Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе

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 (3х108 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.