Текст книги "Нобелевские премии. Ученые и открытия"

Автор книги: Валерий Чолаков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 23 (всего у книги 29 страниц)

Изменение электрических зарядов приводит к возникновению в нервных клетках локальных токов и появлению волны возбуждения, т. е. нервного импульса. В организме этот импульс всегда распространяется от рецепторов к мозгу, а от него – к различным органам тела. Природа изобрела замечательный механизм, обеспечивающий прямолинейность проведения нервного сигнала и контроль за ним. Это своеобразное реле, которым заканчивается нерв, Шеррингтон назвал синапсом («связью»). В точке соприкосновения нерва с другим нервом или мышцей, железой и т. д. электрический сигнал преобразуется в химический. Возбужденная мембрана выделяет вещества-медиаторы, которые диффундируют к соседней мембране. Химическое воздействие возбуждает другой нерв, порождает новый электрический импульс. В синапсе импульс распространяется только в одном направлении. Химическое действие может не только возбуждать, но и подавлять нервный импульс, что очень важно для работы мозга. Исследование химических медиаторов началось в первые десятилетия нашего века. Это были первые шаги в чрезвычайно сложной области психохимии, которая сегодня составляет одну из увлекательнейших глав физиологии.

Химия мозга

Ученые, занимавшиеся исследованием биоэлектрических явлений в нервной системе, считали совершенно естественным, что нервы, подобно телеграфным кабелям, осуществляют связь как между собой, так и с различными органами тела. В начале века, однако, обнаружилось, что в работе нервной системы принимают участие химические вещества. В 1904 г. Томас Рентой Эллиот выделил из сердцевины надпочечников адреналин – вещество, которое оказывало на организм такое же воздействие, как и возбуждение симпатической нервной системы. Исследователь предположил, что это соединение вырабатывается в окончаниях нервных волокон симпатической нервной системы. Через десять лет, в 1914 г., Генри Халлетт Дейл опубликовал результаты исследований ацетилхолина. По своему воздействию это вещество напоминало возбуждение парасимпатической нервной системы, но оно в отличие от адреналина не обнаруживалось в теле, и это весьма затрудняло исследования.

Такие результаты привели ученых к мысли, что нервное возбуждение может вызываться определенными химическими соединениями, -своеобразными переносчиками возбуждения. Эти гипотезы утвердились лишь в 1921 г., когда Отто Леви поставил простой, но довольно своеобразный эксперимент. Изолировав и поместив в раствор сердце лягушки, он с помощью маленькой трубочки соединил его с сердцем другой лягушки. Раздражение первого сердца вызывало сокращение второго, что указывало на выделение в раствор какого-то вещества, способного вызывать нервные импульсы. Оно присутствовало в ничтожной концентрации, поэтому его выделение и определение было сопряжено с большими трудностями. Лёви и его сотрудник Э. Навратил открыли растительные соединения, тормозящие разложение парасимпатического вещества, что дало возможность установить его природу: это был хорошо известный ацетилхолин.

В дальнейшем указанное соединение было обнаружено и в других органах. Лёви и Навратил показали, что существует специфический фермент холинэстераза, который вызывает быстрое разложение ацетилхолина, и поэтому последний встречается в минимальных количествах. На этом этапе исследований большую роль сыграли работы Г. Дейла. Используя метод, созданный Алексеем Васильевичем Кибяковым и независимо Вильгельмом Фельдбергом и Джоном Гэддамом, Дейл показал, что ацетилхолин образуется и в нервных связях различных структур нервной системы. Это вызвало оживленные дискуссии, так как впервые был поставлен вопрос о том, связана ли передача импульсов в нервной системе с химическими веществами.

Хотя, как уже говорилось, ацетилхолин выделяется в нервных окончаниях в ничтожно малых количествах (около одной стотысячной миллиграмма), Дейл и его сотрудники смогли показать, что он всегда возникает при передаче нервного импульса в синапсах (в местах соединения двух нервов или нервного волокна с рабочими органами, такими, как мышца, железа и т. д.).

Открытия Лёви, работавшего в Институте фармакологии в Граце (Австрия), и Дейла – из Национального института медицинских исследований в Лондоне положили начало нейрохимии, из которой в дальнейшем выросла психохимия. Это ознаменовало революционный переворот в изучении нервной системы. Новые идеи утвердились в результате упорной борьбы и получили признание в решении Каролинского института присудить в 1936 г. Нобелевскую премию по физиологии и медицине Г. Дейлу и О. Лёви за исследования химической природы передачи нервных импульсов. Это знак уважения к трудам двух ученых, которые в то время вместе работали в лаборатории Э.Г. Старлинга в Лондоне и сохранили тесные контакты в дальнейшем.

Открытие химических медиаторов оказало большое влияние на исследования в области нейрохимии. Вслед за адреналином и ацетилхолином был выделен ряд других веществ, участвующих в передаче нервных импульсов. К ним относятся такие соединения, как норадреналин, гистамин, серотонин и др. Этими открытиями заинтересовались многие фармакологи, так как изучение медиаторов позволило объяснить действие ряда токсичных и лекарственных препаратов и способствовало поиску новых лекарств. Итальянский химик Даниеле Бове, работавший почти 20 лет у Эмиля Ру в Пастеровском институте в Париже, посвятил свои научные исследования веществам, блокирующим действие химических медиаторов.

Еще в 1937 г. Бове получил первый антигистаминовый препарат, на основе которого впоследствии были разработаны другие соединения для клинического применения. В дальнейшем Бове занялся алкалоидами, блокирующими действие нервных импульсов.

Алкалоиды отличаются довольно сложной структурой, и их вытяжки из природных веществ имеют непостоянный состав и дают непредсказуемый эффект. Это значительно затрудняет их клиническое использование. Бове и его группа постепенно научились синтезировать вещества с более простой структурой, которые оказывали такое же действие, что и природные алкалоиды, не давая при этом нежелательных побочных эффектов. Например, на основе кураре были созданы препараты, эффективно парализующие мышцы и значительно облегчающие хирургические операции.

От экспериментальной нейрофармакологии Бове пришел к психофармакологии. Эта сравнительно новая область науки изучает химические процессы, происходящие в центральных структурах нервной системы. С помощью соответствующих веществ стало возможным непосредственное вмешательство в деятельность мозга. Бове, в частности, занимался диэтиламидом лизергиновой кислоты, более известной под сокращенным названием «ЛСД». Это соединение, случайно открытое одним швейцарским химиком, оказывает исключительно, сильное воздействие на психику. Сегодня оно используется даже как наркотик. Открытие подобных веществ создает угрожающую перспективу манипуляции сознанием человеках помощью различных препаратов. К счастью, человечество еще далеко от этого, но в лечении различных заболеваний химическим путем психофармакология уже имеет, великолепные достижения.

В 1957 г., когда стали намечаться пути, развития этой области, Бове была присуждена Нобелевская, премия по физиологии и медицине за открытия, связанные с изучением механизма действия, синтетических соединений лекарственных препаратов.

Изучением химических механизмов передачи нервных импульсов занимался и австрийский ученый Дж. Кэрью Эклс, ассистент Шеррингтона, многие годы работавший в Оксфордском университете, а затем в Австралии, Новой Зеландии и США. С помощью микроэлектродов Эклс исследовал механизм передачи нервных импульсов через синапсы. Измеряя мембранный потенциал, Эклс показал, как возникает возбуждение и торможение под действием химических медиаторов. В момент, когда химическое вещество оказывает стимулирующее действие, в нервном волокне возникает характерный импульс, который передает информацию дальше. Эти точные и тонкие исследования были сделаны приблизительно в то же время, когда Ходжкин и Хаксли разрабатывали мембранную теорию передачи нервного импульса. Исследования Эклса в значительной степени содействовали выяснению общей картины, так как он занимался мембранным потенциалом в области синапсов – своеобразных реле живого организма. В 1983 г. Эклс вместе с Ходжкином и Хаксли были удостоены Нобелевской премии.

Исследования Дейла и Лёви в 20-е годы просто привели к идее о химических механизмах передачи нервных импульсов. В дальнейшем Эклс выяснил некоторые элементы этого процесса, в частности возникновение мембранных потенциалов. Новым этапом было исследование на ультрамикроскопическом уровне процессов в синапсах в сочетании с изучением биохимических механизмов, что создало довольно целостное представление об этих явлениях.

Один из ассистентов Эклса продолжил начатые им в Сиднее исследования, углубив представления об электрофизиологических явлениях в синапсах, связывающих моторные нервы с мышечными волокнами. Это Бернард Кац, немецкий эмигрант, проработавший несколько лет у Арчибалда Вивьена Хилла в Лондоне, а в 1939 г. переехавший в Сидней к Эклсу, чтобы заняться там исследованием процессов в нервно-мышечных соединениях. В 1946 г. он вновь возвратился к Хиллу и несколько лет спустя стал заведовать кафедрой биофизики Лондонского университета, не прекращая в течение всего этого времени исследований нервно-мышечных процессов.

В 1946 г. Ульф фон Эйлер (Эйлер-Хельпин), новый представитель большой династии ученых, отец которого, Ханс Эйлер-Хельпин, был лауреатом Нобелевской премии по химии в 1929 г., сделал интересное открытие. Он установил, что нор адреналин служит медиатором для симпатической нервной системы. Вместе со своими сотрудниками Эйлер обнаружил, что на конце нервного волокна в синаптической мембране образуются небольшие гранулы, в которых синтезируется и хранится химический медиатор. Достигая поверхности мембраны, гранулы освобождают вещество-посредник, которое проникает на расстояние 200—500 Å к мембране следующего нерва. Именно так осуществляется химическая передача импульса.

Джулиус Аксельрод из Нью-Йорка выяснил дальнейшую «судьбу» медиатора. Он показал, как это вещество инактивируется в результате воздействия специального фермента. После этого медиатор возвращается обратно и вновь попадает в гранулу, готовый к новому импульсу. Оказалось, что природа выработала быстрый, эффективный и экономичный способ работы синапсов.

Химическая передача нервных импульсов оказалась исключительно важной проблемой. Установлено, что некоторые психические заболевания связаны с нарушениями в медиаторах и синапсах. Дальнейшие исследования показали, что мозг использует для передачи сигналов еще более сложные вещества, и, в сущности, он напоминает гигантскую железу. Разгадка тайн биохимии мозга, несомненно, имеет особое значение для клинической медицины и экспериментальной физиологии. Д. Аксельрод, У. Эйлер и Б. Кац, внесшие большой вклад в исследование этих вопросов, были удостоены в 1970 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине. Она была присуждена им за исследования медиаторов и их роли в передаче нервных импульсов.

Мозг и поведение

В 30-е годы в исследовании высшей нервной деятельности наметилось новое направление, которое постепенно оформилось в самостоятельную науку. Речь идет об этологии, изучающей поведение животных в естественных условиях. По-гречески «этос» означает «поведение, характер, нрав». Отличительная черта этой науки – использование полевых методов. Как и естествоиспытатели прошлого, этологи проводят дни и недели на природе, внимательно наблюдая за животными в естественных условиях и получая этограммы, фиксирующие с помощью киносъемки различные моменты поведения животных. Особенно большие заслуги в этой области принадлежат трем ученым. Это Карл фон Фриш, Конрад Лоренц и Николас Тинберген.

Имя профессора Фриша навсегда останется связанным с пчелами. В течение многих лет он исследовал сложные взаимоотношения между многочисленными обитателями ульев, пытаясь проникнуть в тайные законы, управляющие этим обществом. Столь высокая организация невозможна без сложной системы коммуникации. Фриш поставил перед собой задачу расшифровать язык этих насекомых и добился своей цели.

Прежде всего он пометил пчел, чтобы можно было различать их. Повсюду вокруг улья исследователи расставляли мисочки с сахаром, о которых тотчас же становилось известно всему улью. Фриш заметил, что, обнаружив сахар, пчела быстро возвращается в улей и исполняет своеобразный танец, которым уведомляет остальных пчел о местонахождении лакомства. Этот танец рассказывает обо всем: расстоянии до объекта, направлении на него и о положении Солнца, которое служит ориентиром. Аналогичную информацию получают пилоты перед вылетом к определенной цели, так что принципы навигации одинаковы для всех. Следуя полученным указаниям, пчелы вылетают и быстро находят источник питания.

Эти проведенные на раннем этапе исследования показали, что в поведении животных весьма разнообразно проявляются примитивные рефлексы, которые были исследованы еще в XIX в. Впоследствии Лоренц и Тинберген рассматривали более сложную картину поведения многих видов птиц, млекопитающих, рыб и насекомых. Они установили, что во многих случаях поведение животных определяется врожденными инстинктами, причем под влиянием разных ключевых стимуляторов проявляются различные его элементы. Обычно определенная ситуация играет роль сигнала, который «отключает» механизм торможения в мозгу и приводит в действие сложный комплекс инстинктивных реакций. Сигналами могут служить звуки, запахи, а также морфологические признаки, связанные с формой и окраской животных.

Наряду с этим животные наделены своеобразным языком, с помощью которого они обмениваются информацией. Это дает им возможность обучаться в пределах их способностей, развивать новые формы поведения и более гибко реагировать на изменения в окружающей среде. Взаимосвязь между врожденным и приобретенным – проблема, которая издавна интересовала исследователей психической деятельности и которая в этологии решается сравнительно легко и однозначно. Просто-напросто животные, как и люди, имеют психику, хотя и более элементарную.

Имена Фриша, Лоренца и Тинбергена значились в списках кандидатов на Нобелевскую премию еще в 50-х годах. Однако эксперты Каролинского института, преимущественно медики, считали, что исследования указанных специалистов в области зоологии вряд ли можно «втиснуть» в рамки медицины и физиологии. Их мнение изменилось лишь после того, как стало понятно, что животные – удобная модель для исследования сложной психики человека. Совершенно очевидно, что этологи во многом способствуют развитию психологии вообще, помогая ей найти новый подход к проблемам. Поэтому в 1973 г. Каролинский институт наконец принял решение о присуждении К. Фришу, К. Лоренцу и Н. Тинбергену Нобелевской премии по физиологии и медицине за создание и развитие новой научной дисциплины – этологии.

Важным этапом в развитии нейрофизиологии стали исследования английского ученого Чарлза Скотта Шеррингтона в начале XX в. Соединив данные различных авторов со своими собственными экспериментальными результатами, он глубоко исследовал нейронный механизм рефлексов – самых элементарных актов поведения. Исследования анатомов позволили в общих чертах понять строение нервной системы. Вершиной достижений в этой области были работы Камилло Гольджи и Сантьяго Рамона-и-Кахаля, заложивших основы нейронной теории. Было установлено, что в спинном и головном мозге на различных уровнях имеются комплексы нейронов, соединенных между собой отростками. Это – серое и белое вещество (нервные клетки и связывающие их нервные волокна).

В 1893 г. Шеррингтон решил разобраться, как осуществляется простой рефлекс, возникающий при постукивании невролога по колену резиновым молоточком. Он выяснил, каким путем сигналы раздражения доходят от рецептора к нервному центру, откуда по двигательному нерву поступают команды к мышцам. После этого успеха Шеррингтон перешел к изучению более сложных рефлексов, реализующихся в более высокоорганизованных участках мозга. Он исследовал нервную регуляцию ходьбы, бега и других функций организма. Результаты своих исследований Шеррингтон обобщил в монографии, изданной в 1906 г. По мнению его коллег-современников, этот труд можно было сравнивать лишь с работами Павлова в данной области. Английский ученый исследовал особенности проведения возбуждения в рефлекторной дуге и выяснил, что она состоит из афферентных нейронов, воспринимающих раздражение, промежуточных нейронов, обрабатывающих информацию, и эфферентных нейронов, посылающих команды к рабочим органам. Он установил однонаправленность проведения возбуждения в синапсе и наличие синаптической задержки. Открыл явления взаимодействия рефлексов, их облегчения, конвергенции и т. д.

Еще в 1902 г. Шеррингтона выдвигали на Нобелевскую премию, однако он был удостоен этой награды лишь в 1932 г. в возрасте 75 лет. Он разделил Нобелевскую премию с Эдгаром Дугласом Эдрианом. Шеррингтон исследовал нейроны, а его более молодой коллега – распространение нервных импульсов. Оба ученых рассматривали проблему рефлексов, но с противоположных направлений.

Большой вклад в изучение рефлекторных механизмов поведения внесла школа советских физиологов. В 20-е годы И.П. Павлова повторно выдвигали на Нобелевскую премию, и, хотя он не получил ее, этот факт, безусловно, свидетельствует о высокой оценке его достижений. Большие заслуги в изучении координации рефлексов принадлежат советскому физиологу Алексею Алексеевичу Ухтомскому, который в 1931 г. получил премию имени В.И. Ленина за созданную им теорию доминанты. Эта теория описывает взаимодействие нервных центров, и особенно случаи, когда какой-либо из них, имеющий повышенную активность, доминирует над другими.

В первые десятилетия нашего века португальский нейрохирург Антонио Каэтану ди Абреу Фрейриди Эгаш Мониш приобрел известность благодаря созданному им методу радикального лечения ряда психических заболеваний. В своей клинике в Лиссабоне он детально разработал методику так называемой префронтальной лейкотомии (разрез белого вещества переднего мозга). Такое хирургическое вмешательство эффективно излечивало различные психические заболевания, связанные с депрессией, неврозами страха, навязчивыми идеями, манией преследования и многими случаями шизофрении. Радикальная операция (часто ее называют «лоботомией») позволяла восстановить до приемлемого уровня психику людей, находившихся в состоянии полной инвалидности. Когда было невозможно радикально излечить пациента, лоботомия по крайней мере помогала уменьшить его страдания.

Эгаш Мониш помог тысячам людей вернуться к нормальной жизни, и в 1949 г. он был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине. Вместе с ним был награжден швейцарский физиолог Вальтер Рудольф Гесс, который исследовал мозге помощью инструмента значительно более тонкого, чем хирургический скальпель.

В 1928 г. Гесс занялся исследованием различных структур мозга путем электрического раздражения. В то время он был уже известным физиологом, специализировавшимся у таких светил, как Ленгли, Шеррингтон, Старлинг, Хопкинс, Дейл и другие. В 1917 г. стал директором Физиологического института в Цюрихе. Это обеспечило ему значительную свободу в исследовательской деятельности, которую он использовал в полной мере.

Швейцарский ученый разработал метод вживления электродов в различные структуры мозга (главным объектом его исследования был гипоталамус), что позволило изучать их функции и реакции. Во время своей Нобелевской лекции в 1949 г. Гесс показал фильм, продемонстрировавший поведение подопытных кошек с вживленными в мозг электродами; по желанию экспериментатора животные шипели и бросались на воображаемого врага, успокаивались, засыпали, просыпались, занимались поисками пищи и т. д. Гесс вводил электрода в средний и промежуточный мозг – в две из пяти частей головного мозга, регулирующих ряд физиологических процессов и элементарных реакций поведения. Созданный им метод открыл широкую область для исследований, в которую сразу же устремились многие ученые. Особых успехов добился здесь Хосе Мануэль Родригес Дельгадо. Как истинный испанец, он пренебрег кошками и занялся быками, управляя ими с помощью имплантированных электродов лучше самых знаменитых тореадоров.

Развитие нейрохирургии привело к интересному открытию, пролившему свет на работу обоих полушарий головного мозга. В 60-е годы в целях борьбы с эпилепсией стали перерезать мозолистое тело – пучок нервных волокон, связывающих полушария головного мозга. После такой операции больные на первый взгляд не отличались от здоровых людей. Но профессор психологии Калифорнийского технологического института Роджер Сперри высказал предположение, что эта процедура далеко не безобидна. Уже при первых своих наблюдениях в 1968 г. он заметил, что у пациентов с «расщепленным мозгом» в буквальном смысле левая рука не ведает, что делает правая.

Сперри предпринял обширную серию экспериментов, используя самые различные психологические тесты. Его целью было исследовать, как реагируют оба полушария на воздействие света. У нормальных людей это трудно выяснить, но при лечении эпилепсии трудности отпадают. Сперри показал, что после рассечения мозолистого тела мозга процессы в каждом полушарии протекают независимо. Он доказал, что каждое полушарие мозга выполняет свои собственные функции: левое ответственно за речь, письмо и счет, правое – за восприятие пространственных взаимосвязей и интуитивное распознавание окружающих предметов. Поскольку нервные пути пересекаются, правое полушарие управляет левой половиной тела, а левое – правой. Поэтому, если оперированный человек касается левой рукой какого-либо предмета, то он его узнает, но не может назвать. Необходимо, чтобы, на помощь пришла правая рука – тогда информация от осязания преобразуется в левом полушарии в словесное описание. В дальнейшем Сперри выявил пластичность речевых функций, обнаружив, что у больных с рассеченным мозолистым телом (в особенности у молодых людей) со временем речевые функции правого полушария совершенствуются. В связи с этим Сперри высказал предположение, что взаимодействие между двумя полушариями обусловлено их различной «специализацией».

Оригинальные исследования Роджера Сперри показали, что нервный субстрат сознания образуют именно большие полушария головного мозга и связи между ними. Будучи развитыми у человека в наибольшей степени, они полностью доминируют над более примитивными структурами, унаследованными эволюционным путем. За свои замечательные открытия в области функциональной специализации полушарий мозга Роджер Сперри был удостоен в 1981 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине. Эту почетную награду разделили с ним американский ученый Дэвид Хьюбел и шведский исследователь Торстен Визел за открытия в области обработки информации в зрительной системе.