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

Подобные попытки построения моделей, от диаграмм Мейера до робота-крысы Росса, были ограниченны, потому что работа ни одного из этих устройств не основывалась на реальном способе функционирования нервной системы. Начав с простых механических или электрических моделей, ученые располагали всего лишь несколькими видами поведения и деятельности нервной системы, которые могли моделировать. В то время как эти механизмы строились из проводов и металла, нейрофизиологи понимали, что нервная система в организмах живых существ работает совершенно иначе.

* * *

Электрическую природу нервного импульса выявили еще в середине XIX века, а в 1868 году ученик Гельмгольца Юлий Бернштейн обнаружил, что волны отрицательной поляризации передавались по нерву с точно такой же динамикой, как и нервный импульс [23]. Хотя было весьма заманчиво заключить, что данные электрические изменения были идентичны нервному импульсу, но этому не было никаких доказательств и объяснений. В 1902 году, спустя практически сорок лет работы, Бернштейн выдвинул теорию, объясняющую, в чем может заключаться обнаруженная связь [24]. Его идея была выстроена вокруг движения ионов – заряженных частиц, которые находятся в растворе внутри и снаружи нейронов. Перемещение положительно заряженного иона калия из внутренней части клетки наружу означало, что внутренняя часть клетки приобрела небольшой отрицательный заряд относительно внешней. Согласно модели Бернштейна, мембрана нейрона была полупроницаемой. Пока нейрон находился в состоянии покоя, концентрации ионов внутри и снаружи клетки оставались стабильными, но когда по клетке проходил нервный импульс, мембрана временно и локально меняла свою природу и небольшое количество ионов перемещалось внутрь или наружу, создавая волну деполяризации [25]. Как уже давно предполагалось, электрохимическая передача нервного импульса сильно отличается от движения электричества по телеграфному кабелю или телефонному проводу. Биология оказалась сложнее технологии.

Электрохимическая передача нервного импульса сильно отличается от движения электричества по телефоному проводу.

Не только физическая форма нервного импульса была неожиданной, но и поведение нервов тоже таило в себе сюрпризы. В 1898 году Фрэнсис Готч, профессор физиологии в Оксфорде, показал, что если нервное волокно – пучок, состоящий из множества нейронов, – стимулируется дважды в быстрой последовательности, то второй стимул не вызывает реакции, если оба стимула отстоят друг от друга менее чем на 0,008 секунды [26]. Данный интервал, рефрактерный период, является фундаментальной характеристикой всех нейронов. Готч обнаружил, что, как и ожидалось, чем сильнее стимуляция нервной ткани, тем более выраженной оказывается реакция, но также заметил, что реакция всегда показывает одинаковый временной ход, независимо от силы стимула. Готч провел параллель между своими результатами на двигательных нервах и хорошо известным явлением в сердце, когда мышца либо реагирует на стимуляцию, либо нет, – этот феномен известен как закон «все или ничего»[172] [27].

Чтобы выяснить, все ли нервные волокна, как сенсорные, так и двигательные, подтверждают этот закон, Кит Лукас из Кембриджа разработал новое сенсорное оборудование, которое позволило ему подтвердить догадку Готча, связанную с двигательным мышечным волокном. Если стимул был выше порогового значения, мышца реагировала, но если он был слишком слабым, ответа не было вообще [28]. Чтобы получить прямое доказательство того, что происходит в одном нервном волокне, Лукас попросил Эдгара Эдриана, молодого аспиранта, изучить этот вопрос. Для Эдриана это поручение стало поворотным событием в жизни, открывшим дверь к величайшим достижениям. Он оставался в Кембридже вплоть до выхода на пенсию, став магистром Тринити-колледжа и, в конце концов, вице-канцлером[173] университета. Он был избран президентом Королевского общества, стал наследный пэром, получил Нобелевскую премию в возрасте сорока двух лет[174] и видел, как его сын также был принят в Королевское общество, в то время как два его протеже, Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли, были удостоены Нобелевской премии в 1963 году[175]. Кроме этого, Эдриан всю жизнь интересовался психоанализом (он дважды номинировал Фрейда на Нобелевскую премию [29]) и изучал функционирование нервной системы у множества животных (включая угрей, лягушек, золотых рыбок, плавунцов и самого себя). Несмотря на славу и влияние, мало кто, кроме горстки внимательных нейробиологов, слышал о нем в настоящее время [30]. И все же Эдриан не только изменил понимание того, что делают нейроны, но и создал новый терминологический аппарат, который помог сформировать наши представления о том, как работает мозг.