевной болезни» пациента эмоциональную составляющую. И действительно, те, кто не умер во время операции и от её последствий, превращались в овощи, лишённые эмоций, воображения, стремлений и желаний. Тем не менее медики, практиковавшие лоботомию, считали пациентов исцелёнными, ведь основные симптомы – припадки, агрессивность, тоска – действительно исчезали.

Свою первую операцию он провёл, используя в качестве обезболивания электросудорожную терапию.

Поначалу операции действительно проводились с помощью обычного ножа для ко́лки льда. Впоследствии Фримен разработал для этой цели специальные инструменты – лейкото́м, который разрезает ткани мозга проволочной петлёй, затем – орбитокласт. Вся процедура проводилась вслепую, и в результате хирург разрушал не только подлежащие воздействию, по его мнению, участки мозга, но и значительную часть близлежащей мозговой ткани.

1 См главу «Язык головного мозга». Гассер и Эрлангер

Рисунок 18. Лоботомия

Около пяти тысяч лоботомий в год проводилось в США в начале 1950-х годов. Зачастую операции проводились в нестерильных условиях и непрофессиональными хирургами. Сам Фримен не будучи хирургом, провёл около 3500 таких операций, разъезжая по всей стране в своём фургоне, который он назвал: «лоботомобиль».

Лоботомия широко распространилась не только в США, применяли её и во многих других странах мира. Десятки тысяч пациентов подверглись этой операции в странах Европы. Не стал исключением и СССР.

Закат лоботомии начался в 1950-е годы после того, как стали очевидными серьёзные неврологические осложнения после этой операции. Вскоре проведение лоботомии было законодательно запрещено в большинстве стран. В СССР эта процедура была официально прекращена в 1950 году.

Фримен заявлял, что 52% из их первых 623 операций дали «хороший результат», но он не объяснял критерий – что именно представляет собой «хороший результат». Процедура вызывала тяжёлые последствия, такие как припадки, большое прибавление в весе, потеря моторной координации, частичный паралич. Иногда пациенты должны были заново учиться есть и посещать туалет. Осложнения были часты, а 3% вообще умирало.

Случаев выздоровления после лейкотомии немного, например, известной стала история с Говардом Далли, перенёсшем операцию в возрасте 12 лет и написавшим о себе впоследствии книгу «Моя лоботомия». Хрестоматийным случаем стала история Роуз (Розмари) Кеннеди, сестры президента США Д. Ф. Кеннеди, которая по просьбе её отца была прооперирована У. Фрименом в 1941 году. В результате процедуры, она стала инвалидом провела большую часть своей жизни в различных учреждениях и умерла в 2005 году в возрасте 86 лет.

Эта история не только о нравах, но поучительна ещё и тем, что Нобелевская премия не всегда есть знак качества и гарантия истинности.

Справедливости ради, заметим, что ещё в 1927 году Мониш разработал церебральную ангиографию – метод рентгенологического исследования сосудов головного мозга, которая в различных формах остаётся одним из основных инструментов как в диагностике, так и в планировании операций на головном мозге.

За разработку ангиографии он также был номинирован на Нобелевскую премию. Но в этом случае номинацией всё и ограничилось.

Электрошоковая терапия

Итак, в начале ХХ века в науке утвердилась идея об электрической природе нервного импульса. Учёные ещё совершенно не понимали, как это работает, но питали огромные надежды. Например, Никола Тесла рассуждал о возможности сна под воздействием электричества на мозг и был убеждён, что электрическая анестезия станет практической реальностью. Какой простор для экспериментов! Если у тебя есть любопытство, богатая фантазия, источник электричества, не слишком высокие моральные принципы и медицинский диплом как индульгенция на право экспериментировать с живой плотью, то открытия тебе обеспечены.

Один из самых известных и самых пугающих методов лечения психических недугов – электросудорожная терапия или электрошок. Впервые она была испытана на пациентах в 1934 году, и в последующие несколько десятилетий популярность метода только росла. (Прошло ровно сто лет с тех пор, как последователи Гальвани устраивали публичные демонстрации экспериментов по подключению электричества к трупам повешенных преступников.)

Венгерский врач Ласло Медуна (Laszlo, или Ladislaus von Meduna, 1896 – 1964) заметил, что пациентам, страдающим шизофренией, становится лучше после конвульсивного припадка: больные на время избавлялись от галлюцинаций, бреда и бессвязности речи. Медуна предположил, что искусственно вызванный припадок, может оказать аналогичное благотворное воздействие, и начал использовать в терапии препарат кардиозол вызывавший приступ буквально через несколько секунд после приёма. (Исследовались и другие способы провокации припадков: от воздействия на головной мозг фарадическим током или повышенного парциального давления кислорода до замораживания отдельных участков коры́ головного мозга и введения в организм разных эпилептоге́нных веществ). Состояние пациентов действительно улучшалось, и, хотя позже симптомы возвращались, врачи считали, что это лишь вопрос длительности терапии.

Узнав об этом революционном открытии, Уго Черлетти (Hugo Cerletti) – декан факультета психических и нервных болезней Римского университета, заявил, что знает более эффективный способ. Он со своей командой много лет занимался изучением альтернативных средств провокации судорожных припадков с применением электричества. Конкретно в 1934 г. они проводили эксперименты на животных, используя ректально-краниальное расположение электродов; но оно оказалось опасным из-за высокой вероятности остановки сердца.

Иной способ расположения электродов они позаимствовали на мясоперерабатывающем заводе, в цехе где забой скота начинался с электрического удара, подаваемого на боковые поверхности голов́ы животного. При этом животные не погибали мгновенно, а лишь отключались, и их обездвиженные тела попадали в руки забойщиков. [21]

В конечном итоге, Черлетти предположил, что вызывать припадки у пациентов таким способом будет эффективнее.

Далее был сконструирован аппарат и подобраны безопасные параметры тока.

Энтузиазм и полученные на животных доказательства безопасности припадков при краниальном наложении электродов помогли итальянцам преодолеть сомнения и робость, и 11 апреля 1938 года (день рождения ЭСТ) они впервые приложили электроды своего аппарата к вискам человека – пациента с острым приступом шизофрении. Больной «выздоровел».

Первые результаты применения ЭСТ своим эффектом произвели большое впечатление, и в том же году методика начала своё триумфальное шествие по психиатрическим клиникам всего мира. Принимавший участие в первых итальянских опытах по ЭСТ немецкий врач Лотар Бруно Калиновский (Lothar В. Kalinowsky) в 1939 году отправляется в вынужденное турне (подальше от нацистов); он посещает Нидерланды, Францию, Швейцарию, Великобританию и США, и всюду популяризует изобретение итальянских психиатров и способствует распространению ЭСТ в мире.

Так появилась электросудорожная терапия (ЭСТ), она же электрошоковая терапия (ЭШТ).

Поначалу, при проведении сеанса ЭШТ электроды просто укрепляли по бокам головы и пускали ток. При этом электричество раздражало и оба полушария, и все другие отделы мозга. Со временем процедуру усовершенствовали: накладывая электроды специальным образом стали раздражать только правое полушарие. Выбор объясняется тем, что последствия припадков в этом случае были мягче, они не вызывали у больных особо тягостных воспоминаний и меньше затрагивали речевые центры.

После левостороннего воздействия первое, что слышал врач – это жалобы больного. Пациенты становились подавленными и раздражительными. Всё вызывало у них негативную реакцию, неудовольствие. Такая реакция на ЭШТ может показаться вполне адекватной, но при правостороннем раздражении последствия кардинально отличались. Едва закончились судороги, пациент ещё не в состоянии говорить, а выглядит он вполне счастливым. Настроение значительно поднимается. Всё происходящее воспринимается им в розовом свете. Такие изменения, наступающее сразу же после «лечения», производили отличное впечатление, особенно на родственников больного.

Между тем воздействие электрическим током катастрофически дезорганизует работу мозга. Записи электрокардиограммы мозга показывают, что после раздражения надолго изменяется его ритмика. ЭШТ на много часов, а то и дней изменяла эмоциональную окраску поведения.

На «лечение электрошоком» в те годы согласие пациента не требовалось, кроме того, не использовались ни анестезия, ни препараты для расслабления мышц. Поэтому тело пациента изгибалось дугой, из лёгких выходил воздух, руки и ноги беспорядочно двигались, организм непроизвольно избавлялся от мочи, кала и семенной жидкости. В костях даже появлялись микротрещины. Первоначальный вариант методики предусматривал своеобразный состав врачебной бригады: психотерапевт, подключающий электроды, и несколько физически сильных санитаров для удержания бьющегося в конвульсиях тела пациента.

В 1942 году двумя канадскими анестезиологами Гриффитом и Джонсоном была открыта возможность с помощью кураре достигать миорелакса́ции, и вскоре западные психиатры начали проводить ЭСТ с миорелаксантами. Росту популярности ЭСТ в 40—50-х годах способствовало введение в практику короткодействующего (менее 10 минут) мышечного релаксанта суксаметония.

При этом ЭШТ пытались применять для лечения абсолютно всех психических заболеваний и расстройств, так что почти ни один пациент психиатрических лечебниц в середине прошлого века не избежал хотя бы одного сеанса «электрошока». Почти все они теряли память. Как правило, она восстанавливалась в течение нескольких дней, но у некоторых не восстанавливалась никогда.

Прошёл через 13 сеансов и писатель Эрнест Хемингуэй. Его память так никогда полностью и не восстановилась, и незадолго до того, как покончить с собой, он сказал: «Эти врачи, что делали мне электрошок, писателей не понимают… Пусть бы все психиатры поучились писать художественные произведения, чтобы понять, что значит быть писателем… Какой был смысл в том, чтобы разрушать мой мозг и стирать мою память, которая представляет собой мой капитал, и выбрасывать меня на обочину жизни?»

В 1970-годах возник «ренессанс» ЭСТ: было разработано новое поколение аппаратов ЭСТ. А в 80-90-е годы, появились публикации по сравнению традиционной синусоидальной стимуляции со «вновь открытой» короткоимпульсной.

К концу XX – началу XXI столетия в России по понятным причинам сложилась на редкость благоприятная (по сравнению с западными странами) обстановка для развития ЭСТ. К сожалению сторонников этого метода «лечения», хватает и сегодня.

Ласло Медуна, в соответствии с уровнем развития современной ему науки, считал, что в мозге больных шизофренией имеется недостаточно глиальных клеток, а у больных эпилепсией – их избыток. Поэтому теоретическим обоснованием судорожных методов, и, в частности, ЭСТ, была надежда на стимуляцию с помощью припадков роста «недостающей» глии в шизофреническом мозге. Современные обоснования применения ЭШТ так же далеки от истины как в 1930-х.

Инсулиношоковая терапия

Инсулиношоковая (инсулинокоматозная) терапия была предложена как метод лечения Манфредом Джошуа Са́келем в 1933 году. В то время Сакель работал в Берлине в маленькой частной психиатрической клинике, специализировавшейся на оказании помощи наркоманам, страдающим от героиновой и морфиновой зависимости. Как раз в это время был совершён грандиозный прорыв в терапии диабета с использованием инсулина. Сакель заинтересовался этим гормоном и начал испытывать его на своих пациентах, в надежде снять эффекты абстинентного синдрома у наркоманов и улучшить аппетит. В результате такой терапии пациенты периодически впадали в гипогликемическую ко́му.

После прихода к власти фашистов Сакель переехал из Берлина в Вену, где занялся лечением пациентов с шизофренией, экспериментируя с искусственным введением в гипогликемическую ко́му, методом, который он назвал инсулиношоковой терапией (ИШТ). Смертельные исходы по итогам такой терапии были нередки – от 2 до 5%. В 1938 году Сакель опубликовал результаты своих исследований в книге «Лечение шизофрении посредством фармакологического шока».

Разочарование пришло после войны. Уже в 1953 году в медицинском журнале «Ланцет» психиатр Гарольд Борн (Harold Bourne) опубликовал статью «Миф инсулина», в которой заявил, что метод не работает с точки зрения доказательной медицины.

Клинические исследования показали полную неэффективность метода, что вызвало возмущение у видных психиатров той эпохи, активно практиковавших этот способ лечения. ИШТ изредка применялась в некоторых западных клиниках вплоть до 1970-х годов.

Метод ИШТ сло́жен и трудоёмок, требует особой подготовки персонала и тщательного присмотра за пациентом в коме и ночью после комы. Не способствовало популярности метода сопутствующие ощущения, описываемые пациентами как крайне мучительные.

При использовании инсулиношоковой терапии существовали риски затянувшейся комы, повторного развития коматозного состояния через несколько часов. Применение её было сопряжено с высоким риском летального исхода.

Рисунок 19 Инсулиношоковая терапия

Если лечение порой и срабатывало, то лишь потому, что пациенты подбирались предвзято и к ним было особое отношение. «Инсулиновые пациенты, как правило, элитная группа, – отметил H. Bourne. – Они имеют привилегии и хороший прогноз». В 1957 году журнал «Ланцет» провёл независимое сравнительное исследование лечения шизофрении. Были взяты две группы пациентов – первую лечили инсулиновыми комами, другую вводили в бессознательное состояние с помощью барбитуратов. Никакой разницы между группами авторы исследования не обнаружили.

В России ИШТ практиковалась вплоть до 2000-х годов. Сегодня, благодаря распространению нейролептиков применение ИШТ сократилось. Впрочем, в стандартах Минздрава РФ этот метод сохраняется и сегодня, хотя и рассматривается как резервный и может быть использован лишь в случае безуспешности других методов врачебной помощи.

Возможно, что к поиску лечения методом «Клин клином» врачей подтолкнул относительно успешный опыт лечения нейросифилиса. Ныне излечиваемое психическое заболевание, вызываемое бактериями вида Treponema pallidum (бледная трепонема) и известное под названием прогрессивного паралича, представляет собой позднюю стадию сифилиса мозга. До использования химиотерапии как эффективного средства лечения при первых проявлениях сифилиса (1906 год, П. Эрлих) все больные оставались практически без всякого лечения. Спустя примерно десять лет у трети больных развивалось постепенное ухудшение памяти и способности к концентрации внимания, появлялась хроническая усталость и сонливость в сопровождении эмоциональной неустойчивости – от мании величия до глубокой депрессии. Как показали посмертные вскрытия, в результате заболевания у больных оказывались серьёзно поражены обширные участки мозга.

Незадолго до окончания Первой мировой войны австрийский врач Юлиус фон Вагнер-Яурегг (Julius Wagner Ritter von Jauregg) изобрёл способ лечения сифилиса с помощью лихорадки. Больных сифилисом заражали малярией, как следствие у них сильно повышалась температура тела и чувствительные к высокой температуре бактерии сифилиса погибали.

Последующее лечение малярии казалось не слишком большой платой за избавление от перспективы прогрессирующего слабоумия, вызванного нейросифилисом.

Далее доктор на основе «малярийной терапии» разработал обобщённую теорию «раздражающей» терапии, которую он применял также при лечении рассеянного склероза и шизофрении. Заметив, что у некоторых душевнобольных наблюдалось улучшение после перенесения ими брюшного тифа, или туберкулёза. Вагнер-Яурегг начал экспериментировать с заражением своих пациентов туберкулёзом, тифом, и т. д. без особого, впрочем, эффекта.

Он был уверен, что посредством раздражающей терапии могут быть убиты дефектные нервные клетки, и восстановится нормальная структура мозга.

Впоследствии фон Вагнер-Яурегг получил за предложенный способ лечения Нобелевскую премию (1927 г).

Конечно, сегодня сифилис прекрасно лечится на ранних стадиях с помощью антибиотиков, в результате чего практически исчез и вызываемый им прогрессивный паралич, а вот с рассеянным склерозом и шизофренией до сих пор не всё так однозначно. [22]

Идея лечения высокой температурой оказалась живучей, теперь она называется – пиротерапия. Даже в конце XX века этого же эффекта достигали с помощью сульфозина (который пришёл на смену керосиновым инъекциям): пациенту вводят под кожу масленичную взвесь серы. Температура тела при этом повышается до 40 и более градусов. А назначали эту терапию больным, страдающим психическими расстройствами.

Нейролептики

Современное медицинское сообщество полностью отвергло и осудило варварскую лоботомию, почти полностью отказалось от применения электросудорожной и инсулиношоковой терапии. Думаете это произошло благодаря современным идеям гуманизма? Не обольщайтесь. Врачей никогда особо не сдерживали страдания пациентов на пути к выздоровлению. Благодарить надо открытие химических препаратов – нейролептиков. Об этом наша следующая история.

Болезни Альцгеймера и Паркинсона, болезнь Гентингтона, шизофрения и маниакально-депрессивный психоз – все они имеют одну общую черту – это хронические заболевания неизвестного происхождения.

Бо́льшую часть этих недугов сегодня можно лечить с помощью препаратов, полезность которых не была предсказана исходя из теоретических представлений о природе болезни. Кто-то назовёт это методом проб и ошибок, а по сути это простой перебор препаратов в поисках подходящего. [22]

В 1950 году было создано лекарство под названием аминазин (один из основных и наиболее типичных препаратов этого класса), которое на первых порах называли «химической лоботомией». Люди боялись, что аминазин тоже может навсегда изменить их личность.

Препарат был синтезирован как производное от противопаразитарного средства – фенотиазина, а применялся он поначалу для усиления действия наркоза в хирургии.

Психиатр Фрэнк Айд (Frank Joseph Ayd Jr.; 1920—2008) в декабре 1952 года при лечении шизофрении первым начал применять хлорпромазин1 в качестве успокоительного.

Препарат оказался настоящим прорывом в медицине. Это был первый в истории антипсихо́тик, который и сегодня остаётся одним из популярнейших нейролептиков. Даже невзирая на появление многочисленных новых препаратов, он находит широкое применение в отечественной медицинской практике.

Впоследствии появились препараты нового поколения, побочные действия которых значительно меньше выражены чем у типичных нейролептиков. Поначалу из назвали атипичными антипсихо́тиками. Впоследствии вместо термина «нейролептики» в отношении данных препаратов стал употребляется термин «антипсихо́тики».

Все известные сегодня антипсихотики обладают аналогичным механизмом действия – они частично блокируют передачу нервных импульсов в тех системах мозга, где преобладают дофаминовые рецепторы.

Учёным известны основные проводящие пути в головном мозге, которые используют дофаминовые сигналы. Например, это лимбическая система, ответственная за порождение наших базовых эмоций.

Самые понятные из задач всех дофаминовых магистралей мозга – формирование мотивации, научение и осуществление подкрепления поведения [23].

1 Хлорпромазин, торговое наименование: «Аминазин»

Структурные изменения мозга

И всё бы, казалось хорошо, но, как выяснилось в результате длительного приёма терапевтической дозы нейролептиков происходит снижение веса и объёма мозга до 8—11%. Связанно оно с уменьшением как серого, так и белого вещества. Уменьшение объёма серого вещества как выяснилось вызвано преимущественно потерей глиальных клеток, в основном астроцитов (до 20% в париетальной области) и олигодендроцитов (до 11%).

Некоторые исследователи полагают, что стремительная потеря серого вещества у пациентов, получающих повышенное количество антипсихотиков, говорит, что приём нейролептиков приводит к постепенной атрофии префронтальной коры, обусловленной подавлением её действием препаратов.

Так что первоначальная тревога пациентов перед «химической лоботомией» была не так уж необоснована. И самый современный метод лечения психических расстройств по сути не лечит, а грубо притупляет нейронные связи химическим способом. Но в отличие от лоботомии, ЭСТ и ИШТ это не больно, и на том спасибо.

Научившись подавлять активность нейронов головного мозга, учёные задались вопросом – а можно ли её усилить? Улучшить настроение, усилить память и остроту ума? Так появилась огромная группа препаратов – психостимуляторов1. К ним можно отнести антидепрессанты, ноотропы, транквилизаторы, седативные средства, и сами нейролептики.

Принцип действия всех этих средств основан на химическом влиянии на работу синаптических связей между нейронами. Для любителей биохакинга специально обращаю внимание, всё это лекарственные препараты, они обладают побочными эффектами и применяются строго по назначению врача.2

1 Психотропные вещества, активизирующие психическую и, в меньшей степени – физическую активность организма

2 Подробнее о механизмах действия мы поговорим в главе Нейромедиаторы и гормоны.

Нейрохирургия

Чем занимается раздел медицины нейрохирургия? Ответ обывателя очевиден – режут и сшивают нервные ткани. Но так ли это в действительности? На самом деле нейрохирурги занимаются устранением последствий черепно-мозговых травм, удалением опухолей и кровоизлияний в мозг, восстановлением сосудов кровоснабжения мозга. В последнее время становится перспективным направлением внедрение имплантатов. Иногда нейрохирурги удаляют некоторые нервные окончания, чтобы отключить болевой синдром.

Но вы не найдёте ни одного солидного издания, в котором бы говорилось о возможности сшивания нервных волокон. И уж тем более о пересадке головы, такая информация в 2018 году мелькала во многих новостных лентах, однако на поверку оказалась банальной «уткой».

Не могу удержаться от такого примера. Давайте возьмём два совершенно одинаковых компьютера, разрежем их пополам какой угодно тонкой пилой, а потом попробуем соединить половинки, попарно поменяв их местами. Получим ли мы хотя бы один рабочий компьютер? Бред, скажете вы. И я соглашусь. Но в отличии от мозга, мы хотя бы знаем, как работает компьютер и что такое электричество. Возможно, если бы мы знали, как функционирует мозг и как работает один нейрон, то не мечтали бы о пересадке головы, не выдумывали бы биологические и торсионные поля. Зато научились бы использовать возможности нашей нервной системы так, как сегодня используем электричество и электромагнитные волны.

Стереотаксическря хирургия мозга

Метод стереотаксической малоинвазивной хирургии мозга был предложен в 1949 году. Его суть состояла в том, что местоположение мишени в мозге (определяется по стереотаксическому атласу) фиксировалось по трём координатам с помощью специального прибора, устанавливаемого на голове пациента. После чего необходимый участок мозга можно было разрушить – например, введением через иглу точно рассчитанного количества этанола.

Стереотаксический атлас представляет собой серию поперечных сечений анатомической структуры (например, человеческого мозга), изображённых в двух-координатной системе. Объединив набор сечений, каждой структуре мозга можно легко присвоить диапазон из трёх координат, который бы использовался для позиционирования стереотаксического устройства. Но мозг пациентов отличается по форме и размеру, а значит, требуется более точная локализация. Для индивидуального позиционирования инструмента применяется специальный тонкий электрод, с помощью которого можно стимулировать отдельные участки мозга и точно определять их принадлежность по функциональной реакции пациента. Такой подход вскоре стал непременным атрибутом большинства стереотаксических операций [24].

Если электроды могут быть применены для стимуляции различных участков мозга во время операции, то почему же не попробовать оставить их в мозге и после, разместив контакты снаружи? Такие электроды можно использовать по мере необходимости в терапевтических целях [25]. Поначалу внедрение этой техники в медицину не получило широкого распространения. А вот для экспериментов над животными она подходила как нельзя лучше. Возможно вы слышали историю с крысами, до изнеможения нажимающими на педальку и получающими электрический разряд в центр удовольствия. Эта хрестоматийная работа Джеймса Олдза и Питера Милнера, опубликованная в 1954 году, стала одной из первых экспериментальных работ по электрической стимуляции глубоколежащих структур мозга [26].

Рисунок 20 Стереотаксическая хирургия

Казалось, что этот же принцип может служить и медицинским целям – электрическая стимуляция выброса эндорфинов могла бы давать заметный обезболивающий эффект. За последующие полвека глубокая стимуляция мозга стала самостоятельным методом лечения. Вживление электродов стало эффективным методом, однако эта операция так и не потеряла некоторого ореола загадочности и авантюрности. Вероятно, по причине того, что механизм действия глубокой стимуляции мозга так и не изучен.

Стоит заметить, что электрическая нейромодуляция – доне́льзя грубый метод воздействия на мозг. Хотя электроды и вводятся с миллиметровой точностью, возбуждению подвергаются миллионы окружающих нейронов. Можно только мечтать о стимуляции отдельных или хотя бы целевых клеток определённого типа!..

В 2019 году Илон Маск презентовал технологию Neuralink. Это инвазивный нейроинтерфейс, где вместо твёрдых электродов в мозг (пока не человека, а крысы) имплантируется массив из 3072 электродов, объединённых 96-ю проводниками толщиной всего 4—6 микрон каждый. Такие проводники очень сложно имплантировать в мозг вручную, поэтому Neuralink разработала специальный стереотаксический инструмент – нейрохирургический манипулятор, который может внедрять в мозг до шести нанопроводников в минуту.

Транскраниальная электрическая стимуляция

Физиологам давно известен феномен, когда с помощью импульсного электрического тока можно подавить проведение нервных сигналов через клетки коры головного мозга животных.

Впервые в 1903 году анестезирующий эффект импульсного электрического тока продемонстрировал, в том числе и на себе, французский физиолог Ледюк (S. А. N. Leduc). Он экспериментально выяснил, что наибольший обезболивающий эффект оказывают импульсы прямоугольной формы частотой 100—200Гц.

Тюффье (М. Th. Tuffier) и Гарди (Hardy) в 1907 году впервые произвели операцию на пациенте в состоянии общей электроанестезии (электронаркоза) по методу Ледюка. [27]

В 1936 году в ЦНИИ акушерства и гинекологии в городе Ленинграде группа учёных в составе И. И. Яковлева, В.А.Петрова и при участии А.А.Ухтомского начала проверку возможности применения электронаркоза в акушерстве.

В 1964 году британский психиатр Дж. У. Т. Редферн (J.W.T. Redfearn) обнаружил, что, пропуская слабый электрический ток (50—250 мкА) через электроды, расположенные в определённых точках скальпа, можно добиться различных эффектов. В зависимости от направления тока у добровольцев менялось эмоциональное состояние, они либо становились разговорчивыми и общительными, либо молчаливыми и замкнутыми. Однако другие исследователи не смогли подтвердить его эксперименты.

Интерес исследователей к ТЭС сохранялся до середины 1970-х годов. Однако полвека усилий физиологов из США, Франции, России и других стран не оправдали их надежд – электростимуляция не демонстрировала объективного лечебного эффекта, а электронаркоз больше походил на электрошок и был просто опасен для здоровья.

В начале 80-х годов перед научной группой Санкт-петербургского Института физиологии им. И. П. Павлова РАН под руководством В. П. Лебедева была поставлена задача модифицировать электростимуляторные приборы, которые в то время использовались (не слишком успешно) в отдельных ленинградских больницах при обезболивании родов. Тогда профессор Лебедев впервые ввёл в медицинскую практику термин «транскраниальная электростимуляция» (от латинских слов «trans» – через и «cranium» – череп) [28].

В результате было подтверждено, что действительно электростимуляция влияет на нервную систему. Нужно просто очень точно подобрать параметры тока и правильно расположить электроды на голове пациента. Выяснилось, что электростимуляция действительно может снимать болевой синдром, но только в очень узком диапазоне параметров тока, которые к тому же различны для разных индивидов. Для человека оптимальная «обезболивающая» частота импульсного тока была определена методом подбора – около 77 Гц, при отклонении её хотя бы на 7—10 Гц эффект резко снижался. Обезболивающий эффект возникал лишь тогда, когда электроды были ориентированы ото лба к затылку [28].

Считалось, что ТЭС-терапия способна неинвазивно, строго дозировано активировать структуры мозга, продуцирующие эндогенные опиоидные пептиды (ЭОП) (β -эндорфин).

β-эндорфины это эндогенные белковые молекулы, называемые также опиоидными пептидами, их анестезирующее влияние основано на связывании белковых каналов в мембранах нервных клеток.

В 2000-е этот метод чрезвычайно распространился, но в основном на пространстве СНГ. Помимо обезболивания лечили всё от наркомании и абстинентного синдрома до гипертонии, аллергии, опухолей и ожогов. Реабилитировали после инфарктов, восстанавливали нервные клетки…

Казалось, что ТЭС абсолютно универсальна, и для каждого лечебного эффекта находилось логичное объяснение. А количество диссертаций пропорционально росло. Но если дело, главным образом в вездесущем β-эндорфине, то выходит, что терапевтический эффект можно получить, просто стимулируя его выработку любым доступным способом. Опиоидные пептиды – вырабатываются организмом от положительных эмоций, при получении удовольствия. Повысить уровень β-эндорфина можно не только с помощью электродов, а хорошей музыкой, дружеским общением, прогулкой, наконец, вкусной едой и сексом? Известно, что все эти житейские радости сказываются на здоровье положительно. Ответ на эти вопросы, дала медицина настоящего – ТЭС успешно… забыта!

Транскраниальная магнитная стимуляция

Или не забыта, просто уступила место более продвинутой, я бы сказал – изощрённой терапии.

Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС, англ. Transcranial magnetic stimulation, TMS) – метод неинвазивной стимуляции коры головного мозга магнитными импульсами.

Большую часть истории люди наделяли магниты мистическими свойствами. Не в силах понять их природу, врачи пытались применить их в лечебных целях. Например, Гиппократ использовал магнит для остановки кровотечений и в качестве противовоспалительного средства. Парацельс же магнитным минералом лечил диарею и эпилепсию. А в китайской медицине накладывание магнитных пластин на энергетические зоны с большим успехом пользуются и поныне.

Сегодня, магнитотерапия – это целая группа методов альтернативной медицины, подразумевающих применение статического или переменного магнитных полей.

Американские медики считают магнитотерапию псевдонаучной, объяснения терапевтического влияния фантастическими, а клинические доказательства её эффективности недоказанными. В США магнитотерапию официально не признают, впрочем, как и физиотерапию в целом.

В странах СНГ отношение к магнитотерапии, наоборот, традиционно положительное. Ещё во времена СССР проводились организованные исследования последствий воздействия магнитных полей на организм человека. Сейчас метод используют в профилактике и лечении заболеваний, при проведении ранней и отсроченной реабилитации.

Постоянные магниты остаются в арсенале нетрадиционной медицины. А вот переменные и импульсные магнитные поля используется в медицинских учреждениях довольно широко.

Пользователи этой процедуры полагают, что магнитное поле меняет электрический потенциал клеток организма, тем самым стимулируя его к самовосстановлению.

Объяснение лечебного эффекта от стимуляции нервной ткани переменным магнитным полем основывается на поверхностном понимании явления электромагнитной индукции открытого Майклом Фарадеем (Michael Faraday) в 1831 году.

В XIX веке это было простительно. Французский физик и физиолог Жак Арсен д́Арсонваль (D́Arsonval Jacques Arseen, 1851—1940) занимался изучением влияния электромагнитных излучений на организм человека. В 1896 году он впервые в сугубо исследовательских целях подверг голову человека воздействию достаточно мощного магнитного поля, и даже индуцировал тем самым фосфены – зрительные ощущения, возникающие у человека без воздействия света на глаз.

Внедрение магнитной стимуляции в практику психиатрии стартовало в 1902 году, когда A. Pollacsek и B. Beer, два сверстника Фрейда, получили патент на метод лечения депрессий и неврозов с помощью электромагнитного прибора. Терапевтический эффект они объясняли способностью электромагнита оказывать целительное воздействие путём механического смещения участков головного мозга. Гипотеза о том, что магнитное поле способно наводить электрические токи в нервных тканях, не выдвигалась. Учёные располагая соленоид над головой пациента, даже сумели индуцировать эффект фосфенеза.

Современный этап исследований магнитной стимуляции начался в 1985 году, когда британец А. Баркер (A.Barker) впервые экспериментально продемонстрировал возможность мышечного сокращения, вызванного неинвазивным воздействием переменного магнитного поля на центральную нервную систему.

В 1987 году R. Bickford и M. Guidi впервые заявили о наблюдении кратковременных изменений настроения у пациентов в результате стимуляции двигательных областей коры головного мозга одиночными магнитными импульсами. Это сообщение подстегнуло интерес к исследованиям по влиянию деполяризующих магнитных полей на пациентов с различными неврологическими и психическими заболеваниями.

Первое контролируемое лечение депрессии с помощью ТМС провели M. George и E. Wassermann в 1995 году. А уже в 2008 году на основании исследования опубликованного в журнале Biological Psychiatry магнитная стимуляция была одобрена для лечения депрессии. Однако спустя всего два года FDA отозвало это разрешение, по результатам опубликованной в этом же журнале статьи-опровержения.

В 2018 году FDA транскраниальная магнитная стимуляция была вновь одобрена как метод лечения взрослых пациентов с обсессивно-компульсивными расстройствами, которым не помогло фармакологическое лечение антидепрессантами.

Сегодня ТМС ограниченно применяется в разных странах для экспериментального лечения шизофрении, обсессивно-компульсивных расстройств, депрессии, болезни Паркинсона, эпилепсии, амиотрофического латерального склероза, восстановления после травм спинного мозга, для реабилитации после инсульта.

Но данных клинических исследований пока недостаточно для окончательных выводов об эффективности ТМС при этих заболеваниях.

В Российской Федерации аппаратами ТМС оснащаются стационарные отделения медицинской реабилитации пациентов с нарушением функции центральной нервной системы, включая болезнь Альцгеймера и других заболеваний.

В основе работы стимулятора лежит эффект разряда высоковольтного конденсатора большой ёмкости на мощную электрическую катушку из медного провода. В момент разряда в катушке генерируется магнитный импульс до 4 Тесла, что в десятки тысяч раз мощнее магнитного поля Земли, которое составляет от10—4 до 10—5 Тл. Это поле индуцирует в близко расположенных тканях тела пациента ток, якобы вызывающий нервный импульс.

Какие области мозга, какая площадь или объём подвергается стимуляции? (рис. 21a). Этого учёные не уточняют. Как именно воздействует магнитное поле на нейроны? Тоже неважно. Рекомендации к применению основаны на экспериментах с мощностью магнитного импульса, его формой и типами индукторов.

Рисунок 21. ТМС. А – лечение, B – исследования.

ТМС можно использовать не только для лечения, но и исследовательских целях (рис. 21b). В этом случае фиксируются ответные реакции организма на магнитные стимуляции мозга. Это по сути своей неинвазивный аналог исследований Пенфилда, который изучал открытый мозг раздражая разные его участки электрическим током.

Электроцевтика

Техника становится всё круче: микро, нано, мощь вычислений, новые материалы (биосовместимая мягкая электроника), neural dust – сенсоры размером с песчинку и т. п. Успехи же фармакологии в лечении неврологических расстройств по признанию специалистов остаются кране скромными. При этом все понимают, что тенденция роста заболеваний нервной системы только усилится (старение населения, стрессы современного мира и пр.).

В этих условиях в 2016 году Google сделал ставку на биоэлектронную медицину. В двух словах: биоэлектронная медицина опирается на электрическое воздействие вместо химического. Мишень – главным образом нервные волокна. Таблетки и микстуры должны быть заменены на импланты и электронные стимуляторы. С этой целью дочернее предприятие Google и британский фармацевтический гигант GlaxoSmithKline учредили компанию, сумма сделки $715 млн.

Это знаковое событие – игра вышла на новый уровень. На наших глазах рождается новая стратегия, альтернативная фармакологии. Медицина будет меняться, но не только за счёт генной терапии, о чём любят писать. Она будет меняться путём перехода на новый язык диалога с организмом. Этот язык электрический.

Научившись напрямую взаимодействовать с нейронами, нам не придётся опосредованно воздействовать на организм химическими препаратами на молекулярном уровне.

Здесь кроется ещё один подтекст, более философский: переход от пассивного организма к активному. Не делать работу за него, вводя недостающие вещества, а стимулировать их выработку самим организмом. Включить программу. В том числе по регенерации.

Но и без всякой философии очевидно: направление чрезвычайно перспективное. Объём рынка будет стремительно расти.

Но. Всегда есть повод сдерживать оптимизм. Во всём мире уже пару десятков лет развивается новое направление в медицине – нейромодуляция. Суть её заключается в том, что под кожу больному с неизлечимыми неврологическими патологиями имплантируют устройство. Управляя этим прибором, врачи достигают терапевтического эффекта через изменения активности центральной и периферической нервных систем пациента.

При этом принципиально важно то, что такая нейромодуляция не ставит задачу излечить больного, это корректирующая медицина. Она только улучшает качество его жизни. Болезнь остаётся, а человек получает возможность лишь контролировать её.

Такая своего рода высокотехнологичная «косметическая» неврология.

История развития методов исследования мозга

Чтобы избежать иллюзий и необоснованного оптимизма относительно того что Человечество знает о работе нервной системы придётся остановиться на методах её исследования.

Способ №1– поковыряться непосредственно в мозгах

Всего несколько десятков лет назад у врачей в распоряжении был единственный способ исследования человеческого мозга: дождаться, пока с человеком не произойдёт какое-то несчастье, а потом, если пациент выживет, посмотреть, как изменяется его сознание и восприятие. Несчастные мужчины и женщины, ставшие жертвами инсультов, опухолей, сабельных ударов, неудачных операций и других ужасных инцидентов были единственными источниками све́дений о природе человеческого мозга.

Иногда их тела выживали, но сознание искажалось неожиданным образом. Однако, несмотря на различия, в одном эти изменения всё же были предсказуемы – люди со схожими травмами теряли одинаковые способности, что давало подсказку к разгадке назначения определённых частей мозга.

В 1852 году на встрече Парижского антропологического общества Эрнест Обюртен (Ernest Auburtin) представил описание любопытного опыта, который, по его мнению, был окончательным доказательством локализации функций мозга.

Его пациентом оказался самоубийца, выстреливший себе в голову из пистолета, который умудрился снести себе лобную кость и открыть большие полушария мозга, оставив их неповреждёнными. Пациент был в сознании, у него даже сохранилась способность к речи. Он прожил ещё несколько часов в больнице, этого времени Обюртену хватило провести свой знаменитый эксперимент. Когда раненный говорил, доктор шпателем слегка надавливал на различные участки мозга. Когда надавливанию подвергалась лобная доля способность к речи пропадала, при прекращении давления она восстанавливалась.

Но времена пассивных наблюдений за результатами разрушений, причиняемых мозгу травмами и болезнями безвозвратно уходили в прошлое. Наступала эпоха «высоких технологий».

Когда Алессандро Вольта изобрёл свой источник электричества, одним из первых экспериментов его воздействия на человека было попробовать электричество на вкус, вероятно, каждый из нас тоже пробовал батарейку на язык. Потом Вольта вставлял электроды в нос и даже, с риском для зрения, прикладывал их к глазам. Так что лишь вопросом времени был тот день, когда исследователи начали тыкать электродами в мозг.

Электростимуляция мозга invivo

В начале 1870-х годов появились публикация о том, что двое берлинцев, Густав Фритч и Эдуард Хитциг, провели ряд экспериментов на открытом мозге собак. Стимулируя электричеством различные точки мозга, учёные добивались того, что собаки дёргали лапами и скалили зубы.

Эти эксперименты доказывали, что электричество может возбуждать кору мозга, и давали некоторое представление о расположении центров движения и ощущений.

Несмотря на убедительные демонстрации, эти работы произвели впечатление не на всех, в основном потому, что эксперименты проводились над низшими животными. Несомненно, человеческий мозг имел отличия, возможно, весьма значительные. Для того чтобы убедительно доказать существование локальных зон в мозге человека, учёным требовался «настоящий пациент».

Такой пациент, вернее, пациентка нашлась в 1874 году в Огайо. Последовавшие события могли бы войти в историю как торжество медицины XIX века, но вместо этого стали ярким примером научной гордыни и злоупотребления долгом.

К врачу Робертсу Бартолоу (Roberts Bartholow) обратилась слабоумная тридцатилетняя ирландская горничная Марта Рафферти, в ранней юности та упала в огонь и так сильно обожгла скальп, что волосы так и не отросли. Она скрывала свои шрамы париком, но в декабре 1872 года под ним развилась злокачественная язва. Марта думала, что виной тому был жёсткий каркас парика, вреза́вшийся в кожу; но Бартолоу распознал раковую опухоль. Так или иначе, когда Рафферти была госпитализирована в январе 1874 года, в её черепе образовалась двухдюймовая дыра, и ошеломлённый Бартолоу мог наблюдать пульсацию её теменных долей.

Воспользовавшись слабоумием пациентки, Бартолоу получил её согласие на исследование мозга микротоками. Этот эксперимент подтвердил предыдущие выводы Густава Фрича и Эдуарда Хитцига. И, хотя некоторые полагают, что этот эксперимент дал старт неврологическим исследованиям, Бартолоу подвергся серьёзной критике за использование Марты Рафферти в качестве подопытного и вторжения в «священный о́рган».

Применяя пару электролитических игл, втыкаемых в твёрдую мозговую оболочку и подлежащие ткани, Бартолоу раздражал открытые участки мозга слабым электрическим током. Он заметил, что это вызывало движения в соответствующих частях тела Рафферти. Низкий электрический ток, который он прикладывал к мозгу, похоже, не причинял ей боли. Однако, когда Бартолоу применил более сильные токи, Рафферти испытала судороги и впала в кому. Она вышла из комы через три дня, но на следующий день у неё начался сильный приступ, и она умерла. После её смерти Бартолоу провёл вскрытие и изучил раны от игл. Следы на ранах были заполнены сжиженным веществом головного мозга, это означало, что раны вызвали образование глиального рубца.

Сам он описал эксперимент следующим образом: «Когда игла проникла в мозговое вещество, пациентка пожаловалась на острую боль в шее. Чтобы получить более чёткие реакции, сила тока была увеличена… её лицо выразило сильное страдание, и она начала плакать. Вдруг её левая рука вытянулась, как будто для захвата какого-то предмета перед ней; по руке пробежали судороги; её глаза стали неподвижными, зрачки расширились; губы посинели, на них появилась пена; дыхание стало неровным; наконец она потеряла сознание и по левой стороне тела прошли конвульсии. Судороги длились пять минут и сменились обмороком. Рафферти пришла в сознание через двадцать минут и пожаловалась на слабость и головокружение».

Результаты опытов Бартолоу опубликовал в своей работе «Экспериментальные исследования функций органов человеческого мозга» в апреле 1874 г. Эта публикация была положительно рассмотрена Ферье, который нашёл наблюдения Бартолоу вполне соответствующими результатам собственных опытов на мозге обезьян.

Однако, это известие вызвало и другую реакцию. Врачи по всему миру выражали своё возмущение. Хотя Бартолоу утверждал, что он получил согласие Рафферти, критики отметили, что тот сам же описал Рафферти как «слабоумную», и это ставило под сомнение её способность понимать последствия предложенных экспериментов.

Главным же образом его подвергали резкой критике за проведение экспериментов без намерения исцеления пациента, за то, что он проводил эксперимент без применения анестезии, и до тех пор, пока у Рафферти не произошло нескольких приступов, и она не потеряла сознание.

Бартолоу утверждал, что его действия не стали причиной смерти Рафферти, хотя и признал, что причинил ей некоторую травму. Раздосадованный, но упорствующий, он несмотря на все благочестивые протесты, считал что он доказал, то что, и намеревался доказать: в человеческом мозге есть отделы для специализированных функций, которые учёные могут исследовать с помощью электричества.

Хотя Бартолоу был осуждён Американской медицинской ассоциацией за свои эксперименты, его карьера не пострадала. Он продолжал публиковать книги и статьи, и его практика оставалась весьма популярной. В 1893 году он даже получил звание почётного профессора в Медицинском колледже Джефферсона в Филадельфии.

Общественная реакция, вероятно, затормозила ход исследований на живом человеческом мозге, так как другие учёные не желали себе сомнительной славы экзекуторов очередной Марты Рафферти.

Хотя некоторые исследователи (например, Харви Кушинг) продолжали зондировать живой мозг электричеством, в следующие несколько десятилетий работа продвигалась очень неравномерно. А для полной реабилитации этой области исследований понадобился человек масштаба Уайлдера Пенфилда (Wilder Graves Penfiel).

На первый взгляд, его работа напоминала эксперименты Бартолоу на Марте Рафферти, так как Пенфилд пользовался электричеством для возбуждения поверхности открытого мозга. Однако Пенфилд применял более низкое напряжение, и вместо того, чтобы просто электрифицировать мозг и посмотреть, что из этого выйдет, он чутко взаимодействовал с каждым пациентом. Аккуратно стимулируя разные участки коры мозга, он спрашивал, какие чувства испытывает человек. Когда тот что-то чувствовал, Пенфилд опускал маркёр – нумерованный кусочек конфетти – на квадратный миллиметр ткани, а ассистентка за стеклянной перегородкой записывала результат.

На основе ответных реакций осуществлялось картирование мозга. Когда Пенфилд раздражал участки зрительной коры, пациенту могли видеться линии, тени или кресты – составные элементы зрения. Если он стимулировал слуховую кору, пациент мог слышать звон, шипение или топот.

Целью этого неврологического зондирования было не простое любопытство. Прежде всего, Пенфилду требовалось найти участки мозга ответственные за возникновение эпилептических припадков с целью их последующего удаления.

И что очень важно, в результате Пенфилд знал, какие области мозга не следует удалять. Проводя операции, он всегда старался держаться в стороне от центров движения и речи у пациента. Определение границ запретных участков стало обязательным условием операций.

Такой подход позволил Пенфилду с исключительной детализацией картировать двигательные и тактильные центры мозга. До Пенфилда учёные не догадывались, что территория лица находится рядом с территорией руки или что лицо, губы и руки представлены огромными территориями. Эти открытия продемонстрировали, как необычно представление мозга о собственном теле.

Для пущей наглядности Пенфилд нарисовал своего знаменитого «моторного гомункулуса» – карикатурное изображение того, как бы выглядели люди, будь размер каждой части тела пропорционален размеру территории коры головного мозга, которая ею управляет. Получается, что мы имели бы тоненькие ноги, раздутый язык и огромные перчатки вместо кистей рук: внутри мозга все мы похожи на неудачные скульптуры Джакометти.

Рисунок 22. Моторный и сенсорный гомункулусы Пенфилда.

Позднее выяснилось, а́тлас человеческого мозга, составленный Пенфилдом, был идеализированным. К примеру, языковой узел у одного человека может находиться на несколько сантиметров выше или ниже, чем у другого. И даже у одного и того же человека он постоянно смещается. Пенфилд сам отметил это у пациентов, подвергавшихся повторным операциям. Выяснилось, что вопреки ожиданиям большинства учёных, каждый мозг и каждый разум обладает уникальной географией. И эта география непрерывно меняется, поскольку территории мозга дрейфуют, как континентальные плиты. [6]

Однако, не всё поддавалось картированию. Ещё американскому нейробиологу Карлу Лешли удалось убедить научное сообщество в том, что высшие когнитивные функции представляют собой результат «массового действия» нейронов, и, следовательно, не поддаются локализации.

Первоначально он исходил из предположения о равнозначности разных участков. В своей книге «Механизмы мозга и интеллект» (Brain Mechanisms and Intelligence) опубликованной в 1929 году, учёный отстаивал два важнейших принципа:

принцип массового действия – состоит в том, что некоторые типы обучения задействуют весь головной мозг вцелом. Этот принцип противоположен представлениям, что каждая психическая функция локализована в определённой зоне коры. Лешли экспериментально удостоверился, в невозможности локализовать механизмы памяти в каком-то из отделов мозга, то есть память распределена в коре головного мозга.

принцип эквипотенциальности (равноценности) – состоит в том, что при повреждении участков коры головного мозга, ответственных за определённые органы чувств, другие участки мозга могут брать на себя функции повреждённых зон.

В общем, Лешли весьма авторитетно отстаивал несостоятельность представлений о мозговой локализации, противопоставляя ей положение о пластичности высших отделов головного мозга и функциональной многозначности его структур. К чести учёного, позднее он смягчил своё крайне негативное отношение к принципу локализации.

Карл Лешли отдал тридцать лет своей плодотворной жизни попыткам раскрыть природу следа памяти в мозге. Он охотился за энграмой – записью этого следа. Иначе говоря, «структурным следом, который психический опыт оставляет на протоплазме». Безуспешные поиски закончились тем, что Лешли стал иронично подсмеиваться над собственными усилиями, лукаво задаваясь вопросом, способны ли животные и даже люди вообще обучаться. [2]

Ампутация мозга

Если неизлечимая болезнь какой-либо части тела угрожает жизни пациента, то врачи прибегают к радикальным мерам – ампутации. Но что делать если эта часть тела – мозг?

В 1928 г. американский хирург Уолтер Эдвард Денди (Walter Edward Dandy, 1886—1946) впервые провёл радикальное удаление поражённого полушария головного мозга так называемую гемисферэктомию, в попытке излечить пациентов с неоперабельными опухолями (глиомами) которые то время считались неизлечимыми.

Из пяти пациентов, оперированных Денди, первый умер в течение 48 часов в результате кровотечения из-за смещения сосудистого зажима; 2-й скончался от пневмонии через две недели; двое умерли от рецидива опухоли; и пятый пациент был потерян по окончании 2-й послеоперационной недели.

В 1933 г. другой хирург, Уильям Джеймс Гарднер, провёл подобные операции на троих пациентах с эпилепсией. Один из них спустя два года полностью избавился от приступов, хорошо соображал, двигался и обошелся без рецидивов.

Но вскоре от процедуры отказались и не использовали в течение многих лет из-за тяжёлых последствий и высокой смертности.

Позднее, в 1950 году к ней возвратился южноафриканский нейрохирург Роланд Крынау, который применил её для лечения детской гемиплегии – полной потери возможности произвольных движений в ноге и руке с одной стороны тела.

Хирурги пробовали различные вариации гемисферэктомии, то оставляя немного ткани на месте, то лишая полушария связи с мозолистым телом – толстой полосой нервных волокон, которая соединяет левое и правое полушария.

Удаление мозолистого тела в 1960-х годах даже доказало свою эффективность в лечении тяжёлых форм эпилепсии. Это было менее экстремально, чем удаление целого полушария, и означало, что две половины мозга могут функционировать независимо друг от друга, не имея возможности взаимодействовать. При этом случайное возбуждение нервов во время эпилептических приступов не могло передаваться из одного полушария в другое.

В обычной жизни мы используем оба глаза, оба уха, обе руки и т.д., поэтому – наши полушария работают одновременно и совместно. Тем более было интересно наблюдать их несогласованную работу.

Этим и заинтересовался нейропсихолог Роджер Сперри (1913—1994). Он обнаружил, что, если какой-либо предмет сначала показать одному глазу, а затем другому, пациент с разделёнными полушариями и не вспомнит, что видел его раньше, будто каждое полушарие формирует собственные воспоминания.

При дальнейшем тестировании больных с «раздвоенным» головным мозгом было выявлено, что правое и левое полушария выполняют различные функции.

Именно благодаря работам Сперри, стало известно, что познавательные функции левого и правого полушарий во многом различаются. Левое (доминирующее) полушарие обрабатывает информацию последовательно и аналитически. Оно занято математическими расчётами, абстрактным мышлением, вербальным функциями и интерпретацией символических понятий. Напротив, правое (недоминирующее) полушарие обрабатывает информацию интуитивно и одновременно.

За работу с пациентами с расщепленным мозгом Сперри получил в 1981 Нобелевскую премию.

PS Invitro

В следующих главах я расскажу о многих хитроумных методах исследования живого мозга, основанных на наблюдении за реакцией в ответ на стимул. Но самая детально изученная модель нервной системы нематоды Caenorhabditis elegans была создана скальпелем и микроскопом. На основании серии электронных микрофотографий, на которых запечатлены срезы тела червя на разных уровнях.

Способ №2. Исследования с помощью приборов

Электроэнцефалография (ЭЭГ)

4 августа 1875 года Ричард Катон впервые исследовал открытый живой мозг при помощи гальванометра и сумел зарегистрировать электрические импульсы. Им были обнаружены отчётливые вариации тока, которые становились более заметными во время сна.

Спустя несколько лет суммарную активность полушарий мозга животных зафиксировали Адольф Бек и Наполеон Цибульский в конце 1880-х годов. Правда в своих экспериментах они помещали электроды непосредственно на поверхность мозга животного, а на ритмичность изменений они не обратили внимания.

Продолжил электроэнцефалографические исследования В.В.Правдич-Неминский, опубликовав 1913 году первую электроэнцефалограмму, записанную с мозга собаки. В своих исследованиях он использовал струнный гальванометр. А также Правдич-Неминский ввёл термин электроцереброграмма.

Первая же запись ЭЭГ человека была создана немецким психиатром Гансом Бергером (1873—1941). И, хотя ЭЭГ снимается через электроды с поверхности головы, Г. Бергер сумел доказать, что часть электрической активности обусловлена деятельностью мозга, а не покрывающих его поверхностных тканей.

Бергер всерьёз увлекался идеями магнетизма и возможностью телепатии, передачи мыслей на расстояние. Не исключено, что его интерес к регистрации и записи биотоков головного мозга был продиктован именно увлечением магнетизмом.

Бергер точно зафиксировал дату первой записи биотоков мозга человека – 6 июля 1924 года. Эти записи он называл «электроэнцефалограммой», а сами электрические сигналы – «мозговыми волнами». Бергер исследовал записи ЭЭГ не только у здоровых людей, но и у пациентов с различными неврологическими патологиями, положив тем самым начало технологии клинической электроэнцефалографии.

Для работы Ганс Бергер самостоятельно изобрёл и сконструировал оригинальный прибор (первый электроэнцефалограф) и с помощью игольчатых электродов, подведённых под кожу головы, регистрировал суммарную электрическую активность мозга. Он сразу обратил внимание наличие в ЭЭГ непрерывных регулярных колебаний.

Год спустя Бергер обнаружил эффект уменьшения амплитуды активности в ответ на сенсорное стимулирование, таким образом, подтвердив результаты, полученные Беком и Правдич-Неминским на животных.

Ганс Бергер для записи ЭЭГ с поверхности скальпа применял электроды из разных металлов, а в качестве центрального электрода выступала серебряная ложечка, помещённая в рот пациента.

Первая выявленная им частота мозговых волн находилась в диапазоне от 8 до 12 Гц. Впоследствии эти ритмические колебания были названы ритмом Бергера, более известный сегодня как «альфа-ритм».

Признание пришло к Гансу Бергеру достаточно поздно, в Германии его исследования были недооценены. Бергер неоднократно подвергался нападкам и обвинениям в бессмысленности ЭЭГ для медицины. Лишь в 1937 году его метод получил признание после того, как британские учёные барон Эдгар Дуглас Эдриан и сэр Брайан Харольд Кабот Мэтьюс (Bryan Harold Cabot Matthews) смогли непосредственно продемонстрировать его на заседании Английского физиологического общества в Кембридже. Сам Эдриан выступил в качестве испытуемого. Открывая и закрывая глаза, он продемонстрировал появление альфа-ритма на ЭЭГ.

Научные работы Бергера получили значительно большее признание за рубежом, чем на родине в Германии. В 1941 году во время тяжёлой депрессии Бергер принял решение свести счёты с жизнью. Несомненно, при более благоприятных условиях, он наверняка стал бы Нобелевским лауреатом за своё эпохальное открытие.

В бытовом представлении при ЭЭГ на голову накладывают сеть датчиков, которые считывают «всё, что творится внутри черепной коробки» и передают «умному» прибору полный объём информации. На самом же деле электроды записывают изменения разности потенциалов между парами датчиков в различных отведениях. Взрослым предусмотрено симметричное прикрепление к поверхности головы 20 датчиков +1 непарный, который накладывается на теменную область.

Система «10—20%» – стандартная система размещения электродов на поверхности головы, которая рекомендована Международной федерацией электроэнцефалографии и клинической нейрофизиологии. Схему предложил в 1950-х годах канадский нейрофизиолог Герберт Генри Джаспер.

Рисунок 23. Система «10—20%»

Этот метод исследования базируется на предположении, что наблюдаемая электрическая активность – есть совокупность электрических реакций головного мозга, отражающих функции целого мозга и его отдельных образований.

Когда какой-либо участок головного мозга возбуждается, то, меняется его электрическая активность. Это местная электрическая активность мозга. Наряду с которой существует и общая электрическая активность коры головного мозга – ритмичные волны, захватывающие всю кору. Примером регистрации местной электрической активности служит метод вызванных потенциалов, а общей – электроэнцефалография.

Локальные изменения электрической активности, возникающие в каком-либо участке ЦНС в ответ на поступление возбуждения, называются вызванными потенциалами. Чаще всего их регистрируют в ответ на раздражение сенсо́рных рецепторов, например, тактильных, зрительных или слуховых. Измерение вызванных потенциалов может быть использовано как в исследовательских, так и в диагностических целях.

Потенциалы регистрируют путём наложения электродов на кожу головы. Будучи небольшим по амплитуде вызванный потенциал тонет в общей электрической активности мозга. В связи с этим применяются разнообразные методы выделения сигнала из шума, позволяющие фиксировать вызванные потенциалы не только коры, но даже подкорковых структур.

Местная электрическая активность отражает деятельность отдельных участков коры, например, восприятие и анализ раздражителя, формирование команды, направляемой к отдельным группам мышц. В состоянии бодрствования мы одновременно видим, слышим, думаем, осуществляем какие-то движения, следовательно, активны все отделы коры. Правда, если какие-либо участки коры в данный момент ничем не занимаются, то им будет сопутствовать простая ритмичная электрическая активность.

До недавнего времени ЭЭГ оставался единственным методом, позволявшим исследовать мозг в динамике. Но записи, получаемые с его помощью, по мнению самих медиков, с трудом поддаются анализу, и поэтому чаще всего ЭЭГ даёт лишь примерное представление об активности популяции нейронов, расположенных под электродом.

Парадоксально, но собственно нервные импульсы в мозге никак не проявляются в колебаниях электрического потенциала на поверхности черепа человека. Причина в том, что импульсная активность нейронов несопоставима с ЭЭГ по временны́м параметрам. Длительность импульса (потенциала действия) нейрона составляет не более 2 мс. Периоды ритмических составляющих ЭЭГ могут исчисляться десятками и даже сотнями миллисекунд. За неимением иного, принято объяснять, потенциалы, регистрируемые на поверхности открытого мозга или кожи головы, наличием некоей синаптической активности нейронов. То есть речь идёт не о потенциалах действия, а о возбуждающих и тормозных постсинаптических потенциалах.

Несколько упрощая картину, можно сказать, что положительные колебания потенциала на поверхности коры связаны либо с возбуждающими постсинаптическими потенциалами в её глубинных слоях, либо с тормозными в поверхностных.

Кроме естественных колебаний потенциала мозга, наблюдаемых на ЭЭГ при отсутствии специальных воздействий, существует ещё и другая форма активности мозга – вызванные потенциалы (ВП). ВП – биоэлектрические колебания, возникающие в нервных структурах в ответ на внешнее раздражение (вспышку света, звук и т. д.) Так как на громкий звук отвечают почти одновременно сразу много нейронов мозга, то суммарные ВП обычно имеют гораздо большую величину, чем ЭЭГ. Фактически именно они и были обнаружены первооткрывателями ЭЭГ.

С помощью ВП можно решать интересные научные задачи. Например, после яркой вспышки света вариабельный потенциал проявляется в затылочной области мозга. Отсюда следует вывод, что именно в этой области обрабатываются сигналы о свете. Раздражая разные участки кожи тела можно даже составить карту ответов на эти раздражения. Интересно, что при этом нарушаются привычнее пропорции, например, зона кисти руки на этой карте оказывается непропорционально большой (здесь уместно будет вспомнить о карикатурном «сенсо́рном гомункулусе» Пенфилда).

Вызванные потенциалы обычно смешаны с ЭЭГ, но на фоне спонтанной биоэлектрической активности одиночные ВП трудно различимы (их амплитуда в несколько раз меньше амплитуды фоновой ЭЭГ). В связи с этим их регистрация возможна техническими устройствами, позволяющими выделять полезный сигнал из шума специальными методами.

Использовать результаты ЭЭГ для точной локализации нейрофизиологических процессов в мозге почти невозможно – это как пытаться идентифицировать личности пловцов по волнам на поверхности бассейна. Зато на характерный, нездоровый плеск или наоборот, его пугающее отсутствие – можно обратить внимание. Именно поэтому в наши дни ЭЭГ уже крайне редко используется исследователями, а вот у медиков она по-прежнему популярна.

О точности выводов можно судить, например, по таким косвенным данным. «Детектор лжи», использующий те же принципы работы, что и ЭЭГ, позволяет выявить до 71% случаев обмана.

На мой взгляд, ЭЭГ является самым грубым и малоинформативным, но до недавнего времени единственным способом исследования мозговой деятельности, как совокупности работающих нейронов. (О более совершенном методе – МЭГ, поговорим ниже.) Все другие методы более современные, более точные, дают нам информацию об общей структуре мозга, о его сосудистой системе (кровоснабжении), о его активности по активности опять же кровоснабжения, но ничего не говорят нам о работе собственно нейронов.

По поводу неэффективности ЭЭГ бытует байка о том, как в 1956 году директор Государственного института мозга профессор Виктор Петрович Осипов попросил коллег-профессоров дать заключение по предложенной им энцефалограмме. После пяти совершенно разных диагнозов – рак мозга, эпилептические припадки, развёрнутая эпилепсия, тяжёлая травма мозга – профессор Осипов сознался, что снял энцефалограмму с мокрой тряпки.

Электромиография – ЭМГ

Скелетные мышцы тела тоже генерируют потенциалы, которые можно регистрировать с поверхности кожи. Для этого требуется более совершенная аппаратура, чем для регистрации ЭКГ. Отдельные мышечные волокна обычно работают асинхронно, их сигналы, накладываясь друг на друга, частично компенсируются, и в результате получаются меньшие потенциалы, чем в случае ЭКГ. Электрическая активность скелетной мышцы называется электромиограммой – ЭМГ.

Сейчас её пытаются применить в науке, спорте, а также для биоуправления – создания приборов в которых естественные потенциалы организма управляли бы теми или иными искусственными устройствами.

Нейрорентгенология

Открытые в 1895 году Рентгеном лучи совершили революцию в диагностике заболеваний различных органов. Первые рентгенограммы черепа и позвоночника вселяли надежду на получение информации о состоянии мозговых тканей.

Нейрорентгенология выделилась из общей рентгенологии как самостоятельный раздел, а в истории её развития можно выделить три этапа.

На первом этапе производилась рентгенография черепа и позвоночника. Этот метод годился для диагностики заболеваний или повреждений костей, но сам мозг на рентгеновском снимке невидим.

Этот печальный факт подтолкнул учёных к разработке методик искусственного контрастирования.

Стартовал второй этап нейрорентгенологии – исследование головного и спинного мозга методами контрастирования. Началось с того, что в 1918 году Dandy предложил для получения их изображения вводить воздух непосредственно в желудочки головного мозга. Позднее он разработал методику введения воздуха в субарахноидальное пространство спинного мозга с помощью люмбальной пункции. Так появились пневмоэнцефалография головного мозга, а для спинного мозга – пневмомиелография.

Среди российских учёных пионером был А. Н. Бакулев – основатель института нейрохирургии, носящего его имя. В 1923 году он опубликовал статью о диагностике опухолей головного мозга с помощью вентрикулографии. Воздух (кислород, закись азота) вводился через просверленные заранее отверстия в боковые желудочки мозга. Перемещение газа осуществлялось изменением положения головы больного.

Помимо газового контрастирования были предложены методики с использованием высокоатомных соединений, масляных или водорастворимых йодсодержащих контрастных веществ (йодолипол, майодил).

Несмотря на некоторый прогресс в диагностике, методики контрастирования ликворных путей таили в себе определённые опасности. Их воздействие на чрезвычайно чувствительные ткани центральной нервной системы вызывали серьёзные осложнения, такие как головная боль, рвота, потеря сознания. Случались и более тяжёлые осложнения вплоть до летального исхода.

Следующим шагом в исследованиях головного мозга с использованием контрастных веществ стала ангиография – внутривенное введение контрастного вещества на основе йода. Впервые ангиографию сосудов головного мозга произвёл Эгаш в 1927 году, он использовал для этого 25% раствор йодистого натрия. В нашей стране первую ангиографию мозга выполнили Б. Г. Егоров и М. Б. Копылов в 1930 году

Совершенствование ангиографии шло по нескольким направлениям: поиску и применению малотоксичных контрастных веществ, способов их введения, а также методов анализа результатов для целей диагностики.

Сегодня благодаря внедрению неионных контрастных веществ, обладающих минимальными побочными эффектами, ангиография стала вполне безопасным методом исследования.

В настоящее время применение ангиографии сокращается, уступая более современным методам компьютерной и магнитно-резонансной диагностики.

Третий этап истории нейрорентгенологии начался в 1972 году, когда Годфри Хаунсфилд и Аллан Кормак предложили компьютерную томографию. За эту разработку оба были удостоены Нобелевской премии. Метод основан на измерении и последующем компьютерном анализе разности затухания рентгеновского излучения в различных по плотности тканях. Сегодня компьютерная томография стало основным методом исследования внутренних органов человека с применением рентгеновского излучения.

Эта технология даёт возможность получения изображений тонкого слоя исследуемой области, позволяя увидеть детали в пределах 1—2 мм. С помощью реконструкции изображение может быть представлено в 2 плоскостях. Можно воссоздать и объёмное изображение. Нередко изображение при компьютерной томографии называется виртуальным, поскольку создаётся не прямым взаимодействием рентгеновского луча с фотоплёнкой, а генерируется компьютером. Стало удобно хранить и передавать изображения на любые расстояния для их обработки и более тонкого анализа.

Эхоэнцефалоскопия и нейросонография

Эхоэнцефалоскопия – это ультразвуковой метод диагностики головного мозга, позволяющий оценить наличие патологии в нём. Открытие обычно связывают с именем шведского нейрохирурга Ларса Лекселла (1907—1986), который ввёл этот метод в клиническую практику в 1956 году.

По сути это УЗИ головного мозга. Метод основан на том же принципе, что и эхолокатор или современный парктроник автомобиля. Есть генератор и приёмник ультразвука. Ультразвук распространяется в теле человека, но встречая неоднородности тканей отражается в обратном направлении. На основании отражённых сигналов, с использованием компьютерных технологий строится изображение на экране монитора.

У метода есть одно серьёзное ограничение – ультразвук не может эффективно проникать сквозь костную ткань, в том числе кости черепа. Но он может использоваться для исследований головного мозга у младенцев через роднички (нейросонография) и швы черепа.

Магнитно-резонансная томография МРТ

Магнитно-резонансная томография (МРТ) – метод визуализации внутренних органов человека, основанный на явлении ядерно-магнитного резонанса (ЯМР).

Ткани человеческого тела содержат большое количество протонов – ядер атомов водорода: в составе воды, в каждой молекуле органического вещества – белках, жирах, углеводах, других молекулах… Протон же – это элементарная частица, обладающая собственным магнитным моментом в заданном однородном магнитном поле. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты протонов ориентированы случайным образом.

Если же поместить атомы водорода в сильное постоянное магнитное поле, магнитные моменты протонов ориентируется либо по направлению магнитного поля, либо в противоположном направлении.

Теперь воздействуя на эти протоны электромагнитным излучением резонансной частоты (к счастью, эта частота радиоволн, абсолютно безопасная для человека), мы заставляем часть протонов поменять свой магнитный момент на противоположный. А после снятия внешнего магнитного поля они возвращаются в исходное состояние, выделяя при этом квант энергии в виде электромагнитного излучения, которое и регистрируется томографом.

Эффект ЯМР можно получить не только на протонах, но и на любых изотопах, имеющих ненулевой спин (то есть вращающихся в определённом направлении), достаточно распространённых в природе. К таким изотопам можно отнести 2Н, 31Р, 23Na, 14N, 13C, 19F и некоторые другие.

История МРТ

В 1937 году Исидор Айзек Раби, профессор Колумбийского университета обнаружил явление поглощения электромагнитной энергии, ядрами атомов, помещённых в сильное магнитное поле. За это открытие он получил Нобелевскую премию по физике в 1944 году.

Чуть позже две группы физиков первая под руководством Феликса Блоха, вторая – Эдварда М. Парселла, зарегистрировали обратный эффект – излучение электромагнитной энергии после отключения сильного магнитного поля. За это оба в 1952 глду также удостоились Нобелевской премии по физике.

В 1949 году Норман Фостер Рамзей (Norman Foster Ramsey, 1915– 2011) сформулировал теорию химического сдвига, суть которой в том, что ядро любого атома может быть опознано по изменению резонансной частоты, а любую молекулярную систему может описать её спектр поглощения. Эта теория стала основой магнитно-резонансной спектроскопии. С 1950 по 1970 годы ЯМР использовался именно для молекулярного анализа в спектроскопии. Спустя сорок лет, в 1989 году Рамзей получил за свою теорию Нобелевскую премию по химии.

В 1971 году физик Раймонд Дамадьян открыл возможность применения ЯМР для обнаружения опухолей. В опытах над животными он показал, что сигнал магнитного резонанса протонов водорода в злокачественных тканях сильнее, чем от здоровых. Семь лет ушло у команды Дамадьяна ушло на разработку и создание первого магнитно-резонансного сканера для медицинских целей. В 1972 году химик Пол Кристиан Лотербур сформулировал принципы отображения ЯМР, предложив использовать переменные градиенты магнитного поля для получения двумерных изображений.

В 1975 году Ричард Эрнст (Ernst Richard, 1933) предложил использовать в МРТ фазовое и частотное кодирование и Фурье-преобразования. Методы, используемые в МРТ и в настоящее время. В 1991 году Ричард Эрнст удостоился Нобелевской премии по химии за вклад в развитие методологии спектроскопии ЯМР высокого разрешения.

В 1976 году Питер Мэнсфилд (Великобритания) предложил эхо-планарное отображение (EPI) – методику, основанную на сверхбыстром переключении градиентов магнитного поля. Благодаря которой время получения изображения сократилось с нескольких часов до нескольких десятков минут.

В 2003 году Питер Мэнсфилд и Поло Лотенбур разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за изобретение метода магнитно-резонансной томографии.

Типы МРТ

Трактография или диффузионно-тензорная МРТ – метод позволяет определять направление и тензор (силу диффузии) молекул воды в тканях: клетках, сосудах, нервных волокнах. Результатом сканирования является карта диффузии. Этот метод популярен в исследованиях ЦНС, он позволяет хорошо визуализовать нейронные связи между различными отделами головного мозга и оценить целостность проводящих путей мозга.

МР-ангиография. Метод визуализации кровеносных сосудов, базируется на отличии сигналов протонов в движущейся крови от сигналов протонов в неподвижных тканях.

Функциональная МРТ. Метод основан на регистрации кровообращения активно работающих участков мозга.

МР-спектроскопия. Метод позволяет проводить молекулярный анализ с целью выявления определённых метаболитов (лактата, креатинина, N-ацетиласпартата и многих других) в тканях, на основании чего делаются выводы о наличии заболеваний и их динамике.

Высокая разрешающая способность, безвредность и безопасность делают МРТ самым популярным и перспективным методом исследования в клинической практике, несмотря на относительную дороговизну.

Применение МРТ, а особенно функциональной МРТ (фМРТ) имеет огромные перспективы в нейронауках. С помощью фМРТ можно исследовать зависимость активности участков мозга от уровня насыщения его тканей кислородом. Снова можно строить карту мозга.

Последние три метода исследования головного и спинного мозга – рентген, компьютерная томография и МРТ дают колоссальные возможности в диагностике патологий и исследовании активности мозга, но ни на шаг не приближают нас к пониманию принципов возникновения, передачи и хранения информации в нервной ткани.

Магнитоэнцефалография (МЭГ)

Появившиеся в последние десятилетия современные методы отображения гемодинамических процессов, такие как, функциональная магниторезонансная томография (фМРТ) или позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), позволяют получить точную (до нескольких миллиметров) пространственную локализацию активности участков мозга. Однако их временное разрешение (единицы секунд) на несколько порядков ниже скорости реально протекающих нейронных процессов. В отличие от метода фМРТ, в котором активность нейронов оценивается опосредованно, т. е. по изменению локального кровотока за счёт определения разницы в насыщении крови кислородом (так называемого Blood Oxygen Level Dependent, или BOLD signal), МЭГ способна почти мгновенно обнаруживать источники, связанные с изменением суммарной постсинаптической активности нейронов.

Лишь технологии ЭЭГ и МЭГ, обладающие возможностью непосредственной регистрации электрической нейронной активности, могут обеспечить получение точной временной информации о мозговых процессах неинвазивным путём. ЭЭГ и МЭГ фиксируют, соответственно, электрические и магнитные поля, порождаемые согласованной активностью групп нейронов мозга.

МЭГ – одна из современных технологий нейроимиджинга. Данный метод обладает уникальными характеристиками, позволяющими с высокой точностью локализовать источники активности нейронных популяций коры головного мозга человека в пространстве и времени.

История

Отцом МЭГ общепризнан канадский учёный Дэвид Коэн и, хотя изначально до 1965 года, он был физиком-ускорителем в Аргоннской лаборатории, специализируясь на сильных магнитных полях и использовании мощной ядерной защиты именно он сделал многие из первых новаторских измерений в области магнитных полей, создаваемых органами человека: сердцем, лёгкими и, наконец, мозгом).

На каком-то этапе своей карьеры он заинтересовался измерением очень слабых магнитных полей, которые, например, могли бы создаваться слабыми естественными токами в человеческом теле. Для исследования в качестве детектора он применил гигантскую медную индукционную катушку с миллионами витков провода.

Основной проблемой биомагнетизма оказалась слабость сигнала по сравнению с чувствительностью детекторов и конкурирующим шумом окружающей среды.

В 1963 году Коэн предложил метод использования специального помещения с магнитной защитой для исключения влияния внешних магнитных возмущений, например, магнитного поля Земли и излучений промышленных объектов.

Примерно в то же время появились сообщения о первом «биомагнитном измерении сердечных токов» (магнитокардиограммы).

Рисунок 24 Экранированная комната

В период с 1963 по 1975 год производились многочисленные измерения электрических свойств сердца человека. Существовало процветающее сообщество, изучающее электрическое поле сердца (ЭКГ), так что первые магнитные измерения (магнитокардиограммы), полученные Баулем и МакФи, считались любопытным побочным эффектом процветающей ЭКГ. Считалось что в магнитном поле сердца не может быть новой информации.

Все эти ранние биомагнитные измерения, как правило, были слишком «зашумлёнными», по причине низкой чувствительности детекторов, и неполного магнитного экранирования.

Для решения второй проблемы в 1969 году Коэн построил тщательно экранированную комнату в Массачусетском технологическом институте. Но ему все ещё требовался более чувствительный детектор.

К счастью, Джеймс Циммерман (1923—1989) только что разработал чрезвычайно чувствительный детектор, названный SQUID – сверхпроводящее устройство квантовой интерференции.

Коэн и Циммерман установили этот детектор в экранированной комнате, чтобы исследовать магнитные поля сердца (MCG). Теперь сигналы были почти такими же разборчивыми, как и сигналы ЭЭГ. Это стимулировало интерес физиков, которые искали возможности использования СКВИДов. После этого начали измеряться различные типы спонтанных и вызванных биомагнитных излучений. Так открылась новая эра в биомагнетизме.

Сам Дэвид Коэн утверждал, что ему удалось обнаружить биомагнитные излучения не только отдельных органов, но и «постоянное магнитное поле человека». Интересен и тот факт, что, заставив «тихую комнату» вибрировать с частотой 60 Гц, ему удалось значительно повысить её эффективность в защите от внешних магнитных полей.

Сначала с помощью одного СКВИД-детектора последовательно измеряли магнитные поля перемещая его вокруг головы испытуемого. Это было громоздко и неудобно, поэтому в 1980-х производители МЭГ стали объединять датчики в массивы, покрывающие большую площадь головы. Современные массивы МЭГ устанавливаются в шлемообразной форме, и обычно содержат 306 датчиков, погруженных в термос с жидким гелием при температуре около -269° С.

Сегодня большинство биомагнитных измерений применяется к человеческому мозгу. Обычные амплитуды магнитных полей, создаваемых мозгом, чрезвычайно малы, они не превышают нескольких сотен фемтотесла (10 —15 Тл). Для сравнения, магнитное поле Земли составляет от 10 -4 до 10 -5 Тл, а магнитно-резонансная томография обычно составляет 1,5—3 Тл.

Модель современного помещения с магнитным экраном состоит из трёх вложенных основных слоёв: из чистого алюминия с высокой проницаемостью, ферромагнитного слоя, близкого по составу к молибдену и пермаллоя.

МЭГ регистрирует магнитные поля, создаваемые электрическими токами в головном мозге. Электрический ток всегда связан с магнитным полем, перпендикулярен его направлению согласно правилу правой руки (о том какие токи протекают в нервных клетках мы поговорим позже).

Магнитная проницаемость биологических тканей почти такая же, как у пустого пространства, поэтому магнитное поле не искажается скальпом или черепом. Однако магнитные поля быстро уменьшаются – обратно пропорционально кубу расстояния (как 1 / r 3).

Когда нейроны активируются синхронно, они генерируют электрические токи и, следовательно, магнитные поля, которые затем регистрируются МЭГ вне головы.

Считается что, источником магнитных полей является дендритный ток пирамидных нейронов, которые срабатывают синхронно и параллельно. Аксональные и синаптические токи и их магнитные поля взаимно компенсируются.

Для генерации измеримого сигнала необходимо около 50 000 активных нейронов. Поскольку токовые диполи должны иметь одинаковую ориентацию для создания магнитных полей, усиливающих друг друга, часто это слой пирамидных клеток, которые расположены перпендикулярно поверхности коры головного мозга, что создаёт детектируемые магнитные поля. Связки этих нейронов, ориентированных тангенциально к поверхности кожи головы, проецируют достаточно сильные магнитные поля способные выходить за пределы головы.

Объяснение возникновения магнитных полей, как и электрических в случае ЭЭГ, не слишком вразумительны, но приходится радоваться тому факту, что они реально существуют.

Рисунок 25 Первое измерение МЭГ с помощью SQUID в комнате доктора Коэн

Но современное представление результатов МЭГ это визуализация зон активности групп нейронов на 3D-модели мозга.

Рисунок 26. 3D-модели мозга

При анализе данных МЭГ возникает проблема решения так называемой обратной задачи, которая состоит в восстановлении распределения активности нейронных источников на поверхности коры головного мозга на основе сигналов, принятых большим количеством датчиков. Решение этой задачи по определению некорректно, поскольку любая поверхностная запись может объясняться бесконечным числом различных конфигураций внутренних источников.

Но активно развиваются методы на основе различных вариантов, сканирующих адаптивных фокусирующих лучей, позволяющие достичь пространственного разрешения до 0,5 см. (Напомню, что Уильям Пенфилд, проверяя реакцию нервной системы на открытом мозге, выделял участки с точностью до 1 мм^2, т.е. в 5 раз точнее. Но в отличие от экспериментов Пенфилда учёные впервые получили возможность наблюдать реакцию участков мозга на внешние раздражения и мысленные образы.)

Сейчас исследователи работают над совершенствованием методов обработки сигнала в поисках возможности обнаружения глубокой мозговой (то есть некортикальный) активности, однако пока нет клинически полезного результата.

Дальнейшее развитие метода, вероятно, будет направлено и на разработку новых математических алгоритмов обработки сигнала.

Последние разработки в области аппаратного совершенствования нацелены на повышение портативности сканеров MEG за счёт использования SERF-магнитометров. Магнитометры SERF достаточно малы, при этом им не нужны громоздкие системы охлаждения. В то же время их чувствительность, эквивалентна СКВИДам.

ПЭТ

Позитро́нно-эмиссио́нная томогра́фия (позитронная эмиссионная томография, она же двухфотонная эмиссионная томография) – радионуклидный томографический метод исследования внутренних органов человека или животного. ПЭТ также называют функциональной томографией.

Метод основан на регистрации пары γ-квантов, возникающих при аннигиляции позитронов с электронами.

По сути, ПЭТ-сканер представляет собой трёхмерный детектор γ-частиц, вылетающих из тела пациента. Ключевой компонент метода – радиофармпрепарат – вещество содержащее изотоп, способный к позитронному β-распаду. Кроме того, это вещество-метаболит, должно быть способно к накоплению в исследуемой ткани. Так, для исследования тканей мозга, активно поглощающих глюкозу, а также для поиска некоторых типов опухолей часто используют 18F флудеоксиглюкозу (фтор-18).

В момент β-плюс (позитронного) распада протон ядра превращается в нейтрон, одновременно испуская нейтрино и позитрон. Нейтрино свободно улетает, никак не взаимодействуя с тканями, а вот позитрон далеко улететь не может. Он очень скоро встречается с электроном, происходит их взаимная аннигиляция, с испусканием пары γ-частиц. Эти частицы и фиксируются сцинтилляционными детекторами, установленными в кольце ПЭТ-сканера.

Первую установку, использующую γ-датчики для локализации опухолей мозга, описал Уильям Свит в 1953 году. Практически в то же время Фрэнк Ренн с соавторами опубликовал в Science результаты исследования опухолей мозга с использованием аннигиляции. Однако современная ПЭ-томография стала возможна только с появлением методов реконструкции изображения на основе множественных сечений. Эту работу начали Дэвид Кул и Рой Эдвардс в конце 1960 года, а закончили в 1975 году Тер-Погосян, Фелпс и Хоффман постройкой первого полноценного томографа.

Большинство современных изотопов для ПЭТ имеют очень короткий период полураспада, их даже изготавливают на циклотроне непосредственно перед введением в организм.

Введение радиофармпрепарата в организм человека проводится внутривенно. После того, как препарат попал в кровь, пациенту нужно находиться в полном спокойствии на протяжении 30—60 минут, что обеспечит оптимальное распределение введённого вещества.

После подобного «отдыха» пациента перевозят в камеру томографа, именно там при помощи специального детектирующего оборудования (ПЭТ-сканера) можно отслеживать распределение в организме биологически активных соединений, меченных позитрон-излучающими радиоизотопами.

При сканировании ПЭТ-КТ облучение может быть значительным – около 23—26 мЗв (для 70 кг веса). Для пациентов с большей массой тела доза вводимого радиофармпрепарата увеличивается.

В общем ПЭТ можно скорее назвать методом поиска опухолей мозге, нежели методом исследования. Но если вспомнить, что для рентгена мозг прозрачен, а кости черепа экранируют ультразвук, то этот метод обследования по-своему уникален. И уж точно менее опасен, чем введение в мозг воздуха (пневмоэнцефалография) или контрастного вещества (ангиография) [19].

Генное исследование мозга. Транскриптом

В сентябре 2003 года Пол Аллен видный филантроп и один из основателей «Майкрософта» основал Институт исследований мозга Аллена, выделив 100 миллионов долларов на изучение того, как работает человеческий мозг, конкретнее – на том, каким образом гены создают мозг.

Но для начала выбрали модель попроще – мозг мыши. И в 2004 году стартовал проект – Атлас транскриптома головного мозга мыши (Allen Mouse Brain Atlas). Завершились работы в сентябре 2012 года.

Транскрипт – молекула РНК, образующаяся в результате экспрессии соответствующего гена или участка ДНК. Соответственно, транскрипто́м – это совокупность всех транскриптов, синтезируемых одной клеткой или группой клеток.

Итогом стала база данных (фотографий срезов мозга, и цифровых трёхмерных изображений), в которой была собрана информация о том, в каком участке мозга какие гены работают. Все результаты по решению участников проекта были размещены с сети Интернет для открытого доступа (www.brain-map.org). [29].

Работа над генной картой мозга мыши позволила Институту Аллена благодаря приобретённому накопить достаточный опыт и создать технологии позволившие приступить к созданию основного проекта – построению транскриптомной карты головного мозга человека. [30]

Транскриптом мозга человека

Схема работы над генным атласом человеческого мозга мало отличалась от таковой для мозга мыши. Для исследования экспрессии генов был использован метод РНК-микрочипов (тогда как в случае мозга мыши применялся метод гибридизации in situ). После исследования структуры, срезы разделялись на более мелкие фрагменты – в итоге их было чуть более 900 для каждого из двух образцов. Затем из ткани выделялись все молекулы РНК, и полученный раствор наносился на специально разработанные микрочипы. В общей сложности было использовано 20 тысяч разных проб, покрывающих 93% известных генов человека (такое странное число можно объяснить тем, что, несмотря на почти полностью прочтённую последовательность генома человека, некоторые гены все ещё не представлены в молекулярных базах последовательностей).

Следующим этапом после всестороннего молекулярно-биологического исследования был биоинформационный анализ данных. Данные по транскриптому были сопоставлены с конкретными зонами мозга. После этого было проверено, существуют ли зоны и отделы мозга, идентичные по своему транскриптому, и можно ли выделить внутри традиционных анатомических зон мозга области с разными профилями экспрессии.

Между транскриптомами отдельных зон мозга были выявлены большие различия. А вот все клетки коры больших полушарий человеческого мозга экспрессируют один и тот же набор генов, независимо от принятого деления на функциональные зоны (зрительные, соматосенсорные, моторные).

Поразило исследователей и сходство между транскриптомами мозга двух людей (пока были исследованы только двое).

Благодаря двум проектам стало известно, что на построение мозга взрослого человека экспрессируется около 84% всех его генов и у мыши примерно столько же. При том, что в построении всех других органов задействовано лишь оставшиеся 16 процентов генов. А если учесть ещё и гены, которые были активными в процессе развития нервной системы, но потом замолкли, – создаётся впечатление, что практически весь геном находится на службе у мозга. [30]

Сегодня ещё рано судить обо всех возможностях, открывающихся с появлением атласа транскриптома мозга человека, однако не будет преувеличением сказать, что нейробиологи получили новый мощный инструмент для своих исследований. По своему масштабу проект Алленовского атласа человеческого мозга сопостави́м с проектом «Геном человека».

Коннектом

Какова цель исследований мозга? Вероятно, это всё то же его картирование – составление подробной карты. А каков предел детализации этой карты? Полное описание структуры связей нейронов в нервной системе организма или – Коннекто́м.

Область исследований, включающая в себя картографирование и анализ архитектуры нейрональных связей, называется «коннектомика».

Понятие о коннектоме как совокупности всех связей в мозгу ввели в 2005 году. Олаф Спорнс, Джулио Тонони вместе с Рольфом Кёттером из Фогтовского института исследований мозга в Дюссельдорфе опубликовали программную статью, которая называлась «Человеческий коннектом. Описание структуры мозга человека» [31]. В том же году независимо от них Патрик Хагман в тезисах своей кандидатской диссертации использовал то же слово и дал то же определение: «Коннектом мозга – совокупность всех связей в нем как единое целое». Мы не можем понять, как работает прибор, пока не получим его схему.

На смену лозунгу «Я – это мой геном» пришёл новый: «Я – это мой коннектом». В самом деле, геном – это лишь точка отсчёта, а карта связей в мозге человека – итог реализации генетической программы, взаимодействия индивида со средой, нечто более близкое к ответу на вопрос «что есть личность».

Появление коннектомики стало возможным благодаря появлению современных инструментов исследования, позволивших построить картину связей между нейронами. Это направление называется микроконнектомикой. Понятно, что любые методы установления связей между отдельными нейронами чрезвычайно трудоёмки – проделать такую работу для целого мозга в обозримом будущем нереально.

Полный коннектом, до клеточного уровня, пока расшифрован только для нематоды Caenorhabditis elegans (C. elegans) – прозрачного червячка длиной около миллиметра. Caenorhabditis elegans – прекрасный объект для исследования. Его геном был расшифрован ещё в 1998 году, а теперь настала очередь коннектома.

Нематода Caenorhabditis elegans – один из самых популярных модельных объектов не только нейробиологов, но и биологов вообще. С помощью этого довольно примитивно устроенного червя учёные смогли разобраться в механизмах программируемой клеточной гибели, ответить на многие вопросы биологии развития, поведения и других областей биологии. И вот, наконец, получилось полностью расшифровать его коннектом, о чем исследователи рассказали в журнале Nature. Точнее, два коннектома: обоих полов. [32]

Этого червя совсем нетрудно выращивать в лаборатории, но главное их свойств это – удивительное постоянство клеточного состава. Например, в теле взрослых самцов всегда насчитывается ровно 1031 клетка, из которых 302 – это нейроны. За годы изучения учёные смогли изучить червя буквально по-клеточно.

Жёстко фиксированное число нейронов у C. elegans и относительная простота устройства его нервной системы открыли перед учёными заманчивую перспективу – построить полный коннектом его нервной системы, то есть установить абсолютно все нейронные связи.

По серии электронных микрофотографий послойных срезов тела червя была построена модель коннектома, правда некоторые «белые пятна» всё же были восполнены методом экстраполяции.

Полученные сетевые карты можно изучать методами теории графов. Весь коннектом нематоды был представлен как граф из 579 узлов, в узлах которой расположены нейроны, мышечные или другие возбудимые клетки. Ребра, соединяющие вершины такого графа – это синапсы, причём, их число также чётко фиксировано у всех особей, в данном случае мужского пола.

Но кроме микроконнектомики продолжают развиваться исследования связей между разными структурами мозга – «региональная коннектомика».

Для этого есть несколько методов, самый популярный из них – трактография, с помощью которой определяют ход пучков нервных волокон и моделируют картину связей между разными областями живого мозга.

Рисунок 27 Коннектом мужской особи нематоды

Исследования в области коннектомики ведут несколько проектов, один из крупнейших – Human Connectome Project. Он был запущен в 2009 году, рассчитан на пять лет, а финансировался Национальным институтом здравоохранения США. В проекте участвовало 1200 взрослых добровольцев.

Для каждого из участников средствами магнитно-резонансной томографии были составлены карты анатомических и функциональных связей мозга, а к 2018 году планировалось полное секвенирование их геномов.

Коннектомика уже сейчас изменяет наши взгляды на психические заболевания. Есть предположение, что многие из них, по сути своей – коннектопатии, связанные с нарушением связей, а не с патологиями тех или иных структур или областей мозга.

Когнитом

Ещё не создан коннектом человека, но мысли и фантазии уносят нас вперёд.

Где хранятся наши врождённые способности дышать, есть, двигаться и чувствовать? Заложены они уже в структуре нервной системы или записаны поверх неё? Наконец, где и как записываются и хранятся наши приобретённые социальные навыки, например, речь и вершина всего – самосознание.

Так родилась идея когнитома.

(Когнитивность, от латинского cognitio, «познание, изучение, осознание», – способность к умственному восприятию и переработке внешней информации.)

«Когнитом в нашем понимании, – рассказывает автор теории Анохин Константин Владимирович, – это весь набор когнитивных элементов мозга, которые составляют нашу личность. Мы полагаем, что каждый из этих элементов представлен в мозге, в нашем коннектоме, в виде функциональной системы. И в этом основная сложность исследования когнитома. Когнитивная единица не лежит на полочке той или иной структуры мозга, каждая из них – это распределённая сеть клеток, причём клетки одной структуры могут входить в самые разные элементы субъективного опыта. А каждый элемент субъективного опыта – масса синхронно активируемых в определённый момент нейронов в разных областях мозга. Элементы когнитома, так же, как и весь когнитом, – это не статическая картина, это постоянно развивающаяся система. В результате нового опыта, обучения в эту сеть добавляются те или иные новые элементы, меняющие как структуру когнитома, так и связи между уже существующими элементами».

Как можно обнаружить эти когнитивные единицы? Как выделить среди миллиардов нейронов мозга группу, отвечающую за элемент субъективного опыта, найти материальный носитель воспоминания, представления, навыка?

Оптогенетика

Оптогенетика – новомодная методика исследования работы нервных клеток, основанная на внедрении в их мембрану специальных каналов – опсинов, реагирующих на возбуждение светом. Давно известно, что нервные клетки способны реагировать на механические, химические, электрические раздражители. Теперь после сложных генетических манипуляций наконец-то нейроны можно заставить возбуждаться светом с определённой длиной волны.

Для создания светочувствительных каналов в мембране задействованы методы генной инженерии. А для возбуждения модернизированных нервных клеток и сетей в ход идут лазеры, световоды и прочая оптическая аппаратура.

На рубеже ХХ века казалось – вот он ещё один прорыв в исследовании нейронов. На практике же очередная игрушка в руках нейробиологов. Демонстрация великолепных научных успехов, но в совсем другой отрасли биологии – генетике.

Брэйнбоу

Более интересное применение оптогенетике нашли американские исследователи Медицинской школы Гарварда под руководством Джеффа В. Лихтмана (Jeff W. Lichtman) и Джошуа Р. Сейнса (Joshua R. Sanes). Они заставили нервные клетки светиться в момент прохождения по ним нервного импульса. Этот метод позволил лучше следить за взаимодействием групп нейронов в мозге.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications [33] в ноябре 2007 года. В статье описывались техники экспрессии флуоресцентных белков в генетически модифицированных животных под названием «Брэйнбоу-1» и «Брэйнбоу-2». Техника «Брэйнбоу-3» была представлена в 2013 году. Название метода происходит от сочетания английских слов brain (мозг) и rainbow (радуга).

Каким образом проводят генную модификацию живых тканей? Чтобы вставить фермент в клетки мозга, учёные соединили его с вирусом, который мог «заражать» нейроны.

Оказалось, что, будучи внедрённым в геном животного, зелёный флуоресцентный белок и его генетически модифицированные варианты могут окрашивать нервные клетки в разные цвета (до 100 разных оттенков), что позволяет значительно точнее и гораздо красивее картировать нейронные связи.

Ещё в конце 19-го века Камилло Гольджи со своей «Чёрной реакцией» впервые в истории визуализировал нейроны. В 1960-х годах И. Тасаки применил красители, флуоресцирующие при электрической стимуляции нейронов «для наблюдения за физическими изменениями в нервных мембранах при передаче импульсов». Целью современных исследователей было улучшение традиционных методов нейровизуализации, поскольку предыдущие техники имели серьёзные ограничения, в первую очередь связанные с небольшим количеством цветов, доступных для окрашивания индивидуальных нейронов.

Свечение индивидуальных нейронов создаёт потрясающий фронт работы – можно выявить мельчайшие особенности морфологии каждого нейрона и даже проследить путь индивидуальных аксонов и дендритов. Всё вместе это дало возможность для полноценного картирования структуры нейронных цепей мозга. А заодно превратило фотографии гистологических препаратов в настоящее арт объекты!

Прозрачный мозг

Нервную систему нематоды (C. elegans) было легко исследовать благодаря прозрачности последней. А, например, мозг мыши, в отличие от этого червячка, велик и непрозрачен.

Основную массу мозга составляют липиды клеточных мембран и миелинового покрытия нейронов, а также глии. Плотная липидная составляющая мозга слабопрозрачна для света – даже двухфотонная лазерная микроскопия, созданная для визуализации глубоких слоёв живых тканей, способна заглянуть вглубь мозга лишь на 800 мкм. Львиная доля гистологических исследования нервных тканей до недавнего времени была обречена начинаться с фиксации и изготовления срезов.

Поэтому исследователи разработали метод, позволяющий буквально прояснять мозг мыши – делать его прозрачным.

Одним из «отцов» нового метода, названного – CLARITY (англ. «ясность») и описанного в 2013 году, является Карл Дейссерот. Технология позволяет свету проходить сквозь ткань и делает её доступной для микроскопа.

Технология CLARITY основана на идее: убрать из ткани основной компонент, который мешает прохождению света – липиды. Попытка просто растворить мембраны без предварительной подготовки приводила к тому, что содержимое клеток вываливалось из них наружу. Чтобы этого избежать, препарированный мозг зафиксировали формальдегидом для фиксации и удержания на своих местах белков и нуклеиновых кислот, а затем насытили раствором мономеров геля-носителя, призванного играть роль «матрицы», после чего запускалась реакция полимеризации. В результате ткани мозга оказались буквально слиты с прозрачным гелем-носителем. Затем блок с мозгом, а точнее – тканево-гелевым гибридом, – подвергают электрофорезу в присутствии ионного детергента (SDS). В течение нескольких дней движимые электрическим полем мицеллы SDS протискиваются через тканево-гелевый гибрид, «вымывая» из него липиды. На выходе получается практически прозрачный блок, пригодный для оптической и флуоресцентной микроскопии. Однофотонная микроскопия позволяет исследовать такой препарат на глубину 3,6 мм, а не на 50 мкм, как в случае с естественным «непрозрачным» мозгом.

Рисунок 28 Технология CLARITY [28]

На картинке – изящная иллюстрация действия метода «опрозрачивания» тканей. Один и тот же мышиный мозг до (слева) и после (справа) обработки этим методом лежит на цитате великого Сантьяго Рамона-и-Кахаля: «Мозг – это целый мир со множеством неизведанных континентов и белых пятен на карте».

Применение CLARITY в сочетании с флуоресцентным окрашиванием позволяет получить чёткую трёхмерную картинку. Сегодня эта технология широко используется при создании 3D-карт мозга.

Остаётся решить задачу – как генномодифицировать единственный нейрон, или цепочку связанных нейронов. Та же проблема с которой столкнулся Гольджи. Но уже на новом уровне – Гольджи изучал срезы мозга, а современные учёные могут послойно просвечивать более-менее «целый мозг».

Истории заблуждений

Вся эта книга о том, как возникали, развивались идеи, как одни заблуждения в борьбе сменялись другими заблуждениями. Она – попытка понять, находимся ли мы на очередном этапе заблуждений или уже добрались до истины.

Наивные представления древних философов, учения средневековых мыслителей мы воспринимаем снисходительно, как детские болезни роста науки. Но нас и в XXI веке окружают отголоски заблуждений совсем недавнего прошлого. Понимание их может дать нам представление об уровне дремучести «современного человечества».

Психическая энергия

В 1840-х годах молодые ученики Иоганнеса Мюллера дали друг другу торжественную клятву, подписав её собственной кровью. Они поклялись объяснять все явления живой природы исключительно в категориях физики и химии. Среди этих учеников были Карл Людвиг, Герман Гельмгольц, Дюбуа-Реймон, а также Эрнст Брюкке. Будущие корифеи физиологии 19-го века образовали «незримый колледж», вошедший в историю под именем физико-химической школы в физиологии, лидером которой был именно Брюкке.

Брюкке считал, что «жизнь» необходимо изучать и объяснять на основании экспериментальных методов химии и физики. Главным постулатом этой школы был принцип строжайшего детерминизма1 и подход к изучению организма как энергетической системы. Из этой вполне материалистические идеи и родилась теория психической энергии. Цель её – создать психофизиологию, которая позволила бы сократить разрыв между разумом и телом, а также найти способ физиологического сохранения энергии.

Согласно закона сохранения энергии, когда энергия производится в одной части мозга, запуская мысль или действие, такое же её количество должно утрачиваться в другой части мозга – иначе человеческая душа нарушает законы физики.

Всю энергию, получаемую в качестве питания от организма, по мнению молодых учёных, мозг, преобразует в другие виды, например, тепловую, электрическую или даже психическую. Производство кванта психической энергии эквивалентно кванту любого типа преобразованной энергии.

В это же время в Венском университете обучался студент Зигмунд Фрейд, который воспринял эту новую «динамическую» физиологию. В последующие несколько лет Фрейд утверждал, что и первый, и второй закон термодинамики применимы к психическому процессу, и на основе этой логики постулировал существование психической энергии.

Впоследствии работами самого Фрейда, Юнга и других термин психической энергии выродился и стал синонимом психоанализа.

Однако, Ганс Бергер проникшись этой теорией, воспринял её буквально. И приступил к распутыванию электрической схемы мозга в надежде понять психическую энергию. Доподлинно известно, что примерно тогда же Бергер всерьёз увлёкся идеями магнетизма и телепатии. Он был твёрдо убеждён в их существовании.

Главной темой в научной работе Ганса Бергера был поиск корреляции между объективной мозговой деятельностью и субъективными психическими явлениями.

На протяжении 30 лет Бергер тщательно изучал снабжение мозга метаболической энергией и её преобразование в тепло, электричество и психическую энергию. Другими словами, пытался понять психический феномен. Конечной же целью его исследований было объяснение явления передачи мыслей на расстоянии.

Бергер начал с измерения потоков крови в живой мозг. К счастью для Бергера у него был свой исключительный пациент – молодой рабочий фабрики, у которого после двух операций по удалению пули из головы осталось восьмисантиметровое отверстие в черепе. Молодой человек согласился стать подопытным.

Бергер сделал резиновый колпачок, наполнил его водой и закрепил у отверстия в черепе молодого человека. Он проверил влияние частоты сердцебиения, глубины дыхания, состояния вазомоторных функций, а также изменение позиции головы и тела на степень мозговой пульсации, которая измерялась через отверстие в черепе.

Между тем в качестве альтернативы Бергер обратился к измерению электрического тока в мозге, полагая, что, вычислив всю энергию, производимую мозгом, а затем вычтя энергию, превращённую в электричество и тепло, можно будет рассчитать величину психической энергии.

Для работы Ганс Бергер самостоятельно изобрёл и сконструировал оригинальный прибор и с помощью игольчатых электродов, введённых под кожу черепа, регистрировал суммарную электрическую активность мозга.

Закончились поиски психической энергии, тем, что в 1929 году Бергер создал электроэнцефалограф.

1 Детерминизм – философское учение об объективной закономерной взаимосвязи и взаимообусловленности явлений материального и духовного мира.

О биологической радиосвязи

В России на рубеже XIX—XX веков возник ренессанс культуры и науки, не совсем угасший ещё и в 20-годы. Советские учёные начала двадцатого века получили прекрасное классическое образование. И если были физиками, то физиками хорошими. Возможно, поэтому, когда в умах человечества укрепилась мысль об электрической природе нервного импульса, учёные, совершенно справедливо предположили следующее. Если при прохождении нервного импульса возникают «токи действия» (именно так они назывались в 20-е годы XX века), то должно возникать электромагнитное поле и соответствующее ему электромагнитное излучение (как тогда говорили «электроиндукция»).

Задача прямой регистрации электромагнитного излучения мозга впервые детально была обоснована в 1920 году академиком П.П.Лазаревым. В статье «О работе нервных центров с точки зрения ионной теории возбуждения» П.П.Лазарев предположил – «поскольку периодическая электродвижущая сила должна непременно создавать в окружающей воздушной среде переменное электромагнитное поле, распространяющееся со скоростью света, то мы должны, следовательно, ожидать, что всякий наш двигательный или чувственный акт, рождающийся в мозгу, должен передаваться в окружающую среду в виде электромагнитной волны».

Кстати сказать, идея была не так уж абсурдна, что и подтвердило создание магнитоэнцефалографии (МЭГ).

В другой работе, напечатанной также в 1920 году, Лазарев высказался в пользу возможности «уловить во внешнем пространстве мысль в виде электромагнитной волны». Эта задача, считал он, является одной из интереснейших задач биологической физики.

Добавим к этому бытовавшее тогда мнение о том, что электрический сигнал передавался между нейронами через разрыв подобный обкладкам конденсатора (Бехтерев)) [34]. Тогда ещё не было известно о работе синапсов. Поэтому совершенно нормальные физики, вполне заслуженно уважаемые учёные, всерьёз изучали возможность биологической радиосвязи и, как следствие, возможности передачи мыслей на расстояние. И верно, вы только представьте, что количество нервных импульсов, поступающих в наш мозг в процессе чтения этой книги ежесекундно составляет миллиарды, а величина потенциала действия каждого импульса по современным данным, около 70 мкв. В сумме это колоссальная энергия, которую невозможно скрыть.

Какие благородные были намерения учёных тех лет! «Если бы удалось осуществить „регистратор мысли“… мы сумели бы построить прибор, воспроизводящий искусственную мысль. И может быть, мы бы научились технически излучать мощные мысли в целях облагораживания человечества, нравственного подъёма и пр… Не только изучить при помощи „регистратора“ мысли и чувства насекомых и животных, но можно было бы постараться понять эти мысли и на них воздействовать, опять-таки на пользу человечества» [34].

В конце концов мечталось осуществить синхронизацию биотоков головного мозга с электромагнитными модуляциями ноосферы. А коммуникация с Высшим Разумом должна была стать таким же обычным делом, как дружеский разговор по телефону. На основе этого прибора предполагалось создать центр коллективного пользования, доступный всем заинтересованным специалистам.

Когда-то изобретатель радио А. С. Попов неосторожно предположил, что «человеческий организм не имеет ещё такого о́ргана чувств, который был бы способен замечать электромагнитные волны в эфире, но если изобрести такой прибор, который заменил бы нам электромагнитные чувства, то его можно было бы применить к передаче сигналов на расстояние». Поборники биологической радиосвязи сочли это заявление за непосредственный призыв к поиску, а кое-кто даже смог разглядеть в головном мозге элементы радио Попова.

Идея биологической радиосвязи сплотила талантливых советских учёных П. Лазарева, В. Бехтерева, Л. Васильева, А. Чижевского, Б. Кажинского, К. Циолковского. Учёные допускали, что подобно радиоволнам мозговые волны тоже могут распространяться на значительные расстояния и детектироваться не только другим человеком, но даже электронными приборами. По воспоминаниям заведующего лабораторией по изучению телепатии в Ленинградском институте мозга Л. Васильева, «все тогда думали только о радиоволнах, ничего, кроме радиоволн, не могли себе представить».

Тогда эта гипотеза выглядела единственно правдоподобной. Однако все усилия по обнаружению мозговых волн оказались безрезультатны. Расчёты показали, что электромагнитные волны, которые продуцируются биоэлектрическими токами мозга, в силу своей природы практически не излучаются вне черепа. Для их излучения следовало бы иметь передающую антенну внутри головы, величиной в несколько десятков тысяч километров. Тем не менее это обстоятельство отнюдь не казалось непреодолимым, энтузиастам того времени. Оно наверняка будет преодолено благодаря грядущим успехам советской радиоэлектроники. [35]

Когда гипотеза о радиоволнах была поколеблена, сторонники этих идей не прекратили свои изыскания и продолжали настаивать на поиске новых видов полей или излучений, которые служили бы переносчиками телепатической информации. Известный советский изобретатель А.Л.Чижевский выразил общую надежду так: «я предвижу, как совершенно непреложную возможность, что мы придём к непосредственной передаче мыслей от одного мозга другому, не прибегая к помощи таких вибраций, какими мы сейчас ещё пользуемся при посредстве технической радиосвязи». Академик Вернадский говорил, что «из невидимых излучений нам известны пока немногие, и мы едва начинаем постигать их разнообразие. Современная (1920-е годы) наука постепенно погружается во всё более тонкие слои материи. Неисчерпаемость материи подразумевает, что в мире существует бесконечное многообразие видов материи, форм энергии и типов излучений. Последние открытия в таких областях, как биофизика и парапсихология доказывают справедливость идей о том, что мысль – это уникальная в своём роде энергия, которая способна поляризовать физический вакуум». [35]

В начале 1960-х годов в Советском Союзе эту тему окончательно похоронили как бесперспективную. Почти за полувековой период исследований не было найдено достоверных доказательств ни излучения мозга, ни телепатии. В конце этой истории приверженцы биологической радиосвязи частенько сами просились под опеку к силовым ведомствам, чтобы продлить агонию своих исследований, поскольку народное хозяйство не могло себе позволить продолжать бесперспективные изыскания.

С тех пор радиотехника в отличие от неврологии колоссально продвинулась технологически. Мы слушаем радиосигналы из неведомых уголков космоса, но по-прежнему зачастую довольствуемся измерением электрических потенциалов на коже головы.

Тем не менее до сих пор остаются люди, которые верят в возможность биологической радиосвязи. Не получив достоверных с научной точки зрения результатов, подтверждающих способности мозга к радиоизлучению, эти энтузиасты от науки перешли к попыткам осуществить обратный процесс – повлиять на мозг (сознание) электромагнитными излучениями разных диапазонов частот. Так в начале 1960-х родилась психотроника. А самые далёкие от науки учёные решили начать силой мысли перемещать предметы, так появился телекинез.

Идея массового влияния на сознание с помощью некого прибора (пси-генератора) настолько привлекательна, что никак не умрёт и до сегодняшнего дня.

В лихие 1990-е годы Россию захлестнули слухи о психотронном оружии якобы имевшемся у КГБ и о применении его против россиян. Этой теме посвящались газетные статьи, выпускались телепередачи. Даже создавались общественные антипсихотронные организации.

И было чего испугаться, когда появлялись такие, например, публикации: «…Некоторое время назад в прессе получил освещение доклад, прочитанный в лаборатории биоэлектроники ИРЭ АН СССР, и озаглавленный: «Воздействие на биологические объекты модулированными электрическими и электромагнитными импульсами». Докладчиками упоминалось об испытании установки «Радиосон», в блок-схеме которой применён СВЧ-генератор. В публикации говорилось, что импульсы этого генератора вызывают акустические колебания в мозге. Мощностей установки хватает, чтобы обработать город площадью около ста квадратных километров, погрузив всех его жителей в глубокий радиосон. Первая установка была создана и запущена в действие в 1973 году в одной из войсковых частей Новосибирска. Практическую помощь в содействии и оформлении открытия оказывал генерал-полковник авиации В. Н. Абрамов. Курировал эти работы дважды Герой Советского Союза маршал авиации Е. Я. Савицкий…». Я бы и сам поверил, если бы мой отец не служил в то время, в этой самой части на очень высокой должности. А я сам, жил в Новосибирске и точно знаю, что город-миллионник ни в какой сон не погружался.

Из-за наплыва обращений в ФСК заместитель директора этого ведомства А. П. Быков выступил с заявлением о том, что в России «психотронного оружия не существует, и едва ли оно появится в обозримом будущем». В 1994 году при ФСК под руководством Ю. И. Холодного была создана Рабочая группа по вопросам парапсихологии и уфологии. В дальнейшем А. П. Быков заявил, что «ни одно из известных нам исследований не дало ни научных, ни прикладных результатов», а психотронное оружие – «лишь часть сложной социально-психологической проблемы, связанной с бурным ростом интереса широких слоёв населения к парапсихологии, оккультизму и мистицизму». [36]

Аналогичная история разворачивалась в середине XX века в США. Проект «МК Ультра» (Project MKULTRA, Мозговой Контроль ULTRA) кодовое название секретной программы американского ЦРУ, созданной с целью поиска технических средств манипулирования сознанием, например, для вербовки агентов, или для извлечения информации на допросах, в частности, с помощью использования психотропных химических веществ (оказывающих воздействие на сознание человека). Есть све́дения, что программа работала с начала 1950-х до конца 1960-х годов, а возможно продолжалась и дольше.

По конспирологической версии ЦРУ намеренно уничтожило ключевые файлы программы MKULTRA в 1973 году, что значительно затруднило расследование её деятельности конгрессом США в 1975 году.

Идея психотронного оружия благодаря усилиям современных учёных и борцов со лженаукой во многом потеряла свою привлекательность в том виде, в котором она изначально появилась, но её современная реинкарнация воплощается и поныне парапсихология, которая «претендует на раскрытие закономерностей, определяющих психическую деятельность человека», и в рамках которой «психика человека рассматривается как функция полевых, резонансных и иных неизвестных ещё возможностей живой материи». Оказывается, что «важное значение парапсихологии состоит в том, что она аккумулирует некоторую область фактов, мимо которых по тем или иным причинам проходят представители традиционной научной психологии». Для парапсихологии характе́рным является отсутствие теоретических основ, а также соответствующих методов и средств исследования. Поэтому неудивительно, что такие искажения проникают в разные науки, например, в социологию.

Телекинез или психокинез термин, которым в парапсихологии принято обозначать способность человека одним только усилием мысли оказывать воздействие на физические объекты.

Есть люди верящие, что шапочки из фольги и подобные приспособления могут экранировать их мозг от проникновения излучений и голосов. Эти люди полагают, что фольга отражает управляющие сигналы, передаваемые через внечувственное восприятие или через микроволновый слуховой эффект. Веру в эффективность шапочек из фольги психиатры рассматривают как симптом параноидной шизофрении.

Предположение о том, что фольга может значительно уменьшить интенсивность воздействия высокочастотного радиоизлучения на мозг, не лишено смысла. Хорошо сделанная защита из фольги работает как клетка Фарадея, экранируя поступающие извне радиоволны. Школьный эксперимент демонстрирует этот факт радиоприёмник ставится на фольгу и накрывается металлическим ведром, что приводит к значительному снижению силы сигнала. Эффективность полумиллиметрововый слой фольги частично блокирует и длинные, и средние, и ультракороткие радиоволны, а пропускает только волны сверхдлинноволнового диапазона.

Эта шапочка была бы, безусловно, полезна… если бы радиоволны могли передавать информацию прямо в мозг. Но пока, все манипуляторы сознанием воздействуют на людей более традиционно, через обычные органы чувств.

Телепатия

Телепатия – не имеющая надёжных экспериментальных доказательств гипотетическая способность мозга передавать мысли, образы, чувства и неосознаваемое состояние другому мозгу или организму непосредственно на расстоянии, без использования каких бы то ни было известных средств коммуникации или манипуляции.

Термин «телепатия» был впервые употреблён в 1882 году Фредериком У. Х. Майерсом, одним из основателей британского Общества психических исследований после экспериментальных попыток передачи мысли на расстоянии, которые он проводил вместе с тремя другими исследователями, Гёрни, Сиджуиком и Барреттом.

Эксперименты, связанные с попытками доказать существование телепатии, проводились в Европе, США и Советском Союзе, но, несмотря на некоторое количество предварительных положительных отчётов, повторные и более строгие проверки экспериментов приводят к отрицательным результатам, и таким образом, реальность феномена по-прежнему не доказана.

Вера в существование телепатии уходит в глубокую древность. Согласно Алану Фодору (1895 – 1963), сама по себе «молитва может быть рассмотрена как попытка телепатического общения с высшим существом». Высказывались предположения о том, что телепатия лежит в основе интуиции, в частности, интуитивных симпатии и антипатии. Считалось, что «ощущение взгляда» или чьего-то приближения – также результат получения и обработки мозгом телепатических сигналов.

Многие исследователи паранормальных явлений считают телепатию и суггестию (внушение) родственными, особенно в тех случаях, когда гипноз осуществляется на расстоянии. Майерс называл такой феномен «телепатическим гипнотизмом».

Учитывая отсутствие биологических предпосылок к телепатии, большинство учёных считают её принципиально невозможной, а телепатические исследования относят к псевдонаучной деятельности. [37]

Биохимический перенос памяти

Перенос памяти – гипотетическая возможность переноса памяти между организмами одного вида посредством молекул белка или РНК, популярная в 1960 – 1970 годах. Теория рассматривалась во многих странах мира, включая СССР. Некоторые эксперименты были опубликованы в весьма авторитетных журналах (Nature), но впоследствии названы авторами розыгрышами. Эти представления потеряли актуальность после признания того, что память формируется устойчивыми межнейронными контактами.

В конце 1950-х годов шведский биохимик Хольгер Хюде́н (швед. Holger Hydén, 1917 – 2000) выявил связь между степенью выработки двигательных навыков и количеством РНК в нейронах соответствующих моторных центров. Хюде́н заметил, что в процессе обучения содержание РНК в нейронах обучаемых животных заметно увеличивалось. Также он установил, что в организме наиболее активными продуцентами РНК являются нейроны, а в одной нервной клетке содержание РНК может быть в пределах от 20 до 20 000 пикограмм. На основании этих наблюдений Хюден выдвинул гипотезу о том, что именно молекула РНК является главным нейрохимическим субстратом памяти.

Вся эта увлекательная история с переносом памяти с помощью биохимических молекул началась с того, что американский биолог Джеймс В. Макконнелл (James V. McConnell, 1925 – 1990), специалист по уникальным возможностям планарий к регенерации, проверил, нельзя ли физически перенести память от одной планарии к другой.

Планарии – это небольшие свободноживущие плоские черви, обитающие в водоёмах по всему миру. Планарии умеют регенерировать утраченные части тела. Именно эта их особенность оказалась полезной для анализа механизмов переноса памяти.

Выработав у планарий простейший условный рефлекс — съёживаться под действием освещения, за которым следовало неприятное раздражение электричеством, исследователи разрезали подопытных животных пополам. Они предполагали проверить, сохранится ли условный рефлекс после процесса регенерации. Вдруг «обученная» нервная ткань с помощью каких-то химических веществ передаст возникшим в процессе регенерации новым отделам нервной системы выработанные знания. Рефлекс сохранился не только у животных, выросших из головного отрезка, но и из хвостового!

Тот вид планарий, с которыми работал Макконнелл, выделялся ещё одним редким свойством – каннибализмом. Учёный снова выработал у части планарий условный рефлекс. Затем порезал их на кусочки и скормил необученным. Планарии вскормленные таким образом воспроизвели результат обучения своих жертв. На ум сразу приходит мысль о ритуальном каннибализме, когда племя поедало мозг и сердце поверженного храброго воина или мудрого вождя дабы приобрести их мужество и мудрость!

Макконнелл предположил, что первичными элементами памяти в нервной системе являются молекулы рибонуклеиновых кислот. Неоднократные попытки воспроизвести опыт в других лабораториях, в том числе и прямыми инъекциями РНК, не дали никаких устойчивых результатов, и репутация Макконнелла оказалось сильно подорванной.

Опыты Макконнелла породили в научных кругах больше насмешек и забавных анекдотов, чем новых теорий. У всех на устах были вопросы меню. Студенты поговаривали, что следует съесть своих профессоров.

Однако, планарии до сих пор привлекают внимание исследователей как объекты, на которых удобно изучать процессы и регенерации, и памяти.

Джорджес Унгар из Бейлоровского университета в Хьюстоне был первым, кто отказался от популярной в те годы идеи, что переносчиками памяти служат рибонуклеиновые кислоты, и предложил на эту роль белки и пептиды, его основной посыл: «Один пептид – один акт поведения». [38]

Для своих экспериментов Унгар выбрал группу крыс у которых выработал противоестественный условный рефлекс – избегания темноты. Из мозга этих животных был выделен уникальный нейропептид, который никогда не наблюдался в мозге обычных крыс. Унгар расшифровал структуру этого пептида и назвал его скотофобин.

Описание этого эксперимента довольно долго считалось достоверным и даже входило в научные пособия.

К сожалению, вскоре Дж. Унгар – основоположник идеи молекулярного переноса памяти скончался. Но настоящий учёный воспитал достойных учеников.

Его дело продолжила Диана Десидерио, ученица и соратник Унгара, итальянка по происхождению – молодая обаятельная женщина. В итоге группа Десидерио сумела выделить и расшифровать более десятка пептидов, обеспечивающих перенос разнообразных навыков. Таким образом, Диана Десидерио развеяла тень сомнений над результатами пионерских исследований своего учителя.

Работы Унгара и Десидерио оказались отправной точкой, с которой в Институте экспериментальной медицины имени И.П.Павлова стартовали исследования молекул «прямого переноса памяти» в СССР.

После долгих, но безуспешных экспериментов исследователи убедились, что скотофобин не вызывает прямого переноса, а эффективность его действия проявляется лишь при частичном подкреплении реципиентов.

В тот момент учёным казалось, что дело за малым, нужно только подобрать подходящую экспериментальную модель, и интерес к теме сохранялся, несмотря на то, что она уже находилась под давлением критики.

За основу для новых исследований была выбрана «безмотивационная модель» по́зной асимметрии, базирующуюся на том, что результат раздражения оценивается по степени выраженности сгибания задней конечности. [38]

Но вновь не добившись результатов, исследователи сосредоточились на поиске влияния тех же пептидов на долговременную посттетаническую потенциацию (ДПП), одну из многообразных форм проявления пластичности и неассоциативного обучения.

После смерти Вартаняна в 1995 году все работы, связанные с исследованием переноса памяти, фактически закончились. Доказательств прямого переноса так и не получили [39].

Но поиски материальных следов памяти в мозге продолжились много лет спустя.1

1 См. главу Молекула памяти.

Усилитель мозга

Ещё древние люди чтобы вызвать дождь имитировали гром. Вероятно, такая способность человека к подмене причин и следствий находится у нас в подсознании.

Поэтому лишь вопрос времени был в том, кто первым предложит технологию обратную ЭЭГ – воздействие на мозг электрическими токами, посылаемыми через кожу головы с целью стимуляции его нервных клеток.

И вот в 2014 году появляются публикации о создании такой «технологии транскраниальной стимуляции мозга постоянным током» (Transcranial direct current stimulation, TDCS).1

Маркетинг победил науку. Разработчики обещали, воздействуя слабым электрическим током на правое полушарие мозга, изменить порог чувствительности нейронов, и, как следствие, улучшить когнитивные функции. Коммерческие компании начали продвигать эту технологию в кругу геймеров, обещая им фору перед соперниками в игре.

Одна из компаний-производителей и сейчас рекламирует обруч с электродами, который поможет «разогнать» мозг, «повысив его производительность на 20—40 процентов». Гаджет «улучшает общее самочувствие и снимает усталость» – гласит рекламное объявление, ссылающееся на результаты исследований.

В Сети вы найдёте массу восторженных отзывов от адептов технологии. Но не будем забывать историю. Например, о том, как помогала людям «электризация» лейденскими банками во времена Джузеппе Гальвани.

А что официальная наука, какова реакция учёных? Консервативные и профессиональные просто проигнорировали такую чушь. А более неуверенные попросили тех, кто решит испытать это на себе, быть осторожнее и не переусердствовать с дозировками. Есть и третья группа – это те, которые знают, что такое ТЭС-терапия и применяют её для лечения людей. Они тоже отмалчиваются, по известным только им причинам.

Дело в том, что TDCS под другим названием – «Микрополяризация» (термин, впервые предложенный в лаборатории Н. П. Бехтеревой) применяется как лечебный метод, позволяющий изменять функциональное состояние различных звеньев ЦНС под действием малого постоянного тока (до 1 мА).

Культивируется он в качестве физиотерапии в основном в России (Институт мозга человека им. Н. П. Бехтеревой РАН; Институт медицинской реабилитации «Возвращение» имени профессора Богданова; Научно-исследовательский психоневрологический институт им. В. М. Бехтерева, Санкт-Петербург).

От себя замечу, хотите поумнеть – больше читайте, лучше учитесь, тренируйте память – это единственная проверенная технология, которая делает человека умнее.

1 О медицинском аспекте и истории ТМС см. главу Транскраниальная электрическая стимуляция

Посмертные волны

Забавная новость прокатилась по Интернету несколько лет назад. Привожу её по данным сайта КП только для развлечения, и чтобы снова продемонстрировать дремучесть современного человечества.

Голландские учёные Антон Конен (Anton Coenen) и Тайник ван Рижн (Tineke van Rijn) из Университета Неймегена (Radboud University Nijmegen in the Netherlands) в 2011 году по заданию университетского комитета по этике искали ответы на два практических вопроса. Насколько сильно мучаются лабораторные крысы, которых приходится приносить в жертву науке? И каков наиболее гуманный способ их умерщвления?

Ответы, в итоге, были получены. Выяснилось, что для лабораторных животных нет ничего лучше декапитации. То есть, обезглавливания, неприятные ощущения от которого, как выяснилось, длятся (у крыс) не более 4 секунд.

Однако, сняв энцефалограммы с только-что отсечённых голов, экспериментаторы с удивлением обнаружили в них всплески мозговой активности.

Если бы Антон и Тайник лучше изучали историю, то знали бы что, ещё в 1875 году на 43-й ежегодной конференции Британской медицинской ассоциации Ричард Катон сделал доклад, в котором обратил внимание на увеличение электрической активности мозга в момент смерти.

Между тем результаты, полученные голландцами, сильно подпортили впечатление от нашумевших накануне экспериментов американских коллег из Университета Джорджа Вашингтона. За два года до описываемых событий американцы снимали энцефалограммы – картины электрической активности мозга – у семерых пациентов, которые умирали от рака или последствий сердечного приступа. Спасти этих людей было уже нереально. Они в итоге скончались. Но после смерти у всех несчастных фиксировалась чрезвычайно высокая активность мозга. В нём возникали невероятно мощные всплески электрических импульсов – при жизни таких не было. Учёные предположили, на радость СМИ всего мира, что нашли физиологическую основу мистических виде́ний, связанных с околосмертным опытом. А это стало настоящей сенсаций. Поскольку тут же родилась гипотеза: энцефалограммы запечатлели не что иное, как процесс отделения души от тела.

А теперь и крысы демонстрируют аналогичную мистику. Тут одно из двух: либо у крыс тоже есть душа, либо оптимизм по поводу существования этой нематериальной части человеческой сущности преждевременен.

В отрубленной голове крысы «всплеск» возникает спустя примерно минуту после декапитации. И продолжается около 10 секунд. У человека мозг «вспыхивает» через две – три минуты после остановки сердца и прекращения тока крови к мозгу (это равносильно отделению головы от тела). Активность продолжается примерно три минуты.

Учёные назвали обнаруженные аномалии «волнами смерти». И теперь гадают, что бы они значили.

Гипотеза о душе, которой нужно время, чтобы покинуть тело, выглядит, конечно, красиво. Тут даже крыс можно «стерпеть», допустив всё-таки, что в загробном мире есть место и для них. В этом смысле весьма логично выглядит то, что большая – человеческая – душа отлетает за три минуты, а маленькая – крысиная – гораздо быстрее.

С материалистической же точки зрения, эффект, наблюдаемый и у людей, и у животных, свидетельствует лишь о том, что существует некое явление, связанное с физиологическими процессами, происходящими в умирающем мозге.

Возможно, в этот момент в мозге наблюдается коллапс нейронных электропотенциалов.

Ведь в каждом нейроне присутствует потенциал покоя – порядка 70 милливольт. Погибшие нейроны очень быстро разряжаются. Возможно, в результате этого процесса и возникает «волна смерти».

Словом, ничего возвышенного – электричество, и только. Только есть одно «но». Не только нервные клетки несут в себе электрический заряд. Любая живая клетка, включая растительную тоже имеет потенциал покоя. И называется это биоэлектрогенез.

В общем, сам факт таких волн официально не опровергнут, а загадки «волн смерти», нельзя считать разгаданными.

А чуть ранее… Отрубленные головы помогали выиграть в лотерею. Похоже, что с «волнами смерти», ещё не зная о том, что это реальное биофизическое явление, экспериментировали 15 лет назад российские исследователи. Они тоже рубили головы крысам, как и их голландские коллеги. Но цель имели другую – совсем уж мистическую. И если верить составленному потом отчёту, то она, эта цель, была достигнута.

Эксперименты провели заведующий лабораторией терминальных состояний Владимир Нестеров и его коллега Юрий Бут в Омской медицинской академии на кафедре топографической анатомии и оперативной хирургии. Их финансировала некая загадочная американская фирма YGH, возглавляемая голландцами.

В основу экспериментов было положено «открытие», приписываемое Нобелевскому лауреату по физике Денешу Габору1. Мол, ещё в 1971 году он обнаружил, что любой биологический объект в момент гибели и независимо от вида смерти генерирует фотонное излучение повышенной мощности.

Нестеров и Бут никаких «излучений смерти» от убитых ими зверьков приборами не регистрировали. Но якобы наблюдали реакцию на него со стороны добровольцев.

Суть экспериментов была следующей: крысу, которой рубят голову, помещают между виском испытуемого и генератором электромагнитных волн. Последний усиливает «излучение смерти» и направляет его в мозг добровольца. Далее смотрят, какое влияние оно оказывает.

«Заявленный способ был „успешно“ апробирован авторами при угадывании выигрышных номеров денежно-вещевых лотерей, – записали в отчёте исследователи. – Число выигрышей в группе испытуемых, подвергшихся воздействию магнитного поля при наличии биологического инициатора (трупный материал), было в 3,72 раза выше, чем у лиц контрольной группы».

– Уровень интуитивного восприятия повышается на несколько порядков, – поясняли Нестеров и Бут. – Каждый человек может стать в этих условиях ясновидящим, как Ванга.

Какова дальнейшая судьба скандальных экспериментов, не известно. Не исключено, что они канули в Лету, как и другие, им подобные, которые были проведены в 90-е годы прошлого века во время буйного расцвета псевдонаучных теорий и кипучей деятельности кашпировских, чумаков, изобретателей антигравитации, торсионных полей и вечных двигателей, качающих энергию из эфира. Тогда всё это казалось многообещающим и перспективным. Но в итоге не выдержало поверок серьёзной науки.

1 Денеш Габор (Dennis Gabor, 1900—1979) – известный учёный. В 1971 году получил Нобелевскую премию за изобретение голографии. То есть, за работы со светом. Но обнаруживал ли он «фотонное излучение» от умерших, не известно. Ни одного упоминания об этом в работах учёного нет.

История мембранной теории биопотенциалов

Главенствующая и единственная на сегодняшний день теория распространения нервного импульса заслуживает отдельной истории.

Она интересна во многих аспектах: и как победившая идеология, и как очень элегантная, даже изящная, или изощрённая, логическая модель. Также интересна эта история полным отсутствием альтернативных идей и, следовательно, она не выверена в спорах с оппонентами. Сплошные единомышленники. Вспоминается один из абсурдных советских лозунгов: «Учение Ленина истинно потому, что оно верно!». И продолжая ленинскую терминологию, давайте рассмотрим три источника, три составные части мембранной теории – осмос, теорию электролитической диссоциации и гипотезу Бернштейна.

Осмос

Началом этой истории послужило открытие осмоса. Думаю, что не все наши читатели слышали это слово раньше, так вот, осмос – это процесс, в котором при определённом давлении растворитель проходит через полупроницаемую мембрану из более концентрированного в менее концентрированный раствор. При этом мембрана пропускает растворитель, но не пропускает растворённые в нём вещества.

Впервые в 1748 году осмос наблюдал Жан-Антуан Нолле (Jean-Antoine Nollet, 1700—1770) – французский священник (аббат) и физик, член Парижской академии наук с 1739 года.

Легенда гласит, что однажды аббат Нолле слил недопитое им вино во фляжку из свиного мочевого пузыря и погрузил его охладить в бочку с водой. Наутро вынув пузырь из бочки, он обратил внимание, что тот раздулся. Попробовав вино, аббат понял, что напиток стал менее крепким. Нолле сделал вывод, что вино стало разбавленным из-за того, что вода проникла в него сквозь стенку сосуда под действием некой силы, которая возникла из-за разницы концентрации воды в бочке и в вине. При этом аббат заметил, что через стенку пузыря проникла только вода. Если ли бы пузырь с вином, который Нолле положил в воду, не обладал способностью растягиваться, проникающая вода подняла бы давление и процесс бы остановился. Давление, которое необходимо приложить, чтобы не пустить воду в вино называется осмотическим. Оно зависит от разности концентраций растворённых веществ по обе стороны мембраны.

Пример осмоса: к яичной скорлупе с внутренней стороны прилегает плёнка – это тоже полупроницаемая мембрана, она пропускает молекулы воды и задерживает молекулы сахара. Если такой мембраной разделить растворы сахара с концентрацией 5 и 10% соответственно, то через неё в обоих направлениях будут проходить только молекулы воды. В результате в более разбавленном растворе концентрация сахара повысится, а в более концентрированном, наоборот, понизится. При этом объёмы разделённых мембраной растворов изменятся. Когда концентрация сахара в обоих растворах станет одинаковой, наступит равновесие.

Однако целенаправленное исследование этого явления было начато лишь спустя столетие.

В середине XIX века осмотическую проницаемость клеточных мембран изучали физиолог Моль и ботаник Негели. А с конца XIX века к ним присоединились физики и химики, одним из которых был немецкий учёный Адольф Фик. В 1855 году исследуя перенос через искусственные мембраны из нитроцеллюлозы, он сформулировал феноменологические законы диффузии, названные впоследствии его именем.

Одним из выдающихся учёных, работавших в этой области, был Вильгельм Пфеффер (нем. Wilhelm Friedrich Philipp Pfeffer, 1845 – 1920) – немецкий ботаник и физиолог растений. Он изучал осмотические явления, обусловливающие поглощение растениями воды и минеральных веществ. Работы Пфеффера заложили основы мембранной теории клеточной проницаемости.

В 1877 году он изготовил искусственную полупроницаемую мембрану. Для этого в пористый фарфоровый сосуд он налил раствор медного купороса и поместил его в другой сосуд, заполненный раствором ферроцианида калия. В порах первого фарфорового сосуда растворы контактировали и взаимодействовали друг с другом. В результате в них образовывалась плёнка из ферроцианида меди, которая обладала полупроницаемостью.

Далее, полученный сосуд, в порах которого образовалась полупроницаемая мембрана, заполненный раствором сахарозы, помещали в воду.

Такой прибор получил название осмометра. Схема осмометра Пфеффера на Рис.29: 1 – сосуд с растворителем; 2 – мембрана; 3 – ячейка с раствором; 4 – манометр.

В результате своих исследований, Пфеффер установил, что поступление воды в раствор через полупроницаемую перегородку обусловлено разностью концентраций растворов.

Однако Пфеффер не обнаружил какой-либо количественной зависимости осмотического давления от концентрации и температуры. Данную задачу спустя двадцать лет разрешил Вант-Гофф (Jacobus Henricus (Henry) van't Hoff; 1852 – 1911).

В 70-х годах 19 века молодой голландский ботаник X. Де Фриз исследовал влияние осмоса на изменение объёма клеток растений в растворах разной концентрации.

В 1894 году Де Фриз рассказал о работах Пфеффера молодому химику Я. Вант-Гоффу. Внимательно изучив исследования Пфеффера, Вант-Гофф обратил внимание, что осмотическое давление в разных растворах получается одинаковым, если измерять концентрацию не в граммах на литр, а в молях, т. е. существенной является не масса, а число молекул растворённого вещества. Допустив, что молекулы растворённого вещества ведут себя как молекулы идеального газа он решил, что для выражения осмотического давления можно использовать уравнение Менделеева-Клапейрона. [7]

Рисунок 29. Осмометр Пфеффера.

За теорию растворов Вант-Гофф спустя 15 лет получил Нобелевскую премию по химии. Вот такой важный вклад в науку внёс Де Фриз, поговорив с Вант-Гоффом.

Осмос играет исключительно важную роль в живой природе. Это явление лежит в основе корневой системы питания растений. Благодаря осмосу влага в растениях поднимается и удерживается на высоте в десятки метров.

Питание представителей царства животных также происходит благодаря осмосу. Кровь и лимфа животных – это растворы органических и неорганических веществ. Если концентрация веществ в пищеварительном тракте ниже, чем в крови, влага с питательными веществами всасывается в кровь. Если же концентрация веществ в крови по каким-то причинам окажется ниже, чем в кишечнике (животное объелось соли), всасывание меняет направление, организм обезвоживается, животное погибает.

Осмос оказался причиной внутреннего давления в клетке, именно благодаря ему наши клетки выглядят округлыми и упругими.

Растворы, имеющие одинаковое осмотическое давление, называются изотоническими. Если два раствора имеют различное осмотическое давление, то раствор с бо́льшим осмотическим давлением является гипертоническим, а с меньшим – гипотоническим. При нахождении клеток в изотоническом растворе они сохраняют свой размер и нормально функционируют.

Если же поместить клетки в гипотонический раствор, вода из менее концентрированного внешнего раствора станет переходить внутрь клеток, что приведёт к их набуханию, некоторое время клетка ещё может сохранять целостность, но если процесс не прекращается клеточная оболочка разорвётся и её содержимое вытечет наружу. Такое разрушение клеток называется лизисом.

При помещении клеток в гипертонический раствор вода из клеток уходит в более концентрированный раствор, и наблюдается сморщивание (обезвоживание) клеток. Это явление называется плазмолизом.

Живая клетка представляет собой осмотическую систему. Её мембрана хорошо проницаема как для воды, так и для растворённых питательных веществ.

Осмос, в свою очередь, это результат диффузии воды или другого растворителя через полупроницаемую перепонку, вызванной разностью концентраций или разностью химических потенциалов. Наблюдения за данными явлениями позволяют изучить многие свойства клетки.

Теория электролитической диссоциации

Второй основополагающей предпосылкой для современного объяснения механизма возникновения и проведения нервного возбуждения стала теория электролитической диссоциации шведского учёного Сванте Аррениуса (Arrhenius, Svante August, 1859—1927).

Теория Вант-Гоффа отлично подтверждалась для многих растворов, например, для сахарозы или для водного раствора CO_2. Но для некоторых веществ осмотическое давление оказывалось вдвое больше расчётного. Погрешность составляла ровно 100%. Вряд ли её можно было объяснить неточностью измерений.

Обдумывая возможные причины этого расхождения, единомышленник Вант-Гоффа Аррениус догадался, что если, например, для поваренной соли давление оказывается вдвое больше расчётного, то значит, в растворе вдвое больше частиц, чем молекул NaCl, то е. молекула NaCl в воде распадается на две частицы: Na и Сl.

Таким образом, суть теории Аррениуса состоит в следующем: при растворении молекул неорганических и органических кислот, гидроксидов и солей они распадаются (дисоциируют) на ионы:

HСl на Н+ и Cl —,

NaOH на Na+ и OH—,

K_2SO_4 на 2K+ и SO_4—.

Ионы представляют собой заряженные частицы, которые состоят из отдельных атомов, или из групп атомов. Именно эти ионы являются носителями электричества в жидкостях, в отличие от металлов, где перенос электричества осуществляют электроны.

Аррениус пришёл к идее электролитической диссоциации. Суть её в том, что частицы, на которые распадаются многие вещества в растворах, и есть те самые ионы – носители электрических зарядов, с помощью которых ещё Фарадей объяснял законы электролиза.

До Аррениуса учёные полагали, что ионы возникают под влиянием электрического тока, но исследования явления осмоса показало, что это не так. Уже в самом растворе даже в отсутствие электричества имеются и движутся заряженные атомы и молекулы.

На основе идеи электролитической диссоциации были даны первые научные определения понятием «кислота» и «основание», согласно которым кислота (например, HCl) это водородосодержащее соединение при диссоциации которого образуются ионы водорода, а основание – например, NaOH, соединение при диссоциации которого образуются ионы гидроксида.

Причины, приводящие к явлению диссоциации, в теории Аррениуса не рассматривались. Не обсуждался также вопрос о том, почему заряженные частицы, на которые должны были бы распространяться законы электростатики, не взаимодействуют друг с другом в растворе [40].

В 1903 году Сванте Аррениус за теорию электролитической диссоциации получил Нобелевскую премию в области химии.

Обычно в книгах по неврологии идёт отсылка к теории Аррениуса, а дальше описываются мембранные потенциалы, как само собой разумеющееся. Но для любопытного читателя замечу, что в теории электролитической диссоциации рассматриваются чисто электрохимические процессы в электролите. Она больше подходит к разборкам в споре между Луиджи Гальвани и Александром Вольта.

В 1890 году Вильгельм Оствальд (1853—1932), продолжая исследования полупроницаемых искусственных плёнок, совместил све́дения об осмосе с положениями теории диссоциации. Он обнаружил, что полупроницаемость плёнок может вызвать не только осмос, но и стать причиной электрических явлений.

Осмос возникает тогда, когда сквозь мембрану приникают относительно мелкие молекулы растворителя (например, воды), но не проходят крупные молекулы растворенного в ней вещества. Но ведь в электролите и ионы могут иметь разные размеры!

Если взять жидкость в сосуде разделить её полупроницаемой плёнкой на две части, в левую и правую части сосуда добавить электролит разной концентрации, и если сквозь плёнку могут проникать только относительно мелкие ионы, например, отрицательные, то после диффузии электролита между левой и правой половинами сосуда возникнет разность электрических потенциалов.

Оствальд также предположил, что свойствами полупроницаемой мембраны можно объяснить возникновение электрических потенциалов мышц, нервов, а также электрических органов рыб. Идея Оствальда, как ни странно, оказалась незамеченной ни биологами, ни физиологами того времени. И только Юлиус Бернштейн (J. Bernstein) спустя десять лет смог по достоинству её оценить.

Теория Чаговца

Но в это десятилетие произошло одно интересное событие. Российский физиолог Василий Юрьевич Чаговец (1897—1941) в 1898 году опубликовал в «Неврологическом вестнике» первую в истории теорию происхождения биоэлектропотенциалов. Чаговец одним из первых применил для объяснения эффекта электрогенеза теорию электролитической диссоциации Аррениуса, поэтому и работу свою назвал: «О применении теории диссоциации растворов электролитов Аррениуса к электрофизиологии».

Опирался он и на представления Лудимара Германа о том, что ток покоя является альтерационным1 током.

Чаговец рассуждал так: если мышцу возбудить, то обмен веществ в участке возбуждения резко возрастёт (по данным Германа, мышца в состоянии те́тануса выделяет в 6,5 раз больше СО_2, чем покоящаяся мышца). Следовательно, в этом участке значительно увеличится количество метаболитов, в том числе и угольной кислоты, которая диссоциирует на ионы водорода и ионы СО_2.

Эти ионы по закону диффузии потекут от возбуждённого или повреждённого участка к покоящемуся (неповреждённому).

Но подвижность ионов водорода намного выше, чем скорость перемещения ионов СО_2, поэтому очень скоро неповреждённый участок приобретает положительный потенциал, повреждённый же – отрицательный.

Теоретический расчёт Чаговца показал, что разность потенциалов между возбуждённым и покоящимся участками должна равняться 0,038 В (при условии, что интенсивности метаболизма в возбуждённой мышце в 6,5 раз выше, чем в покоящейся).

Чаговец проверяет соответствие теоретически предсказанных значений биопотенциалов экспериментальным. Практические измерения дали в среднем величину 0,043 В (при разбросе от 35 до 50 мВ). То есть, величи́ны, вычисленные теоретически и найденные практически, оказались довольно близкими. Расхождения Чаговец объяснил тем, что поперечный разрез является более сильным раздражителем, чем обычное.

Для своего времени теория Чаговца, как видно из этих рассуждений, была хорошо аргументированной. Однако, она содержала ряд спорных моментов. Например, не вполне корректным было число 6.5, указанное Германом. Также, трудно было согласиться с тем, что в электрогенезе играет роль только углекислота, ведь если повреждённую поверхность нейтрализовать щелочным раствором, она тем не менее не меняет своего отрицательного заряда.

К этому следует прибавить, что не были учтены последние открытия Пфеффера в области полупроницаемых мембран (1877).

1 Альтера́ция (от лат. alterare – изменять) – общее название изменения структуры клеток, тканей и органов, сопровождающееся нарушением их жизнедеятельности.

Мембранная гипотеза Бернштейна

В соответствии с теорией Аррениуса, опираясь на идеи Оствальда и исследования явлений осмоса, Бернштейн предположил, что возникновение и проведение нервного импульса обусловлено перемещением ионов между нервным волокном и внеклеточной средой.

Именно Бернштейн, работая тогда вместе с Германом, доказал прямыми экспериментами, что возбуждённый участок поверхности мышцы или нерва на очень короткий промежуток времени приобретает потенциал, отрицательный по отношению к невозбуждённой или неповреждённой поверхности.

В 1902 году Юлиус Бернштейн (Bernstein, 1839—1917) выдвинул гипотезу, согласно которой клеточная мембрана пропускает внутрь клетки ионы К+, и они накапливаются в цитоплазме создавая на поверхности электрический потенциал – потенциал покоя. Согласно этой гипотезы, при возбуждении клетки, её мембрана «повреждается», и ионы К+ выходят из неё до тех пор, пока потенциал мембраны не становится равным нулю. Затем мембрана восстанавливает свою целостность, а потенциал возвращается к уровню потенциала покоя.

Что такое потенциал покоя, и что такое электрический потенциал? Проще всего это можно пояснить на примере обыкновенной пальчиковой батарейки. У неё есть два контакта (полюса) «плюс» и «минус». Напряжение батарейки 1,5 вольта. И разность потенциалов между плюсом и минусом как раз и составляет полтора вольта. То есть, можно представить, что на одном полюсе батарейки потенциал плюс 0,75 В, а на другом – минус 0,75 В. Разница между плюсом и минусом составит те самые 1,5 В. Разность потенциалов и величина одного потенциала измеряются в вольтах (В).

Напряжение – это разность потенциалов между двумя точками. Напряжение определяется исключительно относительно некоторого уровня, обозначается буквой U.

Потенциал покоя – это разность электрических потенциалов между внутренней и наружной сторонами мембраны, когда клетка находится в состоянии физиологического покоя. С точки зрения физика, приведённое выше определение неправильное. Потенциал не может быть разностью потенциалов. Но у медиков принята именно такая терминология. Его средняя величина для нейрона составляет 70 мВ (70*10—3 В).

Отметим, что заряд мембраны измеряется изнутри клетки, а не снаружи. Проще говоря, снаружи вокруг клетки будут преобладать «плюсики», т. е. положительно заряженные ионы, а внутри – «минусики», т. е. отрицательно заряженные.

Согласно идее Бернштейна, в клетке всегда есть электричество, её внутренняя часть заряжена отрицательно по отношению к наружной среде, а эта разность потенциалов и есть причина электрического тока. Поэтому он предположил, что при раздражении в клеточной мембране действительно возникает «дырка», но не реальная, как при разрезе или проколе, а «электрическая», дырка для токов, т. е. мембрана становится проницаемой не только для калия, стремящегося внутрь, но и для других ионов.

Из этой гипотезы напрашивался вывод, определяющий содержание контрольного эксперимента: проверить сопротивление в области возбуждения мембраны, оно должно снижаться за счёт этой «дырки». Бернштейн сделал попытку проверить это предсказание экспериментально. Но продолжить развитие и обоснование своей гипотезы, увы, не успел: его книга с описанием открытия вышла в 1912-м, этот год и считается годом рождения мембранной теории биопотенциалов, вскоре началась Первая мировая война, а в 1917 году Бернштейн умер.

Гипотеза Бернштейна о генерации потенциала покоя на клеточной мембране была встречена в научном сообществе без особого энтузиазма. В глазах современников она выглядела не более чем оригинальной гипотезой и требовала экспериментальных подтверждений. У скептиков главными аргументами были: во-первых, отсутствие экспериментальных доказательств существования само́й мембраны – её увидели в электронный микроскоп лишь в 1950 году, и во-вторых, наличие ионов калия внутри клетки подтверждалось лишь косвенными данными.

Из трёх основных «действующих лиц» мембранной теории Бернштейна: мембраны, наружной среды и внутриклеточной среды, достаточно хорошо на тот момент была исследована лишь наружная среда, и не только потому, что она была наиболее доступной. [14]

Химическим составом среды, окружающей клетки организма, биологам уже давно приходилось заниматься. При проведении экспериментов на изолированных о́рганах их следует хранить в специальном растворе. Например, лягушачью лапку нельзя подолгу оставлять просто на воздухе – она высохнет и перестанет работать, но нельзя и поместить её в чистую воду – под действием осмоса клетки препарата погибнут.

Таким образом, важный для мембранной теории солевой – а значит и ионный – состав внеклеточных жидкостей был хорошо известен врачам. Оказалось, что основу этой жидкости составляет 9% раствор простой поваренной соли NaCl (физраствор).

Примечателен и очень важен для мембранной теории тот факт, что, соотношение концентраций ионов натрия и калия в среде, окружающей клетки организма, примерно одинаково для всех животных – от медузы до человека. Независимо от концентрации, количество калия в растворе примерно в 50 раз меньше, чем натрия. Так что, у всех животных межклеточная среда по существу представляет собой в бо́льшей или меньшей мере разбавленную морскую воду.

Между тем, в 1908 году была опубликована модель биоэлектрогенеза Вальтера Нернста (Nernst, 1864—1941). Биоэлектрогенез – это процесс генерации электричества живыми организмами.

Нернст взял сосуд с растворами КCl разной концентрации, разделёнными полупроницаемой мембраной. Из-за различия в проницаемости мембраны для катионов К+ и анионов Сl-, за определённое время через мембрану проходит гораздо больше ионов калия, чем хлора. В результате, в растворе с низкой концентрацией возникнет избыток К+, и раствор приобретёт положительный заряд, а в растворе с более высокой концентрацией остаётся больше Cl-, и этот раствор станет отрицательно заряженным. Так как эти заряды притягивают друг друга, то на мембране возникнет двойной электрический слой – по одну сторону скопятся положительные заряды (ионы К), а по другую – отрицательные (ионы Cl). Вследствие этого на мембране возникнет разность потенциалов. Этот постоянный потенциал назвали диффузионным. Справедливости ради заметим, что ещё в 1890 году Вильгельм Оствальд провёл аналогичный опыт. Но важной заслугой Нернста стало математическое описание этого процесса (формула Нернста):

η = μ+zψF

где

μ – химический потенциал,

z – валентность вещества,

ψ – электрический потенциал фазы,

F – число Фарадея.

Нернст изучал поведение электролитов при пропускании электрического тока и открыл закон, устанавливающий зависимость между разностью потенциалов и ионной концентрацией. Уравнение Нернста позволяет рассчитать максимальный рабочий потенциал, который может быть получен в результате электрохимического взаимодействия, при заданных давлении и температуре. Таким образом, этот закон связывает термодинамику с электрохимической теорией в области решения проблем, касающихся сильно разбавленных растворов.

Именно по этой формуле Бернштейн в 1912 году рассчитал величину потенциала покоя для К+ совпавшую с экспериментально измеренным потенциалом между саркоплазмой мышцы и окружающей средой, который составлял около – 70 мВ.

Оставалось экспериментально доказать наличие биоэлектрогенеза в живой клетке.

До современного представления о распространении нервного импульса оставались считаные шаги, но ещё многие годы исследования.

«Язык головного мозга». Гассер и Эрлангер

Ещё в 1868 году молодой немецкий физиолог Юлиус Бернштейн с помощью изобретённого им дифференциального реотома сумел определить форму нервного импульса. Она оказалась колоколообразной.

Спустя несколько десятилетий, в начале 1900-х американский учёный Герберт Гассер (Gasser Herbert Spencer, 1888—1963) вместе с коллегой Жозефом Эрлангером (Joseph Erlanger, 1874 – 1965) задались целью усиления и визуализации электрических сигналов отдельных нервных волокон.

Гассер понимал, что для регистрации амплитуды нервного импульса нужен более современный прибор, чем гальванометр. Этот прибор должен был одновременно прочитать все параметры электрического сигнала, визуализировать и записать их на ленту. Говоря современным языком, учёный нуждался в осциллографе.

Различные варианты осциллографов начали появляться с 1880 года и к 1920 году прибор представлял собой катодную трубку – аналог электроннолучевых кинескопов, которые применялись в наших телевизорах до появления плазм и ЖК-экранов.

У Гассера не получилось договориться с компанией-производителем и получить их прибор, поэтому они с Эрлангером создали собственную электровакуумную трубку из колбы для дистилляции воды. Именно таким самодельным осциллографом учёные зарегистрировали первую в мире осциллограмму с записью электрических импульсов, возникающих в нервных клетках.

В периферической нервной системе отдельные волокна объединены в нервные стволы (нервы). В одном нерве могут быть тысячи нервных волокон. Волокна в нервах могут быть миелиновыми и безмиелиновыми. В естественных условиях каждое волокно возбуждается от своего источника, и электрические потенциалы в них проводятся несогласованно. Кроме того, по чувствительным (афферентным) и двигательным (эфферентным) волокнам импульсы бегут на встречу друг другу. Результирующая электрическая активность нерва создаётся электрической активностью всех составляющих его волокон. В связи с этим анализ суммарной электрической активности нерва (нейрограммы) представлял трудную задачу. Учёные поначалу зафиксировали только «белый шум» на экране осциллографа, но догадались, что – это не что иное, как совокупность электрических импульсов от множества нейронов. Ведь измерения проводились не на отдельном нейроне, а на нерве, похожем на многожильный кабель.

Они предположили, а потом и доказали, что скорость проведения электрического потенциала зависит от толщины нервного волокна. Чем тот толще, тем быстрее способен передавать сигнал. Такое предположение впервые выдвинул шведский физиолог Густав Гётлин ещё в 1907 году, но с тех пор никто не пытался проверить или опровергнуть его.

Для наглядности классификации Гассер свёл все параметры в единую таблицу, которую и поныне можно найти в медицинских справочниках.

Эти опыты значительно продвинули учёных в понимании механизма прохождения нервного импульса и легли в основу нейрофизиологии. Все полученные све́дения позднее были применены в модели нервной проводимости, разработанной Аланом Ходжкином и Эндрю Хаксли в 1952 году.

В 1937 годe Гассер и Эрлангер опубликовали совместную книгу «Электрическая регистрация нервной деятельности». А в 1944 им вручили Нобелевскую премию «за открытия, имеющие отношение к высокодифференцированным функциям отдельных нервных волокон». Церемонию награждения во время Второй мировой войны не проводили, только по радио транслировали поздравительную речь. Но в 1947 году они всё же прочитали свои Нобелевские лекции «Нервные волокна млекопитающих» в Стокгольме.

Кабельная теория и подводные кабельные линии

Проводя своё расследование источников современных представлений о нейроне, я раскопал и эту историю. Она показалась мне настолько интересной, что рискнул вам о ней рассказать.

О строительстве первых трансатлантических телеграфных линий написал тогда ещё не фантаст, но уже замечательный писатель Артур Кларк в своей научно-популярной книге «Голос через океан» [41] в 1940-х годах. Книга настолько интересна, что вероятно повлияла и на исследователей нервного импульса. Тем более что содержала едва ли не прямое на то указание, например, «…этот кабель – жизненный нерв современного общества, подобный нервам живого организма, это неотъемлемая часть общей мировой системы связи…» или «Человеческое общество совершенствует свою „нервную систему“, стараясь „чувствовать“ каждую часть своего организма… Связь и есть та нервная система, которая позволяет знать, что делается в данный момент в любой части мира.»

Стоит отметить, что в книге А. Кларка описаны события более чем полутора вековой давности. Как когда-то древние римляне сравнивали нервы с виадуками, так и современники описываемых событий сравнивали нервные импульсы с последними технологическими достижениями. Поэтому не удивительно, что компетентнейший учёный тех лет Герман Гельмгольц писал: «Нервные волокна часто сравнивают с телеграфными проводами, пересекающими местность, и это сравнение хорошо приспособлено для иллюстрации удивительных и важных особенностей их образа действия. В телеграфной сети везде мы обнаруживаем те же медные или стальные провода, несущие только один вид движения, поток электричества, но вызывающие самые разные результаты на разных станциях в соответствии с дополнительной аппаратурой, с которой провода соединены. На одной станции эффект состоит в звонке колокольчика, на другой сигнал просто передаётся дальше, на третьей вступает в работу записывающий аппарат. …Говоря коротко, каждое из… различных действий, вызываемых электричеством, может быть вызвано и передано проводом в любую необходимую точку. При этом в проводе происходит один и тот же процесс, приводящий к самым разным последствиям. …Та разница, которую мы видим при возбуждении различных нервов, заключается только в разнице самих органов, к которым присоединён нерв и которым передаётся состояние возбуждения». [42]

Поэтому, возможно, в 1940-х годах, с подачи Лудимара Германа, Алан Ходжкин со своими коллегами математически применили кабельную теорию Томсона (Кельвина) к аксонам беспозвоночных, тем самым положив начало современному математическому описанию и моделированию нейронов.

С чего всё началось. Первый подводный кабель, передающий электрический сигнал, был проложен в Мюнхене по дну реки Изар в 1811-м году. Идея принадлежала немецкому врачу и изобретателю Зёммерингу (Samuel T. von Soemmering).

Однако из-за отсутствия технологии эффективной гидроизоляции долгое использование подобного кабеля не представлялось возможным. Лишь изобретение в 1847 году Сименсом технологии изготовления изоляции из гуттаперчи1 позволило начать работы по прокладке кабеля между Кале и Дувром (который, кстати, разорвался после пересылки первой же телеграммы, а год спустя после замены его новым армированным кабелем, тоже прослужил недолго).

В 1856 году было основано акционерное общество «Atlantic Telegraph Company», которое в 1857 году приступило к укладке 4500-километрового армированного телеграфного кабеля через Атлантический океан. Кабель, весивший около 550 кг/км, состоял из семи медных проводов, покрытых тремя слоями гуттаперчи и защитной оболочкой из стальных тросов.

В августе 1857 года корабли «Агамемнон» и «Ниагара» начали прокладку от юго-западного берега Ирландии, однако, из-за разрыва кабеля работу пришлось отложить на год.

Вторая попытка была предпринята летом 1858 года. На этот раз решили начать прокладку от точки стыковки в океане, примерно посередине между Ирландией и Ньюфаундлендом. 26 июля «Агамемнон» и «Ниагара», каждый со своей половиной кабеля на борту, встретившись в Атлантическом океане, соединили половины кабеля, опустили его в воду и начали укладку в разных направлениях.

В процессе прокладки кабель несколько раз разрывался, и кораблям приходилось возвращаться, чтобы начать заново.

5 августа корабли достигли своих пунктов назначения – островов Валентия и Ньюфаундленд, – и была установлена первая трансатлантическая телеграфная линия, соединяющая Старый и Новый Свет. 16 августа 1858 года королева Великобритании Виктория и президент США Джеймс Бьюкенен обменялись поздравительными телеграммами. Приветствие английской королевы состояло из 103 слов, передача которых длилась 16 часов! Никто до этого и предположить не мог, что скорость передачи будет столь далека от скорости света. Телеграфировать в таком медленном темпе приходилось потому, что из-за огромной электрической ёмкости и сопротивления длинного кабеля короткие импульсы тока «расплывались» на приёмном конце подобно чернильным кляксам на промокашке.

Уже в сентябре 1858 года связь была нарушена. Видимо, ввиду недостаточной гидроизоляции, кабель был испорчен коррозией. Другой возможной причиной разрушения стали слишком высокие напряжения – 2000 вольт, подаваемые на линию с английской стороны с целью ускорения передачи.

В пятидесятых годах XIX века Уильям Томсон (Кельвин, William Thomson, 1-st Baron Kelvin, 1824 – 1907) заинтересовался проблемами трансатлантической телеграфии. Вообще-то, предметом его исследований были процессы, происходящие в проводнике между моментом подачи на него напряжения и тем моментом, когда это напряжение достигнет заданной величины. Побуждаемый собственным любопытством и неудачами первых пионеров-практиков, Томсон теоретически исследовал вопрос распространения электрических импульсов по кабелю и пришёл к заключениям величайшей практической важности, давшим впоследствии возможность осуществить телеграфирование через океан.

Многие ошибочно полагают, будто электрический ток идёт по проводу со скоростью света, равной 300 000 километров в секунду. На самом же деле ток течёт по проводам в несколько раз медленнее, чем распространяется свет.

Скорость тока в кабеле тем меньше, чем больше его электрическая ёмкость, измеряемая в Фарадах. К счастью для телеграфной связи, на первых порах это явление не оказывало практически никакого влияния. Ёмкость коротких линий была столь мала, что сигналы проходили по ним без сколько-нибудь заметной задержки. Но когда были проложены трансконтинентальные кабели, эта задержка послужила источником многих проблем.

Исследования Томсона привели к открытию его знаменитого «закона квадратов», согласно которому скорость телеграфирования по кабелю обратно пропорциональна квадрату его длины. Иначе говоря, увеличив длину кабеля, например, в 10 раз, мы получим снижение скорости передачи в 100 раз. Безусловно, что такое открытие имело исключительно важное значение для подводного телеграфирования на дальние расстояния.

Компенсировать уменьшение скорости передачи по длинным телеграфным линиям инженеры того времени могли исключительно, увеличивая диаметр токопроводящей жилы и улучшая гидроизоляцию.

Спустя шесть лет, в 1864 году началась укладка 5100-километрового кабеля с улучшенной изоляцией, 7-проволочная медная жила была изолирована четырьмя слоями гуттаперчи и покрыта сначала пропитанной пенькой, затем десятью стальными бронепроволоками, каждая из которых предварительно обмотана слоем пеньки. На береговые концы трансатлантического кабеля конструкции 1865 года поверх глубоководного кабеля наложены пеньковая подушка и усиленная броня, состоящая из 12 тросов, каждый из которых скручен из трёх стальных проволок [41].

1 Гуттаперча – смола, добываемая из растения pertja, высокомолекулярный углеводород, идентичный по химическому составу с натуральным каучуком

Рисунок 32. Трансатлантический телеграфный кабель конструкции 1865—1866 гг. Разделанный конец и поперечное сечение кабеля.

В качестве кабелеукладчика было решено задействовать крупнейшее судно тех времён – британский пароход «Грейт Истерн» водоизмещением 32 тысячи тонн. 31 июля 1865 года при укладке опять произошёл обрыв кабеля. Лишь в 1866 году со второй попытки удалось уложить кабель, который обеспечил долговременную телеграфную связь между Европой и Америкой.

Спустя 10 лет с помощью значительно лучше изолированного кабеля удалось проложить сразу несколько трансатлантических телеграфных линий с большей долговечностью. И к 1919 году число кабелей достигло 13, большинство из них принадлежали Великобритании.

А как же скорость и качество передачи данных? Предложенное Томсоном решение улучшило качество связи, но, увы, оно ещё долгие годы оставалось крайне низким.

В чём же заслуги Томсона? Во-первых, он объяснил причину возникающих проблем. Всё дело в том, что морская вода, несмотря на все усилия конструкторов кабеля попадала под его внешнюю броню и это приводило к значительному увеличению электрической ёмкости между ней и центральной жилой. При этом внешняя морская среда становилась участником процесса передачи сигнала, чего не происходило на суше. Во-вторых, Томсон предложил оригинальную идею, которая не решила возникших проблем, зато позволила их обойти. Суть её в том, чтобы приёмное устройство фиксировало не весь сигнал: точка или тире, а только его начальный фронт. Для этого нужно было вместо увеличения мощности отправляемого сигнала, усилить чувствительность принимающего устройства. Эта задача была частично решена благодаря внедрению сконструированного Томсоном же чувствительного зеркального гальванометра.

Окончательно все проблемы были сняты только при строительстве трансатлантического телефонного кабеля TAT-1, который был проложен почти сто лет спустя между городами Обаном (Шотландия) и Кларенвиллем (Ньюфаундленд) в 1956 г. Эта телефонная линия содержала 51 усилитель, расположенный на расстоянии 70 км друг от друга. Именно внедрение промежуточных усилителей-ретрансляторов позволило осуществлять телеграфное, и даже телефонное, сообщение приемлемого качества. До того момента, начиная с 1927 года, телефонное сообщение между Старым и Новым Светом осуществлялось по радио в длинноволновом диапазоне.

Вот такова предыстория кабельной теории распространения нервного импульса.

Кабельная теория нервного импульса

Впоследствии распространилось мнение, что подводный кабель схож по своим свойствам с нервным волокном. Он имеет токопроводящие сердцевины, покрытые изолирующей оболочкой, и окружён морской водой. Так же и нейроны находятся в соляном растворе. И, поскольку изоляция кабеля не является совершенной, то существует конечное сопротивление утечки через изолятор. Видимо, учёные увидели в этом аналогию с проницаемостью мембраны. Значительные количественные и качественные различия между кабелем и нейроном состоящие в том, что кабельные жилы сделаны из меди и являются намного лучшим проводником, чем электролитический раствор нейрона, а также то, что кабельное покрытие – это настоящий изолятор, в отличие от мембраны клетки, не были приняты во внимание.

Тот факт, что по центральной жиле кабеля течёт ток, а в нейроне мембранный потенциал распространяется по мембране, также не учли. Эту основу основ электрических свойств нейрона попросту проигнорировали.

Основная задача кабельной теории Томсона – объяснить причины замедления сигнала и увеличить дальность передачи телеграфных сообщений в очень длинных кабельных системах, тоже была отодвинута в сторону. Как и несопоставимость масштабов процессов, происходящих в тысячекилометровых кабельных линиях и сравнительно коротких нейронах. Зато стали активно исследовать процесс затухания нервного импульса в аксоне, в то время как один из основополагающих законов распространения нервного импульса звучит так: Всё или ничего. То есть потенциал действия не может затухать, он либо есть, либо его нет. Но, никакой другой, более подходящей теории на тот момент не нашлось.

Теория местных токов

Что такое местные токи, на основе которых строится кабельная теория распространения потенциала действия? Давайте попробуем разобраться.

Итак, предположим, к аксону приложен стимулирующий электрод. В результате в точке его приложения возникнет некоторый электрический потенциал. Но как этот потенциал будет изменяться по мере удаления от точки раздражения? Ответ найден экспериментально – он уменьшается. Дальше логика исследователей такова: поскольку потенциалы, измеренные в двух разонудаленных точках, отличаются, то существует некоторая разность потенциалов между ними. А дальше совсем просто. Зная разность потенциалов – U и измерив сопротивление мембраны R, по закону Ома вычисляем ток I=U/R.

Чудо! Скажет кто-то. Но это «чудо» объясняют электрикам 1-го (низшего) разряда на инструктаже по технике безопасности. «Подходить к находящемуся под напряжением проводу, лежащему на земле, следует мелкими шажками». Явление это так и называется «шаговое электричество».

Вот эти-то токи, возникающие вблизи возбуждённой области, Лудимар Герман назвал «местными токами», поэтому и его теорию называют теорией местных токов. [23]

Идея Германа состояла в том, что токи, возникающие на некотором отрезке возбуждённого волокна, выступают в роли раздражителя для соседних точек того же са́мого волокна; в результате возбуждение переходит на соседнюю область, которая, в свою очередь, становится раздражителем для следующего ещё невозбуждённого участка волокна, и т. д. И точка максимального потенциала, о которой мы говорили в самом начале начинает двигаться по мембране. «Ну это вряд ли», – скажет вам электрик 1-го разряда. Напряжение будет уменьшаться и уменьшаться по мере удаления, пока совсем не сойдёт на нет, а вместе с ним и ток.

Рисунок 33. Измерение местных токов.

Было установлено, что значение потенциала уменьшается по мере удаления от источника возбуждения по экспоненциальному закону:

ψ i= ψ 0 * e -1/λ

где ψ_0 – значение потенциала в точке возбуждения, ψl – значение потенциала в точке, расположенной на расстоянии λ от источника возбуждения, λ – константа длины нервного волокна, равная расстоянию, на котором величина потенциала убывает в e раз (е=2,718281828…).

Константа λ зависит от удельного электрического сопротивления оболочки нервного волокна ρm, удельного электрического сопротивления цитоплазмы ρi и радиуса нервного волокна r:

Чем больше λ, тем больше скорость распространения нервного возбуждения. Как следует из приведённой выше формулы, λ тем больше, чем больше радиус нервного волокна и чем больше удельное электрическое сопротивление мембраны нервного волокна.

Вот тут-то и пригодилась кабельная теория Томсона с её волновыми процессами. Чтобы они возникли надо было добавить в схему нелинейные электрические элементы – ёмкость (С) и индуктивность (L). С индуктивностью вышла промашка, в трансатлантическом кабеле она была, а вот в нейроне, увы, нет (слишком короток). Зато с ёмкостью всё сложилось складно. Именно ёмкость между внутренней жилой и внешней средой стала причиной рождения кабельной теории Томсона. У клетки также есть внутренняя среда и внешнее межклеточное пространство разделённое диэлектриком-мембраной. Стоп, кажется, раньше мембрана не была диэлектриком, а вполне успешно обладала вполне конкретным сопротивлением R. Ну ничего страшного, решили учёные. Значит, мембрана обладает двумя сопротивлениями: одно вдоль, а другое поперёк мембраны и назвали его Rm.

Стоит отметить, в 1923 году (голландские физиологи) И. Гортер и А. Грендел сделали предположение, что липиды в мембране располагаются в два слоя.

Они провели оригинальный эксперимент: поместили эритроциты в пресную воду, при этом по градиенту концентрации вода должна проходить через мембрану в клетку. При этом эритроциты разбухают, мембраны их лопаются и клетки теряют содержимое. Остаются лишь прозрачные наружные мембраны. Это позволило прояснить структуру клеточных мембран. Липиды были экстрагированы ацетоном из мембран эритроцитов. Помещённые на поверхность воды липиды образовывали пятна толщиной в одну молекулу. Измерив площадь этого слоя, авторы определили, что она вдвое больше, чем площадь всех мембран эритроцитов, из которых липиды были извлечены. Было высказано предположение, что липиды в мембранах располагаются в два слоя.

А двойной фосфолипидный слой биологической мембраны вскоре был уподоблен конденсатору, в котором слои́ играют роль обкладок. Это предположение сделали биологи К.С.Кол и Г. Кертис в своих исследованиях электрических параметров биологических мембран в 1939 году. Именно они вычислили высокое электрическое сопротивление монослоя липидов Rm = 10^7 Ом/м^2 и большую электрическую ёмкость бислоя мембраны С = 10—2 Ф/м^2. Кстати, эти два талантливых учёных вычислили электрическую ёмкость клетки вцелом, а эквивалентную схему с множеством RC-контуров предложили Ходжкин и Хаксли.

Оставалась последняя неувязка – отсутствие в цепи индуктивности. Без неё не работает электрический колебательный контур. Ну и ладно, пусть роль индуктивности играет то самое поперечное сопротивление Rm.

Так возникла первая эквивалентная электрическая схема нервного волокна.

Рисунок 34. Эквивалентный контур, гипотетического кабеля. Сопротивления и ёмкости соединены через продольные наружные и внутренние сопротивления. Мембранное сопротивление RM, продольное сопротивление Rn и ёмкость СM произвольно расчленены на отдельные элементы 0, 1, 2, 3, 4. Цветные стрелки показывают направление тока.

Ныне теория местных токов Германа общепризнана и составляет основу электробиологии наряду с мембранной теорией Бернштейна.

И от этой точки начали расти и множиться теории и объяснения процессов, происходящих при распространении нервного импульса.

Безусловно, наука только тогда становится наукой, когда исследуемые процессы описаны на языке математики.

Но в результате спорная, в общем-то, гипотеза получила такое математическое углубление, что уже просто не может не вызывать абсолютного к себе доверия.

Интересно, если бы Кларк написал свою книгу о строительстве нефте– и газопроводов, история пошла бы другим путём? И мы сравнивали бы сейчас нервные волокна с водопроводными трубами?

Но, как бы то ни было, именно предложенная в 1905 году Германом кабельная теория, дала первое объяснение механизма передачи возбуждении по нервному волокну.

Ходжкин и Хаксли (Hodgkin & Huxley)

Ходжкин и Хаксли получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1963 года «за открытия, касающиеся ионных механизмов, участвующих в возбуждении и торможении в периферическом и центральном участках мембраны нервной клетки».

Но что конкретно они сделали, в чём их заслуга? Условно, в работах Ходжкина и Хаксли можно выделить три основные направления:

Они развили и дополнили мембранную теорию Бернштейна объяснив, как распространяется вдоль нервного волокна бегущая волна ПД1.

Объяснили, как восстанавливается ионный баланс, обеспечивающий ПП, после прохождения ПД.

Создали математическую модель описывающую генерацию и распространение потенциалов действия в нейронах.

1 ПД – потенциал действия, ПП – потенциал покоя

Развитие мембранной теории

Предсказание Бернштейна об изменении проницаемости мембраны при возбуждении удалось проверить только спустя четверть века, в 1938 году. Хотя возобновившееся после Первой мировой войны изучение свойств мембраны совершенствовалось, технические трудности были слишком велики: ведь надо было уловить изменение электрического потенциала, которое длится всего несколько миллисекунд!

Первого прорыва достигли в 1937 году американские биологи К.С.Кол и Г. Кертис, которые догадались вместо традиционных нерва или мышцы лягушки исследовать клетку водоросли. То, что растения способны к генерации электрических потенциалов, учёным известно было давно. Знали они и то, что все электрические процессы у растений идут значительно медленнее. Оставалось найти только клетку побольше – такая, с диаметром около полмиллиметра, нашлась у водоросли нителлы.

На этом неожиданном объекте и провели свой опыт Кол и Кертис. Они обнаружили, что при возбуждении сопротивление мембраны, как и предсказывалось, уменьшается, правда, не до нуля, но существенно, почти в 200 раз.

Через год, в 1938 году, одновременно две группы исследователей в двух местах – К.С.Кол и Г. Кертис, работавшие на морской станции Океанологического института в Вудс-Холе, и Ходжкин с Хаксли, работавшие на морской станции в Плимуте, измерили потенциал действия и потенциал покоя на новом модельном объекте – гигантском аксоне кальмара.

Гигантские аксоны есть у многих беспозвоночных. Но у кальмара он особенно крупный – диаметр его у обычных кальмаров рода Loligo (с длиной тела 30—40 см) достигает 1 мм, а у некоторых видов ещё в 2—3 раза больше.

Гигантские аксоны были описаны ещё в начале ХХ века; но об открытии забыли, и все считали их кровеносными сосудами. «Переоткрыл» гигантские аксоны зоолог Джон Янг в 1936 году. И не только переоткрыл, но и предложил физиологам использовать их для работы. Совет оказался очень удачным. Наилучшим образом им воспользовались Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли, получившие за свою работу Нобелевскую премию.

На этом этапе Алану Ходжкину и Эндрю Хаксли по образцу экспериментов Кеннета Кола и Говарда Кертиса удаётся создать миниатюрные электроды и ввести их в аксон. Обе группы с помощью внутриклеточных электродов определяют полный потенциал покоя на гигантских нервных волокнах кальмара и публикуют свои результаты в 1939 и 1940 годах.

Как в своё время Первая мировая война помешала Бернштейну исследовать гипотезу «дырок», так начавшаяся 1 сентября 1939 года Вторая мировая вынудила Ходжкина и Хаксли отложить свои исследования. Во время войны Ходжкин участвовал в разработке радиолокационных станций.

Двухэлектродная фиксация потенциала

Только по окончании войны, в конце 40-х – начале 50-х годов, натриевая гипотеза приобретает современные черты, формируется натриевая теория.

Ведущую роль в дальнейших исследованиях сыграл новый метод фиксации потенциала с помощью двух электродов (в англоязычной литературе TEVC – two-electrode voltage clamp), разработанный в конце 1930-х годов К. С. Колом и Дж. Мармонтом. Этот метод позволял измерять не только потенциал, но и токи при заданном значении мембранного потенциала.

Идея метода «зажима напряжения» приписывается Кеннету Колу и Джорджу Мармонту. Весной 1947 года Кол обнаружил, что можно использовать два электрода и цепь обратной связи для поддержания мембранного потенциала клетки на заданном экспериментатором уровне.

Два электрода были сделаны из тонких проводов, скрученных вокруг изоляционного стержня. Поскольку подобные электроды можно было вставить только в самые большие клетки, первые электрофизиологические эксперименты проводились почти исключительно на аксонах кальмаров.

В клетку помещали два электрода, один из которых измерял потенциал относительно внеклеточного электрода сравнения и передавал его значение на специальный усилитель, который сравнивал измеренный потенциал со значением командного. Это устройство вычисляло величину тока, необходимого для компенсации этой разницы потенциалов, и подавало через второй внутриклеточный электрод ток такой величины, чтобы потенциал на мембране клетки стал равен Vcmd (Vm = Vcmd). По амплитуде тока, необходимого для компенсации сдвига потенциала до Vcmd, можно было судить о токе через мембрану при данном значении мембранного потенциала. Ток при данном значении потенциала равен току, подаваемому на второй электрод, взятому с обратным знаком.

Рисунок 35. Схема фиксации потенциала с помощью двух электродов

Гигантский аксон кальмара стал первым препаратом, который мог быть использован для измерения напряжения и трансмембранного тока, что и стало основой пионерских экспериментов Ходжкина и Хаксли со свойствами потенциала действия. Летом 1952 года Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли опубликовали пять статей, описывающих, как ионные токи вызывают потенциал действия.

PS Метод двухэлектродной записи пережил множество усовершенствований и используется по сей день. А внедрение стеклянных хлорсеребряных электродов, заполненных солевым раствором, позволило использовать метод на более мелких объектах.

Режим фиксации разницы потенциалов на мембране (voltage clamp) идеально подходит для изучения электрофизиологических свойств ионных каналов мембраны. Но иногда требуется решение обратной задачи – записи потенциала при фиксированном значении тока, поэтому большинство современных устройств позволяет работать ещё и в режиме фиксации тока – current clamp. Во многом эти два режима зеркальны: в current clamp на постоянном уровне поддерживается ток, а потенциал записывается, а в voltage clamp – наоборот.

Овершут

Дальнейшие исследования показали, что вариант с «дыркой» в мембране предложенный Ю. Бернштейном не состоятелен: возникновение потенциала действия невозможно объяснить простым «закорачиванием» мембраны. Более того, эксперименты с измерением сопротивления мембраны показали, что в реальности ПД оказался заметно больше ПП.

Надо было как-то объяснить возникновение этого «дополнительного» потенциала. На самом деле для решения этой задачи все данные были уже известны, основные идеи высказаны – оставалось только их сопоставить и сделать решающий вывод.

Суть новой гипотезы заключалась в следующем. Кроме основного потенциала покоя, создаваемого ионами калия внутри клетки, существует ещё один «встречный» потенциал, создаваемый ионами натрия, находящимися во внеклеточной среде. Эти потенциалы суммируются. Пока нейрон пребывает в состоянии покоя, потенциалзависимые каналы мембраны закрыты и поддерживается равновесный суммарный ПП. Когда в результате возбуждения мембранный потенциал увеличивается до порогового уровня, например, с -70 до -55 милливольт, первыми открываются потенциалзависимые натриевые каналы, и ионы натрия устремляются внутрь клетки, вызывая краткое, но резкое увеличение количества положительных зарядов и поднимая мембранный потенциал до +40 милливольт. В ответ на это изменение мембранного потенциала натриевые каналы, открывшись на некоторое время, закрываются, а потенциалзависимые калиевые каналы ненадолго открываются, увеличивая отток положительно заряженных ионов калия из клетки и быстро возвращая мембранный потенциал к состоянию покоя —70 милливольт.

Совсем нелегко было прийти к таким представлениям. И вот почему: диаметр иона натрия в растворе раза в полтора больше диаметра ионов калия и хлора. И совершенно необъяснимо, как бо́льший по размеру ион проходит там, где не может пройти меньший1.

1 О том, как в 1998 разрешена эта загадка узнаем в главе «Исследование биологических мембран»

Рисунок 36. Модель потенциала действия Ходжкина – Хаксли.

Нужно было найти новое объяснение механизма перехода ионов через мембраны. Только осмосом движение ионов через мембрану не объяснить. И тогда была высказана идея, что ионы могут пересекать мембрану с помощью пока неизвестных белковых молекул. Причём эти «молекулы-такси» хорошо различают своих пассажиров, и никогда не путают ионы натрия с ионами калия.

Так элегантно были объяснены значения потенциалов покоя и действия. А следующим шагом стало объяснение распространения нервного импульса путём последовательного открытия натриевого и калиевого каналов мембраны.

Алан Ходжкин прекрасно разбирался в электричестве и дал такую иллюстрацию распространения сигнала в нерве. «Если специалист по электричеству посмотрит на нервную систему, то сразу увидит, что передача сигнала по нервным волокнам является огромной проблемой. Диаметр аксона в нерве варьирует от 0,1 до 20 микрон. Внутреннее содержимое содержит ионы и является неплохим проводником электричества. Однако, волокно невелико и его продольное сопротивление очень большое. Простой расчёт показывает, что в волокне диаметром 1 микрон и сопротивлением 100 Ом/см удельное сопротивление составит около 10^10 Ом/см. Это означает, что электрическое сопротивление маленького нервного волокна длиной в 1 метр равно сопротивлению 10^10 миль 0,2 мм медной проволоки, то есть проволоки длиной в десять раз больше, чем от Земли до планеты Сатурн» [43].

Требовалось найти другое обоснование электрической природы нервного импульса. И надо сказать, он его нашёл. И, решение это, не менее элегантно, чем объяснение овершута.

Ходжкин и Хаксли совместили теорию местных токов, предложенную Лудимаром Германом, кабельную теорию Томсона и собственную мембранную теорию. Ив вот что у них получилось:

После того как потенциал действия возникает на одном участке аксона, создаваемые при этом ионные токи возбуждают соседние участки, вызывая изменение потенциала действия и на них. Происходящая в результате цепная реакция обеспечивает распространение потенциала действия по всей длине нервного волокна от места, где он был вызван первоначально, до терминалий, предающих сигнал другому нейрону (или мышечной клетке).

Возможно, такая схема и работала бы в идеальных условиях, где нет потерь, так почти бесконечно распространялась бы волна от брошенного в океан камня. В реальных же условиях существуют утечки и другие явления, приводящие к тому, что на каждом следующем участке аксона реполяризация будет уменьшаться и бегущая волна постепенно затухнет. И это не единственная проблема.

Возник ряд сложных и до поры до времени неразрешимых вопросов:

– Почему амплитуда нервного импульса не уменьшается в процессе распространения (НИ не затухает)?

–Как восстанавливается исходный потенциал на мембране после прохождения НИ?

Как проходят ионы натрия и калия через мембрану?

В результате Ходжкин и Хаксли, предложили максимально полное на тот момент биофизическое описание потенциала действия, хотя методы исследования молекулярных механизмов нервного импульса стали доступными только в 80-х годах XX века.

Модели подобные Модели Ходжкина – Хаксли были созданы впоследствии и для других электрохимически возбуждаемых клеток – например, для сердечных миоцитов. И вот что примечательно, во многих русскоязычных источниках, все модели такого рода описывают как автоволновые процессы в активных средах. Более того пример автоволновых процессов в биологии напрямую отсылает читателей к модели Ходжкина – Хаксли.

Для того чтобы понять современное представление о распространении нервного импульса нам придётся сделать отступление и узнать кое-что про автоволновые процессы.

Автоволны

Автоволнами называют волны, распространяющиеся в активных средах, т.е. в средах с распределёнными запасами энергии. Простейшим примером активной среды является бикфордов шнур. Ещё Лудимар Герман предложил на рубеже XIX—XX веков этот пример для вероятного описания нервного импульса. В случае бикфордова шнура запасённая в нём химическая энергия в процессе горения расходуется на розжиг соседних ещё не сгоревших участков шнура. В результате возникает волна горения, распространяющаяся вдоль шнура. Подойдут в качестве примера и падающие костяшки домино, и распространяющийся степной пожар.

Обобщая можно сказать, что автоволны представляют собой самоподдерживающиеся сигналы, которые запускают процессы локального высвобождения запасённой в среде энергии, затрачивающейся на запуск аналогичных процессов в соседних областях.

Мы рассмотрели, пример в котором распространяющийся фронт пламени необратимо переключает её в «сгоревшее» состояние. Особый интерес для исследователей представляют так называемые активные среды с восстановлением, в которых протекают медленные процессы, возвращающие среду из низкоэнергетического состояния (после пробега автоволны) в исходное.

Разберём пример активных сред с восстановлением: горелку с медленно подводящими топливо фитилями. Представим себе горелку, устроенную следующим образом. В листе металла на близком расстоянии друг от друга просверлены отверстия, в которые вставлены полосы асбеста. Концы этих полос погружены в ванну с густым маслом. Асбест не горит, но когда он пропитывается маслом, то представляет собой фитиль, который можно поджечь. Скорость горения асбестового фитиля, пропитанного маслом, выше скорости поступления горючего вещества (масла). Поэтому фитиль через некоторое время погаснет. После этого за счёт диффузии он вновь пропитается маслом, и его вновь можно поджечь и т. д. Таким образом, фитиль может находиться в трёх состояниях: горение; пауза (рефрактерный период), когда засасывается масло; готовность вновь вспыхнуть после поджога (стадия покоя). Если в такой демонстрационной горелке поджечь один из фитилей, то от него загорится соседний. Первый фитиль вскоре погаснет (выгорит масло) но к этому времени по горелке уже побежит фронт пламени. Так технически остроумно была реализована активная среда с восстановлением: каждый её элемент (фитиль) может в отличие от бикфордова шнура вспыхнуть не один, а сколько угодно раз. Отметим, что повторный поджог можно осуществить не только от внешнего источника, но и пламенем, подошедшим по среде. Для этого достаточно линию фитилей, вдоль которой бежит пламя, замкнуть в кольцо, и пламя начнёт вращаться по ней [44].

Распространяющийся по аксону импульс также является автоволной; он представляет собой электрохимическую волну перехода между двумя состояниями: покоя, когда разность потенциалов на мембране волокна велика (приблизительно – 0.07 В), и активного состояния – возбуждения, когда разность потенциалов мала (около +0.02 В). При распространении нервного импульса в каждой точке возбудимой мембраны расходуется энергия, исходно запасённая в виде неравномерных концентраций ионов калия и натрия по обе стороны мембраны.

После прохождения нервного импульса мембрана остаётся деполяризованной и неспособной к следующему возбуждению (рефрактерный период). Чтобы восстановить возбудимость клетки, необходимо восстановить исходные потенциалы, то есть восстановить исходную концентрацию ионов (потенциал покоя).

Справится ли с этой задачей простой осмос? Ответ Ходжкина и Хаксли – нет! И тут на сцену выходят «молекулы помощники» – ионные насосы. Белковые молекулы, которые выкачивают из клетки ионы натрия и закачивают ионы калия. Причём делают это чрезвычайно быстро, судя по временному графику нервного импульса. Хотя, можно предположить, что ионные концентрации восстанавливаются за счёт их общего количества во внутри– и внеклеточном пространстве, а поддерживаются насосами.

Насосы

Мембранный электрический потенциал генерируется с помощью поддержания концентрации ионов, присутствующих в физиологических жидкостях организма и внутриклеточной среды.

Каждый потенциал действия оставляет клетку с бо́льшим, чем следовало бы быть, количеством натрия внутри и с бо́льшим количеством калия снаружи. Восстановить исходный баланс должен был бы осмос. Но нервные импульсы несутся по аксону один за другим с такой частотой, что медленный осмос не справится. И не забываем, что через мембраны ионы калия и натрия надо перемещать против градиента концентрации и электрохимического градиента. Ходжкин предположил, что этот дисбаланс исправляется особым белком, который транспортирует избыточные ионы натрия из клетки, а ионы калия – в клетку. В результате чего исходные градиенты концентраций натрия и калия восстанавливаются. [8]

1950-х годах Ходжкин обнаружил, что при возбуждении нерва расходуется АТФ, а также, что перенос катиона натрия из клетки замедляется, если подавить синтез АТФ. Начало развиваться представление о ферменте АТФазе, которую в тот момент считали ответственной за биосинтез АТФ.

Каждый потенциал действия оставляет клетку с бо́льшим, чем следовало бы быть, количеством натрия внутри и с бо́льшим количеством калия снаружи. Восстановить исходный баланс должен был бы осмос. Но нервные импульсы несутся по аксону один за другим с такой частотой, что медленный осмос не справится. И не забываем, что через мембраны ионы калия и натрия надо перемещать против градиента концентрации и электрохимического градиента. Ходжкин предположил, что этот дисбаланс исправляется особым белком, который транспортирует избыточные ионы натрия из клетки, а ионы калия – в клетку. В результате чего исходные градиенты концентраций натрия и калия восстанавливаются. [8]

В 1950-х годах Ходжкин обнаружил, что при возбуждении нерва расходуется АТФ, а также, что перенос катиона натрия из клетки замедляется, если подавить синтез АТФ. Начало развиваться представление о ферменте АТФазе, которую в тот момент считали ответственной за биосинтез АТФ.

Биохимия нейрона

Напомню, что белки – это полимеры – молекулярные «бусы», состоящие из «бусин» -мономерных аминокислот. Каждая аминокислота имеет: аминную группу, карбоксильную группу и радикал.

Всего в состав белков входят 20 типов аминокислот, которые различаются лишь радикалами. Самый простой из радикалов водород даёт нам аминокислоту, которая называется глицин.

Полимеризация аминокислот с образованием белка происходит за счёт связывания COOH-группы предыдущей аминокислоты с NH_2 следующей (такая связь называется пептидной).

В результате появляются линейные цепочки, состоящие из сотен аминокислот (100 аминокислот уже белок, меньше ста ещё пептид).

Итоговая аминокислотная цепь – это первичная структура белка. Радикалы не принимают участия в её формировании. Средняя длина белка 300—700 аминокислот. У каждого белка своя уникальная структура, свой набор и порядок аминокислот.

Рисунок 38. Белок

Следующий этап – формирование вторичной структуры белка. Она происходит за счёт присутствия довольно больших зарядов внутри аминокислот: положительного на аминной группе и отрицательного на карбоксильной.

Под влиянием этих зарядов первичная структура начинает сворачиваться. Самый известный способ свёртывания – это спираль. На каждом витке такой спирали примерно три аминокислоты. Радикалы при этом вновь не участвуют.

На третьем этапе спираль сворачивается в белковый клубок. Его образование происходит за счёт взаимодействия радикалов. Они же все могут быть разными и положительными, и отрицательными. Именно в таком состоянии белок становится молекулярной белковой машиной. Теперь он способен работать, например, схватить какую-нибудь молекулу и что-нибудь с ней сделать.

Как это происходит. Благодаря своей химической структуре белок способен производить захват молекулы-мишени (лиганда), для каждого белка мишень своя. Белок подстраивается под свою мишень по принципу ключ-замок. После этого он способен выполнять с лигандом те или иные действия.

По типу операций с лигандом белки подразделяются на:

Белки-ферменты

транспортные белки

белки-каналы (насосы)

двигательные, защитные, строительные и др.

Как работает расщепляющий пищевой белок-фермент.

Захватить лиганд.

Разорвать его.

Отпустить.

А бывает наоборот – синтез новых веществ:

Захватить два лиганда.

Соединить их.

Отпустить.

Транспортный белок, например, гемоглобин работает так. Схватил кислород, перенёс его, отпустил и опять в лёгкие за новым кислородом.

В организме работает около 5000 групп ферментов.

Применительно к теме нервных клеток нам особенно интересны белки-каналы и белки-насосы.

Простейшие «открытые» белки—каналы условно представляют собой трубки, встроенные в мембрану клетки. через них может идти диффузия1 как правило строго определённых мелких частиц – молекул H_2O, ионов K+, Na+ и прочих (то, что делает мембрану полупроницаемой и является основой для осмоса).

Большинство же каналов не такие простые, а со створкой – его отверстие перекрыто петлёй-створкой (канал закрыт). Но при определённых условиях створка может открываться, разрешая диффузию. Условия открытия могут быть разные – влияние химических веществ (гормонов), электрического потенциала или давления.

Работа белка-насоса:

1 Диффузия – движение частиц из области с более высокой концентрации в область с низкой концентрацией.

Рисунок 39 Работа белка-насоса

Есть ещё одна группа белков – это белки—рецепторы. Будучи встроенными в мембрану клетки (например, в месте синапса), они выполняют информационные функции. Лиганд в этом случае – сигнал об определённом событии во внешней межклеточной среде. Присоединяя лиганд белок-рецептор запускает ответную реакцию клетки влияя на её белки-каналы, насосы, ферменты.

Простейшие открытые каналы и белки—каналы со створкой являются пассивными элементами – они либо пропускают через себя микрочастицы, либо нет. А вот каналы-насосы способны выполнять работу (как и белки-ферменты, и белки-рецепторы). Такой насос захватывает лиганд с одной стороны мембраны и переносит его на другую. Такая работа уже требует затрат энергии. Для получения этой энергии белок умеет получать её от АТФ, отрывая от неё один или два остатка фосфорной кислоты.

Белки, потребляющие энергию АТФ для выполнения какой-либо работы, часто обобщённо называют – аденозинтрифосфата́зы (АТФ-азы).

АТФ

Молекула АТФ (аленозинтрифосфата) состоит из рибозы, аденина и трёх остатков фосфорной кислоты, между которыми имеются две высокоэнергетические связи. Энергия каждой из них составляет 30,6 кДж/моль. Поэтому её и называют макроэргической в отличие от простой связи, энергия которой составляет около 13 кДж/моль. При отщеплении от молекулы АТФ одного остатка образуется молекула АДФ (аденозиндифосфат), а при отщеплении двух остатков —соответственно молекула АМФ (аденозинмонофосфат).

Рисунок 40 Строение молекулы аленозинтрифосфата (АТФ) и её роль в превращении энергии

Восстановление (синтез) молекул АТФ происходит в митохондриях, внутри самой клетки. Энергия запасается в результате реакций окисления органических веществ. Клетка использует эту запасённую энергию во всех процессах жизнедеятельности.

Насосы

Наиболее важными из белков-насосов, которые поддерживают мембранный потенциал, являются:

1. Натриево-кальциевый (транспортирует один ион Са_2+ внутрь клетки в обмен на 3 иона Na+, транспортируемых наружу).

2. Натриево-калиевый (транспортирует один ион Na+ наружу в обмен на один ион К+ внутрь).

3. Хлорный (транспортирует из клетки наружу ионы Cl—).

Рисунок 41. Строение клеточной мембраны. Видны два слоя липидных молекул, ионные каналы и ионные насосы K+ и Na+.

Энергозатраты при возбуждении нейронов обусловлены главным образом работой натрий-калиевого насоса, который активируется поступлением внутрь протоплазмы ионов Na+.

В 1957 году Йенсом Скоу (дат. Jens Christian Skou 1918—2018) была открыта Na+/K+-АТФаза. Он выделил этот фермент из периферических нервов с помощью уабаина – специфически связывающегося с АТФазой гликозида. За это открытие спустя сорок лет, в 1997 году он был удостоен Нобелевской премии по химии.

Благодаря этому открытию был объяснён принцип работы «натрий-калиевого насоса» который поддерживает концентрацию ионов натрия в цитоплазме клетки на очень низком уровне по сравнению с внеклеточной средой.

Na+/K+-АТФ-аза (Na+/K+ аденозинтрифосфатаза) – фермент из группы транспортных аденозинтрифосфатаз, встречающийся в плазматической мембране всех клеток животных. Na+/K+-АТФ-аза переносит ионы К+ внутрь клетки, в то время как ионы Na+ выводятся наружу. Основная функция – поддержание потенциала покоя и регулирование клеточного объёма.

Как это работает. На первом этапе фермент присоединяет с внутренней стороны мембраны три иона Na+. Эти ионы изменяют конформацию1 третичной структуры белка. При этом фермент гидролизует одну молекулу АТФ. Выделившаяся в результате гидролиза энергия расходуется на проведение конформации белка, благодаря чему три иона Na+ и ион PO_4 – (фосфат) оказываются на внешней стороне мембраны. Здесь ионы Na+ отщепляются, и присоединяются два иона К+. Далее фермент возвращается в исходную конформацию, а фосфат-ион и ионы К+ оказываются на внутренней стороне мембраны. Здесь ионы К+ отщепляются, и насос вновь готов к работе.

В итоге внутри клетки создаётся высокая концентрация K+, а во внеклеточной среде – высокая концентрация ионов Na+.

1 Конформа́ция молекулы – пространственное расположение атомов в молекуле определённой конфигурации, обусловленное поворотом вокруг одной или нескольких одинарных сигма-связей.

Математическая модель

В 1952 году для описания электрических механизмов, обусловливающих возникновение и распространение нервного сигнала в гигантском аксоне кальмара Аланом Ллойдом Ходжкином и Эндрю Хаксли разработана математическая модель, названная в честь авторов «Модель Ходжкина—Хаксли».

Точечная модель Ходжкина—Хаксли представляет собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений, которая, в частности, пригодна для описания характеристик электрического сигнала.

Модель Ходжкина—Хаксли возникла не на пустом месте. Вот её предыстория.

Метод «интегрировать-и-сработать»

Одна из ранних математических моделей возбудимой клетки была предложена в 1907 году французским физиологом Луи Лапиком (Louis Lapicque, 1866—1952). Модель была описана следующей формулой:

,

которая есть производная по времени закона ёмкости, Q = CV. Если на вход системы подаётся ток, то разность потенциалов (напряжение Vm,) на мембране возрастает со временем, пока не достигает некоторого порогового значения Vth, при котором происходит скачкообразное изменение потенциала на выходе и напряжение сбрасывается до остаточного потенциала. После этого цикл работы повторяется с начала, пока опять не накопится энергия для следующего срабатывания. Эта модель имеет один существенный недостаток – бесконечно большое линейное возрастание частоты срабатывания при линейном увеличении входного тока, что возможно только в абсолютно идеальных условиях без утечек.

Поэтому модель была уточнена введением рефрактерного периода tref, который ограничивает частоту срабатывания, задерживая срабатывание на некоторое время после достижения потенциала действия. Частота срабатывания в этом случае может быть описана следующей формулой:

Недостаток этого подхода заключается в проявлении независимой от времени способности запоминания. Если модель получает некоторый заряд, недостаточный для срабатывания, она будет хранить его до следующего подзаряда. Если же дополнительного подзаряда не произойдёт – напряжение будет сохраняться вечно, что явно не соответствует процессам, наблюдаемым на реальной мембране.

Метод «интегрировать-и-сработать» с утечками

Исправить недостаток вечной памяти позволило введение концепции утечки. Метод моделирует имитацию диффузии ионов, происходящую в мембране в случае недостижения условий для генерации потенциала действия. Улучшенная подобным образом модель может быть описана следующей формулой:

где Rm – значение электрического сопротивления мембраны. Теперь, чтобы сгенерировался потенциал действия, значение тока на входе должно превысить некоторый порог Ith = Vth / Rm. Иначе происходит утечка, аннулируя любые изменения потенциала. Частота срабатывания принимает следующий вид:

что сходится с предыдущей моделью (без утечки) для больших величин тока.

Модель Ходжкина – Хаксли

В модели предложенной Ходжкиным и Хаксли, введённая ранее зависимость напряжения от тока доводится до зависимости напряжения от многих входных сигналов.

Они вводят новую эквивалентную электрическую схему нервного волокна. В ней уже учтены внутренние источники токов En и {\displaystyle E_ {L}} EL и, в отличие от кабельной теории, нет необходимости в индуктивности.

В схеме каждый компонент возбуждаемой клетки имеет свой биофизический аналог. Внутреннему липидному слою клеточной мембраны соответствует электроёмкость ({\displaystyle C_ {m}} Cm). Потенциал-зависимые ионные каналы отвечают за нелинейную электрическую проводимость ({\displaystyle G_ {n}} gn), где {\displaystyle n} n – отдельный вид ионных каналов) – это означает, что проводимость является потенциал-время-зависимой величиной.

Рисунок 42. Эквивалентная электрическая схема нервного

волокна Ходжкина и Хаксли

Эта составляющая системы, как было показано исследователями позже, реализуется благодаря белковым молекулам, которые образуют потенциал-зависимые ионные каналы, каждый из которых отмечен некоторой вероятностью открытия, величина которой зависит от электрического потенциала (или электрического напряжения) мембраны клетки. Каналы мембранных пор отвечают за пассивную проводимость ({\displaystyle G_ {L}} gL, где индекс L означает англ. leak – «течь, утечка»). Электрохимический градиент побуждает ионы к движению через мембранные каналы, он показан с помощью источников напряжения с соответствующей электродвижущей силой ({\displaystyle E_ {n}} En и {\displaystyle E_ {L}} EL), величина которой определяется реверсивным потенциалом для соответствующего вида иона. Ионные транспортёры соответствуют источникам тока ({\displaystyle I_ {p}} Ip). Производная по времени от мембранного потенциала клеточной мембраны ({\displaystyle {\dot {V}} _ {m}} Vm) при описанных условиях пропорциональна сумме токов в полной электрической цепи. Она описывается следующим уравнением:

где Ii означает величину электрического тока, генерируемого отдельным видом ионов.

Полная система уравнений, описывающая всё многообразие взаимосвязанных изменений во времени электрических характеристик возбудимой мембраны, такова:

Рисунок 43 Система уравнений, называемая моделью Ходжкина – Хаксли.

Я не предлагаю читателю постичь эту систему уравнений, и привожу её лишь как пример сложности. Эта система и называется моделью Ходжкина – Хаксли, или, сокращённо, моделью X—X.

Подобная форма представления позволяет включить любые токи. Обычно исследуют «втекающие» Ca_2+ и Na+, а также несколько видов «вытекающих» K+, с учётом токов утечки. Конечный результат представлен как минимум двадцатью различными параметрами, которые необходимо определить и откалибровать для точного функционирования модели.

Вот теперь и стало возможным объяснить возникновение ПД строго математически. И хотя эту систему оказалось невозможным решить в явном виде, в математике существовали методы, которые позволяли вычислять значения этих функций для любых конкретных условий, находя последовательно значения, которые принимает потенциал с течением времени.

Произвести такие вычисления в 1952 году было очень трудно, и тем не менее Хаксли вручную сумел рассчитать, как меняется мембранный потенциал со временем, если за начальные принять условия, при которых возникает возбуждение. Результат этого расчёта почти в точности описывает форму потенциала действия, найденную экспериментальным путём для тех же условий.

Для сложных систем из большого количества нейронов вычислительная сложность, необходимая для работы модели, достаточно велика. Поэтому для практического применения зачастую требуются значительные упрощения.

Начиная с 1959 года, Хаксли и независимо от него Кол с сотрудниками начали использовать ЭВМ. Вместо крайне трудоёмких вычислений оказалось достаточным написать не слишком сложную программу. Это был один из первых случаев использования компьютера в биологии.

Ходжкин и Хаксли прекрасно объяснили величину мембранного потенциала в момент прохождения нервного импульса и математически описали его форму. В результате модель Ходжкина – Хаксли с, одной стороны, важна как система описания ПД в нервных волокнах, а с другой – она показывает достаточность допущений, лежащих в основе этого описания, т. е. показывает, что, используя их, можно моделировать все основные свойства ПД.

Рассматривая модель Ходжкина – Хаксли очень важно помнить, что математическая модель не есть реальность, она – всего лишь математическое представление реальности, исследование которой позволяет получать информацию о некоторой другой (реальной) системе.

Все науки и естественные, и общественные, применяющие математический аппарат, по сути, занимаются математическим моделированием: подменяют реальный объект исследования его математической моделью и затем исследуют последнюю. Связана математическая модель с реальностью посредством набора гипотез, идеализаций и упрощений. С помощью математических методов описывается, как правило, идеальный объект или процесс, построенный на этапе содержательного моделирования. Математическая модель позволяет предсказать поведение реального объекта.

Модель Фицхью и Нагумо.

Имеют право на существование и другие модели, например, предложенные в 1961—1962 годах Фицхью и Нагумо упрощения, применимые к модели Ходжкина – Хаксли. Модель, описывающая «регенеративное самовозбуждение» посредством нелинейной положительной обратной связи напряжения на мембране, а также «восстановление» посредством линейной отрицательной обратной связи напряжения на затворе.

где, как и прежде, имеется мембранное напряжение и входной ток, а также коэффициенты, подобранные экспериментально a = —0.7, b = 0.8, τ = 1/0.08. Несмотря на неочевидность соответствия модели биологическим исследованиям, она довольно хорошо описывает динамику, имея при этом небольшую сложность.

Создано несколько компьютерных программ, таких как GENESIS и NEURON, которые позволяют проводить быстрое и систематическое моделирование in silico реалистичных нейронов.

История искусственных нейронных сетей

Предпосылки

Ещё в 1894 году Сантьяго Рамон-и-Кахаль выдвинул идею, что определённого рода изменения в синапсах могут быть важны для обучения: «…Использование психических функций способствует бо́льшему развитию протоплазменного аппарата и нервных коллатералей в задействованной части мозга. Тем самым ранее существовавшие связи между группами клеток могут усиливаться за счёт умножения ветвей окончаний… Но ранее существовавшие связи могут также усиливаться за счёт образования новых коллатералей и… разрастаний».

В современном виде эту гипотезу развил в 1948 году польский нейрофизиолог Ежи Конорский, ученик Павлова. Он доказывал, что сенсо́рный раздражитель может вызывать в нервной системе изменения двух типов. Первый тип, который он называл возбудимостью, возникает вслед за прохождением по проводящему пути одного или нескольких потенциалов действия в ответ на сенсо́рный раздражитель. Запускание потенциалов действия на какое-то время повышает порог, необходимый для вызывания новых потенциалов действия в этих нейронах (хорошо известное явление, называемое рефрактерным периодом).

Второй, более интересный тип изменений, который Конорский назвал пластичностью или пластическими изменениями, приводит, как он писал, к «постоянным функциональным трансформациям… в определённых системах нейронов под действием соответствующих стимулов или их сочетаний».

Так возникла идея, что разные формы обучения вызывают нейронную активность разного характера и, что в зависимости от этого определённым образом изменяется сила синаптических связей. Когда такие изменения сохраняются, происходит и сохранение памяти. По мнению многих учёных основным изменением при формировании памяти является развитие новых связей и изменение существующих.

Экспериментальное изучение долговременной синаптической пластичности базируется на постулате Хэбба, сформулированном им в книге «Организация поведения» в 1949 году: «Если аксон клетки А расположен достаточно близко к клетке Б, чтобы возбуждать её, и постоянно участвует в её активации, то в одной или обеих клетках происходят такие метаболические изменения или процессы роста, что эффективность А как одной из клеток, активирующих Б, повышается». В современной формулировке постулат Хэбба понимается так, что изменение эффективности передачи сигнала в синапсе управляется корреляцией силы, необходимой для активации пре– и постсинаптического нейрона.

Первые экспериментальные результаты, подтверждающие постулат Хэбба, были получены в 1973 году. В очень часто цитируемой теперь статье, где Тим Блисс и Терье Лёмо описали совместную работу, проведённую ими в лаборатории Пера Андерсена в Осло. Они обнажали у наркотизированных кроликов гиппокамп и идущие к нему нервные пути и подводили к одному из этих путей – «перфорантному» (perforant) – стимулирующие электроды, а регистрирующие электроды вводили в ту область гиппокампа, где перфорантный путь образует синапсы (в зубчатую извилину). Когда они после этого стимулировали перфорантный путь серией электрических импульсов частотой 10—100 герц и длительностью до 10 секунд, наблюдалось необычайно продолжительное (до 10 часов) усиление активности нейронов зубчатой извилины гиппокампа. Авторы назвали этот феномен долговременной потенциацией (сокращённо ДВП).

Многие нейробиологи сразу же заинтересовались этим явлением. У него был сильно выраженный эффект – специфический, воспроизводимый и, сверх того, поддававшийся физиологическому, а позднее также биохимическому, фармакологическому и морфологическому исследованию. Гиппокамп млекопитающих был уже хорошо известной структурой, его нервные связи, входные и выходные нервные пути подробно картированы и легко распознаваемы на различных препаратах, хотя индивидуальные нейроны не поддавались такой прямой идентификации, как у аплизии.

Продолжительное изменение выходной клеточной реакции на определённое входное воздействие служило по меньшей мере ярким примером нейропластичности; больше того, весьма специфичная форма, которую приобретала реакция, могла рассматриваться как проявление памяти.

ДВП легко вызывать и изучать классическими методами нейрофизиологии, поэтому вряд ли стоит удивляться её популярности в качестве потенциальной модели памяти. В ближайшие годы после первых наблюдений всё большее число исследователей в разных лабораториях стали в мельчайших подробностях изучать физиологию ДВП. Было показано, что этот феномен выявляется не только у наркотизированных и ненаркотизированных кроликов, крыс и других лабораторных животных, но и в препаратах in vitro1.

Теперь пришло время ввести новый термин. Биологическая нейронная сеть – совокупность нейронов головного и спинного мозга центральной нервной системы и периферической нервной системы, которые связаны или функционально объединены в нервной системе, выполняют специфические физиологические функции.

Биологическая нейронная сеть состоит из группы или групп функционально связанных нейронов. Один нейрон может быть связан со многими другими, а общее количество нейронов и связей в сети может быть достаточно большим. Места́ контактов нейронов называется синапсами. Передача импульсов осуществляется химическим путём с помощью медиаторов или электрическим путём посредством прохождения ионов из одной клетки в другую.

Такое представление о нейронных сетях оказало значительное влияние на технологии искусственного интеллекта. В попытке построить математическую модель нейронной сети был создан обширный инструментарий искусственных нейронных сетей, широко используемый в прикладной математике и информатике.

В области искусственного интеллекта существует подход, называемый – коннекционизм. Сторонники его полагают, что информация хранится в синапсах, или даже что носителем информации является сама связь между двумя нейронами. Главный принцип коннекционизма состоит в предположении, что мыслительные явления могут быть описаны сетями из взаимосвязанных простых элементов. Например, элементы в сети могут представлять нейроны, а связи – синапсы.

1 In vitro (с лат. – «в стекле») – это технология выполнения экспериментов, когда опыты проводятся «в пробирке» – вне живого организма. В общем смысле этот термин противопоставляется термину in vivo – эксперимент на живом организме (на человеке или на животной модели).

Кибернетика

Некогда модное, а теперь почти забытое слово. Но из истории его не выкинешь. Именно из кибернетики выросли современные идеи нейронных сетей и искусственного интеллекта.

Историки полагают, что первым, кто применил термин «кибернетика» для управления в общем смысле, был древнегреческий философ Платон. Однако реальное становление кибернетики как науки произошло много позже. Оно стало закономерным итогом развития технических средств управления и преобразования информации.

История современной кибернетики началась в 1948 году с публикации Норбертом Винером (Norbert Wiener, 1894—1964) культовой одноимённой книги «Кибернетика».

Винер предложил называть Кибернетикой «науку об управлении и связи в животном и машине».

Кибернетика (от греч. kybernetike – искусство управления, от kybernáo – правлю рулём, управляю), наука об управлении, связи и переработке информации.

Основным объектом исследования в кибернетике являются так называемые кибернетические системы. Такие системы рассматриваются абстрактно, вне связи с их реальной физической природой. Высокий уровень математической абстракции позволяет кибернетике применять общие методы к изучению систем самой разной природы, например, технических, биологических и даже социальных.

Методы кибернетики. Имея в качестве основного объекта исследования кибернетические системы, кибернетика использует для их изучения три принципиально различных метода исследования. Первые два: математико-аналитический и экспериментальный, широко применяются и в других науках.

Зато третий – метод математического (машинного) эксперимента, или математического моделирования появился и стал популярен благодаря кибернетике. Суть его состоит в том, что эксперименты производятся не с реальным физическим объектом или его моделью, а с его математическим описанием. Описание объекта вместе с программами, моделирующими изменения характеристик объекта в соответствии с этим описанием, загружается в память ЭВМ, что делает возможным проводить с объектом различные эксперименты: контролировать его реакции на изменение тех или иных условий, менять те или иные элементы описания и тому подобное. Огромное быстродействие современных компьютеров зачастую позволяет моделировать многие процессы в более быстром темпе, чем они происходят в действительности.

При кибернетическом подходе к изучению мозга как системы нейронов, обычно абстрагируются от их размеров, форм, химического строения и прочего. Предметом изучения выступают состояния нейронов, вырабатываемые ими сигналы и связи между нейронами, а также алгоритмы изменения их состояний.

Есть два способа запоминания информации в кибернетических системах, оно обусловлено: либо изменениями состояний элементов системы, либо изменениями структуры системы. Различие между ними не принципиально. В большинстве случаев оно зависит лишь от выбранного подхода к описанию системы. Например, популярный сегодня взгляд объясняет долговременную память животных изменениями проводимости синаптических контактов, т. е. связей между отдельными составляющими мозг нейронами. Если в качестве элементов, составляющих мозг, рассматриваются исключительно сами нейроны, то изменение синаптических контактов следует рассматривать как изменение структуры мозга. Если же и все синаптические контакты, независимо от степени их проводимости, рассматриваются как составные части мозга, то процесс запоминания сведётся к изменению состояния элементов при неизменной структуре системы.

Искусственные нейронные сети

Прежде всего надо пояснить, что искусственная нейронная сеть (ИНС, нейросеть) это не привычная нам сеть, связывающая некоторое количество компьютеров. ИНС – это математическая модель, а также её программное или аппаратное воплощение, построенная по принципу организации и функционирования биологических нейронных сетей – сетей нервных клеток живого организма. ИНС может быть создана и на одном отдельном компьютере. Так что не стоит предполагать, что ИНС «умнее» привычных нам компьютеров. Нет, это просто новый «интеллектуальный» способ обработки данных.

Математическая модель искусственного нейрона вместе с моделью сети, состоящей из этих нейронов была предложена Уорреном Мак-Каллоком и Уолтером Питтсом в 1943 году. В своей фундаментальной статье о логическом исчислении идей и нервной активности эти учёные формализовали понятие нейронной сети. Авторы продемонстрировали, что сеть на таких элементах способна выполнять и логические, и числовые операции. Для создания первых эквивалентов ИНС предлагались электровакуумные лампы в качестве идеального на тот момент технического устройства.

Работая у истоков нейробиологии, Уоррен Мак-Каллок и Уолтер Питтс в своей статье 1943 года «Логическое исчисление идей, присущих нервной деятельности» предложили первую логическую схему нейрона.

Рисунок 44 Базовый нейрон Маккалока и Питтса

Первая нейросеть была создана Розенблаттом и Мак-Каллоком в 1956—1965 годах. Это была попытка создать систему, моделирующую взаимодействие человеческого глаза с мозгом. Устройство, созданное ими тогда, получило название «Персептрон» (Perceptron). Оно реально умело различать буквы алфавита, хотя и было чувствительно к их написанию. Персептрон обрёл популярность – его и сейчас используют для распознавания образов, прогнозирования погоды и т. д.

В то время казалось, что человечество стоит на пороге создания полноценного искусственного интеллекта. Но постепенно в 70—80 годах количество работ по этому направлению стало снижаться. Слишком неутешительны были первые результаты. Авторы объясняли свой скептицизм малой памятью и низким быстродействием существовавших в то время вычислительных систем.

Но прошло два десятка лет и идеи нейро-бионики – создания технических средств на нейро-принципах – снова начали интенсивно обсуждаться. Катализатором стал тот факт, что размеры и количество элементарных ячеек в процессорах компьютеров стало соизмеримо с размерами количеством нейронов в нервной системе, а скорость выполнения операций электронных элементов в миллионы раз превзошла быстродействие биологических систем. В то же время эффективность решения задач, особенно связанных с ориентированием и принятием решений в естественной среде, у живых систем остаётся пока на недостижимо высоком уровне.

Основная концепция. В отличие от традиционных цифровых систем, представляющих собой комбинации процессорных и запоминающих блоков, нейро-процессоры содержат память, распределённую в связях между очень простыми процессорами, которые часто могут быть описаны как формальные синапсы. Тем самым основная нагрузка на выполнение конкретных функций системы ложится на её архитектуру, детали которой в свою очередь определяются межнейронными связями.

Технически искусственная нейронная сеть представляет собой смоделированную на компьютере систему соединённых и взаимодействующих между собой искусственных нейронов. Нейроны в такой системе способны исключительно принимать сигналы от других нейронов, суммировать их и передавать третьим нейронам. Но при всей кажущейся простоте, связанные между собой управляемыми связями нейроны вместе способны выполнять довольно сложные задачи.

Что бы понять, как работает нейросеть, давайте рассмотрим подробнее её составляющие и их параметры.

Что такое искусственный нейрон?

Современная ИНС любой сложности состоит из элементов – нейронов. Нейрон – это элементарная вычислительная единица, способная получать информацию, производить над ней простые вычисления и передавать её дальше. Нейроны бывают трёх типов:

S-нейроны – это слой сенсоров или рецепторов. В физическом воплощении они соответствуют, например, светочувствительным клеткам сетчатки глаза или фоторезисторам матрицы фотоаппарата. Каждый нейрон-рецептор может находиться либо в состоянии покоя, либо в возбуждённом состоянии, в последнем случае он передаёт единичный сигнал в следующий слой, ассоциативным нейронам.

Рисунок 45 Логическая схема элементарной однослойной НИС. Веса S – A связей могут иметь значения —1, +1 или 0 (то есть отсутствие связи). Веса A – R связей W могут быть любыми.

Ассоциативные нейроны (A-нейроны), названы так потому что каждому такому элементу, соответствует некоторый набор (ассоциация) S-нейронов. A-нейрон активизируется, как только количество сигналов от S-нейронов на его входе превысит некоторый порог θ.

Сигналы от возбудившихся A-нейронов, в свою очередь, передаются в сумматор R, причём сигнал от i-го ассоциативного нейрона передаётся с коэффициентом (Wi). Этот коэффициент называется весом A—R связи.

Так же, как и A-нейрон, R-нейрон подсчитывает сумму значений входных сигналов, помноженных на веса (линейную форму).

На выходе R-нейрона генерируется «1», если сумма входящих сигналов превысит заданный порог θ, иначе на выходе будет «—1» или «0». Математически, функцию, реализуемую R-элементом, можно записать так:

У каждого из рассмотренных нейронов есть два обязательных параметра: входные данные «вход» и выходные «выход». В случае сенсо́рного S-нейрона: «вход» равен «выходу». В остальных, на «входы» передаётся суммарная информация «выходов» нейронов из предыдущего слоя которая после нормализации попадает на «выход».

В каждой искусственной сети обязательно присутствуют входной слой – S, выходной слой, который выводит результат, и в зависимости от сложности есть некоторое количество слоёв (A).

Что такое искусственный синапс?

Синапс – это связь между двумя нейронами. У синапсов есть всего один параметр – вес (Wi). Благодаря ему информация между нейронами передаётся с определённым коэффициентом. Допустим, есть три нейрона, которые передают информацию следующему. Тогда мы имеем три веса, соответствующие каждому из их синапсов. Информация, переданная через синапс бо́льшим весовым коэффициентом, окажется доминирующей в следующем нейроне (пример – смешение цветов). На самом деле, совокупность весов нейронной сети или матрица весов – это и есть своеобразный мозг всей системы.

Рисунок46. Логика искусственного синапса

Нейрон имеет один выход, называемый аксоном по аналогии с биологическим прототипом. Но с единственного выхода нейрона сигнал может поступать на произвольное число входов других нейронов через синапсы с разными весами.

При этом, по аналогии со связями между биологическими нейронами, связи с положительным весом называются возбуждающими, а с отрицательным – тормозящими.

Как работает искусственная нейронная сеть?

Теперь, когда у нас есть входные данные и веса́, мы можем получить выходные данные. Получив выходные данные, мы передаём их дальше. И так повторяем для всех слоёв, пока не дойдём до выходного нейрона. Включив такую сеть в первый раз, мы, вероятно, получим результат весьма далёкий от правильного. Это потому что сеть «не натренирована». Чтобы улучшить результаты мы будем её тренировать. Но прежде давайте введём несколько терминов и свойств нейронной сети.

Тренировочный сет – это последовательность данных, которыми оперирует нейронная сеть.

Эпоха. Перед запуском нейронной сети эта величина устанавливается в 0 и имеет предел, заданный вручную. Эпоха увеличивается каждый раз, по завершении всего набора тренировочных сетов.

Ошибка. Этот термин применяется к процентной величине, показывающей расхождение между правильным и полученным ответами. Ошибка формируется каждую эпоху и по мере обучения сети должна снижаться. Для вычисления ошибки разработаны различные алгоритмы (мы их рассматривать не будем).

Важным свойством любой нейронной сети является способность к обучению. Процесс обучения сводится к процедуре настройки весов и порогов, приводящих к уменьшению показателя ошибок.

После обучения сеть может работать в режиме распознавания и обобщения. При этом ей предъявляются ранее неизвестные объекты, а она должна установить, к какому классу они принадлежат.

Обученная нейронная сеть приобретает способность выявлять сложные и даже неочевидные взаимосвязи между входными данными и выходными. Такая сеть сможет выдать верный результат на основании данных, которых не было в обучающей выборке, а также неполных и частично искажённых данных.

Кто будет обучать ИНС? Ответ – компьютер. Откуда компьютер знает? Человек вложил в него информацию. Искусственный интеллект – это по-прежнему абстракция.

Практическое применение

Стоит признать, некоторым вещам научить искусственную нейронную сеть невозможно, например, таким как предсказывать выигрышные номера в лотереях.

Но вот для любителей поиграть на бирже есть примеры решений. Входные данные – курс акций за год. Задача – определить завтрашний курс. Проводится следующее преобразование – выстраивается в ряд курс за сегодня, вчера и позавчера. Каждый следующий набор смещается по дате на один день назад. На полученных наборах обучается сеть с тремя входами (курсы за предыдущие три дня) и одним выходом – курс на следующую дату.

Обученной таким образом сети подаём на вход курсы за сегодня, вчера, позавчера, а сеть выдаёт нам прогноз на завтра. Стоит заметить, что в этом случае сеть просто выведет зависимость одного параметра от трёх предыдущих. Если возникнет необходимость учитывать ещё какой-то параметр, например, разные биржевые индексы, то его надо добавить как «вход», включить в примеры, переобучить сеть и получить новые результаты. И всё бы было здорово если бы удалось учесть все возможные параметры.

Применение этих технологий на бытовом уровне на сегодня пока экзотика, но они вполне доступны любому айтишнику, владеющему современными языками программирования. А в Интернете можно найти и готовые скрипты, и онлайн-сервисы.

Для чего нужны нейронные сети?

Благодаря ИНС, машина обретает способность анализировать и даже запоминать различную информацию. И самое главное, на основе своего опыта система может предполагать результат.

Самыми распространёнными применениями нейронных сетей является:

– Классификация – распределение данных по параметрам. Например, на вход даётся набор людей и нужно решить, кому из них давать кредит, а кому нет. Эту работу может сделать нейронная сеть, анализируя такую информацию как: возраст, платёжеспособность, кредитная история и т. д.

– Предсказание – возможность предсказывать следующий шаг. Например, рост или падение акций, основываясь на ситуации на фондовом рынке.

– Распознавание – в настоящее время, самое широкое применение нейронных сетей. Используется в Google, когда вы ищете фото или в камерах телефонов, когда оно определяет положение вашего лица и выделяет его и многое другое.

Постепенно складывается рынок нейрокомпьютеров. В настоящее время широко распространены различные высокопараллельные нейро-ускорители (сопроцессоры) для различных задач. Моделей универсальных нейрокомпьютеров на рынке мало, отчасти потому, что большинство из них реализованы для спецприменений. Примерами нейрокомпьютеров являются нейрокомпьютер Synapse (Siemens, Германия), процессор NeuroMatrix. С технической точки зрения, сегодняшние нейрокомпьютеры – это вычислительные системы с параллельными потоками одинаковых команд и множественным потоком данных (MSIMD-архитектура). Это одно из основных направлений развития вычислительных систем с массовым параллелизмом.

Искусственная нейронная сеть может передаваться от нейрокомпьютера к нейрокомпьютеру, так же, как и компьютерная программа. Выделяются несколько уровней отчуждения нейронной сети от универсального нейрокомпьютера: от сети, обучающейся на универсальном устройстве, до полного отчуждения без возможностей обучения и модификации, только функционирование обученной сети.

Чем сложнее обученная сеть, тем труднее извлечь из неё явный и понятный пользователю алгоритм решения задачи, поскольку собственно нейронная сеть и является этим алгоритмом.

Для решения этой проблемы создают специальные алгоритмы вербализации, которые помогают извлечь явный метод решения.

На практике вербализация осуществляется при переносе или встраивании обученной и упрощённой нейросети в обычный программный код или электронное устройство, а также для использования результатов в виде явных знаний.

Перспективы

Первоначально искусственный нейрон мог оперировать только с сигналами логического нуля и логической единицы, поскольку был построен на основе биологического прототипа, который может пребывать только в двух состояниях – возбуждённом или невозбуждённом. Развитие искусственных нейронных сетей показало, что для расширения области их применения необходимо, чтобы нейрон мог работать не только с бинарными, но и с непрерывными – аналоговыми сигналами. Такое обобщение модели нейрона было сделано Уидроу и Хоффом, которые предложили в качестве функции срабатывания нейрона использовать логистическую кривую.

Постепенно в нейрокомпьютинге назревает новое направление, основанное на соединении биологических нейронов с электронными. По аналогии с Software – программное обеспечение и Hardware – электронное аппаратное обеспечение, эти разработки получили наименование Wetware.

В настоящее время уже существует технология соединения биологических нейронов со сверхминиатюрными полевыми транзисторами с помощью нановолокон. В том числе, для создания соединений между нейронами и электронными устройствами применяются углеродные нанотрубки.

«Ложка дёгтя». Чрезвычайно популярной стала тема ИНС в кругах чиновников и управленцев высшего звена в 2010-е годы. Как было бы удобно переложить бремя принятия решений на искусственную нейросеть, а заодно и ответственность за возможные ошибки. Но искусственный интеллект будет по-прежнему предлагать правильное решение на основе предыдущих (его же) правильных решений, и, увы, он не родит ни одной гениальной или даже просто новой, оригинальной идеи.

А хакеры будущего вероятно будут не просто воровать деньги с кредиток, они станут генерировать многоходовые стратагемы, приводящие ИНС к нужным им решениям.

Нейротехнологии и искусственный интеллект

История нейрокомпьютерных интерфейсов

Следуя идее о том, что информация в нервной системе передаётся в виде электрических сигналов, распространяющихся по нейронам, учёные не могли не прийти к мысли о возможности непосредственного взаимодействия нейронов с электронными устройствами, например, компьютером. Так родилась идея Нейрокомпьютерного интерфейса (НКИ), называемого также «прямой нейронный интерфейс», «мозговой интерфейс», интерфейс «мозг – компьютер».

С помощью НКИ можно либо принимать электрические сигналы от нейрона, либо посылать сигналы к нему.

Но, всё началось задолго до того, как появились нейронные сети и даже компьютеры. В далёком 1925 году Вальтер Рудольф Гесс талантливый швейцарский нейрофизиолог исследовал вегетативную нервную систему. В своих экспериментах на кошках в 1925—1940 годах он первым применил вживляемые электроды, которые вводил в точно определённые зоны промежуточного мозга. Когда послеоперационная рана заживала, можно было возбуждать слабым током его определённые участки или даже разрушать их, наблюдая за последствиями.

Естественно, раздражение различных зон приводило к различным эффектам – от сокращения мышц, поднимающих шерсть, до погружения в сон, выделения слюны и изменения частоты сердечных сокращений. В общем, всего того, что контролируется вегетативной нервной системой.

Его фундаментальный труд на основе двадцати пяти лет исследований связей участков промежуточного мозга с функциями вегетативной нервной системы – «Функциональная организация промежуточного мозга» опубликованный в 1948 году, остаётся актуальным и сегодня.

Нобелевская премия не заставила себя ждать. Уже в 1949 году Гесс разделил её с печально известным Эгашем Монишем изобретателем лейкотомии. К счастью для людей, но не для кошек, жертвами экспериментов Гесса стали только животные.

До 1950-х годов технологические ограничения не позволяли регистрировать единичные нервные импульсы у людей во время нейрохирургических процедур. Аппаратура для записи данных внутриклеточного микроэлектрода Алана Ходжкина образца 1952 года, как, впрочем, и метода фиксации потенциала были слишком громоздкими, чтобы их можно было реализовать в ограниченных условиях операционной. Разработка внеклеточных стеклянных микропипеточных электродов в 1955 году открыла такую возможность. Уорд и Томас (Ward and Thomas) сообщили что сумели зарегистрировать единичные потенциалы действия у пациента с эпилепсией с помощью стеклянных микропипеток, заполненных раствором хлорида калия. Сам факт такой процедуры оказался главным их достижением, поскольку расшифровать запись они не смогли. Стеклянные микропипетки были хрупкими и могли использоваться только в течение ограниченного времени операции, а полученные записи были искажены эффектом наркоза.

Имплант Родригеса Дельгадо в истории корриды

В 1950-х годах экспериментами Гесса вдохновился Хосе Дельгадо (Хосе Мануэль Родригес Дельгадо). В своих первых экспериментах он вживлял электроды в мозг животным и записывал сигналы, поступающие из мозга, а также изучал реакции на раздражающие импульсы, идущие в мозг. Аппаратура была громоздкая, ограничивала движения подопытных, а места́ ввода были подвержены инфекциям. Поэтому, Дельгадо спроектировал имплантируемый прибор, управляемый по радио, который он назвал стимосивером. Кстати ему же принадлежат изобретение ранней версии кардиостимулятора и имплантируемого «Хемитрода», который мог впрыскивать точные дозы лекарств непосредственно в конкретные области головного мозга.

Стимосивер по мнению Родригеса Дельгадо, можно было бы использовать для стимуляции эмоций и контроля поведения, а сами «передатчики мозга» могли бы оставаться в голове человека на всю жизнь.

Используя стимосивер, Родригес Дельгадо не только стимулировал эмоции, но и мог вызвать специфические физические реакции. Эти реакции, такие как движение конечности или сжатие кулака, возникали, когда Дельгадо стимулировал соответствующие участки моторной коры.

Некоторые его коллеги полагали, что одной из самых многообещающих находок Родригеса оказалась область, при стимуляции которой появлялось чувство сильной эйфории. Это чувство иногда было на столько сильным, что могло заглушить физическую боль и депрессию. Однако, Дельгадо свернул исследования в этом направлении, поскольку терапевтическое преимущества имплантатов были ненадёжными, а результаты повторных опытов широко варьировались от пациента к пациенту и были непредсказуемыми.

Самый же известный случай применения стимосивера на практике был продемонстрирован на ранчо по разведению быков в Кордове (Испания). Родригес Дельгадо с красным плащом вышел на арену к быку, которому в мозг был имплантирован стимосивер. Бык атаковал исследователя, но отступил, едва Дельгадо нажал на кнопку пульта дистанционного управления. Дельгадо утверждал, что это его стимулятор заставил быка смирить свой агрессивный инстинкт.

Будучи любителем театральных эффектов, он записал этот трюк на киноплёнку, так что, его можно увидеть и сегодня. В 1963 году New York Times опубликовала эксперименты Родригеса Дельгадо на первой полосе.

Ему предложили написать книгу «Физический контроль над разумом: к психо-цивилизованному обществу» в качестве сорок первого тома из серии книг под названием «Мировые перспективы». В своей книге Родригес Дельгадо рассуждал, как человечеству удалось приручить и цивилизовать окружающую природу, и утверждал, что пришло время цивилизовать наше внутреннее существо. Книга вызвала споры с момента её публикации. Тон книги был вызывающим, а философские рассуждения спорными. Призывы автора к снижению агрессии и созданию более доброжелательного и счастливого человека, откровенно противоречили нормам морали и религиозным канонам.

Хосе Родригес Дельгадо продолжил публиковать свои исследования и философские идеи в статьях и книгах в течение следующей четверти века. Всего им написано более 500 статей и шесть книг. Его последняя книга «Счастье» вышла в свет в 1989 году и пережила 14 изданий.

В последние годы его исследовательская программа сошла на нет, сопровождаемая противоречиями, из-за отсутствия финансирования и главное из-за сложности мозга, который был не так восприимчив к простому подключению к техническим устройствам, как предполагал Дельгадо.

Тем временем учёные с более скромными намерениями, которые хотели просто расшифровать сигналы мозга, а не модернизировать цивилизацию нейроимплантами, продолжали вставлять провода в головы лабораторных животных. К 1980-м годам нейробиологи выяснили, что, если, используя имплантат записывать сигналы от групп клеток, а затем усреднять все их срабатывания вместе, то можно достаточно точно выяснить намерение исследуемого животного. Что само по себе многие считают, важным шагом на пути к разработке протезов, управляемых мозгом.

Но традиционные мозговые имплантаты, имели серьёзный недостаток: сигналы, которые они улавливали, были крайне нестабильными. Со временем электроды покрываются рубцовой тканью и их сигналы исчезают полностью. А поскольку мозг представляет собой желеобразную среду, клетки иногда выходят за пределы досягаемости для записи или просто разрушаются от соприкосновения с острым краем микроэлектрода.

История Фила Кеннеди

Прорыва в решении этой проблемы добился Фил Кеннеди (Philip R. Kennedy). Его идея заключалась в том, чтобы втянуть мозг внутрь электрода, чтобы электрод оставался надёжно закреплённым внутри мозга. Для этого он прикреплял концы золотых проводов с тефлоновым покрытием внутри полого стеклянного конуса. В то же крошечное пространство он вставлял ещё один важный компонент: тонкий срез седалищного нерва. Эта крошка биоматериала должна была провоцировать близлежащие нервные ткани втягиваться в конус.

Отпала необходимость вонзать оголённый провод в кору головного мозга. Дизайн стеклянного конуса, казалось, давал невероятные преимущества. Теперь исследователи могли оставлять свои провода на месте на долгое время. В отличие от стеклянных микропипеточных электродов Уорда и Томаса не предполагалось исследовать единичные потенциалы действия отдельных нейронов. Конусы Кеннеди регистрировали электрическую активность небольших участков мозга.

Кеннеди назвал своё изобретение нейротрофическим электродом. Его детище определило всю дальнейшею карьеру Фила Кеннеди в нейробиологии да и судьбу тоже.

Вскоре после своего открытия, он оставил академическую должность в Технологическом институте Джорджии и основал биотехнологическую компанию под названием Neural Signals. В 1996 году, после многих лет испытаний на животных, Neural Signals получила разрешение на имплантацию конических электродов Кеннеди пациентам-людям в качестве последнего шанса помощи тем, у кого не было другого способа двигаться или говорить.

А в 1998 году Кеннеди и его коллега, нейрохирург Эмори Рой Бакей, приняли пациента, который сделал их научными знаменитостями.

52-летний Джонни Рэй перенёс инсульт у основания мозга. В результате он оказался на искусственной вентиляции лёгких, прикован к постели и полностью парализован (за исключением лёгких подергиваний мышц лица и плеча). Он мог ответить на простые вопросы, дважды моргнув – «да» и один раз – «нет».

Поскольку мозг Рэя потерял связь с телом, Кеннеди попытался забраться к нему в голову. Кеннеди и Бакай поместили электроды в первичную моторную кору мозга Рэя, участок ткани, который контролирует основные произвольные движения. Они выбрали идеальное место, предварительно поместив Рэя в аппарат МРТ и попросив его представить, как движется его рука. Затем они установили имплантат в то место, которое наиболее ярко высвечивалось на его снимках фМРТ. Когда конусы были на месте, Кеннеди подключил их к радиопередатчику, имплантированному прямо под скальпом.

Три раза в неделю Кеннеди работал с Рэем, пытаясь расшифровать волны его моторной коры, а затем превратить их в действия. Со временем Рэй научился модулировать сигналы от своего имплантата, просто думая. Когда Кеннеди подключил его к компьютеру, тот смог использовать эти модуляции для управления курсором на экране (хотя и только вдоль линии слева направо). Затем он дёргал плечом, чтобы вызвать щелчок мышью. С такой настройкой Рэй мог выбирать буквы на экранной клавиатуре и очень медленно составлять слова.

Несколько недель спустя Кеннеди представил свои результаты на ежегодной конференции Общества нейробиологии. Этого было достаточно, чтобы «Удивительная история Джонни Рэя» печатающего мысленно разнеслась по всему миру.

Казалось учёный, был на пороге чего-то грандиозного. Но когда он с коллегами в 1999 и 2002 годах установили мозговые имплантаты ещё двум парализованным пациентам, их случаи не продвинули проект вперёд. Разрез одного пациента не закрылся, и имплантат пришлось удалить; болезнь другого прогрессировала так быстро, что «нервные записи» оказались бесполезными. Первый пациент – Рэй умер от аневризмы мозга осенью 2002 года.

Тем временем, другие лаборатории сообщали о прогрессе с мозговым управлением протезами, но они использовали техники отличные от конусов Кеннеди, как правило, небольшие микрочипы в несколько квадратных миллиметров площади и с десятками голых проводов, торчащих вниз в мозг. В войне форматов электроды выглядели устаревшими: жизнеспособная, многообещающая технология, которая в конечном итоге не прижилась.

От других учёных, работающих над интерфейсами мозг-компьютер Кеннеди отличало не только оборудование. Большинство его коллег было сосредоточено на прототипе нейроуправляемого протеза, который щедро финансировал Пентагон: имплантат, который поможет пациенту (или раненому ветерану) использовать протезы конечностей. К 2003 году лаборатория Университета штата Аризона поместила в мозг обезьяны набор имплантатов, которые позволили животному поднести кусочек апельсина ко рту с помощью управляемой разумом роботизированной руки. Несколько лет спустя, исследователи из Университета Брауна сообщили, что два парализованных пациента научились использовать имплантаты для управления руками роботов с такой точностью, что можно было сделать глоток кофе.

Но Кеннеди гораздо меньше интересовали роботизированные руки, чем человеческие голоса. Ментальный курсор Рэя показал, что запертые в себе пациенты могут делиться своими мыслями через компьютер, даже если эти мысли текут, как смола, со скоростью три символа в минуту. Что, если бы Кеннеди смог создать интерфейс мозг-компьютер, сигнал которого плавно передавался бы, как речь здорового человека?

Во многих отношениях Кеннеди принял гораздо более серьёзный вызов. Человеческая речь намного сложнее любого движения конечности. То, что нам кажется основным действием – формулирование слов – требует скоординированного сокращения и расслабления более 100 различных мышц, от диафрагмы до мышц языка и губ. Чтобы построить рабочий речевой протез, подобный тому, что представлял Кеннеди, учёный должен был найти способ прочитать всю сложную оркестровку вокального языка на выходе нескольких электродов.

И вот в 2004 году, Кеннеди попробовал что-то новое, когда он вставил свои имплантаты в мозг последнего пациента, молодого человека по имени Эрик Рэмси. На этот раз Кеннеди и Бакай не размещали конические электроды в той части моторной коры, которая контролирует руки и кисти. Они протолкнули провода дальше – в тот участок мозга, который посылает сигналы мышцам губ, челюсти, языка и гортани.

Используя это устройство, Кеннеди научил Рэмси воспроизводить простые гласные звуки с помощью синтезатора. Но Кеннеди не мог знать, что на самом деле чувствовал Рэмси или что именно творится у него в голове. Рэмси мог отвечать на вопросы типа «да-нет», двигая глазами вверх или вниз, но и этот метод дал сбои, потому что у Рэмси были проблемы с глазами. Кеннеди не смог подтвердить свои языковые испытания. Он просил Рэмси вообразить слова и записывал сигналы из мозга Рэмси – но, конечно, Кеннеди не знал, действительно ли Рэмси «произносил» слова про себя.

Здоровье Рэмси ухудшилось, как и имплантат в его голове. С годами пришла в упадок и вся исследовательская программа Кеннеди: его гранты не возобновлялись; ему пришлось распустить своих инженеров и лаборантов; его партнёр Бакай умер. Теперь Кеннеди работал один. Он по-прежнему проводил рабочие часы, леча пациентов в своей неврологической клинике. Но Кеннеди был уверен, что совершит ещё один прорыв, если сможет просто найти идеального пациента – кого-то, кто мог бы говорить вслух, по крайней мере, сначала. Только таким образом, он мог выяснить соответствие между каждым конкретным звуком и нейронным сигналом.

Но прежде чем Кеннеди смог найти своего пациента, FDA отозвало одобрение на его имплантаты.

Однако амбиции Кеннеди не померкли, наоборот, он был преисполнен решимости. Осенью 2012 года он опубликовал научно-фантастический роман под названием «2051», в котором рассказывается история Альфы, ирландского пионера нейронных электродов, такого как Кеннеди, который жил в возрасте 107 лет как образец своего собственного технологического открытия. Роман представляет собой своего рода набросок мечты Кеннеди: его электроды будут не просто инструментом, помогающим заблокированным пациентам общаться, но станут двигателем улучшенного кибернетического будущего, в котором люди живут как разум в металлических оболочках.

К тому времени, когда Кеннеди опубликовал свой роман, он уже знал, каким будет его следующий шаг. Человек, прославившийся тем, что имплантировал самый первый интерфейс связи между человеческим мозгом и машиной, снова совершит то, чего никто никогда раньше не делал. У него не оставалось другого выбора. «Какого чёрта», – подумал он. «Я просто сделаю это на себе».

В 2014 году Фил Кеннеди нанял нейрохирурга в Белизе, чтобы тот имплантировал ему несколько электродов в мозг, а затем вставил под кожу головы набор электронных компонентов. Операция прошла не без осложнений, порядком напугав и Кеннеди, и его друзей.

Но спустя несколько недель он начал фазу сбора данных своего грандиозного эксперимента над собой. В течение следующих семи недель все вечера после работы он использовал, чтобы прогонять серии тестов. В своих лабораторных записях он указан как Субъект П. К., как будто для анонимности.

Эксперимент длился не так долго, как ему хотелось бы. Разрез на коже его головы так и не затянулся полностью над громоздким ретранслятором. По истечении всего 88 дней, Кеннеди снова лёг под нож хирурга. Но на этот раз он не поехал в Белиз. 13 января 2015 года местный хирург вскрыл кожу головы Кеннеди, перерезал провода, идущие от его мозга, и удалил силовую катушку и трансивер. Врач не пытался копаться в коре головного мозга Кеннеди в поисках трёх стеклянных конических электродов, которые были там встроены. Было безопаснее оставить их там, где они были, опутанные тканями мозга Кеннеди, на всю оставшуюся жизнь.

Рискуя здоровьем, в одиночку и исключительно на свои сбережения, Кеннеди сумел создать особую запись языка. Когда Кеннеди, наконец, представил данные, которые он собрал сначала на симпозиуме Университета Эмори в мае того же года, а затем на конференции Общества нейробиологии в октябре, то к сожалению, он не смог продемонстрировать действующую модель. Некоторые из его коллег отнеслись к истории с недоверием. Другие же нашли её захватывающей, хотя и были несколько обескуражены. Дело в том, что ещё со времён Марты Рафферти нейрохирурги постоянно сталкивается с этическими препятствиями, а этот человек, которого они знали много лет, сделал смелую и неожиданную попытку исследовать собственный мозг. [46]

В наши дни большинство исследователей в области инвазивных НКИ отдают предпочтение микрочипам в виде сетки электродов размером 8 на 8 или 16 на 16, размещаемым на обнажённой коре головного мозга. Этот метод, называемый электрокортикографией, или ЭКоГ. Он обеспечивает менее чёткую картину, чем метод Кеннеди: вместо того, чтобы настраиваться на голоса отдельных нейронов, он слушает хор из сотен и тысяч нейронов одновременно.

Сторонники ЭКоГ утверждают, что и эти хоровые следы передают достаточно информации, чтобы компьютер мог расшифровать намерения мозга и даже то, какие слова или слоги хочет сказать человек. Сетка ЭКоГ также может безопасно оставаться на месте под черепом в течение длительного времени, возможно, даже дольше, чем конические электроды Кеннеди.

В тот же год, когда Кеннеди собирал данные, чтобы представить их на заседании Общества нейробиологии в 2015 году, другая лаборатория опубликовала новый способ использования компьютеров и черепных имплантатов для декодирования человеческой речи. Названный Brain-to-Text, он был разработан в Центре Уодсворта в Нью-Йорке в сотрудничестве с исследователями из Германии и Медицинским центром Олбани и был протестирован на семи пациентах с имплантированными сетками ЭКоГ. Каждого испытуемого просили читать вслух отрывки текста из разных источников, а тем временем записывались их нейронные данные. Затем исследователи использовали результаты ЭКоГ для перекодировки нейронных данных в звуки речи.

Невероятно, но система вроде как работала. Компьютер выдавал фрагменты текста, которые имели чуть более чем случайное сходство с прочтённым текстом.

Но даже разработчики признали, что это было, в лучшем случае, лишь доказательством правильности концепции.

Новый мозговой имплантат переводит мысли о письме в текст

До последнего времени разработчики нейрокомпьютерных интерфейсов на основе имплантатов, предлагали парализованным людям возможность набора текста с помощью виртуальной клавиатуры с возможностью управлять курсором с помощью разума. По сути это развитие технологии, предложенной Родригесом Дельгадо в начале 1960-х. Со временем этот процесс стал более эффективен, но продолжает оставаться медленным – около 25 символов в минуту, требует полной сосредоточенности пользователя, так как он должен и отслеживать перемещение курсора, и определять, когда выполнить эквивалент нажатия клавиши. Также пользователь должен потратить время на то, чтобы научиться управлять системой.

И вот, наконец, надежда на прорыв.

Эта информация изначально опубликована на Ars Technica, надёжном источнике технологических новостей, в мае 2021 года. Компания Neuralink Илона Маска выходит на новый уровень использования нейроимплантатов.

Новая идея (которая не так уж и нова) основана на том, что где-то в процессе написания текста, мы формируем намерение использовать тот или иной символ, и стоит попробовать нейроимплантат для отслеживания возбуждения участков мозга как раз именно на этапе намерения. После того как намерение оформилось, решение передаётся в моторную кору, где оно переводится в действие.

Предполагалось, что улавливание намерений с большей вероятностью даст чёткий сигнал, чем улавливание самих движений (любое движение задействует множество мышц и зависит от конкретных условий, например, где ваша рука находится относительно листа бумаги).

В общем, исследователи поместили два имплантата в премоторную кору мозга парализованного человека. Считается, что именно эта область участвует в формировании намерений выполнять движения.

Установив имплантаты в нужном месте, учёные попросили участника представить, как он пишет буквы на странице, а сами в этот момент записали нейронную активность. (Пациенту также предложили использовать знаки препинания, такие как запятая и вопросительный знак, и использовали «>», чтобы указать пробел и тильду вместо точки.)

Рисунок 45 Neuralink Илона Маска

Всего в премоторной коре головного мозга участника было размещено 2 имплантата размером со среднюю монету по 100 электродов каждый. Не все из них оказались информативными. Но на основе тех, которые работали, авторы провели анализ главных паттернов нейрограммы, которые больше всего различались при представлении написания различных букв.

В итоге они обнаружили, что могут расшифровать соответствующий символ с точностью чуть более 94 процентов. Но разбор записи был долгим. Чтобы всё работало в реальном времени, исследователи создали рекуррентную нейронную сеть способную оценивать вероятность сигнала, соответствующего каждой букве.

Несмотря на работу с относительно небольшим объёмом данных (всего 242 символа), система работала замечательно. Задержка между мыслью и символом, появляющимся на экране, составляла всего около полсекунды, и участник смог воспроизвести около 90 символов в минуту, что значительно превзошло предыдущий рекорд для набора текста с помощью имплантата. Частота ошибок составила всего около 5 процентов, а применение такой системы, как автокоррекция набора текста, помогло снизить частоту ошибок до 1 процента.

Все тесты проводились с заранее подготовленными предложениями. Однако, когда исследователи попросили участника напечатать ответы на вопросы в свободной форме, скорость немного снизилась (до 75 символов в минуту) и количество ошибок увеличилось до 2 процентов после автокоррекции, но система всё равно работала. [47]

По словам самих разработчиков, это «даже не прототип, ещё не полностью, клинически жизнеспособная система». Начнём с того, что она использовалась только у одного человека, поэтому неизвестно, насколько хорошо она может сработать для других. Кроме того, поведение имплантатов со временем меняется, возможно, из-за незначительных сдвигов по отношению к нейронам, или из-за накопления рубцовой ткани, поэтому систему нужно было регулярно перекалибровывать – не реже одного раза в неделю, чтобы поддерживать допустимый уровень ошибок.

Тем не менее, устройство показывает очень значительный прирост скорости по сравнению с предыдущими системами на имплантатах, и довольно высокую точность.

Похвально упорство, с которым учёные уже несколько десятилетий расшифровывают нейрограммы мозга. Но если для хранения алфавита задействовано несколько квадратных миллиметров коры головного мозга, то как в него помещаются все остальные знания и навыки? На мой скептический взгляд, это всё равно, что по аэрофотоснимкам местности изучать язык, на котором говорит местное население.

Интересно, если взять двух пациентов со вскрытыми черепными коробками и уложить их таким образом, чтобы их открытые поверхности коры головного мозга соприкасались. Позволит ли это мыслям и чувствам перетекать от одного человека к другому?

Или более простой эксперимент – внедрить в мозг двух испытуемых одинаковые имплантаты в одинаковые участки мозга и… соединить их между собой. Получим ли мы некий «нейротелефон»?

Между тем, есть гораздо более простые и функциональные способы помочь людям, у которых проблемы с речью. Если пациент может двигать пальцем, он может печатать сообщения азбукой Морзе. Если он способен только двигать глазами, то можно использовать программное обеспечение для отслеживания взгляда на смартфоне. Эти устройства очень дёшевы, гораздо дешевле имплантата за 100 000$.

Нейропротезирование

До сих пор мы говорили о том, как подключают мозг к компьютеру, эту технологию называют – НКИ.

На практике нейропротез не обязательно подключать к мозгу, он может быть подсоединён к любой части нервной системы, например, к периферическим нервам.

Существуют уже нейропротезы для восстановления зрения, например, имплантаты сетчатки глаза. Но наиболее часто в современной медицине применяется кохлеарный нейроимплантат – им пользуются уже тысячи людей по всему миру.

Кохлеарный аппарат – медицинский прибор, протез, позволяющий компенсировать потерю слуха. Действие основано на имплантации в тело пациента устройства, способного преобразовывать электрические сигналы, поступающие с внешнего микрофона, в импульсы, понятные нервной системе.

Если у человека с полной потерей слуха сохранилась хотя бы часть слухового нерва, то можно попытаться, минуя повреждённые структуры, стимулировать его напрямую. Именно это и делают кохлеарные имплантаты.

Электроды вводят в одну из заполненных жидкостью камер улитки уха хирургическим путём, располагают их достаточно близко к волокнам слухового нерва расстоянии, обеспечивающем их внешнее стимулирование.

Целевая реиннервация

Серьёзную конкуренцию НКИ по части протезирования частей тела может составить новая технология – целевая мышечная реиннервация.

Считается, что нервная клетка в процессе своей эволюции утратила способность к делению, однако, при определённых условиях нейроны, потерявшие часть аксона, не только не погибают, но даже способны к регенерации1. Этим свойством нервной ткани нельзя было не воспользоваться. Что и было сделано американскими учёными Тоддом Куикеном и Грегори Думаняном в 2005 году.

Как выяснилось, при ампутации конечности остатки двигательных нервов можно хирургическим путём перенести на маленький участок какой-нибудь крупной мышцы, например, к большой грудной, если речь идёт об ампутации руки (эта процедура и называется реиннервацией). В результате при попытке пошевелить отсутствующим пальцем, сигнал от мозга перенаправляется к участку грудной мышцы. Следующая задача – обнаружить этот сигнал и передать его на роботизированный протез. Тут на помощь приходит электромиография – технология, позволяющая регистрировать разность электрических потенциалов, возникающих на поверхности кожи при сокращении мышцы. Электроды улавливают активность реиннервированного участка, после чего сигнал передаётся к нужной части протеза.

Теоретически, для более точной локализации сигналов от целевой мышцы, можно использовать имплантируемые в неё электроды.

В 2003 году первым пациентом, получившим протез работающий на основе целевой реиннервация, оказался Джесси Салливан, инженер-энергетик, потерявший обе руки в результате электрических ожогов. После того, как нервы рук были перенаправлены на его грудные мышцы, он научился управлять протезными руками.

С тех пор как Салливан стал первым пациентом, ещё три человека– ампутанта рискнули испытать на себе новую технологию, и они тоже довольны результатом.

Сегодня такая операция остаётся редкой и очень дорогой. Но у этого направления есть перспективы.

PS. Идея конечно хороша, но почему-то, пока я собирал материал на эту тему меня преследовало воспоминание о «втором опыте Гальвани». Напомню: стеклянным крючком Гальвани набрасывал конец седалищного нерва, на мышцу конечности лягушки; при этом наблюдалось её сокращение.

И ещё одно замечание – если после ампутации возникают фантомные ощущения, значит где-то должны существовать и невостребованные управляющие нервные импульсы.

1 Последнее утверждение весьма спорно. Но аксоны, лишенные окончаний, не утрачивают способности к передаче нервных импульсов.

Неинвазивные НКИ

По этическим соображениям установка инвазивных имплантатов в мозг человека не даёт широкого простора для исследователей, а экспериментировать над собственным мозгом подобно Филу Кеннеди готовы не многие.

Поэтому на практике большинство исследователей отдаёт предпочтение конструированию неинвазивных1 нейрокомпьютерных интерфейсов, основанных на анализе данных электроэнцефалографии (ЭЭГ).

По типу используемых проявлений ЭЭГ они делятся на экзогенные и эндогенные.

Экзогенные НКИ основаны на анализе паттернов активности, возникающих в ответ на внешние стимулы, эндогенные – на анализе паттернов, возникающих произвольно в соответствии с намерениями и мысленными образами испытуемых.

Экзогенные НКИ используют естественные реакции мозга на внешние стимулы и поэтому не требуют интенсивной тренировки. К ним относятся НКИ, основанные на анализе компонента P300 2, и НКИ, основанные на анализе так называемых устойчивых зрительных вызванных потенциалов.

P300 – это эндогенный компонент связанного с событием потенциала (ERP), который имеет положительное отклонение, и возникает при записи электроэнцефалограммы спустя примерно 300 мс после получения редкого стимула, не важно, зрительного, слухового или соматосенсорного, на фоне частых незначимых стимулов. P300 бессознательно активируется каждый раз, когда мозг испытуемого обнаруживает целевой стимул (редкое событие), имеет длительность около 300 – 400 мс и положительную амплитуду 5 – 15 мкВ. Максимальное значение P300 наблюдается под центральным (Pz) электродом. P300 зависит от сосредоточенности испытуемого, но не от физических параметров стимула.

Наиболее известный НКИ, основанный на использовании P300 – это почти традиционное устройство для печатания символов. В этом НКИ на экран монитора в виде матрицы размерностью 6×6 выводятся буквы и некоторые другие символы и команды. Каждые 125 мс высвечивается один ряд или одна колонка матрицы, выбранные в случайном порядке. Испытуемому даётся инструкция считать, сколько раз высвечивались ряд и колонка, содержащие задуманный символ. Эффект P300 появляется только тогда, когда предъявляемый испытуемому ряд или колонка содержат этот символ.

После предъявления всех 12 рядов и колонок суммировались вызванные реакции на предъявление каждой колонки и каждого ряда. Всего таких сумм получается 36, по числу различных комбинаций рядов и колонок. Наибольшая сумма соответствует комбинации того ряда и той колонки, которые оба содержали задуманный символ.

Несмотря на то, что первый подобный НКИ был предложен ещё в 1988 году, этот тип интерфейса продолжает активно совершенствоваться в направлении повышения его информационной производительности, которая достигает 10 бит3 в минуту. (Для сравнения, радиотелеграфист средней квалификации работает в диапазоне скоростей 60—100 букв или цифр в минуту.)

В других экзогенных НКИ, основанных на анализе устойчивых зрительных вызванных потенциалов, испытуемому предъявляется экран компьютера, на котором изображено несколько объектов, которые высвечиваются с различными частотами, превышающими 6 Гц. Испытуемый может произвольно фокусировать внимание на одном из объектов. Тот объект, который выбрал испытуемый, может быть идентифицирован по соответствующей ему частоте устойчивых вызванных потенциалов. НКИ такого типа имеют информационную производительность – до 12 бит в минуту.

Эндогенные НКИ основаны на анализе медленных корковых потенциалов (МКП) и сенсомоторных ритмов. Негативный сдвиг МКП ассоциируется с подготовкой к движению и другими функциями коры, требующими увеличения её активности.

Ещё в начале 80-х было замечено, что игра в мяч, наблюдение за игроками и воображение игры вызывают активность одинаковых участков коры мозга. А человек способен произвольно управлять МКП. Эта способность легла в основу НКИ, названного «устройством передачи мысли» и описанному в 1999 году. МКП выделялся с помощью фильтрации и вычитания электроокулограммы4 и показывался испытуемому на экране монитора в виде временно́й развёртки.

Тренировки занимали от нескольких недель до месяцев. Когда число правильных сдвигов МКП достигало 75%, НКИ соединялся с генератором букв. Выбранная буква могла быть указана с помощью последовательности бинарных выборов. Например, вначале можно было указать первую или вторую половину алфавита, затем половину от этой половины и т. д., пока не будет указана сама буква. При таком алгоритме на каждую букву требуется 5 последовательных команд.

Можно, естественно, усовершенствовать алгоритм, учитывая при таком выборе частоту встречаемости букв в речи, как в алгоритме Шеннона – Фано. Однако в любом случае производительность составляла всего от 2 до 36 слов в час.

Гораздо большую производительность показали НКИ, основанные на анализе сенсомоторных ритмов. В них используется хорошо известные реакции десинхронизации и синхронизации в ответ на воображение движений. Движение, воображение движения или наблюдение за движением некоторого исполнительного о́ргана обычно сопровождается уменьшением мю-ритма в корковых представительствах соответствующего о́ргана. Такое уменьшение называется десинхронизацией, связанной с событием. Увеличение мю-ритма т. е. синхронизация, связанная с событием, наблюдается по окончании движения, во время расслабления.

Поскольку представительства различных органов (например, левой и правой руки) разнесены по коре на довольно большие расстояния, по локализации мю-ритма можно достаточно точно определить, движение какого исполнительного о́ргана воображает испытуемый. Поэтому НКИ, основанные на воображении движений различных органов тела, имеют наибольшую производительность, достигая скорости передачи информации до 35 бит в минуту.

НКИ, основанные на анализе паттернов ЭЭГ, соответствующих воображению различных движений, продолжают совершенствоваться как за счёт улучшения классификаторов НКИ, так и за счёт улучшения методов тренировки испытуемых.

Наиболее распространены НКИ, основанные на регистрации ЭЭГ, т. к. они являются неинвазивными и поэтому их использование не требует специальных медицинских показаний, кроме того, они дёшевы, компактны и транспортабельны.

Однако набирают популярность неинвазивные НКИ на основе наблюдения за гемодинамической активностью участков мозга, которая регистрируется с помощью функциональной магниторезонансной томографии (ФМРТ) или ближней инфракрасной спектроскопии (БИКС). Первая связана с изменением концентраций окисленного и восстановленного гемоглобина в областях мозга, где нейронная активность увеличена. Регистрация сигналов БИКС основана на зависимости поглощения инфракрасного излучения от концентрации окисленного и восстановленного гемоглобина.

В последние годы обсуждается даже фантастическая возможность введения в мозг через кровеносную систему так называемой нейронной пыли (neural dust) – множества микрочастиц, каждая из которых является пьезодатчиком, преобразующим электрическую активность мозга в ультразвуковой сигнал, регистрируемый на поверхности головы. В перспективе освоение этой технологии могло бы на порядки увеличить возможности НКИ.

1 Не связанный с проникновением через естественные внешние барьеры организма

2 Колебание P300 (по́зднее позитивное колебание). Впервые этот феномен был описан в 1965 г. С. Саттоном как позитивная волна ЭЭГ, амплитуда которой зависит не от физических характеристик стимула, а от степени неопределённости, разрешаемой при его предъявлении.

3 Бит – единица измерения количества информации. 1 бит информации – символ или сигнал, который может принимать два значения: включено или выключено, да или нет.

4 Электроокулография – исследование глазных мышц и наружного слоя сетчатки благодаря изменениям биопотенциалов во время движения глаза и стимуляции сетчатки, и переводу зарегистрированных изменений в графическое представление.

Экзокортекс

Развитие биоинженерии в далёком будущем может привести к появлению экзокортекса.

Экзокортекс (др. – греч. ἔξω [exō] – вне, снаружи; лат. cortex – кора) – внешняя система обработки информации, которая поможет усилить интеллект или выступить нейропротезом собственно ума.

Людей с вживлёнными подобными устройствами можно будет называть киборгами.

В дальнейшем, в качестве экзокортекса может быть использован мозг другого человека. Некоторые теоретики считают, что экзокортекс сможет дать возможность не только для загрузки сознания человека в компьютер, но и для объединения сознания нескольких людей.

Дорожная карта развития ИИ в России

Стоит ли этим заниматься? Получать образование, тратить время, ресурсы. Будет ли отдача?

В Предисловии я кратко упомянул, о международных программах исследования мозга. В этой главе предлагаю ознакомиться с предполагаемой российской программой.

CNews в конце июля 2019 года опубликовал оказавшийся в его распоряжении Проект дорожной карты по развитию направления «Нейротехнологии и искусственный интеллект» [48]. Документ подготовлен Сбербанком в рамках реализации мероприятий федерального проекта «Цифровые технологии» национальной программы «Цифровая экономика».

Параллельно Сбербанк подготовил другой документ на аналогичную тему – проект Национальной стратегии развития искусственного интеллекта. Документ был написан по поручению Президента России Владимира Путина, в ближайшее время ожидается подписание серии президентских указов по реализации данной стратегии.

Согласно материалам Дорожной карты, мировой рынок решений в сфере искусственного интеллекта (ИИ) в 2018 г. составил $21,5 млрд, а в 2024 г. он достигнет $137,5 млрд. Мировой рынок решений в сфере нейротехнологий в 2018 г. составил $1,3 млрд, в 2024 г. он увеличится до $7 млрд.

Семь субтехнологий искусственного интеллекта

Авторы документа разделяют искусственный интеллект на семь субтехнологий. В отношении каждой из них указывается уровень готовности технологии (УГТ) по шкале от 1 до 9.

УГТ с 1-й по 3-ю – это научные стадии, во время которых проводят научно-исследовательские работы, а в отношении самого́ продукта выявлены и опубликованы фундаментальные принципы.

УГТ 4 – 6 – это экспериментальная стадия, во время которой проводятся опытно-конструкторские работы. В отношении продукта созданы компоненты или макеты, которые проверены в лабораторных условиях.

Наконец, УГТ 7 – 9 – это рыночная стадия. Прототип продукта прошёл демонстрацию в эксплуатационных условиях и идёт подготовка предсерийного или серийного производства. Для каждой субтехнологии также приводится перечень технологий, которые через несколько лет трансформируются в различные решения.

Первая из субтехнологий – это компьютерное зрение: система решений, которые находят, отслеживают и классифицируют объекты. Уровень технологической готовности – шестой. Международными разработками для данной технологии являются технология искусственного восприятия DriveNet от NVidia, Intelligent Vision System от ITRI и интерфейс HoloActive Touch от BMW.

Российский опыт представлен беспилотным автомобилем от «Яндекса», платформой распознавания лиц VisionLabs Luna и голографическая AR-навигационной системой WayRay.

Вторая субтехнология – это обработка естественного языка: система решений, направленных на понимание языка и генерацию грамотного текста, а также создание более удобной формы взаимодействия компьютера и человека. Уровень технологической готовности для данной субтехнологии составляет 6.

Международный опыт в этой субтехнологии представлен виртуальным помощником Cortana в операционной системе Windows, голосовым помощником Siri от Apple и продуктами Gmail и DialogFlow от Google. Российскими продуктами в этой субтехнологии являются разработки ABBYY, голосовой помощник «Алиса» от «Яндекса» и библиотека диалоговых систем DeepPavlov.

Следующая субтехнология — это распознавание и синтез речи: система решений, позволяющих осуществлять перевод речевого запроса в текстовый вид, в том числе анализ тембра и тональности голоса, распознавание эмоций. Уровень технологического развития данной субтехнологии – пять.

Международные продукты в данной сфере представлены голосовым помощником Siri от Apple и решениями компании Call Miner. Российские продукты – это «Алиса» (Yandex. SpeechKit) «Яндекса» и решения компании ЦРТ.

Другая субтехнология – это рекомендательные системы и интеллектуальные системы поддержки принятия решений. Речь идёт о системе принятия решений, посредством которых процесс выполняется без участия человека, поддержка в выборе решения, а также предсказание объектов, которые будут интересны пользователю по информации его профиля. Уровень готовности технологии – 8.

Международными продуктами в данной области являются рекомендательная система от онлайн-кинотеатра Netflix и система снижения потребления топлива Airbus Fuel Consumption Cycle, разработанная корпорацией Airbus в сотрудничестве со «Сколтехом». Российскими продуктами являются робот «Вера» и голосовой помощник «Алиса» от «Яндекса».

Субтехнология «Перспективные методы и технологии в ИИ» представляет из себя методы и технологии, развитие которых влияет на все нынешние субтехнологии, а также на создание новых субтехнологий в области искусственного интеллекта. Уровень технологической готовности данной субтехнологии находится лишь на отметке 2.

Международные решения для данной субтехнологии представлены службой аналитики Azure Databricks от Microsoft и платформой для высокопроизводительного глубокого обучения NVidia TensorRT. Российские решения представлены продуктом Datana – разработка «Ланит» для управления технологическими и производственными процессами и платформой Smart Open Virtual Assistant для создания, обучения и использования виртуальных помощников.

Субтехнология «Нейропротезирование» представляет собой создание решений, позволяющих человеку взаимодействовать с различными устройствами, а также создание устройств, улучшающих физические и коммуникационные возможности человека. Уровень технологической готовности данной технологии – 5.

Международные продукты для данной субтехнологии представлены Neurosky – чипы для отслеживания мозговой активности человека – и носимым устройством Epoc+ от Emotiv для управления различными девайсами с помощью мозговых усилий. Российские разработки представлены продуктами от «EхoАтлет».

Заключительная субтехнология – это нейроинтерфейсы, нейростимулиция и нейросенсинг. Речь идёт о создании решений, позволяющих отслеживать и влиять на мозговую активность человека. Уровень технологической готовности находится лишь на отметке 3.

Международные продукты представлены устройствами для контроля состояния человека от Philips. Российские решения – это устройства компании «Викиум» для отслеживания, анализа и визуализации мозговой активности.

На реализацию мероприятий данной дорожной карты потребуется 100 млрд руб. до 2024 г. и 180 млрд руб. до 2030 г. В том числе 20 млрд руб. потребуется на финансирование фундаментальных исследований, 40 млрд руб. на поддержку разработок прототипов по всем субтехнологиям, описанным в документе, 120 млрд руб. на поддержку внедрения решений по всем субтехнологиям.

Авторы документа прогнозируют, что до 2030 г. в России в сфере искусственного интеллекта будет функционировать до 1 тыс. компаний. Объём выпуска продукции и услуг в данной сфере увеличится до 100 млрд руб., а объём экспорта до 50 млрд руб.

Число патентов в области искусственного интеллекта превысит 1 тыс., число стартапов также будет более 1 тыс. Объём венчурных инвестиций в капитал российских компаний в сфере искусственного интеллекта превысит $100 млн. В сфере искусственного интеллекта будет работать более 10 тысяч человек.

В области образования вузы будут ежегодно выпускать более 5 тыс. специалистов по ИИ, а вместе с ведущими компаниями будет создано более 100 магистерских программ по ИИ. Более 30% трудоспособного населения будет проходить персональные образовательные программы, охват обучающихся на всех уровнях образования образовательными программами нового поколения также превысит 30%, а доля выпускников, устроившихся по специальности после окончания учебного заведения, превысит 70%.

В области здравоохранения средняя продолжительность жизни в России вырастет до 80 лет. Доля организаций здравоохранения, использующих ИИ при оказании медицинских услуг, диагностики, инвазивных процедур, контроля качества медицинской помощи, при профилактических осмотрах превысит 30%. Доля трудоспособного населения, использующего персональные средства ИИ для самоконтроля и управления здоровья составит 3%.

В сфере госуслуг более 30% учреждений государственного управления будут предоставлять услуги населению с помощью ИИ. Также более половины компаний, использующих государственные услуги, будут получать данные услуги с помощью технологий ИИ.

Более 30% предпринимателей будет использовать в своей деятельности сервисы самопроверки на базе ИИ. Также более 30% контролирующих и надзорных органов будут использовать в своей деятельности технологии ИИ. Доля учреждений госуправления, использующих технологии ИИ, на федеральном уровне превысит 90%, на региональном уровне 50%, на муниципальном – более 30%.

В области аппаратного обеспечения будет завершена разработка отечественных высокоскоростных и энергоэффективных микропроцессоров, показатели которых будут близкими к лучшим зарубежным аналогам, и аппаратно-программной платформы для отечественной ИИ-системы. Также разработаны и выпущены на рынок первые образцы чипов ИИ с готовыми инструментами отладки и комплектов ПО и интеллектуальные устройства на основе отечественных высокоплотных аппаратно-программных комплексов.

В сфере алгоритмов и математических методов будет создано более 10 центров совершенства в области ИИ, а число ведущих зарубежных исследователей в сфере ИИ, привлечённых для работы в России, превысит 100. В международных рецензируемых научных журналах не менее 3% публикаций про ИИ будут созданы с участием российских исследователей.

К 2023 году будет создан первый ЦОД, специализированный под задачи ИИ и построенный на российских ИИ-процессорах. А к 2024 г. будут созданы общедоступные ЦОДы, специализированные под задачи ИИ. Также будут разработаны отечественные решения с облачной архитектурой, предусматривающие интеграцию с действующими информационными системами в сфере здравоохранения.

Кроме того, к 2024 году правовое регулирование в России будет скорректировано для создания упрощённого административно-правового и нормативно-технического порядка тестирования и внедрения разработок в сфере ИИ.

Предостережение

Боюсь, что скоро приставка «нейро-» станет такой же или даже более популярной чем «нано-». И это внесёт большую путаницу в понятия. Вероятно, скоро появятся нейро-телевизоры, нейро-калькуляторы, нейро-мобильные устройства.

Продолжение истории синапсов

Теперь, когда мы с Вами уже узнали, как работает нейрон, что такое синапс и как нервный импульс передаётся от одного нейрона к другому, что такое нейромедиатор и что такое нейролептики, давайте попробуем прояснить для себя ещё одну тему.

Тема одна, а вопросов много. Адреналин – это что, нейромедиатор или гормон? И почему его используют как антидот (противоядие)? В чём разница между дофамином-нейромедиатором и дофамином-гормоном? Если наш ГЭБ так эффективен, то как действуют нервнопаралитические яды? И самый интересный вопрос – как же работает анестезия?

Нейромедиаторы и гормоны

Ионные каналы мембраны – это шлюзы клетки. Их важнейшее свойство состоит, пожалуй, в том, что они открываются и закрываются, регулируя тем самым движение ионов. Но оказывается, процесс открывания и закрывания так называемый «воротный» механизм, управляем. Он жёстко регулируется тремя факторами: 1) присоединением внутриклеточных или наружных химических веществ, 2) механическим напряжением мембраны и 3) изменением разности потенциалов на клеточной мембране.

Общепризнанно, что большинство нервных клеток общаются друг с другом с помощью химических посредников, известных как нейромедиаторы.

Нейромедиаторы (нейротрансмиттеры, посредники, «медиаторы») – биологически активные химические вещества, посредством которых осуществляется передача электрохимического импульса через синаптическое пространство между нейронами, а также, например, от нейронов к мышечной ткани или железистым клеткам.

Рассмотрим, как это работает на примере передачи команды от нейрона к мышце. Когда нервный импульс достигает нервного окончания, под его воздействием открываются кальциевые каналы и впускают поток ионов кальция в клетку. Это заставляет синаптические везикулы1, наполненные нейромедиатором ацетилхолином2, двигаться в направлении мембраны, сливаться с ней и выбрасывать содержимое в синаптическую щель. Ацетилхолин затем проникает через щель и присоединяется к белкам-рецепторам на мембране мышечного волокна. Присоединение нейромедиатора открывает ионный канал в мембране мышцы, позволяя ионам Na+ входить в клетку. Ионы натрия вызывают изменение электрического потенциала на мембране, что инициирует нервный импульс в мышечном волокне. В мышечной клетке такой импульс вызывает сокращение.

Таким образом, электрический сигнал передаётся от нерва к мышце с помощью химического посредника – ацетилхолина.

1 Синаптические везикулы (или синаптические пузырьки) находятся в пресинаптических границах в нейронах и накапливают нейромедиаторы.

2 Ацетилхолин (лат. Acetylcholinum), сокр. АЦХ – первый открытый нейромедиатор, осуществляющий нервно-мышечную передачу, а также основной нейромедиатор в парасимпатической нервной системе. В организме очень быстро разрушается специализированным ферментом – ацетилхолинэстеразой. Играет важнейшую роль в таких процессах, как память и обучение.

Современные представления о механизмах передачи возбуждения в синапсе:

В зависимости от того, для каких ионов изменяется проницаемость мембран, возможны два варианта постсинаптических потенциалов – возбуждающий (ВПСП) и тормозной (ТПСП).

Возникновение ВПСП основано на повышении проницаемости мембраны для ионов Nа+, а ТПСП – для ионов К+ и Cl-. Характер активности тех или иных каналов определяется химической структурой медиатора, особенностью рецепторного образования, а также связанного с ним вторичного посредника.

Провзаимодействовав с клеткой-мишенью, медиатор должен быть удалён с мембраны. Это осуществляется ферментами, находящимися в синапсе. Ацетилхолин расщепляется ферментом ацетилхолинэстеразой (АХЭ). Для адреналина и норадреналина – такими ферментами являются катехол-окси-метилтрансфераза (КОМТ) и моноаминоксидаза (МАО). Продукты расщепления медиаторов далее либо транспортируются в пресинаптическую область для последующего ресинтеза медиатора, либо просто удаляются из околосинаптической области.

Но что произойдёт с передачей импульсов через синапс, если выделенный нейромедиатор не сработает? Или другой вариант – он сработает, но не будет удалён из околосинаптической области? Рассмотрим эти случаи по порядку.

Если нейромедиатор не срабатывает, то не происходит и передача возбуждения к мышце. Это называется паралич. Как этого добиться? Надо доставить в межклеточное пространство, химическое соединение, которое бы нейтрализовало выделяемые нейронами медиаторы. И такое вполне возможно, природа сама об этом позаботилась. Вещества, которые оказывают такое действие на нервную систему называются ядами. Именно так действует яд кураре, который южноамериканские индейцы наносят на стрелы. Он присоединяется к ионным каналам, участвующим в процессе передачи импульсов в нервных и мышечных волокнах, и блокирует действие естественного медиатора, вызывая паралич.

Второй случай, когда, например, нейромедиатор не удаляется из околосинаптической области. Это приведёт к перевозбуждению постсинаптической мембраны, мышца будет непрерывно возбуждаться. Так действуют боевые отравляющие вещества нервнопаралитического действия, например, Зарин.

В общем, яды воздействуют на активность каналов, присоединяясь к тому же участку, что и естественный медиатор, и блокируя или имитируя действие этого медиатора.

Логика подобного механизма управления каналами лежит в основе действия многих лекарственных препаратов.

Но мы не рассмотрели ещё один способ повлиять на проводимость нервных импульсов через синапс – препятствовать поступлению Са+ в пресинаптическую мембрану. Это должно блокировать прохождение нервного импульса и предотвратить выброс нейромедиатора из везикул нервного окончания. Такой метод широко используется в медицине при местной анестезии. Местные анестетики даже называют «стабилизаторами мембраны». Они действуют на все нервные волокна: чувствительные, двигательные, вегетативные. Первыми реагируют на них волокна меньшего диаметра, затем более крупные. Чувствительность выключается в следующем порядке: болевая, вкусовая, температурная, тактильная.

Со временем выяснилось, что существуют сотни различных медиаторов и каждому конкретному получателю нервного импульса – мышце, железе или другому нейрону присущи свойственные только им нейромедиаторы, а другие игнорируются.

Вероятно, система так защищается от ложных срабатываний. А нейромедиатор далеко из синапса не уходит и быстренько дезактивируется.

Химические соединения, которое при взаимодействии с рецептором изменяют его состояние, приводя к биологическому отклику называют агонистами. Обычные агонисты увеличивают отклик рецептора, обратные агонисты уменьшают его, а антагонисты блокируют действие рецептора.

Агонисты могут быть эндогенными, например, гормоны и нейротрансмиттеры, или экзогенными – лекарства. Эндогенные агонисты в норме производятся внутри организма и опосредуют функцию рецептора. К примеру, дофамин является эндогенным агонистом дофаминовых рецепторов.

Эндокринная система и гормоны

Как прекрасно действуют яды! А почему природа не использует этот механизм в полезных целях? Ещё как использует!

Применение химических веществ для передачи информации от одной клетки к другой не ограничивается нервной системой. Химические мессенджеры широкого действия, известные как гормоны, передают информацию между клетками нашего организма, которые расположены на довольно большом расстоянии. Множество разных гормонов постоянно циркулируют в организме, влияя на наше настроение, поддерживая водно-солевой баланс, стимулируя рост клеток, настраивая нас на борьбу со стрессами и даже регулируя секрецию других гормонов. Возможно, что в процессе эволюции нервы просто адаптировали эту универсальную химическую сигнальную систему для своих целей.

Гормоны – биологически активные вещества, они вырабатываются в специализированных клетках желёз внутренней секреции (эндокринные железы), поступают в кровь, связываются с рецепторами клеток-мишеней и оказывают регулирующее влияние на обмен веществ и физиологические функции. Гормоны являются гуморальными —переносимыми с кровью – регуляторами определённых процессов в различных о́рганах.

Гормоны оказывают дистантное действие: попадая с током крови в различные органы и системы организма, они регулируют деятельность о́ргана, расположенного вдали от синтезирующей их железы, при этом даже очень малое количество гормонов способно вызвать значительные изменения деятельности о́ргана.

Однако нервная система не полностью устраняется из процесса регулирования. В целом происходит это так. Внешние или внутренние раздражители того или иного рода воздействуют на рецепторы организма и порождают в них импульсы, поступающие сначала в центральную нервную систему, а затем в гипоталамус.

В данном отделе мозга вырабатываются первичные активные вещества удалённого гормонального действия – так называемые рилизинг-факторы, которые, в свою очередь, направляются к гипофизу.

Под действием рилизинг-факторов либо ускоряется, либо замедляется выработка и выделение тропных гормонов гипофиза. Последние, попав в кровь и достигнув с ней конкретной эндокринной железы, оказывают влияние на синтез требуемого гормона.

На последнем этапе процесса гормон доставляется по системе кровообращения к тем или иным о́рганам либо тканям (т. н. «мишеням») и вызывает определённые ответные реакции в организме, будь они физиологическими или, к примеру, химическими.

Заключительный этап, связанный с воздействием гормонов на обмен веществ внутри клетки, в течение довольно продолжительного времени являлся наименее изученным из всех составляющих вышеописанного процесса. Ныне известно, что в соответствующих тканях-мишенях имеются специфические химические структуры с участками, предназначенными для связывания гормонов – так называемые гормональные рецепторы.

Связывание гормонов рецепторами вызывает определённые биохимические реакции, за счёт чего, собственно, и реализуется итоговый эффект гормона.

Описанный нами выше механизм регулирования через гормоны осуществляет эндокринная система.

Интересные факты

Нервные клетки не восстанавливаются, но…

Особенностью живого организма является использование недолговечных материалов для создания долговечных систем. Решение этой, сложной, проблемы природа нашла в постоянном обновлении организма. Применительно к долгоживущим нервным клеткам это действует так – каждый нейрон, находится в состоянии непрекращающегося ремонта, когда старые молекулы заменяются новыми. В результате структура в целом живёт много лет, в то время как молекулы постоянно заменяются новыми. Эти процессы особенно интенсивны в мозге, который обновляется на 80% всего за две недели.

Анатомия

Анатомически мозг представлен двумя субстанциями: серым веществом и белым. Серое вещество имеет высокое содержание нейронов, большая его часть находится на поверхности мозга, в извилистой оболочке, называемой корой. Большая часть серого вещества расположена вблизи поверхности; две трети коры остаётся невидимой снаружи, скрытой в складках под поверхностью.

Кора представляет собой слой серого вещества толщиной 2—3 мм, который содержит в среднем около 14х10^9 (от 10 до 18 миллиардов) нервных клеток, нервных волокон и нейроглии. Благодаря многочисленным изгибам и бороздам поверхность коры достигает 0,2 м^2. Если вы развернёте и разгладите кору, она будет размером с подушку, но толщиной всего в пару миллиметров.

Среди нейронов встречаются самые крупные клеточные элементы организма. Размер их поперечного сечения колеблется от 6—7 мкм (мелкие зернистые клетки мозжечка) до 70 мкм (мотонейроны головного и спинного мозга). Нейроны сильно разнятся по форме и размеру, который колеблется от 1 до 1000 мкм (т. е. они могут различаться по величине в 1000 раз).

Плотность их расположения в некоторых отделах центральной нервной системы очень велика. Например, в коре больших полушарий человека насчитывается почти 40 000 нейронов на 1 мм^3. Тела и дендриты нейронов коры головного мозга в общей сложности занимают около половины их объёма.

Кровоснабжение нервных клеток

Высокая потребность нейронов в кислороде и глюкозе обеспечивается интенсивным кровотоком.

Кровь течёт через мозг в 5—7 раз быстрее, чем через бездействующие мышцы. Мозговая ткань обильно снабжается кровеносными сосудами. Их самая плотная сеть находится в коре больших полушарий и занимает около 10% объёма коры. В отдельных слоях средняя длина капиллярной сети у человека достигает одного метра на 1 мм^3 ткани. Каждый большой нейрон имеет несколько собственных капилляров у основания клеточного тела, а группы небольших клеток окружены общей капиллярной сетью. Когда нервная клетка находится в активном состоянии, ей требуется повышенный запас кислорода и питательных веществ, поступающих через кровь. В то же время жёсткий скелет черепа и низкая сжимаемость нервной ткани препятствуют резкому увеличению кровоснабжения мозга во время работы. Это компенсируется процессами перераспределения крови, выраженными в головном мозге, в результате чего активная часть нервной ткани получает значительно больше крови, чем покоящаяся. Возможность перераспределения крови в головном мозге обеспечивается наличием больших пучков гладких мышечных волокон – сфинктерных валиков в основаниях артериальных ветвей. Эти валики могут уменьшать или увеличивать диаметр кровеносных сосудов, тем самым обеспечивая раздельную регуляцию кровоснабжения различных частей мозга.

Работа мышц вызывает снижение тонуса стенок мозговых артерий. По мере развития физической или умственной усталости повышается тонус артериальных сосудов, что приводит к уменьшению кровотока через нервную ткань.

Мозг имеет сложную систему анастомозов между различными артериями, между венозными сосудами и между артериями и венами. Эта система уменьшает пульсацию внутричерепного кровотока, вызванную ритмичными сокращениями сердца и дыхательными движениями грудной клетки. Уменьшение пульсовых колебаний способствует улучшению тканевого кровотока. Из-за наличия артериовенозных анастомозов пульсовые колебания кровотока передаются от артерий головного мозга к венам в обход капилляров. Кроме того, это обеспечивает постоянство кровотока головного мозга при любом положении головы по отношению к туловищу и положению тела в пространстве.

Энергопотребление нервной систем

Основной особенностью обмена веществ в нейроне является высокая скорость обмена и преобладание аэробных процессов. Потребность мозга в кислороде очень велика (в состоянии покоя поглощается около 46 мл/мин кислорода). Хотя вес мозга по отношению к весу тела составляет всего 2%, потребление кислорода мозгом достигает в состоянии покоя у взрослых людей 25% от общего его потребления организмом, а у маленьких детей – 50%.

Мозг устроен намного эффективнее компьютера: для полного моделирования работы мозга необходим суперкомпьютер, потребляющий приблизительно 12 ГВт, в то время как потребляемая мощность самого мозга составляет всего около 20 Вт.

Даже кратковременное нарушение доставки кислорода кровью может вызвать необратимые изменения в деятельности нервных клеток: в спинном мозгу – через 20 – 30 мин., в стволе головного мозга – через 15 – 20 мин., а в коре больших полушарий – уже через 5 – 6 мин.

Энергозатраты мозга составляют 1/6 – 1/8 суточных затрат организма человека. Основным источником энергии для мозговой ткани является глюкоза. Мозг человека требует для обмена около 115 грамм глюкозы в сутки. Содержание её в клетках мозга очень мало, и она постоянно черпается из крови.

Деятельное состояние нейронов сопровождается трофическими процессами – усилением в них синтеза белков. При различных воздействиях, вызывающих возбуждение нервных клеток, в том числе при мышечной тренировке, в их ткани значительно возрастает количество белка и РНК, при тормозных же состояниях и утомлении нейронов содержание этих веществ уменьшается. В процессе восстановления оно возвращается к исходному уровню или превышает его. Часть синтезированного в нейроне белка компенсирует его расходы в теле клетки во время деятельности, а другая часть перемещается вдоль по аксону (со скоростью около 1– 3 мм в сутки) и, вероятно, участвует в биохимических процессах в синапсах.

В отличие, например, от клеток печени, мозг работает только «на кислороде», и аэробный гликолиз – это единственный возможный вариант существования всех без исключения нейронов. В том случае, если в течение 10—12 секунд питание нейронов прекращается, то человек теряет сознание, а после остановки кровообращения, находясь в состоянии клинической смерти, шансы на полное восстановление функции мозга существуют только на протяжении 5—6 минут.

Это время увеличивается при сильном охлаждении организма, но при нормальной температуре тела окончательная гибель мозга происходит через 8—10 минут, поэтому только интенсивная деятельность ГЭБ позволяет нам быть «в форме».

Выделение тепла

Процесс нервного возбуждения сопровождается выделением небольшого количества тепла, доказано: один импульс повышает температуру нервного волокна на четыре миллионных градуса. Сколько нервных импульсов проноситься по нашей нервной системе ежесекундно? У думающего человека голова должна быть горячее чем у не думающего. Ура! Мы изобрели «Дуромер». На самом деле не всё так просто. Дело в том, что все тепло выделенное нейроном при прохождении нервного импульса по прошествии импульса тут же потребляется.

Генетическая память

Имеется много данных о генетически запрограммированных формах поведения. Например, давно известно, что все животные демонстрируют такие локомоторные и поведенческие реакции, которым они не могли обучиться на собственном опыте. Такое поведение, называемое инстинктивным, позволяет предположить, что анатомическая и физиологическая организация, лежащая в основе сложных многих нервных функций, может быть запрограммирована генетически. Такое поведение может видоизменяться под влиянием опыта лишь в незначительной мере.

Вес мозга составляет около 2% массы тела человека, но на нервную систему приходится 50% информации закодированной в ДНК.

О необходимости холестерина

22% сухого веса миелина составляет белок, 78% – липиды, из которых 42% фосфолипидов, 28% цереброзидов, 25% холестерина, остальное сульфатиды.

Так что, за исключением мозга другого о́ргана или ткани с подобным содержанием этой вредной пищевой субстанции просто не существует.

История нейронауки

Мы так часто употребляем слово «нейронауки», что, пожалуй, следует определиться с этим понятием.

Современная наука о нервной системе объединяет многие научные дисциплины, наряду с классическими: нейроанатомией, неврологией, нейрохирургией и нейрофизиологией, важный вклад в изучение нервной системы вносят молекулярная биология и генетика, химия, кибернетика и ряд других наук. Такой междисциплинарный подход к изучению нервной системы нашёл отражение в термине – нейронаука (neuroscience). Тем не менее в русскоязычной научной литературе в качестве синонима часто используется термин «нейробиология». И большинство представителей нейронауки России – по-прежнему составляют выпускники биологических факультетов.

Главной целью нейронауки является объяснение процессов, происходящих как на уровне отдельных нейронов, так и нейронных сетей, итогом которых являются различные психические процессы: мышление, эмоции, сознание. В соответствии с этой задачей изучение нервной системы ведётся на разных уровнях организации начиная с молекулярного и заканчивая изучением сознания, творческих способностей и социального поведения.

Нейробиология (она же нейрология, не путать с неврологией) – наука, изучающая устройство, функционирование, развитие, генетику, биохимию, физиологию и патологию нервной системы. Изучение поведения является также разделом нейробиологии.

Гистология – наука о микроскопическом и субмикроскопическом строении, развитии и жизнедеятельности тканей животных организмов. Гистология включает в себя, кроме прочих разделов, цитологию – раздел биологии, в настоящее время выступающий как самостоятельная наука, изучающая структурные, функциональные и генетические особенности клеток организмов.

Физиология – наука, изучающая функции и процессы, протекающие в организме и механизмы их регуляции, обеспечивающие жизнедеятельность живого организма во взаимосвязи с внешней средой.

Неврология – раздел медицины, занимающийся вопросами возникновения заболеваний центральной и периферической нервной системы, а также изучающий механизмы их развития, симптоматику и возможные способы диагностики, лечения или профилактики.

Нейрохирургия – раздел хирургии, занимающийся вопросами оперативного лечения заболеваний нервной системы, включая головной и спинной мозг, а также периферическую нервную систему.

Нейроанатомия – это область биологических наук, изучающая анатомическое строение (структурная нейроанатомия) и функциональную организацию (функциональная нейроанатомия) нервных систем различных животных, обладающих ею.

Кроме вышеперечисленных «традиционных» направлений нейронауки в последние годы, появляются новые дисциплины. Приведу далеко не полный их список:

– Вычислительная нейробиология – наука, использующая вычислительные процессы для того, чтобы понять, как биологические системы продуцируют поведение.

– Нейроинженерия – научная дисциплина, входящая в состав биомедицинской инженерии, использующая различные инженерные методы для изучения, восстановления, замены или укрепления нервной системы.

– Нейроинформатика – подраздел информатики, занимающийся обработкой данных о нервной системе, а также их анализом и моделированием.

– Нейролингвистика – наука, занимающаяся изучением нейронной основы лингвистических процессов.

Нейропсихология – наука, целью которой является изучение мозговой организации высших психических функций.

– Нейроэвристика – новый подход к нейронаукам, рассматривающий мозговые процессы с точки зрения взаимодействия генетических факторов и окружающей среды путём объединения редукционистских и целостных подходов. Лежит на пересечении нейробиологии и эвристики.

– Нейроэтология – подраздел нейронаук, изучающий то, как центральная нервная система переводит реакцию на биологически значимые раздражители в естественное поведение.

– Нейроархитектура – мультидисциплинарный подход, опирающийся на знания нейропсихологии, нейромаркетинга, архитектуры и дизайна.

– Нейроэтика – этика нейробиологии и нейронауки, междисциплинарная область исследований, изучающая влияние современной нейронауки на самосознание человека, развитие биомедицины, политико-правовой и моральной сфер жизнедеятельности человека.

ХХ в., что дальше

После публикации модели Ходжкина – Хаксли и их мембранной теории, в направлении исследований нервного импульса не произошло почти ничего нового. Нет, конечно же, исследования продолжились, и были важные открытия, о некоторых я уже рассказывал и ещё расскажу. Но все они оказались как бы эхом того, что сделали Ходжкин и Хаксли. И даже сам Ходжкин оказался в тени собственной славы – остаток своей научной деятельности он посвятил доказательствам правильности своей же теории (хотя с ним никто особо и не спорил).

Исследования А. Ходжкина

Так, в 1961 году А. Ходжкин со своими помощниками Бекером и Шоу поставили очень красивый опыт. Ещё когда Джон Янг открыл гигантский аксон у кальмара, он заметил, что при надавливании на перерезанный аксон его содержимое выдавливается и остаётся пустая неповреждённая оболочка.

Важно, что вырезать гигантский аксон кальмара можно целиком, почти не повредив. Благодаря этому с ним можно проделать такую операцию – просто перерезать концы аксона, при этом его густая аксоплазма не вытекает наружу. Но если положить его на резиновую подложку и прокатать резиновым валиком, не трудно выдавить аксоплазму. При этом оболочка гигантского аксона (в том числе и мембрана) остаётся неповреждённой. Затем можно, вставив в отрезанный конец аксона стеклянную пипетку (канюлю), заполнить его раствором с заданным содержанием ионов. Потом можно заткнуть концы аксона «пробками» из густого масла, не проводящего ток.

Вот именно такие эксперименты начали ставить Ходжкин и его сотрудники. Оказалось, что при заполнении аксона искусственным раствором с концентрацией К+ аналогичной аксоплазме, на мембране возникал обычный потенциал покоя.

При одинаковой концентрации калия внутри волокна и в наружной среде, потенциал покоя в полном соответствии с формулой Нернста не возникал. Если же в аксон закачать обычную морскую воду, и поместить его в среду с высокой концентрацией калия, то полярность потенциала покоя меняется на противоположную; при этом величина потенциала соответствует формуле Нернста.

Эти эксперименты доказывали решающую роль мембраны в возникновении потенциала покоя – ведь протоплазма со всеми органеллами и белковыми молекулами попросту отсутствовала. Фактически подтверждена мембранная теория Бернштейна. Кстати, сегодня учёные научились создавать и искусственные мембраны. То есть можно исследовать ситуацию, в которой белковые насосы и каналы отсутствуют в мембране. Такая «искусственная клетка» продолжает вести себя как живая.

А в недалёком 1986 году Ходжкин продемонстрировал ещё один показательный эксперимент. Он искусственно создавал разрыв электролита в окружающей нервное волокно среде, что приводило к прерыванию нервного импульса.

Схема этого опыта такова. Средний участок нерва помещали в не проводящую электричество среду (наливали масло в среднее отделение ванночки). Как и ожидалось, возбуждение доходило только до этого участка и прерывалось.

Представляет интерес вторая часть опыта: жидкости в первом и третьем отделениях соединяли обыкновенной медной про́волочкой, при этом импульс, исчезнув на втором отрезке, появляется опять на конечном участке. Очевидно, что про́волочка служит проводником электрического тока замыкая электрическую цепь. (Хотелось бы увидеть продолжение эксперимента – не изолировать часть аксона в масле, а перерезать и соединить его части проводком.)

Рисунок 48. Эксперимент Ходжкина с разрывом электролита

Казалось бы, всё, этот опыт доказывает чисто электрический характер передачи сигнала вдоль волокна. Но…

Давайте заменим масло на другой хороший диэлектрик – воздух. Впервые ещё Н. Е. Введенский продемонстрировал, способность нерва сохранять способность к проведению возбуждений при длительном (около 8 часов) раздражении в атмосфере воздуха. Даже при помещении нерва в атмосферу азота способность нерва к проведению некоторое время сохраняется, хотя и быстро падает.

Что же касается масла, то теперь-то мы знаем, что мембрана нейрона состоит из липидов – жироподобных молекул, может в этом секрет описанного опыта?

Пейсмекерные нейроны

Кроме нейронов, суммирующих и передающих информацию к другим клеткам, описаны так называемые пейсмекерные нейроны, способные самостоятельно генерировать электрические импульсы (Alving, 1968). Активность таких нейронов характеризуется синусоидальными колебаниями частотой 0,1—10 Гц и амплитудой 5—10 мВ. Эти нейроны при отсутствии любого внешнего воздействия обеспечивают периодическую генерацию ПД и передачу возбуждения другим нейронам.

Эндогенные процессы подобных нейронов приводят к периодическому изменению ионной проницаемости мембраны и генерированию ПД. Предполагается, что, взаимодействуя с другими клетками, они синхронизируют их активность.

Дендритный спайк

С момента появления мембранно-ионной теории считалось, что потенциал действия проявляется исключительно в аксоне1, однако, со временем накопилось достаточно много аргументов в пользу того, что потенциалы действия присутствуют и в дендритах. Такие дендритные потенциалы, чтобы подчеркнуть их отличие от аксонных, стали называть «дендритными спайками».

Вплоть до 1950-х и ранних 1960-х годов господствующим было представление, что дендриты, вообще, являются пассивными отростками нейронов. При таком подходе интересная получалась схема – активными были только со́ма (тело) нервной клетки и аксон. Аксон, в свою очередь, может быть либо входом, либо выходом клетки как информационной единицы. То есть нервный импульс либо приходил ниоткуда, либо шёл в никуда.

В 1951 году впервые зафиксировал ПД в дендрите выдающийся китайский нейрофизиолог Чжан Сянтун (1907—2007). В опубликованной в том же году статье он сообщил о том, что и дендриты способны возбуждаться под воздействием электрической стимуляции и генерировать потенциалы действия, которые отличаются от аксонных тем, что не подчиняются правилу «всё или ничего». Поначалу, большинство нейробиологов отнеслись к его открытию критически, по-прежнему полагая, что аксоны являются исключительным участком нейрона способным к генерации потенциала действия.

Вскоре после Чжана, и другими учёными были получены доказательства относительно генерации дендритами спайков.

И только с конца 1980-х – начала 1990-х учёные начали повсеместно приходить к мысли, что дендриты не только передают информацию, но и меняют, и хранят.

Наиболее убедительно существование дендритных спайков было описано Грегом Стюартом и Бертом Закманом в период 1993—1998 годов, которые использовали для регистрации дендритного спайка цело-клеточные patch clamp электроды.

Метод локальной фиксации потенциала (patch clamp)

Метод двухэлектродной фиксации потенциала (1947 г.), с помощью которого Ходжкин и Хаксли сделали своё открытие даёт представление лишь об усреднённой активности многих тысяч ионных каналов на поверхности одного аксона. Вот если бы можно было использовать один электрод, настолько маленький, чтобы записать ток с одиночного ионного канала? Эта фантазия воплотилась в методе patch clamp (дословно – зажим напряжения) – методе локальной фиксации потенциала.

Рождению этого метода предшествовали опыты Альфреда Стрикхольма, выполненные в начале 1960-х. В них он использовал в качестве микроэлектродов стеклянные канюли с диаметром отверстия в несколько микрометров

Прижимая кончик такого стеклянного капилляра к мембране мышечного волокна, Стрикхольму удалось обеспечить электрическую изоляцию участка мембраны, попадавшего внутрь кончика пипетки.

В конце семидесятых годов XX века Эрвин Неер (E.Neher) и Берт Закман (B.Sakmann) предложили метод patch clamp – в основе которого использование супертонких стеклянных микроэлектродов, диаметр концевого отверстия которых составляет 1—2 мкм. В такую пипетку, заполненную раствором электролита, помещается хлор-серебряный электрод, второй электрод размещается внеклеточно, в омывающей жидкости. Если кончик такой пипетки совершенно гладкий и чистый, он плотно прилипает к мембране при контакте с клеткой, образуя изолированное для электрических токов соединение так называемый «гигаомный контакт». Часть мембраны, покрытая таким капилляром, называется patch и имеет площадь менее 10 мкм^2. Значит велика вероятность, того что на нём может оказаться один единственный ионный канал. Подобная конфигурация называется cell-attached patch-clamp и позволяет записывать ионные токи, проходящие через конкретный канал, накрытый пипеткой.

1 Предполагалось, что преобразование постсинаптического потенциала нейрона в нервные импульсы происходит в аксонном холмике, но экспериментальные данные это не подтвердили. Регистрация электрических потенциалов выявила, что ПД генерируется в самом аксоне, а именно в начальном сегменте на расстоянии ~50 мкм от тела нейрона.

Рисунок 49. Принципиальная схема patch clamp в конфигурации Cell-attached.

Примечательно, в методе patch clamp используются не две пары электродов, как при двухэлектродной записи потенциала (два внутриклеточных и два внеклеточных), а лишь одна пара. При этом электронная начинка усилителя с высокой скоростью чередует измерение потенциала клетки и введение в неё ионного тока. При этом один электрод работает сразу за два, что уменьшает повреждение клеток во время измерения. Любопытной особенностью patch clamp является то, что в единственной оставшейся паре электродов невозможно однозначно идентифицировать внеклеточный и внутриклеточный потенциалы. Металлический опорный электрод погружен в ванну, в которой находятся исследуемые клетки. А вот единственный стеклянный электрод, который контактирует с клеткой, может работать как внеклеточно (cell-attache и inside-out), так и внутриклеточно (whole-cell и outside-out)1.

Микроскопические размеры электродов патч-зажима, и самих клеток вынуждают исследователей работать исключительно под микроскопом. Мало того, сам контакт микрокапилляра с мембраной клетки чрезвычайно чувствителен к вибрациям, поэтому микроскоп монтируется на антивибрационном столе, столешница которого плавает в потоке сжатого воздуха. А амплитуда токов, регистрируемых прибором, настолько мала, что электроды защищены от электрических наводок клеткой Фарадея.

Метод patch clamp открыл новую эру в электрофизиологии. А параллельное развитие молекулярной биологии привело к настоящему взрыву исследований ионных каналов в 1990-х годах.

1 Cell-attache, Inside-out, Whole-cell и Outside-out – четыре различные конфигурации схемы подключения patch-clamp

История биологических мембран

Любопытно, что одним из первых исследователей свойств липидов стал Бенджамин Франклин, который в 1773 году измерял площади масляных пятен на поверхности пруда, остающихся от ложки (5 мл) растекающегося оливкового масла: пятна неизменно оказывались размером ≈2000 м^2. Если бы любознательный сэр имел в те давние времена представление о молекулярном строении вещества, он без особого труда смог бы вычислить площадь, приходящуюся на одну молекулу (!) триглицерида олеиновой кислоты (основного компонента оливкового масла) в этом мономолекулярном пятне, и, причём, довольно точно:

где Mr – масса 1 моля триолеина, NA – число Авогадро, S пятна – площадь пятна, V ложки – объем ложки, ρ масла – плотность масла.

В результате значение площади Sмол оказалось бы примерно равным 1 нм^2. Следующим шагом могла быть вычислена и толщина мономолекулярного слоя, равная размеру одной молекулы триолеина, для чего достаточно разделить Vложки на Sпятна ≈ 2,5 нм.

В более близкие нам времена Юлиуса Бернштейна, учёные только предполагали наличие у нервной клетки мембраны, не было экспериментальных доказательств существования таковой (её увидели в электронный микроскоп лишь в 1950 г.)

Но, несмотря на неопределённость, первая модель строения биологических мембран была предложена в 1902 году. Чарльз Овертон заметил, что через биологические мембраны лучше всего проникают вещества, хорошо растворимые в липидах, и на основании этого предположил, что они состоят из тонкого слоя фосфолипидов. И действительно, на поверхности раздела полярной и неполярной сред (например, воды и воздуха) молекулы фосфолипидов образуют мономолекулярный (одномолекулярный) слой. Их полярные «головы» погружены в полярную среду, а неполярные «хвосты» ориентированы в сторону неполярной.

В 1923 году Гортер и Грендел показали, что площадь монослоя липидов, выделенных из мембран эритроцитов, в два раза больше общей площади самих эритроцитов. На основе результатов этих исследований было сделано предположение, что липиды в мембране располагаются в два слоя.

Благодаря двойному фосфолипидному слою биологическая мембрана была уподоблена конденсатору, в котором слои играют роль обкладок. Это предположение использовали Кол и Кетртис в своих исследованиях электрических параметров биологических мембран в конце 1940-х. Тогда ими были вычислены и высокое электрическое сопротивление монослоя липидов – 10^7 Ом/м^2, и его большая электрическая ёмкость Суд = 10—2 Ф/м^2.

Вместе с тем имелись экспериментальные данные, свидетельствовавшие, что биологическая мембрана содержит в своём составе и белковые молекулы. Например, было обнаружено, что значения коэффициента поверхностного натяжения клеточных мембран существенно ближе к коэффициенту поверхностного натяжения на границе раздела «белок – вода» (около 0,1 дин/см), нежели на границе раздела «липид – вода» (около 10 дин/см). Эти противоречия экспериментальных результатов были устранены Хью Дэвсоном и Джеймсом Даниелли, которые в 1935 году предложили так называемую «бутербродную» модель (сэндвич-модель) строения биологических мембран, которая претерпев несущественные изменения продержалась в мембранологии в течении почти сорока лет. Согласно этой модели, мембрана – трёхслойная: она образуется двумя слоями белковых молекул, с липидным бислоем посередине; образуется нечто вроде бутерброда – липиды, наподобие масла, между двумя «ломтиками» белка. Однако по мере накопления экспериментальных данных от этой модели мембранной структуры пришлось отказаться.

В 1972 году Джонатан Сингер и Гарт Николсон предложили жидкостно-мозаичную модель, объясняющую в общих чертах организацию биологических мембран. В соответствии с этой моделью, мембраны представляют собой двумерные растворы определённым образом ориентированных фосфолипидов, а белки пронизывают мембрану насквозь или погружены в неё.

Липиды в мембране находятся в жидком агрегатном состоянии, это позволяет сравнить её с фосфолипидным морем, по которому плавают «айсберги» белков. Подтверждением жидкостно-мозаичной модели является тот факт, что соотношение белков и фосфолипидов между мембранами сильно варьируется: например, количество белков в миелиновой мембране в 2,5 раза ниже, чем липидов, и, напротив, в митохондриях в 2,5 раза выше, чем липидов, тогда как согласно бутербродной модели, соотношение белков и липидов должно быть одинаковым во всех мембранах. Помимо фосфолипидов и белков, в биологических мембранах присутствуют и иные химические соединения, а количество холестерина вообще сопоставимо с количеством фосфолипидов и белков. Жидкостно-мозаичная модель строения мембраны в настоящее время общепринята.

Согласно этой модели, клетка окружена клеточной мембраной толщиной примерно 7,5—10,0 нм. Жирные кислоты, которые составляют большую часть клеточной мембраны, называются фосфоглицеридами.

Фосфоглицерид состоит из фосфорной кислоты и жирных кислот, называемых глицеридами. Голова такой молекулы гидрофильна (притягивается к воде), а хвосты, состоящие из гидрофобных углеводородных цепей, наоборот отталкивают воду.

Рисунок 50. Строение клеточной мембраны.

Если молекулы жирных кислот просто поместить в воду, они образуют небольшие сгустки с кислотными головками, которые притягиваются к воде снаружи, и углеводородными хвостами, которые отталкиваются водой изнутри. Если эти молекулы очень осторожно растянуть на поверхности воды, они сориентируются так, что все кислотные головы будут в воде, а все углеводородные хвосты на её поверхности. Если бы был добавлен ещё один слой молекул и наверху было бы больше воды, углеводородные хвосты выровнялись бы с таковыми из первого слоя, образуя двойной (толщиной в две молекулы) слой. Кислотные головки выступали бы в воду с каждой стороны, а углеводороды заполняли бы пространство между ними. Именно такой бислой является основной структурой клеточной мембраны.

Неоспоримое доказательство жидкостно-мозаичной модели даёт «метод замораживания-скалывания». Скол мембраны после низкотемпературного замораживания проходит по гидрофобной области липидных слоёв. В результате этого мембрана расщепляется на два слоя, обнаруживая внутреннее строение – с массой мелких глобул или углублений, соответствующих местам расположения белковых молекул, которые не раскалываются, а целиком остаются в одной из половинок мембран.

Жидкие кристаллы

Как это иногда случается, по удивительному стечению обстоятельств, описанная выше структура клеточной мембраны оказалась чрезвычайно схожей со структурой жидких кристаллов. А при более внимательном наблюдении оказалось, что некоторые типы ЖК схожи с биологическими мембранами и по своему составу на молекулярном уровне. Например, холестерические жидкие кристаллы, названные так поскольку наиболее распространённым кристаллом этого класса, является холестерин.

Жидкий кристалл – это такое агрегатное состояние, во время которого вещество одновременно обладает как свойствами жидкостей, так и свойствами кристаллов. То есть ЖК обладают текучестью, и вместе с тем им присуща анизотропия – различие свойств среды в зависимости от направления внутри неё (например, показатель преломления света, скорость звука или теплопроводность).

История открытия ЖК

В 1888-м году австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер (Фридрих Рихард Корнелиус Рейнитцер,1857—1927) обнаружил, что у некоторых типов кристаллов может быть две точки плавления, что позволило ему предположить наличие двух различных жидких состояний, в одном из которых вещество прозрачное, а в другом – мутное.

Озадаченный этим странным явлением, Рейнитцер отправил свои препараты холестерилбензоата немецкому кристаллографу Отто Леманну с просьбой помочь понять суть открытия. Исследовав их с помощью поляризационного микроскопа, Леманн обнаружил, что мутная фаза, наблюдаемая Рейнитцером, является анизотропной. Поскольку свойства анизотропии присущи твёрдому кристаллу, а вещество в мутной фазе было жидким, Леманн назвал его жидким кристаллом.

И хотя в 1904-м году Отто Леманн предоставил достаточно научных доказательств в пользу возможности существования жидких кристаллов, ещё долгие годы научное сообщество не признавало жидкие кристаллы как отдельное состояние вещества, потому что их существование разрушало аксиому о трёх возможных состояниях вещества: твёрдом, жидком и газообразном. Открытию просто не нашлось применения.

Между тем, это состояние является термодинамически стабильным фазовым состоянием и по праву наряду с твёрдым, жидким и газообразным, может рассматриваться как четвёртое состояние вещества.

Лишь полвека спустя, в 1963-м году американским изобретателем Джеймсом Фергюсоном было найдено применение одному из свойств жидких кристаллов – изменение цвета в зависимости от температуры. Фергюсон получил патент на изобретение, которое позволяло обнаруживать невидимые для глаз тепловые поля. С этого момента популярность жидких кристаллов начала расти.

В 1973 году фирма Sharp выпустила первый ЖК-калькулятор c дисплеем на основе DSM-LCD. Жидкокристаллические дисплеи стали применяться в электронных часах, калькуляторах, измерительных приборах.

Сегодня самое популярное применение ЖК – жидкокристаллические дисплеи. Часто их называют LCD-дисплеи, что есть сокращение английского термина «liquid crystal display». В век гаджетов они присутствуют практически в любом электронном устройстве: телевизоры, мониторы компьютеров, электронные книги, планшеты, телефоны и др.

Но давайте вернёмся к главной теме нашего повествования – биологической мембране.

Сегодня не принято называть мембрану жидкокристаллической, но вполне допускается, что она может находиться в одном из двух состояний:

– гелеобразное состояние мембраны – состояние, при котором липиды лишены возможности свободно перемещаться («течь») в плоскости мембраны. Такое состояние можно представить, взглянув на маргарин.

– жидкое (жидкокристаллическое) состояние мембраны – отличается способностью липидов «течь» и перемешиваться в плоскости мембраны. Липидные молекулы при этом менее упорядочены, по сравнению с гелеобразным состоянием. Жидкое состояние может условно разделить на две взаимно несмешивающиеся микрофазы: жидкое неупорядоченное и жидкое упорядоченное состояния.

Традиционно, наибольшее внимание исследованиям мембран уделяют именно нейробиологи. (Всё-таки нет окончательной ясности с распространением нервного импульса.)

В 2005 году Томас Хаймбург и Андрю Д. Джексон предположили, что в момент прохождения нервного импульса происходит изменение фазового состояния клеточной мембраны с твёрдого (гелевого) на жидкокристаллическое. Именно этим фазовым переходом они объясняли и изменение оптических свойств мембраны, и выделение-поглощение тепла при возбуждении нервного импульса, обнаруженного Ичиджи Тасаки, а также и диффузию ионов через мембрану.

Эта гипотеза была в штыки воспринята большинством научного сообщества. А критика идеи фазового перехода утянула на дно и саму идею жидкокристаллического состояния биологической мембраны. Между тем мало кто обратил внимание на одно из главных свойств жидких кристаллов – анизотропию – различие свойств в зависимости от направления.

Сколько степеней свободы у молекулы в липидном слое? Три. Но в направлении перпендикулярном поверхности мембраны свободы гораздо больше. То есть мембрана, оставаясь достаточно жёсткой конструкцией для сохранения формы клетки, может быть чрезвычайно мягкой и упругой при распространении механической волны вдоль аксона.

Исследование каналов биологических мембран

В 1998 году Родерик Маккиннон (Roderick MacKinnon) с коллегами смог получить трёхмерную молекулярную структуру биологического калиевого канала с помощью кристаллографии и раскрыл селективность канала, а именно – почему в момент прохождения нервного импульса канал пропускает только ионы калия, а более мелкие ионы натрия, которые также имеют положительный заряд, не проходят.

Маккиннон с помощью выращенных им же кристаллов белка калиевого канала смог экспериментально объяснить этот феномен.

Рентгенограмма созданной им структуры показывала в мельчайших деталях, как работает калиевый канал, как он обеспечивает практически беспрепятственный перенос ионов калия, и в то же время задерживает более мелкие ионы натрия.

Вообще-то ещё со времён открытия теории диссоциации известно, что все ионы в растворах окружены толстым слоем воды, и нужны некоторые усилия, чтобы сбросить её. Напомним, что и калий, и натрий являются очень активными щелочными металлами, у каждого из атомов есть по одному валентному электрону, с которыми они легко расстаются и превращаются в ионы. Различие лишь в том, что у натрия этот электрон находится на 3-й орбите, а у калия на 4-й. Вследствие этого обстоятельства, калий сравнительно легко сбрасывает с себя окружающие его молекулы воды и проскакивает через мембранный канал. С натрием же дело обстоит иначе, он хотя и меньше калия, но не в состоянии скинуть водяную рубашку. А вместе с рубашкой натрий просто слишком велик, чтобы пройти канал.

В 2003 Родерику Маккиннону вместе с П. Эгром присуждена Нобелевская премия «за открытия, связанные с ионными каналами в клеточных мембранах: за изучение структуры и механизма действия ионных каналов».

Итог истории нервного импульса

Сначала были только предположения – гуморы, животные духи, да некие жидкости подобные крови. Первые реально научные открытия природы нервного импульса совпали по времени с первыми открытиями в электричестве. И, возможно, значительные успехи физиков в области электричества сильно повлияли на ход мыслей исследователей нервной деятельности. Не потому ли со времён открытия Гальвани до наших дней мы считаем, что информация по нервам передаётся как электричество?

Последняя жирная точка в исследованиях нервного импульса поставлена в 1949—1952 годах с появлением мембранно-ионной теории, которую сформулировали Ходжкин и Хаксли. Все последующие исследования в области физиологии нервного волокна строились на базе модели Ходжкина – Хаксли и сводились к объяснению её правильности.

Если бы электроника развивалась с такой же скоростью как нейронауки, мы бы до сих пор набирали тексты на печатных машинках и считали с помощью арифмометров, а не на компьютерах.

Может, исследования в какой-то момент свернули не на ту дорогу? И чем дальше мы по ней идём, тем дальше уходим от истины, тем меньше встречаем открытий, тем меньше желающих идти в этом направлении?

Существует раздел науки, занимающийся микро и даже нано исследованиями строения нейрона, называется он – морфология. Результаты исследований в этом направлении просто колоссальны.

И только описание того, как работает нейрон больше напоминает некое вре́менное объяснение. Базовая теория описывающая прохождение нервного импульса основанная на потенциале действия и ионных каналах, по сути, представляет собой не описание работы нейрона, а математическую модель нашего представления об этом процессе.

А эта модель похожа на японский театр теней. Можно ли изучать собаку по её тени? Конечно, можно, например, узнать её размер, количество лап и хвостов, можно узнать откуда и куда она бежит. Так и с нервным импульсом – мы узнали откуда и куда он распространяется, но не вполне понимаем, его природу.

Возможно, именно поэтому нет ответа и на главные вопросы – как информация хранится в памяти и как извлекается из неё, как происходит забывание.

Проблема неисследованоости нервного импульса в том, что медики плохо знают физику, а физики мало интересуются медициной. Например, и рентген, и томография, и УЗИ, придуманы физиками, а не медиками и уже потом применены к медицине.

В силу скромной физико-математической подготовки большинству биологов трудно понимать физические процессы, лежащие в основе биологических явлений. При этом они порой яростно противостоят вмешательству «физиков» в биологию и медицину.

Проблема эта похоже настолько очевидна, что с 2018 года для поступления в медицинский вуз абитуриенты должны сдавать не базовый экзамен по математике, а углублённый.

С грустью и завистью исследовал я истории открытий и биографии учёных XIX века, когда в одной личности сочетались и физик, и биолог, и врач, и химик. Безусловно, время это ушло навсегда, но, возможно, чаша весов истории уже дошла до точки абсолютной специализации в науке и скоро хоть чуть-чуть вернётся назад, к универсализации.

Часть II

«… кому дорога истина вообще, т. е. не только в настоящем, но и в будущем, тот не станет нагло ругаться над мыслью, проникшей в общество, какой бы странной она ему ни казалась.»

(Иван Сеченов)

Фантастическое интервью

Вы наверняка сталкивались в новостных лентах с публикациями о том, что созданы системы, в которых человек силой мысли управляет курсором на экране компьютера? Зачастую это вполне безобидная утка, ложь которая никому не навредит. На самом деле, работают такие системы по принципу отслеживания движения зрачков глаз видеокамерой, встроенной в компьютер.

Более серьёзные результаты демонстрируют исследователи, использующие в качестве сигналов электрофизиологической активности мозга данные электроэнцефалографии или магнитоэнцефалографии. Но информативность ЭЭГ и МЭГ для этих целей, мягко говоря, недостаточна.

Самыми перспективными выглядят инвазивные (внедрённые в мозг) нейрокомпьютерные интерфейсы, позволяющие получать сигналы множественной нейронной активности непосредственно от нервных окончаний. Но эти технологии находятся в младенческом состоянии.

Так что, заявления о возможности создать управляемые силой мысли протезы в наше время это по большей части рекламная акция бизнеса, нацеленная на повышение статуса компаний.

Всё это даёт надежду миллионам людей на улучшение качества их жизни. Но к сожалению, нет таких технологий. Нет, но скоро могут появиться. Об этом наш сегодняшний рассказ (интервью).

…До сих пор наши представления о нервной системе основаны на экспериментах, в которых производилось воздействие на аффекторные мотонейроны. Другими словами, с помощью электрического раздражения воздействовали на нейрон, который передавал возбуждение к мышечной ткани, та, в свою очередь, сокращалась. Это, по сути, эксперимент Гальвани которому без малого 300 лет. Из чего, в общем-то, и родилась наша вера в миф об электрической природе нервного импульса.

Мы обратили внимание на то, что не только электрический раздражитель вызывает такую реакцию. Механическое воздействие, раздражение кислотой, некоторыми солями и даже ультразвуком1 даёт похожие результаты.

Проведённые исследования подтвердили наше предположение о несколько иной, чем принято думать природе нервного сигнала. Не буду раскрывать все детали открытия, но в результате нам удалось сделать следующее:

– Подать контрольное раздражение на рецептор, например, уколоть палец иголкой.

– Считать нервный сигнал на выходе первого нейрона.

– Записать (сохранить) этот сигнал.

– Воспроизвести сохранённый сигнал на вход следующего нейрона.

– Сравнить ощущения от укола пальца и реакцию на сначала записанный, а потом воспроизведённый сигнал.

Пока мы держим в секрете – «что» записать, каким устройством сохранить и как воспроизвести. Наше открытие состоит в том, что мы отказались рассматривать нервный импульс как чисто электрический сигнал (хотя и не отрицаем наличие электрических потенциалов в клетках). Тем не менее наше представление о природе нервного импульса основано на уже известных физических явлениях. Никакой эзотерики, никаких неведомых торсионных полей и связей с космосом. Только физика и немного химии.

Сейчас мы работаем над Второй задачей – подать записанный (а может быть и не записанный, а прямой) сигнал с выхода аксона одного испытуемого на вход дендрита другого. То есть уколоть одного человека, а боль от укола должен почувствовать другой (или тот же человек, но на другой руке).

Наши опыты, по сути своей, очень просты и не требуют использования сверхтехнологий.

В своих исследованиях мы исходим из того, что нервный импульс не просто безликий электрический сигнал, нет мы считаем, что каждый нервный импульс уникален и может нести в себе гораздо больше информации, чем сейчас принято думать. Нервный импульс представляет собой пакет сигналов, похожий на штрихкод, упакованный в один, с которым мы до сих пор и имели дело.

Это открытие даёт нам надежду на возможность понять информационную составляющую нашей нервной системы. Откуда и куда проходят нервные импульсы наука ответила уже давно. Загадкой до сих пор оставался Язык, на котором общаются нейроны, возможно, сегодня мы… нет не открыли его первую букву, но сделали предположение об основах такого языка.

Если наши предположения окажутся верны, то основанные на них технологии вырвутся на просторы науки. Тогда открытия и новинки в неврологии будут нас радовать с такой же частотой как сейчас мобильные гаджеты.

Каковы перспективы данной работы? От фантастических как, например, лечение человека не медикаментами, а путём целенаправленного воздействия на соответствующие группы нервов или отдельные нейроны (абсолютный контроль терапии, никакой химии, никаких побочных эффектов, никаких аптек – всё будет доступно через информационные системы). До самых фантастических как, например, пакетная передача Знаний через информационные системы. Или решение проблем старения и долгожительства через управление вегетативной нервной системой.

Боюсь, что такие технологии в руках современного человека могут оказаться пострашнее ядерной дубины.

Да, человечество взрослеет, играя во всё более взрослые игрушки. Опасность велика. Но альтернативы, увы, нет…

1 Недавно несколько исследовательских групп независимо друг от друга сообщили о неожиданном открытии, что ультразвуковая стимуляция может вызывать нервные импульсы.

Скептический взгляд на мембранную теорию распространения нервного импульса

Современной науке известно много конкретных недостатков в модели Ходжкина-Хаксли, но отказаться от неё невозможно, за неимением иного объяснения. А найти новое, невозможно не отказавшись от имеющейся комфортной модели.

Сила научного метода и состоит прежде всего в его способности опровергать гипотезы. Считается, что наука движется вперёд за счёт нескончаемых и постоянно совершенствуемых циклов предположений и опровержений. Один учёный выдвигает новую идею об устройстве природы, а затем другие занимаются поиском опытных данных, которые подтвердят или опровергнут эту идею. Но, всё это не относится к теории Ходжкина—Хаксли.

Написано множество статей, учебников и диссертаций, объединённых единой целью – доказать правильность теории основанной на механизме распространения потенциала действия. И всё это варится в едином котле взаимного цитирования и поощрения.

Но на мой взгляд, все они похожи на присягу их авторов в лояльности к единственной верной теории нервного импульса и на декларацию того, что авторы поняли саму идею. И эта идея, безусловно, очень элегантна. Нобелевскую премию она заслужила. Что не означает её безоговорочную правильность.

Вспомним Птолемееву систему мира (Земля в центре Мира) – эта система столетиями удовлетворяла потребностям человечества, величайшие умы принимали её как догму, существовал математический аппарат в поддержку и объяснение этой теории, были созданы изумительные механические модели, демонстрирующие работу такой системы. В конце концов она была естественно понятна человеку. Были в ней некоторые неувязки, не всё можно было объяснить с её помощью, но ведь если есть основной посыл, то какие могут быть сомнения, объяснения всегда можно найти.

Напомню, теорию распространения потенциала действия предположили в начале ХХ века, а окончательно сформулировали, внимание!, в 1949—1952 годах.

С этого момента история исследования природы нервного импульса остановилась. Модель Ходжкина-Хаксли принята за безусловную, необсуждаемую истину в последней инстанции. Почему? Возможно, в силу гипнотического авторитета Нобелевской премии, а может в силу особенной консервативности научного сообщества. Как бы то ни было, на сегодняшнем этапе развития нейронаук, все исследования отталкиваются от неоспоримой правоты модели Ходжкина—Хаксли.

Примечание. Но не стоит забывать, что, примерно в то же время была присуждена Нобелевская премия за открытие лоботомии. Правда, с последним варварским методом «лечения» покончили довольно быстро.

Примерно в то же время появились первые черно-белые ещё ламповые телевизоры и первые транзисторы. С тех пор электронные технологии сильно изменили нашу жизнь. А что изменилось для человечества вцелом и каждого человека в отдельности в результате развития нейронаук?

Между тем до сих пор, полвека спустя никто не провёл такого простого эксперимента: 1) записать естественный, а не возбуждённый искусственно нервный импульс, 2) сохранить его и 3) воспроизвести, передав его назад в живую клетку. Этого просто невозможно сделать, нет смысла записывать электрические нервные импульсы, ведь все они одинаковы.

Не принято вспоминать о том, что в естественных условиях нервное волокно возбуждается в результате непосредственного действия механических, химических, температурных и других раздражителей на нервное окончание или тело нервной клетки. В экспериментах традиционно используют раздражение исключительно электрическим током. А в современных учебниках в лучшем случае можно прочитать следующее «Давление – это пример механического стимула. Давление на участок мембраны приводит к расширению и (по пока не понятным причинам) вызовет в этом месте деполяризацию. Высокая температура приводит к расширению мембраны, холод сокращает её, и эти механические изменения тоже вызывают деполяризацию.» [49]

Многие годы гигантский аксон кальмара служит идеальной моделью нервной клетки. В каждой книге, в каждом учебнике написано об этом препарате. Но! Какой это нейрон афферентный или эфферентный, несёт ли он информацию от рецептора в ЦНС или наоборот? Кто-то скажет, что это не важно. И действительно. Но при том, что этот факт не имеет значения для экспериментов, возможно он оказал влияние на нашу субъективную оценку результатов. У первых исследователей не было повода задуматься – что было первичным источником возбуждения? Для них ответ был очевиден – ЦНС. Гигантский аксон кальмара был частью эфферентного нейрона. Он проводит импульсы от нервного центра к реактивному органу. Стечение обстоятельств не позволило задуматься о природе первичной генерации нервного импульса. Ведь мозг не может быть источником механического стимула.

Известно, нервный импульс не затухает и не меняет амплитуды, а нервная клетка практически не устаёт. Официально признано что, нервные волокна обладают «относительной неутомляемостью». Ещё Н. Е. Введенский показал, что нерв в атмосфере воздуха сохраняет способность к проведению возбуждений даже при многочасовом непрерывном раздражении (около 8 часов).

Относительная неутомляемость нерва объясняется тем, что нерв тратит при своём возбуждении исключительно мало энергии. Благодаря этому процессы ресинтеза в нерве способны покрывать его относительно малые расходы при возбуждении даже в том случае, если это возбуждение длится много часов. Но…

Продолжают ли работать ионные насосы в препарированном аксоне кальмара «инвитро»? И даже на воздухе? И даже после того как внутриклеточная жидкость была заменена на другой электролит? (см. Исследования А. Ходжкина)

Сама частота следования нервных импульсов может поставить под сомнение ионную модель Ходжкина-Хаксли. После прохождения импульса мембрана должна восстанавливаться с колоссальной скоростью.

И чем объяснить восстановление потенциала после прохождения нервного импульса? Работой ионных насосов или восстановлением за счёт перераспределения ионов внутри клетки?

Количество импульсов, которое может пробежать по нервному волокну за одну секунду, хотя и велико, но ограничено длительностью рефрактерного периода. Тонкие нервные волокна имеют рефрактерный период около 1/250 доли секунды, иначе говоря волокно может провести двести пятьдесят импульсов в одну секунду. Миелинизированные волокна могут за то же время провести в десятки раз больше импульсов.

Но даже приняв частоту следования импульсов равной 250 Гц, и зная, что ионные насосы работают по принципу «конформа́ции молекул белков», придётся допустить чрезвычайно высокую производительность ионных насосов, независимо от того как мало ионов диффундировало при передаче одного нервного импульса.

Можно конечно допустить возможность неравномерной (но при этом измеряемой и управляемой) концентрации ионов в микроскопически малых объёмах внутриклеточного пространства вблизи мембраны.

Если же предположить, что источником энергии для нервного импульса является само раздражение его электричеством, то развитие такой идеи приведёт к переосмыслению причин и следствий мембранных процессов в клетке. (Возможно, ветер дует не от того, что деревья качаются?)

Есть в модели Ходжкина-Хаксли и ещё один не бросающийся в глаза изъян. Нет описания того, как потенциал действия проходит через сому – тело клетки. Обычно описывается момент раздражения уже в аксоне и дальнейшее распространение ПД. Но что является спусковым крючком, запускающим этот механизм в естественных условиях? Как передаётся сигнал от дендрита к аксону? Ведь возникает он только в районе аксонного холмика. А на мембране в районе сомы ПД нет. Объективно говоря, в современной литературе говорится, что мембранный потенциал присутствует на мембране в районе сомы. Но этим утверждением все и заканчивается.

Современной науке известно много конкретных недостатков в модели Ходжкина-Хаксли, но отказаться от неё невозможно, за неимением иного объяснения. А найти новое объяснение невозможно, не отказавшись от имеющейся модели.

Альтернативная версия нервного импульса

Источники

Помните, рассматривая историю мембранной теории, мы выделили в качестве предпосылок её появления: 1) открытие осмоса, 2) теорию электролитической диссоциации, 3) гипотезу Бернштейна и 4) кабельную теорию Томсона.

Ходжкин и Хаксли обобщили эти идеи и родилась современная мембранная теория, объясняющая природу нервного импульса.

В этой главе, мы, не отбрасывая ни одной из выше перечисленных предпосылок, дополним их ещё тремя: 1) биоэлектрогенез, 2) солитоны и 3) пульсовые волны.

Биоэлектрогенез

Я уже упоминал, как американские биологи Кол и Кертис для исследования мембранных потенциалов догадались использовать водоросли нителлы.

Для того чтобы сохранить за собой возможность критически оценивать теорию мембранных потенциалов при распространении нервного импульса, сто́ит заострить внимание на открытиях, сделанных задолго до Кола и Кертиса.

Биоэлектрогенез – это способность живых организмов к генерации электрических потенциалов. Он является универсальным свойством всех живых организмов, включая растения.

Дело в том, что электрические потенциалы возникают на любых живых мембранах, разделяющих среды с неодинаковой плотностью электролита. Исследовано множество жизненно важных процессов, в которых этот потенциал участвует. Хотя, возможно, первый из них – поддерживать упругость живой клетки, за счёт создания внутреннего осмотического давления.

Если у животных величина потенциала покоя на мембране клетки колеблется в диапазоне —50 до —80 мВ, то у растений он примерно в два раза выше, около —150 мВ, а у некоторых водных растений он может достигать целых —270 мВ.

Может показаться странным, но в клетках растений присутствуют не только потенциалы покоя, но и потенциалы действия. Причём последние по современным представлениям являют собой импульсную, распространяющуюся электрическую реакцию, возникающую в ответ на действие неповреждающих раздражителей, таких как импульсное или постепенное охлаждение, механическое воздействие, действие раствора кислоты на корни или участок стебля без эпидермиса и др.

На способность высших растений генерировать электрические импульсы учёные обратили внимание ещё в конце XIX века. Возможно самым первым, описал потенциалы действия у растений индийский учёный Джагадис Чандра Бозе (Jagadish Chandra Bose), изучавший растение с двигательными реакциями – Mimosa pudica, которую иногда называют «электромимозой».

Известны также описания опытов XIX века английского исследователя Бэрдена Сандерсона, проводимых на Венериной мухоловке. А начало систематического исследования возбудимости у высших растений связано с именем Боса, который в 1964 году впервые экспериментально обосновал, что в проводящих тканях мимозы может возникать и распространяться потенциал действия.

В течение долгого времени предполагалось, что распространение электрических потенциалов, в ответ на действие внешних раздражителей, присуще только растениям с быстрыми локомоторными функциями, а остальные растения не обладают таким свойством. Однако усилиями преимущественно отечественных учёных в 60—70 годах XX века было доказано существование ПД и у «обычных» высших растений.

На сегодняшний день распространение ПД в тканях растений так же, как и в нервных клетках, считается электротоническим. Однако среда распространения несколько иная. Если в нерве, распространение происходит преимущественно вдоль нервного волокна, то у растений такой средой является, по-видимому, симпласт, т. е. единое пространство, образованное цитоплазмами клеток, соединённых плазмодесмами1. Надо отметить, что такая среда распространения ПД не является уникальной чертой растений. Так, например, синцитий, по которому происходит распространение ПД в клеточных образованиях мышцы сердца, представляет собой похожую структуру – совокупность связанных между собой клеток.

Выделяют следующие особенности ПД у растений, отличающие их от ПД, развивающихся в возбудимых клетках животных:

– бо́льшая продолжительность, которая варьирует от десятых долей секунды (локомоторные растения) до десятков секунд (нелокомоторные) и длительный (от десятков минут до нескольких часов) период рефрактерности;

– отсутствие овершута у большинства генерирующих ПД растений, максимум потенциала действия у которых лежит в области от —60 до —40 мВ;

– низкая скорость распространения – в пределах от нескольких миллиметров в секунду у нелокомоторных до десятков сантиметров в секунду у локомоторных;

– в стимулируемом участке могут формироваться серии импульсов, но распространяется при этом лишь одиночный ПД.

Таким образом, ПП и ПД в растительных и животных клетках очень похожи, действуют по общим физическим и химическим принципам и в современной науке описываются математическими моделями подобными моделям для нервных импульсов.

Но к счастью, у растений присутствует ещё один тип мембранных потенциалов – вариабельный.

Вариабельным потенциалом (ВП) называют уникальную, характерную только для высших растений, распространяющуюся на значительные расстояния электрическую реакцию на повреждающее воздействие. Так же как и потенциал действия, вариабельный потенциал представляет собой переходную деполяризацию плазматических мембран. Однако ВП имеет ряд характерных особенностей, отличающих его от ПД, но главное отличие, благодаря которому его выделили в отдельный тип – это, то что он возникает в ответ на повреждающее воздействие (а ПД – на неповреждающее).

Характе́рные черты, отличающие его от ПД.

– Генерация в ответ на повреждающие раздражители. – Бо́льшая длительность (до 1/2 часа) и высокая вариабельность фазы реполяризации. – Способность проходить, через участки повреждённой и даже мёртвой ткани. – Меньшая скорость распространения.

Первые све́дения о ВП были получены в работах Montemartini в 1907 году. Он описывал медленно распространяющиеся электрические реакции у «обычных» растений, вызванные путём раздавливания, разрезания или ожога листа, с помощью электродов, контактирующих с жилкой листа на некотором расстоянии от места повреждения.

Поскольку, ВП не совсем то же самое, что ПД, у учёных хватило смелости заявить, что механизмы генерации ВП неизвестны. И как следствие были выдвинуты три базовые гипотезы их природы:

Электротоническая, которая предполагает, что ВП распространяется так же, как и ПД, но, возможно, по другим структурам листа.

Химическая, которая предполагает, что при повреждении выделяется некое раневое вещество или «фактор Рикка», вызывающий при диффузии вдоль стебля местные электрические ответы.

Гидравлическая, в соответствии с которой повреждение вызывает локальное повышение давления воды в ксилеме и эта волна повышенного давления, распространяясь от зоны повреждения, вызывает генерацию ВП. [50]

Несмотря на накопление богатого экспериментального материала, све́дения о потенциале действия у высших растений и сегодня носят фрагментарный характер. Наибольшие успехи достигнуты сегодня в изучении механизма генерации потенциала действия в сравнительно гигантских по размерам клетках некоторых водорослей, в первую очередь, харовых (что не удивительно, ведь именно с них Кол и Кертис начали исследования мембранных потенциалов). Эти представления спроецированы на понимание механизма ПД у высших растений. Их также связывают с возникновением пассивных потоков ионов хлора и калия. В то же время имеющихся данных недостаточно для формирования целостной картины механизма генерации ПД в клетках высших растений.

В ещё меньшей степени сегодня изучен другой тип потенциалов возбуждения – вариабельных потенциалов, характерных исключительно для высших растений. Практически не раскрыты механизмы его генерации и распространения.

1 Плазмоде́смы – цитоплазматические мостики, соединяющие соседние клетки растений.

Солитон

Большинству людей, безусловно, знакомы такие слова как электрон, протон, нейтрон, фотон. А вот созвучное им слово – солитон, возможно, знакомо не многим. Это и неудивительно: хотя явление, обозначаемое этим словом, известно без малого два столетия, должное внимание солитонам стали уделять лишь с последней трети ХХ века. Что же это такое – солитон? [51]

Попробуем разобраться с солитонами, и при этом по возможности обойтись без математики. Однако, нам всё же придётся поговорить о двух явлениях, лежащих в основе механизма образования солитонов – о нелинейности и дисперсии.

Но сначала история о том, как и когда был обнаружен солитон.

…Это случилось в 1834 году. Джон Скотт Рассел (John Scott Russell; 1808 – 1882)1, шотландский физик и талантливый инженер-изобретатель, принял предложение оценить возможности навигации паровых судов по каналу, соединяющему Эдинбург и Глазго. В то время перевозки по каналу осуществлялись с помощью небольших барж на конной тяге. Предстояло выяснить, как переоборудовать баржи при переходе с конной тяги на паровую. Рассел вёл наблюдения за разнообразными баржами, движущимися с разными скоростями. И во время этих наблюдений он столкнулся с очень странным явлением.

Вот как он описал его в своём Докладе о волнах: «Я следил за движением баржи, которую быстро тянула по узкому каналу пара лошадей, когда баржа неожиданно остановилась. Но масса воды, которую баржа привела в движение, собралась около носа судна в состоянии бешеного движения, затем неожиданно оставила его позади, катясь вперёд с огромной скоростью и принимая форму большого одиночного возвышения – округлого, гладкого и чётко выраженного водяного холма. Он продолжал свой путь вдоль канала, нисколько не меняя своей формы и не снижая скорости. Я последовал за ним верхо́м, и когда нагнал его, он по-прежнему катился вперёд со скоростью примерно 8—9 миль в час, сохранив свой первоначальный профиль возвышения длиной около тридцати футов и высотой от фута до полутора футов. Его высота постепенно уменьшалась, и после одной или двух миль погони я потерял его в изгибах канала». [52]

Рассел назвал обнаруженное им явление «уединённой волной трансляции». Однако его сообщение было встречено с недоверием, признанные корифеи в области гидродинамики – Джордж Биддель Эйри (George Biddell Airy; 1801—1892) и Джордж Габрие́ль Стокс (Stokes, George Gabriel; 1819—1903), утверждали на основании общепринятых в то время уравнений гидромеханики, что волны при распространении на значительные расстояния не могут сохранять свою форму.

Признание уединённой волны случилось ещё при жизни Рассела трудами нескольких математиков, которые доказали, что существовать она может, а, кроме того, были повторены и подтверждены опыты самого Рассела. Но дискуссии по поводу солитона ещё долго не прекращались – слишком велик был авторитет Эйри и Стокса.

Позже, учёные следующего поколения Жозеф Валентин де Буссинеск и его сверстник лорд Рэлей сумели найти приближённое математическое описание формы и скорости уединённой волны на мелкой воде. Вскоре появились ещё две – три математические работы об уединённой волне, а также вновь были повторены и подтверждены опыты Рассела.

Итоговую черту под спором подвели голландские математики Дидерик Иоханнес Кортевег (Diederik Johannes Korteweg, 1848 – 1941) и его ученик Густав де Фриз (Gustav de Vries, 1866 – 1934). В 1895 году, спустя тринадцать лет после смерти Рассела, они нашли точное уравнение, волновые решения которого полностью описывало происходящие процессы. В первом приближении это можно пояснить следующим образом. Волны Кортевега – де Фриза имеют несинусоидальную форму и становятся синусоидальными только в том случае, когда их амплитуда очень мала. При увеличении длины волны вершины синусоиды приобретают вид далеко разнесённых друг от друга горбов, а при очень большой длине волны остаётся один горбик, который и соответствует «уединённой» волне. Уравнение Кортевега – де Фриза (КдФ-уравнение) было по-настоящему оценено уже в наши дни, когда физики поняли его универсальность и возможность применения к волнам различной природы. Самое главное то, что оно описывает процесс распространения нелинейных волн, и настало время более подробно остановиться на этом понятии. [51]

В теории обычных волн фундаментальное значение имеет волновое уравнение. Не вдаваясь в высшую математику, отметим лишь, что и функция, описывающая волну, и связанные с ней переменные содержатся в нём в первой степени. Такие уравнения называются линейными. Решением волнового уравнения служит линейная гармоническая (синусоидальная) волна. То есть термин линейная употребляется здесь не в геометрическом смысле (синусоида – не прямая линия), а в смысле использования первой степени величин в волновом уравнении. [51]

Линейные волны подчиняются принципу суперпозиции (сложения). Это означает, что при наложении нескольких линейных волн результирующая волна представляет собой простую сумму исходных волн. Так происходит потому, что каждая волна распространяется в среде независимо от прочих, между ними нет ни обмена энергией, ни иного взаимодействия, они свободно проходят друг сквозь друга. В большинстве случаев это справедливо для световых, звуковых и радиоволн, и даже для волн, которые рассматриваются в квантовой теории. Но для волн в жидкости это верно только при сложении волн очень маленькой амплитуды. Дело в том, что уравнения гидродинамики нелинейны.

Напомним, скорость распространения фазы волны (так называемая фазовая скорость) зависит от длины волны, это явление называется дисперсией. А любую несинусоидальную волну можно представить совокупностью простых синусоидальных составляющих с различными частотами (длинами волн), амплитудами и начальными фазами (по теореме Фурье). Из-за дисперсии эти составляющие распространяются с различными фазовыми скоростями, что приводит к разрушению формы волны при её распространении. Но солитон, который тоже можно представить, как сумму указанных составляющих при движении свою форму сохраняет. Почему? Вспомним, что солитон – волна нелинейная. В этом-то и кроется его загадка. Дело в том, что солитон рождается в тот момент, когда эффект нелинейности, делающий гребень солитона более крутым и стремящийся его опрокинуть, компенсируется влиянием дисперсии, стремящейся его размыть и делающей его более пологим. Таким образом солитон возникает на стыке нелинейности и дисперсии, уравновешивающих друг друга. Попробуем рассмотреть это явление на примере цунами.

Цунами (в переводе с японского – широкая/длинная волна) – это длинные волны, возникающие в океане в следствии подводных землетрясений, приводящих к резким вертикальным смещениям морского дна. В момент такого смещения, направленного вверх, над эпицентром землетрясения возникает волна высотой до пяти метров.

В открытом океане волны цунами распространяются со скоростью:

где g – ускорение свободного падения, а h – глубина океана. При средней глубине 4000 метров скорость распространения составляет 200 м/с (720 км/час). В открытом океане высота волны редко бывает больше одного метра, при этом длина волны (расстояние между гребнями) может быть 500—1000 километров, такая волна не опасна для судоходства.

Зато при выходе волны на мелководье, происходит удивительное явление: её скорость и длина уменьшаются, а высота увеличивается. В результате у берега её высота может достигать до 30—40 метров. Цунами обычно проявляется как серия волн, но так как волны длинные, то между приходами волн может проходить более часа.

При формировании гигантского вала цунами происходит втягивание в него огромных масс воды что приводит к постепенному отступлению воды от берега на значительное расстояние и обнажение дна. Чем дальше отступает океан, тем выше будет волна цунами.

1 Интересно бывают переплетены события в истории. В этой книге уже есть история, к которой Рассел имел косвенное отношение – это рассказ, посвящённый прокладке трансатлантического телеграфного кабеля. Рассел участвовал в строительстве самого большого на то время парохода «Грейт Истерн».

Рисунок 51. Эволюция волны на «мелкой воде»

В 1965 г. американские учёные М. Крускал и Н. Забуски, изучая явления столкновений уединённых волн с помощью моделирования на ЭВМ, заметили, что уединённые волны во многом подобны частицам, они немедленно убрали слово «волна», а из «уединённой» (solitary) составили термин «солитон» (soliton). Первоначально солитон был назван «солитроном», по созвучию с другой элементарной частицей – электроном. Однако в последний момент стало известно о существовании некоей фирмы «Солитрон», и авторам пришлось убрать «р», чтобы не вступать в противоречие с законодательством о защите авторских прав. Фирма давно канула в Лету, а солитон живёт и здравствует! [51]

Уже в наше время были открыты наиболее удивительные свойства солитонов, благодаря которым они стали предметом перспективных научных поисков. Одно из уникальных свойств уединённых волн состоит в том, что они во многом похожи на частицы. Например, при столкновении два солитона не проходят сквозь друг друга, подобно обычным линейным волнам, а как бы отталкиваются друг от друга подобно бильярдным шарам.

Обычная линейная волна имеет форму правильной синусоиды (а). Нелинейная волна Кортевега – де Фриза на графике представляет собой последовательность далеко разнесённых горбиков, разделённых слабовыраженной впадиной (b). При очень большой длине волны от неё остаётся только один горб – «уединённая волна», или солитон (c).

Рисунок 52. Волна Кортевега – де Фриза.

Как ведёт себя нелинейная волна на поверхности воды при отсутствии дисперсии? Её скорость не зависит от длины волны, но возрастает с увеличением амплитуды. Вершина волны движется быстрее, чем её подошва, фронт становится всё круче и, наконец, волна опрокидывается. Но одиночную волну на воде можно представить в виде совокупности простых синусоидальных составляющих отличающихся длиной волны. В среде обладающей дисперсией, длинные волны побегут быстрее коротких, размывая крутизну фронта. При определённых условиях дисперсия полностью компенсирует влияние нелинейности, наступит равновесие, и волна будет долго сохранять свою форму – так рождается солитон.

На поверхности воды могут формироваться и групповые солитоны. В реальности именно они, а не бесконечные синусоидальные волны наблюдаются на поверхности моря. Групповой солитон чем-то напоминает амплитудно-модулированные электромагнитные волны; его огибающая несинусоидальна, она описывается более сложной функцией – гиперболическим секансом. В отличии от КдФ-солитонов скорость групповых солитонов не зависит от амплитуды. Под огибающей обычно находится не более 14—20 волн. Самая высокая – волна в группе (средняя) оказывается, в интервале от седьмой до десятой; отсюда известное наблюдение про 9-й вал.

Целенаправленное изучение солитонов началось сравнительно недавно (1960-е годы). Тем не менее возможные области практического применения этого феномена уже охватывают многие области современной техники. Наибольшую популярность получили они в оптико-волоконных системах передачи информации, принцип действия которых основан на способности оптических солитонов распространяться на большие расстояния без существенного искажения формы.

К сожалению, после того как появился соответствующий математический аппарат описания нелинейных волн, к идее Германа (см. главу Гипотезы Лудимара Германа) уже не возвращались вплоть до нынешнего XXI века.

Пульсовая волна

При сокращении сердечной мышцы (эта фаза называется – систола) кровь выбрасывается из сердца в аорту и отходящие от неё артерии.

Если регистрировать пульс в двух разноудалённых от сердца точках, то выясняется, что деформация сосуда распространится до более удалённой точки позже, то есть по сосуду пробегает волна.

Пульсовая волна – волна повышенного давления, распространяющаяся по артериям, вызванная выбросом крови из левого желудочка сердца в период систолы.

Распространяясь через аорты, артерии, артериолы до капилляров, пульсовая волна постепенно затухает.

В соответствии с теорией газовой динамики граница волны повышенного давления в трубе распространяется со скоростью звука в соответствующей среде. [76]

Считается, если бы стенки кровеносных сосудов были жёсткими, то давление, возникающее в крови на выходе из сердца, передалось бы к периферии со скоростью звука. Но, упругая эластичность стенок сосудов приводит к тому, что в период систолы кровь, выталкиваемая сердцем, растягивает аорту, артерии и артериолы, т. е. крупные сосуды получают за время систолы больше крови, чем её отдают к периферии. Систолическое давление человека в норме равно приблизительно 16 кПа. В период расслабления сердца растянутые кровеносные сосуды упруго сжимаются и потенциальная энергия, сообщённая им сердцем, переходит в энергию тока крови, при этом поддерживается диастолическое давление, приблизительно равное 11 кПа.

Скорость пульсовой волны примерно 5—10 м/с и даже более. Следовательно, за время систолы (около 0,3 с) она должна преодолеть расстояние от 1,5 до 3 метров, а это гораздо больше расстояния от сердца к конечностям.

Пульсовой волне должно́ бы соответствовать пульсирование скорости кровотока в крупных артериях, однако, скорость крови (максимальное её значение 0,3—0,5 м/с) существенно меньше скорости распространения пульсовой волны. Наряду с пульсовой волной в системе кровообращения могут распространяться и звуковые волны, скорость которых очень велика по сравнению и со скоростью движения частиц крови, и скоростью пульсовой волны. Таким образом, в кровеносной системе можно выделить три основных динамических процесса:

– перемещение частиц крови – скорость тока крови (Vкр = 0,5 м/с);

– распространение пульсовой волны (Vп ~ 5—10 м / с);

– распространение звуковых волн (Vзв ~ 1500 м / с).

Скорость пульсовой волны в крупных сосудах следующим образом зависит от их параметров (формула Моенса-Кортевега):

где:

Е – модуль упругости (модуль Юнга); ρ – плотность вещества сосуда;

h – толщина стенки сосуда;

d – диаметр сосуда.

Следует отметить также, что пульсовая волна хоть и является периодической, в силу ритмичности работы сердца, не является синусоидальной (гармонической). Поэтому в качестве теоретической основы для изучения физических явлений в пульсовой волне следует использовать не акустику, а газовую динамику с её ударными волнами.

В соответствии с теорией газовой динамики граница волны повышенного давления в трубе распространяется со скоростью звука в соответствующей среде. Как объяснить сравнительно медленное движение пульсовой волны? Считается, что её скорость снижается благодаря упругости и эластичности кровеносных сосудов. Это хорошее объяснение, но без математического описания. И ещё одно «но», из такого объяснения следовало бы линейное снижение скорости волны на протяжении всего кровотока. Кстати, применяемая для определения скорости ПВ формула Моенса-Кортевега, по сути является математической моделью, примерно описывающей только это явление.

Наиболее правильным было бы применение уравнения Кортевега – де Фриза1 для бегущей волны. Именно она может дать объяснение и постоянства скорости волны и её невысокой скорости. И это рассуждение возвращает нас к предыдущей главе, в которой мы говорили о нелинейных волнах и солитонах.

1 Уравнение Кортевега – де Фриза этой книге не приводится ввиду его математической сложности.

Динамика движения крови в капиллярах. Фильтрационно-реабсорбционные процессы

Кровеносная система служит для обеспечения тканей организма обогащённой кислородом кровью, переноса питательных веществ, солей, гормонов к органам и тканям. Кровь же выводит отработанные продукты жизнедеятельности клеток, например, CO_2. Непосредственный перенос веществ между кровью и тканями происходит через стенки капилляров. Каковы механизмы этого транскапиллярного обмена?

Различают два основных механизма переноса веществ:

– диффузионное движение молекул через стенки капилляра, обусловленное разностью их концентраций по разные стороны стенки сосудов,

– фильтрационно-реабсорбционный процесс – перемещение веществ вместе с жидкостью сквозь поры в капиллярной стенке обусловленный разностью давления.

Скорости переноса вещества тем и другим механизмом тесно взаимосвязаны между собой, поскольку определяются общими условиями изменения онкотического (коллоидно-осмотического) давления и ритмически изменяющегося пульсового давления влияющих в свою очередь на концентрации веществ и осмотические эффекты.

Рассмотрим подробнее обмен веществ между кровью и тканями.

При фильтрационно-реабсорбционных процессах растворённые в воде вещества проникают сквозь стенки капилляра в силу естественной её пористой структуры. Интенсивность и направленность диффузии воды через капиллярные стенки определяются осмотическим и гидростатическим давлениями внутри капилляра и в межклеточной жидкости:

Ргк – гидростатическое давление в капилляре,

Ргт – гидростатическое давление в тканевой жидкости,

Рот – онкотическое давление тканевой жидкости,

Рок – онкотическое давление плазмы в капилляре.

Ргк и Рот выдавливают жидкость сквозь стенки капилляра в ткани (происходит фильтрация), а под действием Ргт и Рок – жидкость стремится возвратиться обратно в капилляр (реабсорбция).

Стенки капилляров в нормальных условиях свободно пропускают небольшие молекулы, при этом их концентрации и создаваемые ими осмотические давления в крови и в тканевой жидкости примерно равны. А вот крупные белковые молекулы крови лишь с больши́м трудом могут проникать через стенки капилляров, в результате выравнивания концентраций белков за счёт диффузии не происходит. Между кровью и тканевой жидкостью возникает разность концентрации белков, а, следовательно, и разность коллоидно-осмотического (онкотического) давления. Онкотическое давление плазмы Рок ≈ 25 мм рт. ст., а онкотическое давление в ткани Рот ≈ 5 мм рт. ст. Эта разница при нормальных приводит к тому, что обычно фильтрация происходит в артериальном участке капилляра, а реабсорбция – в венозном.

Остаётся добавить, что пульсовая волна в капилляре хоть и не проявляется деформацией его стенок, но всё-таки присутствует, что было замечено при рассечении капилляра. Кровь из него вытекает синхронно с ритмом пульсовой волны. Следовательно, по капилляру прокатываются гидродинамические волны повышенного давления. Это приводит к тому, что при прохождении пульсовой волны (фаза высокого давления) также происходит фильтрационный процесс. А между пульсовыми волнами происходит реабсорбция (отработанные продукты жизнедеятельности возвращаются в кровь). [53]

Капилляры как сенсоры активности нейронов

Один из популярных методов исследования активности мозга – ФМРТ основан на регистрации кровообращения активно работающих участков мозга.

Однако сам механизм регуляции доставки крови к нейронам остаётся открытым. Зато достоверно известно, что один микролитр коры мозга содержит почти метр общей длины сосудов, где преобладают капилляры. Количество капилляров строго соответствует количеству нейронов мозге, а от тела любого нейрона до ближайшего капилляра не более 15 мкм. Такое устройство анатомии подсказало учёным идею, что сигнал от капилляра к артериоле был бы эффективным способом направлять поток крови в зону микроциркуляции в ответ на нейронную активность.

В связи с этим появилась интересная гипотеза регуляции кровообращения через активность нервных клеток. Возможно высокая активность нейронов приводит к изменению концентрации ионов в окружающем их пространстве? Что в свою очередь оказывает влияние на интенсивность обменных процессов в ближайших капиллярах. А капилляры возможно даже вызывают «гиперполяризационную» волну, распространяющуюся вверх в кровеносные сосуды-артериолы, стимулируя тем самым приток крови. В итоге нейроны получают больше кислорода.

Для проверки гипотезы, авторы исследования провели ряд экспериментов в том числе и на живом мозге анестезированных мышей. (Через открытый череп к капиллярам мозга мыши пипеткой вводили ионы калия и двух-фотонным лазерным микроскопом отслеживали изменения кровотока в сосудах). Они показали, что у мембраны капилляров есть калиевые белки-рецепторы; инъекция ионов калия вызывает быстрое распространение гиперполяризации вверх по капилляру к артериоле (авторы назвали это «обратным потенциалом действия»), стенки сосуда расширяются и кровь поступает в зону, где возникли ионы калия. [54]

Пока это только гипотеза, нужны дополнительные исследования. Однако имеющиеся данные позволили авторам исследования предположить возможность представить капилляры в виде обширной сенсо́рной сети, контролирующей динамику кровообращения в мозге. [55]

Декомпрессия

Не секрет, что нас окружает множество метеозависимых людей, это просто медицинский факт. Иногда у них обостряются проблемы сердечно-сосудистой системы, иногда напоминают о себе старые травмы, но вот лидерами являются различные неврологические проявления (мигрени, головные боли, головокружение, звон и шум в ушах, нарушения зрения, общая слабость).

А на какие конкретно изменения в погоде реагирует наш организм? Изменение температуры воздуха, влажности, насыщенности кислородом? Сомнительно, поскольку изменение этих атмосферных показателей не вызывает у нас болезненных ощущений при выходе на открытый воздух и возвращении в квартиру, офис или магазин. Может геомагнитные и солнечные бури? Их влияние на живую ткань с точки зрения инженера-электрика весьма сомнительно. Остаётся атмосферное давление. Вероятно, именно его изменения, особенно резкие перепады, способны повлиять на наше самочувствие.

Подтверждений этой гипотезе множество. От изменения самочувствия при подъёме или спуске в скоростном лифте небоскрёба, до относительно редких болезней: декомпрессионной, кессонной и (высотной) горной и бароденталгии.

Зачем заострять на этой теме внимание, и даже посвящать ей целую отдельную главу в книге про нейроны и нервные импульсы? Логика рассуждений проста. Изменение атмосферного давления при сохранении внутриклеточного давления неизбежно должно нарушить равновесные концентраций веществ внутри клетки и во внеклеточном пространстве (вспомним принцип Ле Шателье – Брауна). Такое смещение химического равновесия должно привести к изменению потенциала покоя на мембране клетки. Вернее, всех клеток в организме, но самые чувствительные к этим изменениям, вероятно, нейроны.

История кессонной болезни

В 1670 году сэр Роберт Бойл поместил гадюку в герметичную камеру и быстро выкачал воздух с помощью вакуумного насоса. В своём дневнике он отметил, что «тело и шея змеи сильно распухли, а на спине появился волдырь». Это наблюдение можно рассматривать как первое описание декомпрессионной болезни, опасного осложнения, вызываемого быстрым снижением окружающего давления, которое и по ныне убивает много людей.

Это явление обычно упоминается в контексте подводного плавания, но может проявляться у пилотов, парашютистов, шахтёров, альпинистов и всех, кто подвергается быстро меняющемуся барометрическому давлению.

Традиционно (и этой традиции полтора века!) кессонная (или декомпрессионная) болезнь объясняется образованием пузырьков газа в крови и жизненно важных тканях организма вследствие быстрого понижения давления. Считается, что пузырьки эти, состоящие из азота, наносят ущерб различным тканям организма, вызывая боль в суставах, одышку, зуд, спутанность сознания, судороги и паралич. Без медицинского вмешательства большинство незначительных случаев разрешаются самостоятельно, но тяжелые случаи могут привести к смерти, если не принять экстренных мер.

Кессон Тригера

Промышленная революция ознаменовалась повсеместным применением парового двигателя, который кроме прочего был приспособлен и для работы воздушных компрессоров.

В 1840 году Шарль-Жан Тригер (Charles-Jean Triger) применил сжатый воздух для добычи угля в долине Луары во Франции, в устройстве, которое он назвал кессоном (что по-французски означает «ящик»). Камеру с открытым дном опускали в заполненную водой шахту, и закачивали в неё сжатый воздух, вытесняя воду внизу.

Это устройство позволяло шахтёрам добывать запасы ценного угля ниже уровня грунтовых вод. Доступ в рабочую камеру осуществлялся через воздушный шлюз в верхней части камеры, а всё устройство регулировалось вручную системой впускных и выпускных клапанов. Именно тогда были зафиксированы первые травмы от сжатого воздуха и стартовал многолетний квест по поиску причины таинственной и смертельной «кессонной болезни».

Тригер, инженер-строитель и геолог, будучи человеком ответственным, перед каждой сменой сам спускался через воздушный шлюз в рабочую камеру под давлением, чтобы лично оценить качество воздуха и условия труда. Свои ощущения он описывал как боль в суставах и болезненность, появлявшиеся примерно через полчаса после возвращения на поверхность. Эти симптомы лечились алкоголем, и рабочие снова возвращались к работе. Хотя по сегодняшним медицинским стандартам его первоначальное описание является рудиментарным, это первый зарегистрированный случай кессонной болезни.

Поскольку Тригер был необычным представителем предпринимателей своего времени, он уделял пристальное внимание безопасности и здоровью своих работников. Он даже нанял двух врачей, Б. Пола и Т. Дж. Дж. Вателла, для медицинского обеспечения своих проектов с использованием кессонов.

Сообщается, что в одном из проектов Тригера (Douchy) работы проводились при давлении, в 3,5 раза превышавшем нормальное атмосферное давление. При этом Пол и Вателл отмечали одышку, артралгию, зуд и миалгии у многих рабочих при выходе из кессона. Сам доктор Пол стал жертвой кессонной болезни и выздоровел только после ночи сильной боли в груди, паралича, рвоты и одышки.

Пол и Вателл правильно сопоставили тяжесть кессонной болезни со скоростью декомпрессии, правда они ошибочно полагали, что болезнь была результатом снижения содержания кислорода в крови. Они полагали, что уменьшение парциального давления кислорода, возникающее при возвращении на поверхность, приводило к закупорке кровеносных сосудов и мозговых оболочек, что и было зафиксировано ими при многочисленных вскрытиях. Несмотря на то, что они заблуждались в своем предположении о причине кессонной болезни, в 1854 году Пол и Вателл стали первыми, кто предположил, что рекомпрессия (возвращение пациента в условия высокого давления) может быть использована для лечения тех, кто страдает кессонной болезнью.

В течение следующих двух десятилетий учёные мало продвинулись в понимании декомпрессионной болезни. Но по мере того как всё больше рабочих становилось жертвами таинственного недуга, всё больше врачей начинали обращать на неё своё внимание. Они лечили болезнь с помощью ванн с холодной водой, натуральных масел, сердечных средств, хинина, банок, пиявок и даже погружения в жидкую ртуть. [56]

Мост Сент-Луиса

Летом 1868 года капитан Джеймс Бьюкенен Идз (James Buchanan Eads) начал строительство моста «Сент-Луис» длиной 500 метров, который должен был перекинуться через реку Миссисипи. При строительстве опор моста не обошлось без кессонов. Рабочие трудились по четыре-шесть часов в смену, и о травмах не сообщалось, пока кессоны не достигли глубины в шестьдесят футов, что составляло примерно половину запланированной глубины, необходимой для достижения коренных пород.

Многие рабочие стали жаловаться на боли в суставах или частичный паралич нижних конечностей, однако некоторые также отмечали головные боли и зуд. Часто рабочие выходили из кессона в согнутой позе из-за болей в суставах. Эта поза была похожа на греческий изгиб, модную в 1820-х годах женскую позу, и поэтому о рабочих, страдающих кессонной болезнью, говорили, что у них «изгибы».

Когда один из кессонов приблизился к глубине 93 фута, шесть человек погибли, работая в среде сжатого воздуха. К концу проекта почти двадцать пять процентов из всех работников страдали кессонной болезнью. Было зафиксировано тридцать госпитализаций, тринадцать смертей и два случая полной инвалидности.

В 1870 году Альфонс Жамине (Jaminet), местный врач, открыл больницу на соседней барже для реабилитации рабочих на выходе из кессона. Это был импровизированный лазарет с койками, одеялами и одним врачом. В дополнение к наблюдению за рабочими в течение дня, Жамине также требовал, чтобы они оставались на его попечении «по крайней мере один час после работы, выпивая по три четверти пинты крепкого мятного чая».

Сам Жамине не раз отважился спуститься в кессон и испытал многочисленные последствия сжатия и декомпрессии. Однажды он страдал от «изгибов» и был поражён параличом нижних конечностей и болями в животе в течение нескольких дней. В своей книге о кессонной болезни он очень подробно описывает свое состояние: «Я страдал от обильного холодного пота, изо всех сил стараясь говорить испытывал большие страдания и обморок, мой пульс был 106 в минуту, обе мои ноги и левая рука были парализованы».

Жамине отметил, что сердцебиение и частота дыхания увеличивались в течение нескольких мгновений после спуска в кессон. По этой причине он запрещал использовать какие-либо стимуляторы перед началом работ (известные стимуляторы того времени – кокаин, алкоголь и горячие ванны).

Вообще-то, Жамине ошибочно приписывал «изгибы» быстрым скоростям сжатия, он установил стандартные скорости как для сжатия, так и для декомпрессии в кессонах. И, хотя скорость декомпрессии была довольно высокой по сравнению с современными стандартами, идея контроля скорости декомпрессии стала шагом в правильном направлении к предотвращению травм.

Бруклинский мост

В мае 1870 года Вашингтон Реблинг (1837—1926) начал строительство 1600-футового Бруклинского моста, который должен был соединить Нью-Йорк и Бруклин. Кессоны Бруклинского моста площадью 16 000 квадратных футов были в три раза больше, чем те, которые использовались для строительства моста в Сент-Луисе.

С самого начала врачу-отоларингологу Эндрю Х. Смиту было поручено заботиться о благополучии рабочих, участвующих в проекте. Как и другие врачи до него, Смит стал свидетелем многочисленных случаев кессонной болезни. В 1873 году он выступил с докладом об этой болезни в Колледже врачей и хирургов в Нью-Йорке, официально назвав её кессонной и опубликовал этот термин в учебнике в том же году.

Смит отметил, что время воздействия сжатого воздуха было прямо пропорционально тяжести симптомов кессонной болезни. Как и Жамине, он отмечал у рабочих в кессонах резкое увеличение частоты сердечных сокращений, потоотделения и диуреза. Но он был первым, кто правильно объяснил увеличение частоты сердечных сокращений повышенным уровнем углекислого газа, в результате сгорания газа в лампах в кессоне. Кроме того, Смит обратил внимание на жару и высокую влажность на дне кессонов, которые, по его мнению, были причиной повышенного потоотделения и мочеиспускания.

Во время проекта Смит как мог заботился о здоровье рабочих, страдавших кессонной болезнью. Однако, вводя морфин или атропин, он был относительно беспомощен в предотвращении болезни, поскольку истинная причина всё ещё оставалась неизвестной. Меж тем Смит сделал важное наблюдение, когда отметил, что большинство из 86 работников, страдавших кессонной болезнью, имели избыточный вес, причем все случаи смерти были описаны у пациентов с «ожирением».

По мере углубления земляных работ руководитель строительства Бруклинского моста Реблинг начал всерьёз беспокоиться ростом числа несчастных случаев. В 1871 году, лично осмотрев условия работы в одном из кессонов, он также стал жертвой декомпрессионной болезни и остался парализованным на всю оставшуюся жизнь.

В конце концов он запретил работы на глубине 78 футов, что было чуть меньше запланированных ста, необходимых для достижения коренных пород. В результате опору моста пришлось разместить на песке, и Бруклинский мост был открыт в мае 1883 года.

Пол Берт

Важную роль в объяснении первопричины декомпрессионной болезни сыграл Французский физиолог Поль Берт (Paul Bert, 1833—1886). Как физиолог, он интересовался изучением полётов на воздушном шаре на большой высоте и построил несколько камер для экспериментов с барометрическим давлением. В 1870 году он провёл многочисленные опыты по быстрой декомпрессии мышей, собак и птиц. После длительных периодов пребывания в камерах с давлением, в десять раз превышающим нормальный атмосферный уровень, эти животные были быстро разгерметизированы в течение нескольких минут или даже секунд.

В своей книге «Барометрическое давление» Берт описал пузырьки воздуха в венозной системе и правой стороне сердца животных и утверждал, что этот газ состоит преимущественно из азота. Он стал первым, кто заявил, что кессонная болезнь является результатом образования пузырьков азота в тканях человека в результате быстрой декомпрессии из-за гипербарических условий.

Берт не только объяснил причины кессонной болезни, также предложил меры по её профилактике и лечению. Он предложил «замедлить скорость декомпрессии, чтобы обеспечить выведение газообразного азота через легкие… чтобы субъект дышал чистым кислородом, если появляются незначительные симптомы… [и] немедленно повторно сжать, а затем медленно разжать в случае паралича».

Эти методы медленной декомпрессии, введения кислорода и рекомпрессии являются основой современного лечения декомпрессионной болезни и сегодня, полтора века спустя.

Джон Скотт Холдейн

Джону Скотту Холдейну (John Scott Haldane, 1860—1936) приписывают создание первых точных таблиц декомпрессии для тех, кто работает в условиях сжатого воздуха. Холдейн был опытным специалистом в области газовой физиологии.

Совместно с Институтом профилактической медицины Листера и Королевским военно-морским флотом Холдейн построил барокамеру для изучения кессонной болезни. В начале 1900-х годов он провёл в своей камере сотни экспериментов как на животных, так и на людях. Он констатировал, что большинство наблюдаемых симптомов были вызваны воздействием на нервную систему, он даже смог непосредственно наблюдать пузырьки азота в белом веществе мозга при микроскопии. Поскольку белое вещество главным образом состоит из жироподобного вещества (на самом деле – пучков аксонов, покрытых миелином), Холдейн правильно предположил, что существует корреляция между тяжестью кессонной болезни и количеством жира внутри пострадавшего. На основании этих наблюдении были предложены ограничения для тех, кто мог работать в кессонах, в частности, что «действительно толстым людям никогда не следует разрешать работать в сжатом воздухе, а полным рабочим следует запретить работать в кессонах высокого давления…». [56]

В 1903—1904 годах Холдейн провёл сотни экспериментов, в результате которых сделал вывод о том, что количество азота, поглощенного в конкретной ткани тела, определялось содержанием в ней жира и потоком крови через неё. Он также выдвинул идею перенасыщения, согласно которой ткани организма могут удерживать азот в течение ограниченного периода времени после декомпрессии до образования пузырьков.

Наконец, Холдейн разработал теорию тканевых полупериодов, то есть времени, которое необходимо для того, чтобы самая медленная ткань насытилась до половины парциального давления её перенасыщенного состояния.

На основании этой теории Холдейн разработал метод, позволяющий предупреждать симптомы кессонной болезни, возникавшие при увеличении давления.

Теория Холдейна о половинном сокращении азота в тканях всё ещё является основой современной водолазной медицины.

В течение следующих ста лет многочисленные достижения в области водолазной медицины позволили создать высокоточные таблицы погружений, которые мы имеем сегодня, однако большая часть нашего понимания декомпрессионной болезни всё ещё проистекает из наблюдений и научных исследований 1800-х годов.

Даже несмотря на наличие таких средств исследования мозга как ФМРТ учёные продолжают объяснять симптомы декомпрессии пузырьками азота в крови.

Горная болезнь

Отмечено, что большинство наблюдаемых симптомов кессонной болезни указывают на влияние изменений давления на нервную систему, однако нигде не упоминаются случаи отёка мозга. Дело в том, что в случае с кессонами, рабочие подвергались воздействию высокого давления в течении рабочей смены, которая не превышала 6—8 часов, а период декомпрессии вообще измерялся минутами.

Но есть одна болезнь главным травмирующим аспектом которой является отёк мозга. И эта болезнь связана с относительно медленным и длительным воздействием на организм человека пониженного атмосферного давления. Это – горная болезнь (или высотная болезнь).

Острая горная болезнь поражает альпинистов, которые быстро поднимаются на высоту не менее 2500 метров и путешественников в Антарктиду (атмосферное давление там всего 460 мм рт. ст. тогда как «нормальное» давление 760 мм рт. ст.), аналогичные симптомы могут наблюдаться во время полётов на большой высоте, если кабины летательных аппаратов не герметичны. Первые симптомы острой горной болезни включают головную боль, лихорадку, усталость, тошноту, головокружение, анорексию, нарушения сна и спутанность сознания. Если симптомы не исчезнут или при дальнейшем подъёме, может возникнуть отёк мозга и легких.

Если по мере адаптации организма к пониженному давлению симптомы не исчезают, пострадавшему следует спуститься на более низкую высоту.

Медикаментозное лечение – приём ацетазоламида, который является основным лекарственным средством. Он снижает образование спинномозговой жидкости, а дополнительные препараты включают нестероидные противовоспалительные препараты от головной боли и дексаметазон при отёке мозга.

История

Первое задокументированное сообщение о горной болезни было сделано китайским чиновником Ту-Кином между 37 и 32 годами до нашей эры, когда он столкнулся с трудностями при переходе через перевал Килик (4827 м) на территории современного Афганистана. Он описал головную боль и рвоту и назвал горы на своём пути такими названиями, как «Великая гора головной боли» и «Маленькая гора головной боли».

Поль Берт, французский пионер в исследовании влияния атмосферного давления на функции организма, в 1877 году признал гипоксию причиной высотной болезни.

Церебральная форма горной болезни с преобладанием отека мозга была описана у ряда больных только в 1975 году.

Высотный отек головного мозга

Отёк мозга может быть следствием большого количества патологий и даже травм. Объяснение осложнений, возникающих в результате отёка мозга отсылает нас к доктрине Монро-Келли.

Доктрина эта предполагает, что пространство полости черепа имеет фиксированный объём и содержит фиксированные пропорции мозгового вещества (примерно 1400 мл), крови (примерно 150 мл) и спинномозговой жидкости (примерно 150 мл). Увеличение объёма одного из этих компонентов должно приводить к пропорциональному снижению других. При отёке мозга увеличивается относительный объём ткани мозга. 1

Клинические проявления – сильные головные боли, атаксическая походка2, галлюцинации, паралич черепных нервов, гемиплегия3 и судороги. Возможны нарушения сознания различной степени, от сонливости до комы. Неврологические симптомы могут прогрессировать от лёгких до потери сознания в течение 12—72 часов.

Нарушение кратковременной памяти и нарушения речи, снижение когнитивных способностей заметны у большинства людей при восхождении на высоту более 6000 метров. У тех, кто испытает коматозное состояние, могут наблюдаться нарушения памяти и походки, которые сохраняются в течение нескольких месяцев.

Современная медицина объясняет это сужением просвета кровеносных сосудов вследствие снижения CO_2 в крови, что приводит к локальной ишемии определённых областей мозга и приводящей к временным очаговым неврологическим нарушениям. Даже с точки зрения фильтрационно-реабсорбционных процессов в крови симптомы болезни, похоже никто не рассматривал. И уж тем более никто не вспомнил опыт с наркотизированными головастиками, у которых в условиях высокого внешнего давления прекращалось действие анестетиков.

Бародонтальгия

По мере роста популярности и доступности дайвинга ныряльщики стали обращать внимание на зубную боль при погружениях на большие глубины. Целенаправленные опросы показали, что под водой до 41% аквалангистов испытывают ряд стоматологических симптомов от простой зубной боли до выпадения коронок и пломб. Эту странную болезнь назвали – бародонтальгия.

Зубной нерв – одна из трёх составляющих мягкой ткани зуба (пульпы). В состав пульпы также входят — артериальные и венозные сосуды. Пульпа располагается под эмалью и слоем дентина и составляет зубную полость.

Безмиелиновые нервные волокна проникают на глубину нескольких микрометров из периферических отделов пульпы в дентинные трубочки. При формировании болевых импульсов в здоровом зубе главную роль играет дентинная жидкость (изменение гидродинамических условий).

1 Идеи недоучившегося студента, самотрепанатора Барта Хьюза о котором я рассказывал в главе «Трепанация», возможно были не так уж и безумны.

2 Атаксическая походка характеризуется неправильным расположением стопы, широким основанием и нестабильностью из-за нарушения координации мышц.

АП может быть связана с сенсорными нарушениями, такими как зрение и проприоцепция (осознание положения и движений конечностей).

3 Полная потеря возможности произвольных движений (паралич) в ноге и руке с одной стороны тела

История альтернативных гипотез

Признаюсь, я не первый, кто обращается к идее гидродинамики и солитона для объяснения нервного импульса.

Совершенствование методов исследований на микроскопическом уровне в какой-то момент позволило увидеть, что аксональный потенциал действия сопровождают быстрые изменения диаметра аксона и давления внутри нервного волокна.

Немного лет спустя были зарегистрированы изменения в оптических свойствах волокон. Но, не зная, как и почему это происходит учёные отклонили результаты наблюдений как случайные побочные продукты нервного импульса или как дефекты эксперимента.

Так что, несмотря на накопленный с тех пор большой массив экспериментальных данных, среди учёных нет консенсуса ни по физической природе этих механических волн, ни по их взаимозависимости с электрическими потенциалами мембраны.

Ичиджи Тасаки

Ичиджи Тасаки (Тасаки Ichiji, 10.10.1910 – 4.01.2009) американский биофизик и врач японского происхождения.

Тасаки приписывают открытие изолирующей функции миелиновой оболочки, а также объяснение сальтаторного эффекта при распространении нервного импульса в миелинизированном волокне.

Он родился в Японии в 1910 году. Здесь, по настоянию своей матери, посещал медицинскую школу, в которой в 1938 получил степень доктора медицины. Однако Тасаки решил не заниматься врачебной практикой, а сосредоточился на биофизике.

Тасаки получил степень доктора медицины в Университете Кейо в Японии, где он исследовал нервные волокна позвоночных и объяснил изолирующую функцию миелиновой оболочки. Он был первым, кто показал, что электрические импульсы, распространяющиеся вдоль миелинизированных нервных клеток, как бы «прыгают» между разрывами миелиновой оболочки – перехватами Ранвье. Этот процесс, называемый «сальтаторным проведением», описан в большинстве учебников по физиологии, но ни в одном не упоминается имя Тасаки.

Впервые объяснение сальтаторного эффекта было опубликовано в статье в Американском журнале по физиологии в 1939 году. Во время Второй мировой войны последующие рукописи, написанные на немецком языке, отправлялись для публикации во Франкфурт, сначала через СССР, а затем на немецкой подводной лодке.

После Второй мировой войны он некоторое время работал приглашённым учёным в исследовательских институтах Швейцарии и Англии, а затем в 1951 году переехал в Соединённые Штаты, где продолжил исследования в Вашингтонском университете в Сент-Луисе. Его работа там прояснила ключевые детали того, как вибрации, возникающие в улитке уха в ответ на звук, преобразуются в электрические сигналы, которые мозг может интерпретировать. Эти открытия привели к развитию аудиологии, предоставляя основу для диагностики и лечения многих нарушений слуха.

В 1953 году Тасаки присоединился в качестве приглашённого учёного в тогдашний Национальный институт неврологических заболеваний и слепоты. С 1966 по 1984 год он был начальником лаборатории нейробиологии NIMH, а затем старшим научным сотрудником, пока не «вышел на пенсию» в 2008 году. В возрасте 97 лет он считался самым старым действующим учёным в истории Национальных Институтов Здоровья (США). После отставки он был назван почётным учёным и продолжил свою научную работу до самой смерти.

Он продолжал работать по семь дней в неделю, когда ему было уже далеко за 90. Однажды, в декабре 2008 г., прогуливаясь рядом со своим домом, он потерял равновесие и ударился головой о землю. Через неделю Тасаки умер, в возрасте 98 лет.

Список достижений этого учёного настолько велик, что большинство сочло бы любое из его открытий карьерным событием. Некоторые из них достойны нобелевской премии. Но, признавая «огромный вклад Тасаки в научное понимание» в посвящённом его кончине некрологе больше говорится о том, как долго и как много он работал, а не о том, как много открытий совершил.

Ещё в 1940-х годах учёные заметили, что, когда волна возбуждения проходит по нервному волокну, полупрозрачная клетка ненадолго становится более мутной. К 1968 году Тасаки и другие исследовательские группы нашли доказательства того, что, когда проходит импульс, молекулы в мембране физически перестраиваются, а затем возвращаются в исходное состояние.

Исследователи ожидали, что электрический импульс будет выделять тепло, – так обычно бывает, когда течёт электричество. Однако несколько разных групп учёных обнаружили нечто странное. Температура нервного волокна поднялась на несколько миллионных долей градуса Цельсия в момент прохождения импульса, но затем быстро упала. Тепло не рассеивалось, за несколько тысячных долей секунды нерв поглотил основную его часть.

Такое временное расширение, перестройка молекул, нагревание и охлаждение привели Тасаки к ошеломляющему выводу: нервный сигнал не был просто скачком напряжения, это было очень похоже на механическую волну. Специалисты, изучавшие нервы с помощью электродов, упускали большую часть происходящего.

В течение 1960-х годов Тасаки впервые использовал красители, флуоресцирующие при электрической стимуляции нейронов для наблюдения за физическими изменениями в нервных мембранах при передаче импульсов. Он измерил тепло, генерируемое и поглощаемое при прохождении нервного импульса.

Считается, что именно Ичиджи Тасаки впервые применил термодинамический подход к феномену распространения нервного импульса. Тогда он отметил несколько факторов, не учтённых в модели Ходжкина – Хаксли (изменение температуры и давления при прохождении ПД).

Другое его открытие (1980, Статья «Механические изменения в аксонах гигантских кальмаров, связанные с выработкой потенциалов действия»), описывающие механические изменения в аксонах гигантских кальмаров при прохождении нервного импульса [56], не столь успешно вписалось в общепринятую доктрину распространения нервных импульсов, но возможно именно оно принесёт настоящую славу Ичиджи Тасаки. И, как ни удивительно, это последнее открытие явилось логическим завершением первого, совершенного почти полвека назад – открытия сальтаторной проводимости (1930,40-е годы) которое можно было бы считать пиком его карьеры.

Оказалось, что потенциал действия в гигантских аксонах кальмара сопровождается быстрым и небольшим «набуханием» и смещением поверхности около 0,5 нм, при увеличении давления около 1 дин/см^2. (По другим данным амплитуда изменения давления составляла около 1 мПа.)

В 1979 году Тасаки провёл необычный эксперимент. Глядя в микроскоп, он осторожно положил крупинку блестящей платины на тонкую белую нить – пучок нервных волокон краба, оголённый в процессе вскрытия конечности животного, и направил лазер на платину. Регистрируя отражение света лазера, он смог обнаружить движения, означавшие, что пучок волокон быстро расширялся и сужался во время прохождения импульса. Вместе со своим тогдашним аспирантом Кунихико Ивасой (Kunihiko Iwasa) он провёл сотни измерений. Спустя неделю ответ был ясен: каждый раз, когда импульс шёл по нервным волокнам, они быстро расширялись, а затем снова сужались за несколько десятых долей секунды. Максимальное набухание достигалось на пике потенциала действия.

Изменения были очень слабыми: поверхность мембраны поднималась всего на семь миллиардных долей метра. Но это абсолютно совпадало с моментом прохождения электрического импульса, подтверждая предположение, которое Тасаки лелеял годами: Ходжкин и Хаксли ошибались.

Тогда Тасаки предположил, что расширение объёма происходит как следствие бокового расширения возбуждённой части волокон, где поверхностный слой превращается в гелеобразную структуру с низкой плотностью.

Всю оставшуюся жизнь Тасаки исследовал эти эффекты. Он пришёл к выводу, что они возникали не в клеточной мембране, а в слое белковых и углеводных волокон, расположенном под ней. Согласно его теории, когда проходит нервный импульс, волокна поглощают ионы калия и воду, набухая и нагреваясь, а когда импульс проходит дальше, процесс оборачивается вспять.

Тасаки, развивая эти идеи, постепенно начал двигаться против общего научного течения. Не в его пользу работали и другие факторы. Он вырос в Японии, и его английская речь была неестественной. «Вам надо было очень много знать, чтобы что-то серьёзно с ним обсуждать, – говорил Питер Бэссер (Peter Basser), руководитель секции нейробиологии в Национальных институтах здравоохранения, который был знаком с Тасаки на протяжении 20 лет. – И я думаю, что многие люди не догадывались, насколько он компетентен и проницателен». И хотя Тасаки сотрудничал со многими учёными, у него не было учеников, которые продвигали бы его идеи.

Ярким примером раскола между Тасаки и другими учёными стало идеологическое соперничество с ещё одним известным нейробиологом из Национальных институтов здоровья, Кеннетом Коулом (Kenneth Cole), сторонником традиционных взглядов. Хотя эти два человека работали в одном и том же лабораторном здании в 1950—1970-х гг., они почти не разговаривали в течение 15 лет, за исключением публичных мероприятий, где они обменивались колкостями.

Со временем работы Тасаки исчезли из поля зрения. «Я не думаю, что кто-то сомневался в достоверности его наблюдений, поскольку его уважали в лаборатории», – говорит Адриан Парсегян (Adrian Parsegian), биофизик из Массачусетского университета в Амхерсте, работавший в Национальных институтах здравоохранения с 1967 по 2009 г. Открытия Тасаки скорее «считались неважными» для передачи нервных сигналов, не более чем побочный эффект изменения заряда. Механизмы явления не были объяснены, говорит Парсегян: «Одна часть информации попала в учебники, а другая – нет».

Основываясь на открытиях Тасаки, Конрад Кауфман в своей неопубликованной рукописи предложил рассмотреть звуковые волны в качестве физической основы для распространения нервного импульса.

Солитонная модель Хаймбурга и Шнайдера

Исследования Томаса Хаймбурга и Андрю Д. Джексона

В 2005 году Томас Хаймбург (Thomas Heimburg) и Андрю Д. Джексон (Andrew D. Jackson) предложили модель, основанную на предположении, что сигнал по нейронам распространяется по клеточной мембране в виде солитонов – устойчивых волн [57]. (Напомню, что в ещё 1879 г. немецкий физиолог Лудимар Герман рассматривал модель, в которой уподобил нерв телефонному кабелю, в котором, однако, волны должны взаимодействовать нелинейно. Только вот, решать подобные математические задачи в то время, не умели).

Физик Томас Хаймбург, специалист по квантовой механике и биофизике столкнулся с работой Тасаки в середине 1980-х годов, когда занимался своим диссертационным исследованием в Институте биофизической химии Общества им. Макса Планка в Геттингене. Увлёкшись он стал проводить всё больше времени в библиотеке, изучая старые статьи. В конце концов он нашёл иное объяснение открытиям Тасаки. Хаймбург пришёл к выводу, что и механические колебания, и оптические трансформации, и временное изменение температуры могут происходить в липидных мембранах нейронов, а не в белковых и углеводных волокнах под мембраной, как предполагал Тасаки.

К концу 1990-х годов Хаймбург начал проводить собственные эксперименты. Он сжимал искусственные клеточные мембраны, чтобы увидеть, как те будут реагировать на механические волны. В результате было открыто кое-что важное: липиды мембраны обычно находятся в жидком состоянии, их молекулы повёрнуты случайным образом, но они близки к тому, что физики называют фазовым переходом. Достаточно чуть-чуть сжать мембрану, и липиды сконденсируются в высокоупорядоченную жидкокристаллическую структуру.

Проведя эксперименты, Хаймбург стал утверждать, что нервный импульс – это механическая волна, которая идёт по мембране. Продвигаясь, она сжимает липиды мембраны так, что они образуют жидкий кристалл, при этом выделяется небольшое количество тепла, так же как при замерзании воды. Затем, когда волна прошла, через несколько тысячных долей секунды мембрана возвращается в жидкое состояние и при этом поглощается тепло. Быстрый переход в жидкокристаллическую форму и обратно сопровождается расширением мембраны, что и наблюдали Тасаки с Ивасой, освещая лазером крупинку платины.

Хаймбургом было сделано ещё одно оригинальное предположение – механическая волна и фазовый переход могут быть связаны со скачком напряжения, происходящим при прохождении импульса. Хаймбург обнаружил, что может перевести мембрану в жидкокристаллическое состояние, просто изменив мембранный потенциал. По его словам, люди изменяли мембранный потенциал на протяжении почти 70 лет, но никто из электрофизиологов никогда не проверял наличие жидкокристаллической структуры. Возможно мембраны представляют собой пьезоэлектрики – материалы, способные преобразовывать физические воздействия в электрические сигналы и наоборот. Это значит, что электрический импульс, идущий по мембране, вызывает механическую волну. Или наоборот, механическая волна, идущая по мембране, вызывает изменение напряжения.

Зачем Хаймбург занялся наблюдением за нервами при анестезии?

На полках у Хаймбурга были книги по физике, а не по биологии. Среди них были и книги Германа Гельмгольца, который в середине 1800-х годов сформулировал важнейшее правило термодинамики, что энергия может переходить в другую форму, но не может быть создана или уничтожена. Напомню, Гельмгольц тоже измерял скорость нервных импульсов. «Я считаю, что обязательно надо читать эти старые тексты, – говорит Хаймбург. – Они отражают постепенное открытие фундаментальных связей между энергией, температурой, давлением, напряжением и фазовыми переходами». Эти принципы лежат в основе представлений Хаймбурга о работе нейронов, представлений физика, пробивающего себе дорогу в чужой (и недружелюбной) научной области.

Он быстро заметил слабые места в популярных объяснениях действия анестезии. Биологи считают, что анестезия выключает нервы, блокируя ионные каналы – проходы в мембране нейрона, которые закрываются и открываются, пропуская ионы натрия или калия. Но поскольку разные анестетики имеют совершенно разную молекулярную структуру, Хаймбург усомнился, что все они связываются с ионными каналами. Это «совершенно нелепое» объяснение, разочарованно говорил он как о чем-то абсолютно очевидном. Тут должно быть что-то «более глубокое и основательное».

Идеи Хаймбурга отчасти сформировались под влиянием старой книги «Исследования наркоза» (Studien ber die Narkose), опубликованной Эрнестом Овертоном (Ernest Overton) в 1901 г. Описываемый там эксперимент привлёк внимание Хаймбурга. Овертон взял десятки разных анестетиков и каждый из них поместил в колбу, содержащую воду, где сверху был слой оливкового масла. Он потряс каждую колбу, а затем подождал, пока вода и масло снова разделятся. Далее для каждого анестетика он определил, сколько оказалось в воде, а сколько в масле. Чем более сильным действием на животных обладал анестетик, тем больше его оказывалось в масле. Такой поразительный результат был позже подтверждён для новых анестетиков. Оливковое масло и клеточные мембраны состоят из похожих молекул, которые называются «жирные кислоты».1

В начале 1950-х годов датчанин Йенс Скоу (Jens Christian Skou) изучал механизм действия анестетиков. Он также заметил, что действие анестетика связано с его способностью растворяться в липидном слое клеточной мембраны и блокировать натриевые каналы. Сначала Скоу предположил, что канал является белковой молекулой и его перекрытие в нейронах приводит к тому, что нервные клетки теряют способность к возбуждению, а это приводит к анестезии.

Продолжение исследования этого вопроса привело его к нобелевской премии за открытие в 1957 году такой разновидности АТФ-азы, которая активируется катионами натрия и калия. Так был обнаружен первый ионный насос – фермент, который создаёт прямой перенос ионов через клеточную мембрану.

Кстати, Чарльз Овертон, первым в 1902 году наблюдавший свойства анестетиков в масле тоже вошёл в историю, он высказал идею, что клеточные мембраны состоят из тонкого слоя фосфолипидов.

Хаймбург же предположил, что анестетики встраиваются в клеточные мембраны и изменяют их физические свойства.

Данную идею подтвердили эксперименты с искусственными мембранами. Когда Хаймбург ввёл в мембрану анестетик, это помешало ей переходить в жидкокристаллическую форму при понижении температуры до того значения, при котором обычно происходит этот переход, совсем так же, как соль или сахар снижают температуру замерзания воды.

Хаймбург пришёл к выводу – когда в мембране затруднён фазовый переход, механическая волна не проходит по нервному волокну, и это объясняет, почему анестетики выключают нерв. Причём он предсказал, что препятствие можно преодолеть. Для кристаллизации мембраны надо создать более высокое давление, например, увеличив силу тока раздражения. Более сильный электрический ток действительно преодолел влияние анестетика.

Если анестезию можно победить, сильнее ударив током, значит то же самое можно сделать, увеличив физическое давление на мембрану. Биологи открыли это явление ещё в 1942 г. Они использовали два разных анестетика, этанол и уретан, чтобы наркотизировать головастиков до такой степени, что те не могли плавать. Затем учёные поместили животных в гипербарическую камеру с давлением в 136 раз выше атмосферного. Анестезирующий эффект исчез: головастики возобновили плаванье. Когда давление понизили, головастики снова легли неподвижно. «Это удивительно, – говорил Хаймбург улыбаясь. – Как могло прийти в голову воздействовать повышенным давлением на одурманенных головастиков?»

1 Основываясь на этих наблюдениях Э. Овертон выдвинул предположение о том, что клеточная мембрана предоставляет собой одномерный липидный слой.

Шнайдер

Когда Хаймбург и его коллега Эндрю Джексон впервые опубликовали свою теорию в 2005 году, они не наблюдали ни одного такого электромеханического импульса в динамике.

Этот пробел восполнил один из бывших студентов Хаймбурга – биофизик Маттиас Шнайдер (Matthias Schneider), работавший тогда в Техническом университете Дортмунда. В 2009 году он сообщил, что может вызвать механическую волну, подав напряжение на искусственную мембрану. Сила импульса была схожа с той, которая наблюдается в нервных клетках. Волна перемещалась со скоростью приблизительно 50 м/с. В 2012 году Шнайдер подтвердил, что механическая волна и электрический импульс – это составляющие одной и той же волны, идущей по мембране.

Однако главное открытие Шнайдер сделал в 2014 году. Ключевая особенность нервного импульса – закон «всё или ничего». Если нейрон получает слабый сигнал, потенциал действия не пойдёт, если сигнал достаточно сильный, то пойдёт. Существует определённый порог. Шнайдер обнаружил, что электромеханические волны на его искусственных мембранах действительно распространялись по принципу «всё или ничего». Казалось, что определяющий фактор – достаточно ли сильно сжата мембрана, чтобы произошёл переход в жидкокристаллическую форму. Только тогда, по словам Шнайдера, «вы получите импульс».

Группа биологической физики Матиаса Шнайдера изучила распространение двумерных звуковых волн в липидных интерфейсах и их возможную роль в биологической сигнализации. В результате была создана первая солитонная модель распространения нервного импульса.

Строилась она на утверждении, что клеточная мембрана имеет «точку замерзания» (пороговую температуру, при которой её консистенция изменяется от жидкой к гелеобразной). Температура эта лишь немного ниже температуры тела организма. И это свойство мембраны является условием распространения солитонов. Потенциал действия, распространяющийся вдоль нервного волокна, вызывает незначительное повышение температуры. В этот момент она «становится жидкой», что приводит к её деформации и диффузии ионов. По прошествии нервного импульса температура снижается, и мембрана возвращается в исходное состояние. Авторы идеи считали величину упругости мембраны нелинейной функцией температуры и давления в окрестности перехода плавления, и доказывали, что эта особенность приводит к возможности распространения солитонов в мембранах.

Критика

В таком виде солитонная модель попала под шквал критики. Сторонники модели попытались объяснять с точки зрения термодинамики и физическое расширение нервов при распространении импульса, и обратимое выделение тепла, и эффект анестетиков, и электрическую индукцию потенциалов. Но как объяснить работоспособность модели в условиях широкого диапазона температур (потенциалы действия присутствуют при 0° C)? Не нашлось ответа и на другой довод скептиков: как в рамках предложенной солитонной модели объяснить селективность мембраны к ионам K+ и Na+.

Хаймбург до сих пор расстроен тем, как биологи реагируют на его идеи. Он столкнулся с яростным противодействием с того момента, как в 2005 году опубликовал свою теорию в Proceedings of the National Academy of Sciences USA, хотя журнал пользуется большим уважением.

Консервативные нейробиологи считают, что вся работа пропитана превосходством физика, который думает, что может просто прийти в другую область и наставить людей на путь истинный.

Одно дело – говорить, что в нервах действуют и механические, и электрические силы, и совсем другое – отвергать представления о том, что ионные каналы играют ключевую роль в проведении сигнала, как это делают Хаймбург и Шнайдер – это их самое большое и наиболее сомнительное отклонение от общепринятой линии в биологии. Для них неважно, что учёные обнаружили сотни белков ионных каналов или что лекарства могут избирательно влиять на потоки ионов, или что учёные создают мутации, изменяющие белки и влияющие на возбудимость нейронов.

Хаймбург и Шнайдер признают, что эти белки должны играть некоторую роль. Но они ссылаются на эксперименты, где показано, что нервные волокна временно «набухают», когда по ним проходят импульсы, потому что молекулы воды текут внутрь сквозь мембрану через те же ионные каналы, которые впускают натрий, а затем вытекают через ионные каналы, выпускающие калий.

Хаймбург и Шнайдер заняли непримиримую позицию. Возможно когда-нибудь они разделят Нобелевскую премию. Или они не придут ни к чему, увязшие в своём упрямстве, как на много десятилетий застрял Тасаки.

Ажиотаж вокруг этой темы немного затих.

Модель Ходжкина – Хаксли устояла и укрепилась. Но, если опустить идею с «точкой замерзания», то есть физический смысл в заявленной гипотезе, то в математическом описании гидродинамической волны как солитона эта модель очень перспективна.

А Хаймбург тем временем продолжает свои исследования. В 2014 году он повторил эксперимент с наркотизированным головастиком, используя искусственные мембраны вместо животных: когда он повысил давление до 160 атмосфер, действие анестетиков прекратилось, но теперь Хаймбург мог связать это с фазовым переходом в мембране. В 2016 году он точно измерил в одиночной клетке механическую волну, которую Тасаки и Иваса впервые описали в 1979 году.

Интересно, что тепловая энергия в передающем сигнал нерве может быть в два раза больше того значения энергии электрического сигнала, которое принято в нейробиологии. То, что эти неэлектрические характеристики попали в немилость, отчасти произошло по историческим причинам. Хаймбург утверждает, что в старых экспериментах систематически недооценивалось количество выделяемого тепла, поскольку там было сразу много нейронов, поглощение тепла после раннего прохождения импульса сглаживало картину выделения тепла от более поздних импульсов.

Тасаки измерял тепло, выделяемое пучком волокон, а Хаймбург планирует с помощью микрочипа оценить изменение температуры одиночного нейрона. Эксперимент должен ответить на главный аргумент критиков его теории: что быстрый переход участка мембраны из жидкого состояния в кристаллическое и обратно должен сопровождаться выделением, а затем поглощением большего количества тепла, чем наблюдал Тасаки. Если измерения подтвердят данный факт, это будет в пользу его утверждения, что по мембране передаётся механическая волна.

Модель Ахмеда Эль Хади и Бенджамина Мачты

Прошло совсем немного времени и вот в 2014 году американские молодые исследователи Бенджамин Б. Мачта и Ахмед Эль Хади [58] предлагают новую теоретическую модель, в соответствии с которой существующая механическая поверхностная волна, распространяется совместно с электрическим потенциалом действия.

Модель, разработанная Ахмедом Эль Хади и Бенджамином Мачтой, основана на данных о биофизических параметрах, таких как диаметр аксона, эластичность мембраны нервных клеток, а также плотность и вязкость аксоплазмы (цитоплазмы внутри аксона), взятой из других экспериментов. [59]

– Мы называем их «волнами действия», – говорит Эль Хади, – и мы думаем, что они движимы потенциалами действия. Они немного похожи на поверхностные волны, которые вы получаете, когда бросаете камень в воду – камень похож на электрический импульс, который вызывает механическое смещение мембраны». Далее снова следовала математическая модель солитона. Учёные верили, что их модель послужит основой для понимания физического происхождения и возможных функциональных ролей этих волн в нейробиологии. Но как показала жизнь этой амбициозной цели они не достигли.

Недавно группа исследователей из Китая показала, что цитоскелет аксонов организован в виде серии концентрических колец, и Эль-Хади подозревает, что «волны действия» могут возникать при последовательном сужении этих колец.

Другие

Многие учёные пытались исследовать механические волны в нервном волокне с точки зрения термодинамики и строить их математические модели на основе нелинейных одиночных волн – солитонов. Но с 2005 года после Томаса Хаймбурга и Андрю Д. Джексона больше не делалось попыток понять физическую суть явления.

Но иногда к исследованию вопроса подключаются другие учёные, не затронутые старыми спорами. Инженер Нунцзянь Тао (Nongjian Tao), специалист по биосенсорам из Университета штата Аризона, использует лазеры для отслеживания механических импульсов в одиночных нервных клетках, как и в работах Тасаки и Ивасы, но у Тао свет отражается напрямую от нерва, а не от крошечной платиновой пластинки, поэтому его измерение более точное. С помощью лазеров, выявляющих механические волны, он надеется отслеживать одновременно сотни отдельных нейронов в нервных сетях.

Такая работа могла бы дать ответ на важный вопрос – действительно ли нейроны используют их для чего-то полезного.

Могут ли механические волны действительно влиять на маленькие белковые каналы?

Известно, что работа ионных каналов нестабильна и часто встречаются помехи: даже слабые тепловые колебания могут заставить их открыться или закрыться случайным образом. В недавних экспериментах показано, что каналы чувствительны и к механическим воздействиям на мембрану.

Специалисты по теории информации десятилетиями пытались объяснить, как мозгу удаётся стабильно работать, имея такие ненадёжные механизмы. Однако наличие механических волн может означать, что открытие и закрытие происходят упорядоченно. Такое вполне возможно. Если механические волны помогают открывать и закрывать ионные каналы, это может сильно изменить наши представления о нервной системе.

Но если не ПД, то что?

Авторы описанных выше гипотез рассматривали механическую волну в аксоне с точки зрения термодинамики. Я же призываю взглянуть на процессы в нейроне с позиций нелинейной гидродинамики. Той самой «исконно нелинейной гидродинамики, в которой нелинейность проявляется уже в самых простых явлениях, и которая в течение почти столетия развивалась в полной изоляции от «линейной физики» [51].

А теперь, уважаемый читатель, давайте поговорим о том, о чём в нейробиологии говорить не принято.

Как в законе Ома связаны три физических величины: ток, напряжение и сопротивление (I=U/R), так же неразрывно связаны мембранный потенциал, концентрация ионов и осмотическое давление внутри клетки. Они представляют собой систему, которая всегда находится в состоянии равновесия. Изменение значения любого из этой троицы вызовет изменение остальных.

В 1884 году Анри Ле Шателье (фр. Henri Louis Le Chatelier; 1850—1936) сформулировал термодинамический принцип подвижного равновесия, позже обобщённый Карлом Брауном.

Ныне этот принцип носит имя Ле Шателье – Брауна:

если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия (температура, давление, концентрация, внешнее электромагнитное поле), то в системе усиливаются процессы, направленные на компенсацию внешнего воздействия.

Принцип применим к равновесию любой природы: механическому, тепловому, химическому, электрическому.

Изменения внешних условий изменяет равновесные концентрации веществ. В этом случае принято говорить о нарушении или смещении химического равновесия.

Ещё в 1908 году Нернст выявил зависимость между разностью потенциалов и ионной концентрацией. Уравнение Нернста позволяет предсказать максимальный рабочий потенциал, который может быть получен в результате электрохимического взаимодействия, при известных значениях давления и температуры.

В своё время именно по этой формуле Бернштейн теоретически рассчитал величину потенциала покоя для К+ совпавшую с экспериментально измеренным потенциалом, который составил около —70 мВ.

К сожалению Бернштейн, после публикации в 1912 году своей мембранной гипотезы прекратил дальнейшие исследования, что простительно – на тот момент ему исполнилось 70 лет. Что было тому причиной – возраст, надвигавшаяся Первая мировая война или отсутствие признания его гипотезы со стороны научного сообщества мы никогда не узна́ем.

Неизвестно и как развивались бы события продолжи он свою научную деятельность. История не знает сослагательного наклонения. Прошло время, и его последователи Ходжкин и Хаксли в 1938 году возвратились к исследованию мембранной теории, правда, несколько односторонне. Они сосредоточили своё внимание на двух элементах системы – электрическом потенциале и ионной концентрации, но игнорировали остальные – давление внутри клетки и температуру. Или не игнорировали, но приняли давление и температуру за неизменные условия среды.

Настало время восстановить справедливость, рассмотреть процесс возникновения и распространения с учётом всех составляющих.

Забегая вперёд, давайте на секундочку предположим, что нервный импульс подобен пульсовой волне, что это всплеск повышенного давления, распространяющийся по аксону. Назовём его для удобства изложения – «Нейротон».

Нейротон не является синусоидальной (гармонической) волной, а представляет собой одиночную волну. И для его описания могут быть применены соответствующие математические инструменты.

Например, его скорость в аксоне можно примерно определить с помощью формулы Моенса-Кортевега, используемой для определения скорости Пульсовой волны:

Где: Е – плотность вещества сосуда, p – модуль упругости, h – толщина клеточной мембраны, d – диаметр аксона.

p – модуль упругости – 1,05 * 10^3 кг/м^3 (значение используется для вычисления скорости пульсовой волны).

H – толщина мембраны – 70—80 А (1А=10—10 м).

d – диаметр нервного волокна – 0.1—20 мкм.

Е – плотность вещества сосуда, для чистой воды составляет 2030 Мпа или 20300 кгс/см².

Формула Моенса-Кортевега экспериментально проверена для больших кровеносных сосудов (включая капилляры), а для таких тонких, как аксон, возможно, требуется дополнительное исследование и уточнение.

Формула применима лишь для приблизительного описания процесса распространения нейротона, поскольку объясняет распространение линейной волны, а нейротон это, возможно, нелинейная волна.

По случайному стечению обстоятельств скорость пульсовой волны примерно соответствует скорости нервного импульса в немиелинизированном нервном волокне. Достоверно известно – для людей молодого и среднего возраста скорость распространения пульсовой волны в аорте равна 5,5—8,0 м/с. С возрастом у человека уменьшается эластичность стенок артерий, и скорость пульсовой волны увеличивается. То есть применительно к нервному импульсу можно рассматривать миелиновое покрытие как «армирование» нервного волокна, которое приводит к увеличению плотности вещества сосуда и, следовательно, к увеличению скорости нервного импульса.

При прохождении нейротона по аксону происходит воздействие на мембрану (давление и растяжение), что, в свою очередь, вызывает изменение свойств мембраны, в том числе и проводимость ионов. В результате возникает хорошо всем известный электрический потенциал действия.

Рисунок 53. Расширение стенок нейрона

На приведённом рисунке изображено расширение стенок нейрона только для наглядности. Реально такого расширения может и не происходить, но это не отменяет изменения плотности внутриклеточного вещества в аксоне в момент прохождения нейротона.

И вот здесь, мы возвращаемся к нашим рассуждениям о равновесии системы из трёх составляющих – потенциал, концентрация ионов, давление (принцип Ле Шателье – Брауна). Изменяется внутренне давление – изменяется ионная концентрация, меняется потенциал на мембране. Кроме того, нейротон, проходя по аксону, формирует локальную область изменённого давления, которая, в свою очередь, создаёт условия для диффузии ионов через мембрану. После прохождения волны изменённого давления, система возвращается в исходное состояние. А мы наблюдаем перемещающийся вслед за нейротоном потенциал действия. Так просто.

А как же ионные каналы?

Рисунок 54. Модель воротного механизма ионного канала

При этом не оспариваются известные сведения ни о составе, ни о структуре биологических мембран. Но выдвигается гипотеза о том, что в момент нарастания давления во фронте нервного импульса открываются калиевые каналы, а при снижении давления – натриевые. Ионные каналы работают по принципу «ниппель». Это гораздо проще, чем объяснение работы ионных каналов через электрические потенциалы.

Таким образом, распространяющаяся вдоль аксона волна изменения электрического потенциала является не собственно нервным импульсом, а его следствием, вторичным признаком, благодаря которому до сих пор сделаны все наблюдения за его распространением.

Причём, что примечательно, величина ПД не может быть больше определённого Бернштейном значения и полностью соответствует наблюдениям – он либо есть, либо его нет. Можно предположить, что ионные каналы срабатывают при достижении определённого уровня давления Pmin в зоне прохождения нервного импульса (или пропорционального давлению изменения концентрации ионов внутри клетки).

На рисунке проиллюстрировано, что при изменении давления в некотором диапазоне величина потенциала действия может оставаться постоянной. Правда, при этом, возможно, уменьшается длительность импульса – τ, но све́дений о таких исследованиях у меня пока нет.

Рисунок 55. Зависимость потенциала действия от давления в аксоне.

Хотелось бы сказать, что это моё открытие, но оказалось, что всё придумано до нас, правда, применительно к системе кровообращения. Там тоже под действием изменяющегося внутреннего пульсового давления в капиллярах происходит осмотический процесс диффузии через стенку капилляра (причём в обе стороны!).

Среди гипотез, объясняющих распространение особенного (свойственного только растениям) типа мембранных потенциалов вариабельного потенциала (ВП), есть гидравлическая. Она предполагает, что ВП представляет собой местный электрический ответ, вызванный распространением гидравлической волны, которая возникает вследствие повреждающего фактора.

Данная гипотеза подтверждается обратимыми увеличениями толщины стебля, наблюдаемыми в ответ на повреждения, которые возможно, являются следствием повышения гидростатического давления в растении.

Другим аргументом в пользу гидравлического механизма служит развитие появление электрического потенциала в ответ на сжатие участка стебля (повышение давления), причём величина потенциала зависит от силы приложенного давления.

Примечательно, что скорость распространения ВП не соответствует скорости, рассчитанной с применением кабельного уравнения, что отрицает электротонический механизм его распространения. С другой стороны, не обнаружено соответствия скорости распространения ВП и скорости распространения гидравлического сигнала, индуцированного повреждением листа растения. До сих пор остаётся нерешённой проблема корреляции между относительно медленной скоростью распространения ВП и большой скоростью распространения гидравлической волны, достигающей в пределе скорости звука в водной среде (1.3 км/с). То есть, почему гидродинамическая волна распространяется так медленно?

Эта же проблема в полной мере относится и к предложенной мной гипотезе. Хотя если рассмотреть её с учётом наших знаний о распространении пульсовой волны и о солитоне, то всё, возможно, встанет на свои места.

Скорость неровного импульса. Миелин

Впервые измерил скорость нервного импульса Герман Гельмгольц в 1850 году. Она оказалась удивительно низкой для электрического тока, она была даже меньше чем скорость звука.

Позднее Лудимар Герман, в своей кабельной теории, а потом и Ходжкин с Хаксли дали объяснение медленному распространению потенциала действия в нервном волокне.

Но почему скорость нервного импульса неодинакова, например, в миелинизированных нейронах она значительно больше чем в не миелинизированных?

Считается, для повышения скорости нервного импульса Природа использовала две возможности. У простейших организмов она создала нервные волокна бо́льшего диаметра – вспомним гигантские аксоны кальмара, диаметр которых может быть до 0,5 мм.

Для более ра́звитых животных такие размеры нейронов оказались неприемлемыми – слишком много места в тканях занимали бы они. Эволюция пошла по другому пути: создала «бронированные» нервные волокна, покрытые миелиновой оболочкой. Миелин покрывает нервное волокно сегментами, длиной около 1 мм, а между сегментами имеются оголённые участки нервного волокна около 1 мкм.

Участки волокна, не покрытые миелином, получили название перехватов Ранвье. В области перехватов Ранвье мембрана имеет непосредственный контакт с внеклеточной средой. Миелинизация волокон позволила увеличить скорость распространения нервных импульсов примерно в 25 раз.

Наличие миелиновой оболочки позволяет достигать более высокой скорости передачи возбуждения при меньшем диаметре волокна.

Рисунок 56. Миелинизация нервного волокна

Миелин представляет собой жироподобное вещество, которое по общепринятому на сегодняшний день мнению повышает электроизоляцию нервных волокон (увеличивает удельное электрическое сопротивление клеточной мембраны). Считается, что в миелинизированном волокне ускорение распространения импульса возбуждения происходит за счёт местных токов, которые вынуждены перепрыгивать от одного перехвата Ранвье к другому вследствие чего передача возбуждения происходит быстрее, чем в немиелинизированном волокне. Такое поведение называется сальтаторным.

Рисунок 57. Сальтаторный эффект

Таково современное объяснение, предложенное И. Тасаки ещё в 1930-х годах (!), за 10 лет до появления модели Ходжкина – Хаксли. Но если вдуматься, то оно не очень убедительно, ведь местные токи распространяются с одинаковой скоростью и под миелином, и в перехватах Ранвье. Удивляет и то, что местные токи с лёгкостью перепрыгивают миелинизированные участки, но не могут преодолеть в тысячи раз меньшую синаптическую щель. В общем, существующее ныне объяснение остаётся несколько умозрительным, не доказано экспериментально и, можно сказать, ждёт своего нобелевского лауреата.

Определение скорости нервного импульса через ионную теорию

В 1958 году Ходжкин и Хаксли, исходя из созданной ими же математической модели, попытались выразить скорость распространения нервного импульса. Опирались они на данные о величинах:

– r i и r o представляющих сопротивления на единицу длины внутри и снаружи аксона, соответственно, – удельное сопротивление аксоплазмы ρ i,

– трансмемранные токи, – осевые токи в мембране, – электрический потенциал, – диаметр аксона.

Это «обыкновенное дифференциальное уравнение, которое можно решить численно, если правильно подобрать значения»:

Ходжкин и Хаксли получили численный результат, который незначительно отличался от экспериментальных значений (18,8 м / с).

Меж тем было всё-таки предложено определять скорость распространения нервного импульса по более простой формуле:

где Θ = скорость распространения [м / с]

K = константа [1 / с]

r = радиус аксона [см]

i = удельное сопротивление аксоплазмы [Ом · см]

Утверждается, что эта формула была выведена путём допущений и упрощений из уравнения 1.0. [60]

Из уравнения 1.1 следует, что скорость распространения нервного импульса в немиелинизированных аксонах прямо пропорциональна квадратному корню из радиуса аксона, а также зависит от удельного сопротивления аксоплазмы.

Для определения же скорости нервного импульса в миелинизированном волокне предлагается довольствоваться эмпирическим соотношением (которое, впрочем, подтверждается экспериментально):

(1.2)

где

Θ= скорость распространения [м / с]

d= диаметр аксона [мкм]

Рисунок 58 Экспериментально определённая скорость проведения нервного импульса в миелинизированном аксоне млекопитающих как функция диаметра [50]

Итак, скорость нервного импульса зависит от удельного сопротивления среды внутри и снаружи мембраны. Чем меньше сопротивление, тем меньше постоянная времени и тем выше скорость проводимости. А как же такие свойства как скорость деполяризации, на которую, кстати, сильно влияет температура? Снижение температуры снижает скорость проводимости.

За исправление вышеупомянутых недочётов в 1978 году взялись Мулеро и Маркин [62]. Для определения скорости распространения нервного импульса в немиелинизированном аксоне они предложили формулу:

(1.3)

где

v= скорость нервного импульса [м / с]

i Na max= максимальный натриевой ток на единицу длины [А / м]

V th= пороговое напряжение [В]

r i= осевое сопротивление на единицу длины [Ом / м]

с м= ёмкость мембраны на единицу длины [Ф / м]

Увеличение скорости нервного импульса в миелинизированном волокне объясняется предположением, что ёмкость мембраны на единицу длины миелинизированного аксона намного меньше, чем у немиелинизированного аксона. Чем меньше ёмкость, тем выше скорость.

С другой стороны, ёмкость мембраны на единицу длины прямо пропорциональна диаметру.

Тогда, чем меньше диаметр волокна, тем меньше ёмкость мембраны, тем больше должна быть скорость нервного импульса. Однако на практике, для миелинизированных волокон наблюдается обратная зависимость – более тонкие аксоны передают информацию медленнее.

Альтернативная версия

В 1902 г. Бернштейн выдвинул модель-гипотезу о применимости термодинамически равновесного описания потенциалов на мембране нервных волокон. Он исходил из принципа естественного равновесия между электрическим потенциалом на мембране и осмотическим давлением внутри клетки. Подкреплялась его гипотеза уравнением Нернста, позволявшем предсказать максимальный рабочий потенциал, который может быть получен в результате электрохимического взаимодействия, при известных давлении и температуре.

Эта гипотеза господствовала до 1939 года. На смену ей пришла модель Ходжкина – Хаксли, основанная на понятии об ионных каналах.

Между тем, согласно принципу Ле Шателье – Брауна: если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия (температура, давление, концентрация, внешнее электромагнитное поле), то в системе усиливаются процессы, направленные на компенсацию внешнего воздействия. Принцип применим к равновесию любой природы: механическому, тепловому, химическому, электрическому.

Предлагаю восстановить справедливость и рассмотреть процесс возникновения и распространения нервного импульса с учётом всех трёх составляющих (электрический потенциал, концентрация ионов и давление).

В соответствии с теорией газовой динамики граница волны повышенного давления в трубе распространяется со скоростью звука в соответствующей среде. Помните про пульсовую волну? Она тоже должна распространяться со скоростью звука в жидкости. Как объяснить сравнительно медленное фактическое распространение пульсовой волны (5—10 м/с)? Считается, что её скорость снижается благодаря упругости и эластичности кровеносных сосудов. Это хорошее объяснение, оно подводит нас к теории нелинейных волн – солитонов. Но сегодня медицина довольствуется, линейными уравнениями.

Теория скорости передачи импульса по кругу кровообращения восходит к работам Томаса Янга в 1808 году. Связь между скоростью пульсовой волны (С) и жёсткостью артериальной стенки может быть получена из второго закона движения Ньютона () применённого к небольшому жидкостному элементу, где сила, действующая на элемент, равна произведению плотности (масса на единицу объёма -) на ускорение. На практике, подход к вычислению скорости пульсовой волны аналогичен вычислению скорости звука, C_0, в сжимаемой жидкости:

,(1.4)

где: B – объёмный модуль,

а – это плотность жидкости.

Уравнение Фрэнка / Брэмуелла – Хилла

Для несжимаемой жидкости (крови) в сжимаемой (эластичной) трубке (например, артерии) Отто Фран, Джон Крайтон Брэмуэлл и Арчибальд Хилл предложили следующее уравнение1:

,(1.5)

или

(1.6)

где: r – радиус трубки, а D – растяжимость.

1 https://en.wikipedia.org/wiki/Pulse_wave_velocity

Формула Моенса – Кортевега

Но сегодня медицина чаще пользуется линейным уравнением, которое характеризует скорость пульсовой волны с точки зрения модуля упругости стенки сосуда, толщины стенки, и его радиуса. Оно было независимо получено Адрианом Изебри Моенсом и Дидериком Кортевегом и эквивалентно уравнению Фрэнка / Брэмуелла – Хилла.

Скорость пульсовой волны в артерии определяется с помощью формулы Моенса-Кортевега:

,(1.7)

где Е – модуль упругости (модуль Юнга); ρ – плотность вещества сосуда; h – толщина стенки сосуда; d – диаметр сосуда.

Формула Моенса-Кортевега экспериментально проверена для больших сосудов (аорты, артерий и артериол).

Однако, внимательный читатель заметит, что если верить этой формуле, то скорость волны тем выше чем тоньше сосуд. На практике же все совсем наоборот.

Доказано, что при распространении нервного импульса в аксоне имеют место поверхностные механические волны, распространяющиеся совместно с электрическим потенциалом действия. Потенциал действия в гигантских аксонах кальмара сопровождается быстрым и небольшим «набуханием» и смещением поверхности около 0,5 нм, при увеличении давления на примерно 1 дин/см^2. (По другим данным амплитуда изменения давления составляет около 1 мПа.)

Рисунок 55 Расширение стенок нейрона

С учётом формул Ходжкина-Хаксли (1.1), Моенса-Кортевега (1.7), и формулы Рассела (2.1), можно предложить для определения скорости нервного импульса следующую зависимость:

;(2.1)

Где:

Е – модуль Юнга (плотность вещества),

µ – коэффициент Пуассона,

P – модуль упругости,

h – величина «набухания» клеточной мембраны,

r – радиус аксона.

Е – плотность вещества мембраны нервной клетки, = 18,5*10^6 Па, [63]

µ – коэффициент Пуассона (0,45, за неимением лучшего взято среднее между каучуком и полиэтиленом),

– модуль упругости – 800 кг/м3 (значение для мембраны, 1050 – для миелинового покрытия),

а – величина набухания клеточной мембраны, (0,5 нм, можно полагать, что a <<d)

d – диаметр нервного волокна – (100—1000 мкм для немиелинизированного и 1—20 мкм для миелинизированного волокна).

Под действием растягивающей (или сжимающей) силы изменяются не только продольные, но и поперечные размеры мембраны. Если сила растягивающая, то поперечные размеры – уменьшаются. Для учёта этого фактора вводится коэффициент Пуассона. Он зависит только от материала рассматриваемого тела. Модуль Юнга и коэффициент Пуассона полностью характеризуют упругие свойства изотропного материала.

В отличие от формулы Моенса-Кортевега здесь не учитывается толщина мембраны, она примерно одинакова для всех клеток. И второе – исправлена зависимость от диаметра волокна на обратную.

Формула 2.1 прекрасно подходит ля описания немиелинизированного нервного волокна.

Доказано. Проводимость нервов новорождённого ребёнка ниже, чем у взрослого в два раза и скорость проведения возбуждения составляет около 50% от таковой у взрослых. Проведение возбуждения по нервным волокнам «плохо изолировано».

В процессе взросления организма нервные волокна миелинизируются. Это приводит к тому, что скорость распространения потенциала действия растёт. У детей она возрастает до показателей взрослого человека к 5—9 годам для разных типов нервных тканей.

Миелинизацию можно рассматривать как «армирование» нервного волокна, которое приводит к увеличению модуля упругости мембраны – Е и, следовательно, к увеличению скорости нервного импульса.

Попробуем учесть этот фактор путём введения специального коэффициента. В простейшем случае можно использовать в качестве такового отношение длины участка, покрытого миелином – L, и длины перехвата Ранвье – l.

,(2.3)

L – по данным разных источников расстояние между перехватами Ранвье 0,2 – 2,5 мм.

– длина перехвата Ранвье 1—2 мкм.

В большинстве случаев, для миелинизированного волокна этот коэффициент близок к 1.

Но главное – требуется подстановка другого значения модуля Юнга (большего на значение этого показателя для миелина, покрывающего клетку) – Em.

В результате конечная формула для определения скорости нервного импульса будет выглядеть так:

Расчёты показали удовлетворительное соответствие с экспериментальными данными для: 1) немиелинизированных нейронов и 2) миелинизированных нейронов с малыми диаметрами. А вот для миелинизированных волокон большого диаметра выявились значительные отклонения от экспериментальных (в сторону уменьшения скорости).

И это не удивительно, полученная формула применима для линейных процессов. В случае же рассмотрения процесса как солитона или ударной волны следовало бы учесть нелинейную зависимость её скорости от длительности и амплитуды (вспомним пример цунами).

Примечание. Почему не учитывается соотношение миелинизированных и немиелинизированных участков аксона сторонниками сальтаторного проведения? Вероятно, потому, что пришлось бы объяснить: почему скорость возрастает примерно на один порядок, а не на четыре. Ведь отношение длин шванновской клетки и перехвата Ранвье составляет примерно 20 000.

PS. Ложка дёгтя. Через модуль Юнга вычисляют скорость звука в веществах по формуле:

Получается я всего лишь определил скорость звука в мембране с поправками, коэффициентами и эмпирически увязанный с диаметром аксона?

Да, но формула (2.5) используется и для определения скорости ударной волны при условии, что модуль упругости стенки трубы стремится к бесконечности. А в нашем случае обязательно нужно учесть упругое расширение стенки мембраны!

Такая формула существует и успешно применяется в гидродинамике для исследования ударных волн:

Ес – модуль упругости сомы,

d – диаметр аксона,

Еm – модуль упругости мембраны,

h – толщина мембраны.

Что ж, значит уравнение скорости нервного импульса продолжает оставаться тайной. И возможно ещё ждёт своего нобелевского лауреата.

Зачем нужна формула скорости нервного импульса? Разве недостаточно экспериментальных измерений? На мой взгляд важна не сама формула, а объяснение физического смысла процесса и его математического описания. А в формуле его, увы, нет. И если принять за основу правильность всего математического аппарата созданного наукой, то приходится сомневаться в правильности современной трактовки физических процессов при распространении нервного импульса.

Сужающиеся сосуды

Какой бы ни оказалась формула определения скорости нервного импульса, накопленных наблюдений хватает для утверждения – чем тоньше сосуд, тем меньше скорость. Тогда, следуя закону сохранения энергии придётся допустить в сужающихся нервных волокнах, изменение либо длительности импульса, либо его амплитуды. Но потенциал действия не изменяется, он либо есть, либо его нет. Остаётся длительность. Или всё-таки давление? И тогда можно даже допустить возможность гидроудара в терминали аксона. Какой простой способ для объяснения выброса нейромедиатора!

Возрастание амплитуды нейротона при приближении к терминали может значительно влиять на передачу его к следующей клетке. Возможно настолько, что иногда не потребуется никаких ни химических, ни электрических синапсов для его дальнейшего распространения.

Если же волокно расширяется в направлении распространения нейротона, то его амплитуда и скорость должны уменьшаться, вплоть до прекращения эффекта потенциала действия. И это подтверждается практическими исследованиями. Оказалось, что при расширении волокна гигантского аксона кальмара в 6 раз потенциал действия не может пройти через это расширение (но, возможно, нейротон проходит, просто мы не наблюдаем эффекта ПД). Наверное, поэтому мы всегда говорим о распространении ПД в аксоне и никогда об этом явлении на мембране в районе сомы клетки.

Официальное объяснение изменения скорости нервного импульса при распространении по волокнам, меняющим размер своего сечения, базируется на таких чисто электрических свойствах мембраны как входное сопротивление и ёмкость. То есть объяснение не через физические процессы, а через математическую модель.

Кто бы исследовал зависимость параметров нервного импульса от диаметра волокна в сужающихся волокнах.

Солитонная модель

Джордж Рассел не только был первооткрывателем солитонов, он установил и некоторые их свойства. Во-первых, заметил, что такая волна движется с постоянной скоростью и без изменения формы [64]. Во-вторых, нашёл зависимость скорости V этой волны от глубины канала h и высоты волны a, где g – ускорение свободного падения (исследования проводились в водных каналах).

,(2.1)

Солитонные модели завораживают своей оригинальностью и новизной, им приписывают едва ли не мистические свойства, и они очень похожи на нервные импульсы.

Так и хочется привязать солитонные модели к нервным импульсам. Красиво, современно и наконец модно. И такие попытки делались и даже не один раз. Например, рассматривались варианты описания распространения самого (электрического) потенциала действия как солитона. Или изменение агрегатного состояния липидного слоя (клеточной мембраны) с упругого на желеобразное в результате действия акустических солитонов.

Как было бы здорово применить уравнение Кортевега – де Фриза для бегущей волны. Именно она могла бы дать объяснение и постоянства скорости волны и её сравнительно малой величины.

Или волновое уравнение – линейное гиперболическое дифференциальное уравнение в частных производных, описывающее малые поперечные колебания тонкой мембраны или струны, а также другие колебательные процессы в сплошных средах.

Или просто применить накопленные знания об ударных волнах, которые к слову так сложны, что понимают их только специалисты по гидродинамике.

Интересен вариант, предложенный Хаймбургом и Эндрю Джексоном.

Солитон, является решением уравнения в частных производных:

где t – время, x – положение вдоль нервного аксона, Δ ρ – изменение плотности мембраны под влиянием потенциала действия, c 0 – скорость звука нервной мембраны, p и q описывают природу фазового перехода и тем самым нелинейность упругих постоянных нервной мембраны.

Параметры c_0, p и q определяются термодинамическими свойствами нервной мембраны и не могут регулироваться. Они должны быть определены экспериментально. Параметр h – описывает частотную зависимость скорости звука в мембране (дисперсионное соотношение).

Вышеупомянутое уравнение не содержит никаких параметров подбора (в отличие от модели Ходжкина – Хаксли).

Анализируя предложенное уравнение, можно заметить, что Хаймбург и Джексон, рассматривали в качестве солитона волну распространения изменений плотности мембраны (Δ ρ).

Первичное возбуждение. Рецептор – нейрон?

Следующий фундаментальный вопрос – как возбуждается нейротон? Для существующей теории Ходжкина – Хаксли было найдено электрохимическое объяснение. Казалось бы, тут всё просто, есть рецепторы – такие образования, способные воспринять энергию раздражения и трансформировать её в электрический (химический) нервный сигнал. Рецептор выбрасывает в синаптическую щель нейромедиатор, что вызывает скачок потенциала на мембране нейрона.

Но так ли всё на самом деле?

Рецепторы кожи, например, обеспечивают три типа чувствительности. Это – тактильная, температурная и болевая чувствительности. Остановим своё внимание на самом распространённом – первом типе.

Тактильные ощущения (осязание) сигнализируют об особенностях нашего непосредственного окружения и обеспечиваются наличием в коже различных типов механорецепторов1.

Механорецепторы делятся на два основных типа. Первые обладают специализированными волосковореснитчатыми структурами, участвующими в актах первичной рецепции. Рецепторы второго типа менее чувствительны к механическим воздействиям и не имеют никаких специальных структур; восприятие стимула в этом случае осуществляет непосредственно механочувствительная мембрана (!) нервного окончания. [65]

Самыми изученными механорецепторами первого типа являются клетки Меркеля.

Клетка Меркеля (или клетка Меркеля-Ранвье) – механорецептор в коже позвоночных, необходимый для улавливания прикосновений. Впервые была описана в 1875 году немецким гистологом Фридрихом Зигмундом Меркелем. Клетка имеет округлую форму, её диаметр составляет около 10 мкм. Особенно много таких клеток содержится в высокочувствительных участках кожи, как, например, в эпидермисе ладоней человека (там их число колеблется от 200 до 400 штук на мм^2, тогда как на обычной поверхности кожи всего 20 на мм^2).

Чаще всего клетки Меркеля связаны с окончаниями сенсо́рных нервов и тогда называются тельцами Меркеля.

А может ли эта клетка генерировать не химические вещества, вызывающие потенциал действия в дендрите, а гидродинамическую волну?

1 Механорецепторы – сенсо́рные структуры животных и человека, воспринимающие различные механические раздражения из внешней среды или от внутренних органов.

Рисунок 60. Клетка Меркеля

Цитирую учебник, «…При растяжении они выбрасывают серотонин в синаптическую щель, тем самым возбуждая электрический потенциал действия в соматосенсо́рных нервах». С таким же успехом предположу, что «При растяжении в них возникает перепад давления, который передаётся в нервную клетку, тем самым возбуждая нейротон».

При чём здесь фотография надутой перчатки? Это не шутка? Нет – это лабораторная модель клетки Меркеля. Представим себе, что эта перчатка не из латекса, а материала менее эластичного и заполнена она не воздухом, а жидкостью. Тогда механическое воздействие на любой палец перчатки вызовет вполне заметное изменение давления внутри неё.

И напоследок о рецепторах замечу, что наиболее распространённый вид кожных рецепторов – это «свободные нервные окончания».

Рисунок 61. Нейрон со свободным окончанием (слева)

Просто надутая перчатка.

И напоследок орецепторах замечу, что наиболее распространённый вид кожных рецепторов – это«свободные нервные окончания».

Свободные нервные окончания часто сильно ветвятся, в результате чего одно нервное волокно может иннервировать большую площадь. Области иннервации отдельных нервных волокон обычно значительно перекрывают друг друга.

Но как же возникают нервные импульсы в свободных нервных окончаниях? Ответ напрашивается такой – мембраны нейронов сами воспринимают механические раздражения, а изменение электрического потенциала возникает вследствие этого раздражения.

Любой скептик скажет, что выводы мои надуманны и ничем не обоснованы. Что ж, давайте обратимся к примеру, из доверенного источника – J.Malmivuo, R.Plonsey. Bioelectromagnetism. Oxford University Press. New York, Oxford. 1995.

Эксперименты Левенштейна с тельцем Пачини

Тельце Пачини – механорецептор, который под микроскопом напоминает луковицу. Он имеет длину 0,5—1 мм и толщину 0,3—0,7 мм и состоит из нескольких концентрических слоёв. Центр тéльца включает ядро, в котором расположена немиелинизированная терминальная часть афферентного нейрона. Первый перехват Ранвье также находится внутри ядра. В тельце присутствует несколько митохондрий, что свидетельствует о высокой выработке энергии.

Тельца Пачини – быстро адаптирующиеся рецепторы преимущественно вибрационной чувствительности. Эти образования особенно восприимчивы к вибрации костной ткани: большое их количество расположено в надкостнице длинных трубчатых костей. Тельца Пачини генерируют один или два нервных импульса при сдавливании и столько же – при прекращении воздействия. Рецептор возбуждается при кратковременном механическом смещении на 0, 5 мкм в течении 0,1 мкс.

Рисунок 62. Тельце Пачини

Вернер Р. Левенштейн [66] стимулировал тельце пьезоэлектрическим кристаллом и измерял генерируемый потенциал (у немиелинизированного терминального аксона) и потенциал действия (у узлов Ранвье) с помощью внешнего электрода. Он постепенно отделял слои тельца, и даже после того, как последний слой был удалён, нервное окончание генерировало сигналы, подобные тем, которые наблюдались при неповреждённой капсуле.

Рисунок 63. Эксперименты Левенштейна с тельцем Пачини.

(A) Нормальный отклик генерируемого потенциала на увеличение приложенной силы (a) – (e).

(B) Слои тельца были удалены, оставив нервное окончание нетронутым. Реакция на приложение механической силы не отличается от A.

(C) Частичное разрушение миелинизации не меняет реакцию по сравнению с A или B.

(D) Блокировка первого узла Ранвье исключает начало процесса активации, но не мешают генерации потенциала действия.

(E) Дегенерация нервного окончания прекращает генерацию потенциала.

Графики (a) – (e) показали соотношение силы раздражения и величины генерируемого потенциала.

Напряжение генератора обладает свойствами, аналогичными свойствам возбуждающего постсинаптического напряжения. (слабый стимул генерирует низкое напряжение генератора, тогда как сильный стимул генерирует большое напряжение генератора.)

Когда Левенштейн разрушил нервное окончание, генерация потенциала прекратилась. Это наблюдение послужило основанием для предположения, что сам датчик находился в нервном окончании.

Но можно сделать и другой вывод – в ответ на внешнее механическое воздействие в луковице тельца Пачини генерируется механическое раздражение «понятное» терминальной части нейрона.

Опять никакой химии – нейрон реагирует непосредственно на механическое воздействие.

А как же с температурными рецепторами? Ответ можно подсмотреть в описании гидравлической гипотезы распространения вариабельного потенциала растений: «Если в качестве повреждающего раздражителя используют локальный ожог, то предполагается, что локальное увеличение давления может также развиваться вследствие действия высокой температуры, увеличивающей объём газа и давление во внеклеточном пространстве. Это выражается в увеличении толщины листа и, что более важно, кратковременно увеличивает объём и давление в узких сосудах ксилемы сосудистых пучков. Таким образом, ожог выступает в качестве сильного индуктора гидравлического сигнала, который проявляется в повышении ксилемного давления, тургорного, и толщины листа и/или стебля». [67]

Эволюция нервных клеток

Традиционно, на мой субъективный взгляд, учёные пытаются исследовать мозг по двум фронтам. Одни изучают возможно самый совершенный и самый сложный механизм вцелом, таких любят СМИ. Их инструменты – ЭЭГ, МРТ, рентген и КТ. Другие – лабораторные труженики выискивают для исследований максимально примитивные нервные системы – моллюсков, червей и других малопрезентабельных, для непосвящённого обывателя, существ. Так прославились аплизия, нематода, водоросли нителлы, кальмары.

Приведу цитату из монографии Профессора Петербургского университета Николая Петровича Вагнера «Беспозвоночные Белого Моря», напечатанной в 1885 году. Профессор создал при Соловецком монастыре первую в России морскую биологическую станцию, где и выполнил великолепное для своего времени нейробиологическое исследование клиона (Clione limacina) – крылоногого моллюска, называемого также морским ангелочком. «При первом взгляде на узлы нервной системы клиона каждый наблюдатель наверное будет поражён громадной величиной их клеток… При взгляде на эту громадную величину… мне пришло на мысль исполнить давнишнее желание и разобрать хоть у одного беспозвоночного типа вполне весь комплекс нервной системы. Такой разбор, по всей вероятности, привёл бы к объяснению, хотя гадательному, многих функций нервной системы у большей части, если не у всех, беспозвоночных животных. Правда, мне хотелось сделать эту работу без особого труда, и прозрачность, или, так сказать, откровенность нервной системы клиона давала мне в этом случае надежду на успех [12].

На сегодня, самая изученная нервная система нематоды Caenorhabditis elegans насчитывает 302 нейрона. Найти бы животное с одной-двумя нервными клетками! Ведь ни нервные системы, ни нервные клетки не появились сразу в виде сложных систем. Они, как и все прочие клетки есть продукт дифференциации одной клетки в процессе эволюции.

Их общим предком была одна единственная протоклетка одноклеточного животного. Была она одна-одинёшенька, жила, размножалась делением и ничто не менялось в течении бессчётных поколений её предков. Пока однажды образовавшиеся в результате деления клетки не расстались, как это было всегда, а склеились бочками1. И, оказалось, что это дало двум слипшимся клеткам некоторое эволюционное преимущество. Это не было преимущество многоклеточного животного над одноклеточным, а нечто более простое.

Возможно, так легче найти питание? У одноклеточных животных есть мембранные рецепторы, которые, как правило сосредотачиваются на полюсах клетки, однако это не позволяет им улавливать разницу концентраций между полюсами, поскольку они слишком малы.

Если же клеток множество, то вероятность решения этой задачи упрощается. Но, чтобы её решить, предстояло выработать механизм межклеточного информационного взаимодействия. Механизм этот уже присутствовал, клеткам предстояло научиться им пользоваться.

От простого взаимодействия клеток внутри организма, до переноса информации на значительные расстояния.

Предположим первая клетка, назовём её клетка-А, попала в среду с изменённой ионной концентрацией. Это вызовет изменение нескольких параметров клетки – электрического потенциала на её поверхности, внутриклеточного давления и как следствие изменение объёма. Вторая клетка, назовём её клетка-Б, должна уловить эти изменения. Допустим, она почувствует изменение электрического потенциала на мембране клетки-А.

Таким образом клетка-А оказалась рецептором клетки-Б.

Рассмотрим другую ситуацию – механическое воздействие на клетку-А. Клетка отреагирует изменением своего объёма (сжатие) и изменением внутреннего давления, что в свою очередь изменит ионную концентрацию внутри клетки, а это приведёт к изменению мембранного потенциала. Клетка-Б, уловив изменение мембранного потенциала соседки в обратной последовательности через изменения мембранного потенциала, давления и объёма получит информацию о механическом воздействии на клетку-А. Но есть и более короткая схема: клетка-Б просто почувствует ударную волну от клетки-А.

Если же клетка-А окажется повреждена, это вызовет изменение ионной концентрации возле клетки-Б, а она передаст информацию об этом другим своим соседям клеткам-В, Г и так далее. А если удалённые клетки сами научатся реагировать на такую ситуацию? Если колония клеток отгородится от внешнего мира общей оболочкой, и протоплазма разрушенной клетки распространится внутри колонии? Возможно это прототип гормональной регуляции у животных и вариабельного потенциала у растений.

По мере роста колонии и функциональной дифференциации клеток, возникла задача передачи информации об угрозе, например, не всем подряд клеткам, а конкретным, ответственным за бегство. Для спасения организма, это должно быть сделано быстро и на относительно большое расстояние. Клетки-передатчики, пошли по простому пути, они начали вытягиваться. При этом мембранные рецепторы концентрировались на концах клетки. Постепенно они эволюционировали в известные сегодня электрические сигнальные нейроны.

Будучи примитивными эти прообразы нервных клеток не обладали синапсами, им было свойственно проведение возбуждения в обе стороны. То, что в современных примитивных нервных системах мы называем электрическими синапсами.

Сегодня подобные системы встречаются у примитивных беспозвоночных, они используют электрическую сигнализацию для моторики и других аспектов, необходимых для выживания.

Их нейроны являются изополярными, что означает отсутствие специализации у их отростков, а, следовательно, отростки проводят возбуждение в любую сторону и не образуя при этом длинных проводящих путей.

Отсутствие специализированных отростков приводит к отсутствию специализированной рецепции. Например, у гидры есть отдельные рецепторные клетки, но они не способны различать специфику разных раздражителей. Следствием этого является отсутствие чётко дифференцированной ответной реакции. Кишечнополостные способны формировать реакции побега при воздействии неблагоприятных факторов среды, не дифференцируя сами факторы, а воспринимая лишь их угрожающий эффект.

Не стоит учиться арифметике по учебнику квантовой физики или теории струн. Чтобы понять, как работает мозг, надо узнать, как работает один нейрон. Чтобы разобраться в работе одного нейрона (в составе мозга), следует выяснить как работали его примитивнейшие прообразы. Если начать с азбуки межклеточного взаимодействия, мы возможно раскроем не только тайны мозга. Но и откроем для себя механизмы межклеточного информационного взаимодействия и в других органах, и даже в растениях.

Зачем нам менять представление о природе нервного импульса? Зачем переходить с испытанной временем модели электрических потенциалов действия к каким-то солитонным моделям? Какая разница, если и так ясно откуда и куда бегут нервные сигналы, не изменяется представление о мембранах и ионных каналах? К тому же исследовать электрические сигналы современными инструментами гораздо проще, чем механическими.

Но, возможно, только с точки зрения механики человечеству удастся наконец понять такие вещи:

арифметику взаимодействия нервных импульсов,

информационную составляющую нервных импульсов,

и то, как происходит запоминание.

1 Мы можем поспорить на тему происхождения первого многоклеточного животного, но объективных данных так мало, что спор сведётся к тому, чья фантазия лучше.

Память. Как хранится информация

Как работает память человечеству пока неизвестно. Традиционное представление о хранении информации в мозге нашло воплощение в технологии искусственных нейросетей. Основная идея его такова: запоминание основано на изменении силы существующих и создании новых синаптических связей между нейронами. Так ли это на самом деле? Верю, что время покажет, а пока давайте рассмотрим и другую гипотезу.

Как хранится информация в ЭВМ? Хранение бита (единицы информации) в машине требует устройства, которое может находиться в одном из двух состояний, например, такого как выключатель (включён или выключен), реле (открыто или закрыто) или флаг на флагштоке (поднят или опущен). Одно из состояний используется для обозначения 0, второе для обозначения 1.

В докомпьютерные времена был изобретён электрический триггер – это схема, которая на выходе имеет значение 0 или 1, и это значение остаётся неизменным до тех пор, пока управляющий сигнал, не заставит его переключиться на другое значение. Таким образом, триггер может находиться в одном из двух состояний, первое соответствует запоминанию двоичного нуля, другое – запоминанию двоичной единицы.

Чтение информации – это, по сути, проверка ответа триггера, в каком он сейчас состоянии 1 или 0.

Некоторые современные нейрокомпьютерщики, и я в том числе, считают, что нечто подобное происходит и в нейроне. Хотя большинство традиционно предполагают, что информация хранится в синапсах, или даже что носителем информации является сама связь между двумя нейронами. Это очень интересные модели, поддерживаемые скорее медиками нежели инженерами. Поэтому я в дальнейших рассуждениях буду исходить из гипотезы о том, что именно нейрон является элементарной единицей хранения информации.

Оригинальную и очень интересную мысль высказал в 1960-х годах известный советский вирусолог В. Л. Рыжков. Сущность её заключается в том, что информация в мозге фиксируется не за счёт процессов, имеющих чисто химическую природу, а за счёт процессов, изменяющих конфигурацию нервных клеток. В качестве таковых он предположил изменения некоторых участков хромосом ядра клетки.

Как известно, 60-е годы были временем необычайного прогресса в понимании универсальной информационной системы живых существ – языка наследственности.

Оказалось, что посредством всего четырёх химических «букв» можно записать не только строение каждой клетки живого организма, но и сложные, поражающие своим разнообразием формы его поведения. Но если врождённое знание записано в виде последовательности нуклеотидов, то почему знание приобретённое должно кодироваться как-то иначе?

Однако время показало, что изменений в ДНК нейрона при запоминании не происходит. И про гипотезу просто забыли. А может быть зря.

Ведь главная мысль не оспорена – для того чтобы нейрон сохранил информацию он должен измениться. Изменение это и есть запись.

Молекула памяти

Исследования биохимического переноса памяти1 прекратились ещё в 1980-х. Доказательств так и не получили. Это было не первое разочарование, вспомним Карла Лешли отдавшего тридцать лет своей плодотворной жизни попыткам раскрыть природу «следа памяти» в мозге. Он безуспешно охотился за «энграмой» – записью этого следа, оставив, впрочем, свой личный след в истории нейронауки.

Несомненно, в памяти имеются материальные следы того, что звучало раньше или некогда совершалось в нашей жизни. Поиски этих «следов» не дают покоя и современным исследователям.

Меж тем, вплоть до 2006 года в умах исследователей преобладал некий пессимизм. Выяснилось, что наша память зависит от белков. Это было показано практически на всех животных путём блокады синтеза белка – при этом кратковременная память образуется, а долговременная нет. То есть новые белки должны синтезироваться, для того чтобы у нас сформировалась и сохранялась хоть какая-то память. Но дело в том, что время жизни белков – дни, максимум недели, и только редкие белки могут жить чуть дольше. 98% всех белков за 3—4 дня разлагаются и замещаются новыми. Их синтез идёт постоянно. То есть если где-то память и закодирована какими-то молекулами, то все они распадаются через несколько дней. А как мы знаем, наши воспоминания хранятся годами и десятилетиями.

Но в 2006 году сразу появилось несколько публикаций о молекуле, которую можно было бы назвать молекулой памяти. Это белковая молекула, которая контролирует силу синаптической передачи. Обнаружилось, что белок под названием протеинкиназа M-дзета (Protein kinase M zeta, PKMζ) способен к самовоспроизведению! Так, если эти молекулы появились в каком-то конкретном месте синапса, то это их количество именно в этом месте и сохраняется. Эти молекулы обладают способностью самовоспроизводить это увеличенное количество. В каком-то смысле этот процесс может быть основой запоминания.

А постоянное воспроизведение PKMζ обеспечивается следующим изящным механизмом: PKMζ «ловит» с помощью некоторых молекулярных каскадов свою собственную матричную РНК и таким образом синтезирует новую молекулу PKMζ, которая повторяет процесс. Таким образом появляются всё новые и новые клоны молекулы PKMζ. В результате она может бесконечно долго сохраняться в синаптической области.

Проблема на сегодняшний день в том, что у любого позвоночного животного десятки миллиардов нейронов, а каждый нейрон образует ещё дополнительно до десяти тысяч связей с соседями. При обучении в памяти, возможно, меняется только несколько тысяч связей из этих триллионов. Отследить или целенаправленно изменить конкретную синаптическую связь на сегодняшний день невозможно.

В ходе дальнейших исследований молекулярных механизмов памяти оказалось, что в процессе памяти участвует не одна молекула, а целое семейство сходных молекул. И они участвуют в разных формах памяти и с вовлечением разных медиаторов. Но суть остаётся та же: есть белковые молекулы, увеличение количества которых в совершенно определённой части нервной клетки вызывает надолго изменение эффективности работы синапса. [68]

Есть и другие возможные кандидаты в «молекулы памяти» – прионоподобные белки. Как и прионы, они имеют две конформации – нормальную и патологическую, причём стоит только одной молекуле прионоподобного белка перейти в патологическую конформацию, как все соседние молекулы такого белка сразу же тоже эту конформацию приобретают. Но в отличие от прионов, у прионоподобных белков патологическая конформация не приносит вреда клетке – просто, раз в неё перейдя, прионоподобные белки так навсегда в ней и остаются. Такой конформационный переход выглядит очень соблазнительно для нейрофизиолога, занимающегося молекулярными механизмами памяти: ведь переход прионоподобного белка в новую конформацию может как раз и обеспечивать запоминание, то есть навсегда метить запомнившие что-либо синапсы. Определённые подтверждения того, что прионоподобные белки действительно имеют отношение к памяти, уже получены (Amitabha Majumdar et al., 2012. Critical Role of Amyloid-like Oligomers of Drosophila Orb2 in the Persistence of Memory). При этом интересно, что некоторые молекулярные каскады таких прионоподобных белков, судя по всему, связаны с деятельностью PKMζ – то есть PKMζ, и прионоподобные белки могут оказаться звеньями одной цепи, обеспечивающей память.

Однако не всё так однозначно. Некоторые данные откровенно противоречат такой жёстко определённой роли PKMζ в процессах запоминания.

Весьма авторитетные противники гипотезы утверждают, что блокаторы белка PKMζ помимо него блокировали что-то ещё, и именно это «что-то» и было связано с памятью. То есть вопрос о причастности PKMζ к формированию памяти пока остаётся открытым.

Пока же вопрос технологии запоминания остаётся на уровне гипотез и дискуссий, ничто не мешает и нам пофантазировать или, если хотите, повыдвигать гипотезы.

1 См. главу Биохимический перенос памяти

Просто гипотеза

Пусть у нас есть нервная волна, бегущая по аксону – нейротон. Возможно, этот нейротон есть солитон, а может – ударная волна, в любом случае, его поведение подчиняется законам гидродинамики. Тогда возникает вопрос – что происходит с такой волной, распространяющейся в упругой трубе (аксоне), соединённой с неким объёмом – резонатором (телом клетки).

Возможна ли какая-то согласованность трубы, волны и резонатора? Если ответ – ДА, то, возможно, изменение свойств «резонатора» и есть способ хранения информации нервной клеткой. Фантастика? А может не такая уж и фантастика.

Замечу, что сома (тело) нервной клетки совсем необязательно должна изменять свой размер или форму. Пример. Есть такой древний музыкальный инструмент – сосудообразная флейта – флейта, корпус которой имеет сосудообразную форму, в отличие от большинства других духовых инструментов, выполненных в виде трубки. Сосудообразные флейты распространены у многих народов мира.

В нашем исследовании я бы выделил одну, наиболее современную и совершенную флейту – окарину. Окари́на (итал. ocarina – гусёнок) – изобретена в 1853 году итальянским мастером Джузеппе Донати. Корпус в виде головы гуся с 10 пальцевыми отверстиями 8 сверху и 2 снизу. Диапазон октава + кварта, звукоряд хроматический. Окарина появилась в результате преобразования простой сосудообразной флейты, распространившейся в Европе к середине XIX века и использовавшейся в качестве детской игрушки.

Рисунок 64 Флейта окарина

Примечательно в этих музыкальных инструментах – то, что они способны менять свои акустические свойства, не изменяя объёма, а только открывая и закрывая отверстия в корпусе. Я не утверждаю, что именно по такому принципу могут храниться биты информации в нейроне. Но, что-то в этом есть. Тем более что других предположений на сегодняшний день не много.

И совсем уж смелое предположение. Если допустить, что нейрон принципиально подобен окарине, и количество бит информации зависит от количества дендритов. Да это же просто невообразимый объём информации, несоизмеримо превосходящий все современные предположения.

История будущего. Заключение

Эта история, как и любая другая, начинается в прошлом.

Сантьяго Рамон-и-Кахаль в конце XIX века проявил чудеса проницательности. Он не знал, да и не мог знать, как работают нейроны и какова природа нервного импульса. Просто изучая сотни препаратов нервной ткани, разглядывая нейроны под микроскопом, он сформулировал четыре принципа, составляющих нейронную доктрину – теорию организации нервной системы, которая с тех пор составляет основу всех наших современных представлений о ней.

В числе прочего Кахаль предположил, что отдельный нейрон посредством многих пресинаптических окончаний обычно связан с дендритами многих клеток-мишеней. Тем самым единственный нейрон может широко распространять получаемую им информацию по различным нейронам-мишеням, иногда находящимся в разных участках мозга. Напротив, дендриты нейрона-мишени могут получать информацию от пресинаптических окончаний нескольких других нейронов. Тем самым в нейроне может суммироваться информация, поступающая от нескольких нейронов, даже расположенных в разных частях мозга. И это тоже полностью соответствует современному представлению о нейронах.

Более того, в современных источниках указывается, что в нервной клетке, точнее, в её теле (соме) происходит не только суммирование, но и кодирование нервных импульсов, приходящих от разных дендритов. А результирующий сигнал через аксон отправляется дальше.

На этом история современных представлений заканчивается.

Дело в том, что, если сложить неважно сколько нервных импульсов в том виде, как мы их сейчас представляем мы всегда будем получать один нервный импульс. И он ничем не будет отличаться от любого из тех, что участвовали в сложении. Абсурд?

Ещё бо́льший абсурд состоит в кодировании результирующего импульса. Поскольку, сколько его ни кодируй, в результате должен получиться всё тот же исходный нервный импульс. Ведь электрический потенциал действия не несёт в себе никакой информации, кроме того, что он либо есть, либо его нет.

Наш мозг – это колоссальное аналитическое устройство, возможно, самое сложное в природе. Ну неужели в таком совершенном создании возможна такая примитивная схема передачи сигналов – «Один источник – Одна линия – Одна цель»? По такому принципу работали первые телефоны, ещё до изобретения коммутаторов и систем уплотнения каналов. Мало того, в качестве азбуки этого языка используется всего одна буква (один символ).

А если всё работает примерно так

Рассмотрим, вариант того, как это может работать на примере схематического рисунка нейрона.

R1-Rn – это дендритные входы. Информация с рецепторов проходит через входы-дендриты, через тело нейрона на выход-аксон. Задача нервной системы донести информацию от рецептора до мозга. В простейшей схеме, изображённой на рис.45 это возможно только при условии, что сигналы индивидуально различимы. То есть выходной сигнал несёт в себе информацию о конкретном рецепторе, с которого пришёл нервный импульс.

Рисунок 65. Модель нейрона

А теперь немного усложним задачу. Предположим, что нервные импульсы с выходов двух нейронов передаются на третий, суммирующий. В нашем примере нервный импульс на выходе схемы должен содержать информацию не только о рецепторе (дендрите), с которого он поступил, но и обо всех нейронах, через которые он предавался. Можно предположить, что каждый нейрон, участвующий в передаче импульса, привносит в него свою информационную составляющую.

Рисунок 66. Модель системы нейронов

Тогда все нервные импульсы неповторимы как штрихкоды на товарах в супермаркете, как отпечатки пальцев. Они уникальны и несут в себе информацию и о факте раздражения конкретного рецептора, и о пройдённом маршруте.

Это самая примитивная гипотетическая схема, и, скорее всего, всё работает как-то иначе. Но это пример того как может повлиять возможность индивидуализации нервных сигналов на наше представление о работе нервной системы. (Вообще-то, такая схема кодирования имеет нечто общее с технологией блокчейн.)

Предположим, что в соме нервной клетки происходит логическая обработка (суперпозиция) поступивших на её входы-дендриты нейросигналов некоторой пусть пока неизвестной нам природы, и что такой сигнал движется по аксону с некоторой небольшой скоростью, и ведёт себя и как частица, и как волна. И несёт в себе неразрушаемую в процессе передачи информацию. И кто бы это мог быть? Конечно, солитон.

Именно солитоны, будучи волнами, в некоторых случаях ведут себя как частицы – сталкиваются, отражаются, а при прохождении друг сквозь друга не смешиваются. Осталось определиться с физической природой солитонов…

И напоследок. Риторический вопрос, что является причиной болезни, патология о́ргана или патология управляющего о́рганом сигнала? Теоретически возможно и то, и другое, причём в равной степени вероятности. Так что же лечит современная терапия? Ответ – патологию органов.

Но, может быть, плацебо и гомеопатия, над которой вежливо посмеиваются «настоящие» доктора, не такая уж и глупость, основанная на самовнушении пациента, а как раз и есть пример лечения путём корректировки системы управления.

Что если возможно лечение путём имитации правильного управляющего сигнала или, вообще, путём перезапуска отдельных систем управления (как в случае с дефибриллятором)?

К примеру, если стимулировать работу сердца не электрическими импульсами по принципу «лягушачьей лапки», а свойственным ему от природы управляющим сигналом. Может, тогда и операция по вживлению имплантата не нужна, достаточно приложить генератор к любой части тела или к любому нейрону и сигнал сам найдёт свою цель.

И вот уже на руке у больного пациента появляется прибор похожий на браслет или часы. И этот прибор регулярно посылает команду в нервную систему. Какую? Каждому свою. Это будет электроцевтика, которая лечит.

PS. К моменту издания книги опубликован Указ Президента Российской Федерации от 10.10.2019 №490 «О развитии искусственного интеллекта в Российской Федерации»

Обращение к читателю

Дорогой читатель, спасибо Вам, если Вы дочитали книгу до этой главы! И приветствую тех, кто ещё не решился на сей умственный подвиг, кто листает её с конца!

Несколько лет назад, когда я занимался проектом, связанным с акустикой и гидродинамикой, жизненные обстоятельства заставили меня переключить своё внимание на проблемы заболеваний нервной системы, обусловленных нарушением функционирования и гибелью нейронов, точнее, с демиелинизацией аксонов в нервной системе. Болезнь эта пока неизлечима. Сразу оговорюсь, я не нашёл волшебного способа лечения. Но, начав изучение предмета от современных представлений о работе нервной системы я, как следователь из детективного романа расследовал историческую цепь открытий, приведших нас к тому, что мы в итоге имеем.

Прежде, как и у большинства наших граждан, мои знания о работе нервной системы ограничивались школьной программой и горячими новостями в СМИ. То, что я узнал в результате погружения в тему, повергло меня в уныние. Мало того, что наши представления о нервных клетках крайне скудны. При существующей динамике открытий, у нас мало шансов реально продвинуться в этой области в ближайшие годы и даже десятилетия.

Написана книга в форме познавательных рассказов, имеющих целью скорее развлечь читателя, чем учить, и одновременно сообщает ему много интересного и правдивого из области нейронаук. Всякий раз, когда мне подворачивался случай, я переключался на описание каких-либо занимательных фактов, так или иначе, связанных с темой.

В первой части книги вы найдёте серию увлекательных историй, приведших нас к современному представлению о нервной системе и нервном импульсе. В этой части вы узнаете откуда в нервной системе электричество, о взаимодействии нейронов, о нейронных сетях, об искусственном интеллекте, о нынешнем состоянии и перспективах нейронных технологий. Также мы зададимся вопросом, почему так медленно развиваются исследования и технологии в области нейронаук.

Только в конце второй части мы порассуждаем об альтернативных версиях объяснения распространения нервных импульсов.

Интеллектуальная карта книги не может быть напечатана по причине своего большого размера, но найти её можно на сайте книги http://neyroton.ru.

Все авторские доходы от продажи этой книги будут использованы для поддержки исследований нервной системы, особенно молодых амбициозных учёных. А всем, кто пришлёт мне через сайт или по почте фотографию любой страницы зачётной книжки медицинского или другого вуза, подтверждающую отношение к нейронаукам, обещаю бесплатно выслать электронную книгу.

Сведения, опубликованные в книге предназначены для информирования и развлечения, и содержат некоторую долю критической оценки.

Я призываю читателей, которые найдут фактические ошибки или у которых есть альтернативные интеллектуальные оценки и мнения, связаться со мной (autor@neyroton.ru).

Я также приветствую конструктивные и дружеские комментарии, предложения и диалоги.

С уважением, автор книги НЕЙРОТОН,

Александр Волошин. 26.11.2019.

Список литературы

[1] Ф. Д. Джордж, «Золотая ветвь»..

[2] У. Пенфилд, Мозг. Тайны разума: пер. с англ., Москва: АСТ, 2017.

[3] Эмесский Немесий, перевод с греческого Ф. С. Владимирского, О природе человека, Москва: Учебно-информационный экуменический центр ап. Павла.

[4] Ред. коллегия: В. В. Соколов и др., Антология мировой философии. (в 4 томах), Москва: Мысль, 1970.

[5] Т., Марцинковская, История психологии.

[6] С. Кин, Дуэль нейрохирургов. Как открывали тайны мозга и почему смерть одного короля смогла перевернуть науку (пер. с англ.), Москва: Эксмо, 2015.

[7] Беркинблит М. Б., Глаголева Е. Г, Электричество в живых организмах, 1988.

[8] Э. Кандель, В поисках памяти: Возникновение новой науки о человеческой психике, Москва: Издательство Аст, 2006.

[9] Питер Милнер, Физиологическая психология. II., Москва: Мир, 1973.

[10] О.Е.Игнацкая, Истории психологии.

[11] А.Н., Ждан, История психологии от античности до наших дней, Москва: Академический Проект, 1990.

[12] В., Данилевский, Физиология человека, Москва, 1915.

[13] Е. И. Николаева, Психофизиология. Психологическая физиология с основами физиологической психологии. Учебник, 2008: ПЕР СЭ, Москва.

[14] «Электробиология,» [В Интернете]. Available: http://stud24.ru/modern-science/jelektrobiologiya/431212-1555987-page4.html.

[15] Обнинский институт атомной энергетики НИЯУ МИФИ, «Нормальная физиология,» [В Интернете]. Available: https://studfiles.net/preview/6371563/.

[16] Adrian, E. D., The Physical Background of Perception. Clarendon. Oxford, England.), Oxford: Clarendon, 1946.

[17] Шира Сарди и Рони Варди, «Новые типы экспериментов показывают, что нейрон функционирует как несколько независимых пороговых единиц.,» 21 декабря 2017. [В Интернете]. Available: https://www.nature.com/articles/s41598-017-18363-1.

[18] «Гематоэнцефалический барьер безопасность метаболизма,» [В Интернете]. Available: https://neurologydo.ru/gematoencefalicheskij-barer-bezopasnost-metabolizma.html.

[19] Т. С. Сорокина, История медицины, 2008: Академия, Москва.

[20] Чарльз Г. Гросс, Дыра в голове: ещё рассказы в истории нейробиологии.

[21] А. И. Нельсон, Электросудорожная терапия в психиатрии, наркологии и неврологии, Лаборатория знаний, 2020.

[22] Ф. Блум, А. Лейзерсон, Л. Хофстедтер, Мозг, разум и поведение.

[23] С. Касацкая, «Нейромолекулы: дофамин,» [В Интернете]. Available: http://neuronovosti.ru/dopamine/. [Дата обращения: 2019].

[24] «E. A. SPIEGEL, H. T. WYCIS, M. MARKS, A. J. LEE. (1947). Stereotaxic Apparatus for Operations on the Human Brain. Science. 106, 349—350;».

[25] «Philip L. Gildenberg. (2005). Evolution of Neuromodulation. Stereotact Funct Neurosurg. 83, 71—79;».

[26] «Olds J. and Milner P. (1954). Positive reinforcement produced by electrical stimulation of septal area and other regions of rat brain. J. Comp. Physiol. Psychol. 47, 419—427;».

[27] Большая Медицинская Энциклопедия (БМЭ), под редакцией Петровского Б. В., 3-е издание. Том 28, 1974 – 1989.

[28] «Транскраниальная электростимуляция в акушерстве и гинекологии. Методические рекомендации,» Санкт-Петербург, 2009.

[29] «An anatomically comprehensive atlas of the adult human brain transcriptome,» Nature, pp. 489, 7416, 391—399, doi:10.1038/nature11405), 2012.

[30] В. Коржова, «Allen Brain Atlas: транскриптом мозга,» 01 НОЯБРЯ 2012. [В Интернете]. Available: https://biomolecula.ru/articles/allen-brain-atlas-transkriptom-mozga.

[31] «Человеческий коннектом. Описание структуры мозга человека,» PLoS Computational Biology, pp. 1 (4), e42. doi:10.1371/journal. pcbi.0010042), 2005.

[32] Т. А. Д.,. К. А. Б.,. Й. В.,. А. Э. Б.,. А. Я.,. C. Н.,. Т.-Х. Т.,. А. Б.,. С. Д.,. Э. Б.,. Х.,. Х. Х. и. В. Э. Стивен Дж. Кук, «Коннектомы животных обоих полов Caenorhabditis elegans,» Nature, №571, p. 63—71, 2019.

[33] Цзе Ян, Деррик Камбербэтч, Самуэль Чентанни, Шу-цюнь Ши, Дэнни Уиндер, Донна Уэбб и Карл Хирши Джонсон, «Сочетание оптогенетической стимуляции с зондированием Ca ++ на основе люминесценции на основе NanoLuc (BRET),» Nature Communications объем 7, Номер статьи: 13268, 2016.

[34] Б.Б., Кажинский, Передача мыслей, Москва, 1923.

[35] Б. Кажинский, Тайны «мозгового радио» и «луча зркния», Киев, 1963.

[36] Ю. Холодный, «История „психотронного оружия“: появление, „развитие“ и угроза рецидива».

[37] Комиссия РАН по борьбе с лженаукой и фальсификацией научных исследований. Отв. редактор Е. Б. Александров, составители Е. Б. Александров, Ю. Н. Ефремов, А. Г. Сергеев, «В защиту науки. Бюллетень №19,» Москва,, 2017.

[38] Птицына Ирина Борисовна, «Работы по „переносу памяти“ в институте экспериментальной медицины: история и анализ методологических ошибок,» Вопросы истории естествознания и техники Том 41 №1, 2020.

[39] Сергеев Б., Тайны памяти, Москва: Молодая гвардия, 1981.

[40] В. В. Еремин, С. И. Каргов, И. А. Успенская, Н. Е. Кузьменко, В. В. Лунин, Основы физической химии, Москва: Экзамен, 2005.

[41] К. Артур, Голос через океан.

[42] H. v. Helmholtz, Popular Scientific Lectures, London, 1889.

[43] A. L. Hodgkin, The Conduction of the Nervous Impulse, Liverpool, England: Liverpool University Press, 1964.

[44] Иваницкий Г. Р., «Виражи закономерностей. Правило БИО – стержень науки,» Наука, p. 78, 2011.

[45] В. П. Карцев, Приключение великих уравнений.

[46] D. Engber, Невролог, который взломал свой мозг – и чуть не потерял рассудок, https://www.wired.com/, 2016.

[47] Ars Technica, «Neural implant lets paralyzed person type by imagining writing,» 05 2021. [В Интернете]. Available: https://arstechnica.com/science/2021/05/neural-implant-lets-paralyzed-person-type-by-imagining-writing/.

[48] «CNews. Дорожная карта развития ИИ в России,» [В Интернете]. Available: http://www.cnews.ru/news/top/2019-07-26_rossijskomu_iskusstvennomu_intellektu_nuzhno_180.

[49] Азимов А. / пер. с англ. А. Н. Анваера, Человеческий мозг. От аксона до нейрона, Центрполиграф, 2005.

[50] Нижегородский государственный университет имени Н. И. Лобачевского. Сухов В. С., Неруш В. Н., Калинин В. А., Крауз В. О., Воденеев В. А., Биоэлектрогенез у растений, Нижний Новгород, 2011.

[51] А. Филиппов, Многоликий солитон, Библиотечка «Квант», 1984.

[52] Скотт Рассел, J., «Отчет по волнам». Четырнадцатое собрание Британской ассоциации содействия развитию науки., 1844.

[53] «Динамика движения крови в капиллярах,» [В Интернете]. Available: https://studwood.ru/1625509/informatika/dinamika_dvizheniya_krovi_kapillyarah.

[54] Thomas A Longden, Fabrice Dabertrand, Masayo Koide, Albert L Gonzales, Nathan R Tykocki, Joseph E Brayden, David Hill-Eubanks & Mark T Nelson, «Capillary K+-sensing initiates retrograde hyperpolarization to increase local cerebral blood flow,» Nature Neuroscience volume 20, pages717—726 (2017), p. https://www.nature.com/articles/nn.4533.

[55] «Капилляры как сенсоры активности нейронов,» 2007. [В Интернете]. Available: https://nature-wonder.livejournal.com/231746.html.

[56] И. Тасаки, «Механические изменения в аксонах гигантских кальмаров, связанные с выработкой потенциалов действия,» 1980.

[57] «Andersen, S; Jackson, A; Heimburg, T (2009). „Towards a thermodynamic theory of nerve pulse propagation“ (PDF). Progress in Neurobiology. 88 (2): 104—113. doi:10.1016/j.pneurobio.2009.03.002. PMID 19482227».

[58] «El Hady, Ahmed & Machta, Benjamin. (2014). Mechanical Surface Waves Accompany Action Potential Propagation. arXiv.».

[59] «Волны действия в мозге,» [В Интернете]. Available: https://www.theguardian.com/science/neurophilosophy/2015/may/01/action-waves-in-the-brain.

[60] Х. А.Л., Заметка о скорости проводимости 125: 221—4., Лондон: J. Physiol, 1954.

[61] Ruch T.C., Patton H.D., Физиология и биофизика, 20-е изд., 1242 стр., Филадельфия.: У. Б. Сондерс, 1982.

[62] M. V. Muler AL, Electrical properties of anisotropic nerve-muscle syncytia – II. Spread of flat front of excitation. 22: 536—41., Biophys, 1978.

[63] «ЛЕКЦИЯ 6 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТКАНЕЙ,» [В Интернете]. Available: http://vmede.org/sait/?id=Medbiofizika_fedorov_2008&menu=Medbiofizika_fedorov_2008&page=8.

[64] Филиппов А. Т., Многоликий солитон. М.: Наука, 1986., Москва: Наука, 1986.

[65] «Биологический словарь on-line,» [В Интернете]. Available: http://bioword.ru/M/M214.htm.

[66] L. WR, The generation of electric activity in a nerve ending. Ann. N.Y. Acad. Sci. 81: 367—87., 1959.

[67] кандидат биологических наук Акинчиц, Елена Константиновна, Анализ механизмов генерации и распространения вариабельного потенциала у проростков тыквы и пшеницы. ДИССЕРТАЦИЯ.

[68] П. М. Балабан, лекция «Молекулярные механизмы памяти», прочитанная на Зимней научной школе Современная биология & биотехнологии будущего..

[69] Ф. Эшкрофт, Искра жизни. Электричество в теле человека: пер. с англ., Москва: Династия: Альпина нон-фикшн,, 2015.

[70] Анохина З. В., «История психологии. Шпаргалка».

[71] «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ». Биолого-почвенный факультет., Анатомия центральной нервной системы. Конспект лекций., Ростов-на —Дону., 2007.

[72] Н. Е.И., Психофизиология, Логос, 2008.

[73] Эккерт Р., Рэндалл Д., Огастин Д., Физиология животных. Механизмы и адаптации, Москва: Мир, 1991.

[74] Р. Картер, Как работает мозг, 2014: ACT: CORPUS, Москва.

[75] Д. Линден, Осязание. Чувство, которое делает нас людьми, Синдбад, 2018.

[76] А. С. Компанеец, Ударные волны, Москва: Физматгиз, 1963.

[77] Н. Кайя, Мозг всемогущий, Санкт-Петербург: Питер, 2018.

[78] М. В. Мулер А. Л., Электрические свойства анизотропных нервно-мышечных синцитий – II. Распространение плоского фронта возбуждения., Биофиз., 1978.

[79] «Фото © Kwanghun Chung and Karl Deisseroth (Медицинский институт Говарда Хьюза/Стэнфордский университет),» [В Интернете]. Available: nationalgeographic.com..

[80] Акинчиц, Елена Константиновна, «Анализ механизмов генерации и распространения вариабельного потенциала у проростков тыквы и пшеницы,» 2013. [В Интернете]. Available: https://www.dissercat.com/content/analiz-mekhanizmov-generatsii-i-rasprostraneniya-variabelnogo-potentsiala-u-prorostkov-tykvy.

Content

Нейротон
Занимательные истории о нервном импульсе
Александр Иванович Волошин

Предисловие

Часть I. История

Первобытные представления о душе

Древний мир – Античность

Епископ Немесия «О природе человека»

Развитие психологии в арабском мире

Средневековье

Возрождение

«Жизненный дух» Бернардино Телезио

Анатомические рисунки Леонардо да Винчи

Андреас Везалий

«Животные духи» Рене Декарта

Механицизм Гартли

Эпоха просвещения

Лягушачья лапка. Начало

Продолжение истории лягушачьей лапки

«Животное электричество» Луиджи Гальвани

Алессандро Вольта —никакого «животного электричества» нет

Последователи Гальвани

Безумие Эммануэля Сведенборга

Френология Ф. Галля

Эпоха промышленной революции

Регистрация биоэлектрических явлений. Карло Маттеуччи

Доктрина Иоганна Мюллера

Теория электромоторных молекул

Скорость нервного импульса

Гипотезы Лудимара Германа

«Чёрная реакция» Камилло Гольджи

Нейронная доктрина Сантьяго Рамона-и-Кахаля

История синапса

Кураре

«Повара» и «радисты»

Сон Отто Лёви, открытие химического синапса

Победа «поваров»

Электрический синапс

Новейшая история

Электрическая активность кожи

Электрическая активность головного мозга

Гематоэнцефалический барьер ГЭБ

«Фантомы»

Случай Джорджа Дедлоу

Фантомные боли

Целенаправленная сенсорная реиннервация

XX век

История методов лечения душевных расстройств

Трепанация

Терапия в древнем мире и в средние века

Лоботомия

Электрошоковая терапия

Инсулиношоковая терапия

Нейролептики

Нейрохирургия

Стереотаксическря хирургия мозга

Транскраниальная электрическая стимуляция

Транскраниальная магнитная стимуляция

Электроцевтика

История развития методов исследования мозга

Способ №1– поковыряться непосредственно в мозгах

Ампутация мозга

Способ №2. Исследования с помощью приборов Электроэнцефалография (ЭЭГ)

Нейрорентгенология

Эхоэнцефалоскопия и нейросонография

Магнитно-резонансная томография МРТ

Магнитоэнцефалография (МЭГ)

ПЭТ

Генное исследование мозга. Транскриптом

Транскриптом мозга человека

Коннектом

Когнитом

Оптогенетика

Брэйнбоу

Прозрачный мозг

Истории заблуждений

Психическая энергия

О биологической радиосвязи

Биохимический перенос памяти

Усилитель мозга

Посмертные волны

История мембранной теории биопотенциалов

Осмос

Теория электролитической диссоциации

Теория Чаговца

Мембранная гипотеза Бернштейна

«Язык головного мозга». Гассер и Эрлангер

Кабельная теория и подводные кабельные линии

Кабельная теория нервного импульса

Теория местных токов

Ходжкин и Хаксли (Hodgkin & Huxley)

Развитие мембранной теории

Двухэлектродная фиксация потенциала

Овершут

Автоволны

Насосы

Биохимия нейрона

АТФ

Математическая модель

Модель Ходжкина – Хаксли

История искусственных нейронных сетей

Предпосылки

Кибернетика

Искусственные нейронные сети

Нейротехнологии и искусственный интеллект

История нейрокомпьютерных интерфейсов

Имплант Родригеса Дельгадо в истории корриды

История Фила Кеннеди

Новый мозговой имплантат переводит мысли о письме в текст

Нейропротезирование

Целевая реиннервация

Неинвазивные НКИ

Экзокортекс

Дорожная карта развития ИИ в России

Продолжение истории синапсов

Нейромедиаторы и гормоны

Эндокринная система и гормоны

Интересные факты

Нервные клетки не восстанавливаются, но…

Анатомия

Кровоснабжение нервных клеток

Энергопотребление нервной систем

Выделение тепла

Генетическая память

О необходимости холестерина

История нейронауки

ХХ в., что дальше

Исследования А. Ходжкина

Пейсмекерные нейроны

Дендритный спайк

Метод локальной фиксации потенциала (patch clamp)

История биологических мембран

Жидкие кристаллы

История открытия ЖК

Исследование каналов биологических мембран

Итог истории нервного импульса

Часть II

Фантастическое интервью

Скептический взгляд на мембранную теорию распространения нервного импульса

Альтернативная версия нервного импульса

Источники

Биоэлектрогенез

Солитон

Пульсовая волна

Динамика движения крови в капиллярах. Фильтрационно-реабсорбционные процессы

Капилляры как сенсоры активности нейронов

Декомпрессия

История кессонной болезни

Кессон Тригера

Мост Сент-Луиса

Бруклинский мост

Пол Берт

Джон Скотт Холдейн

Горная болезнь

Высотный отек головного мозга

Бародонтальгия

История альтернативных гипотез

Ичиджи Тасаки

Солитонная модель Хаймбурга и Шнайдера Исследования Томаса Хаймбурга и Андрю Д. Джексона

Шнайдер

Критика

Модель Ахмеда Эль Хади и Бенджамина Мачты

Другие

Но если не ПД, то что?

Скорость неровного импульса. Миелин

Определение скорости нервного импульса через ионную теорию

Альтернативная версия

Сужающиеся сосуды

Солитонная модель

Первичное возбуждение. Рецептор – нейрон?

Эксперименты Левенштейна с тельцем Пачини

Эволюция нервных клеток

Память. Как хранится информация

Молекула памяти

Просто гипотеза

История будущего. Заключение

А если всё работает примерно так

Обращение к читателю

Список литературы