Загадка падающей кошки и фундаментальная физика - Грегори Гбур

Реальность, как мы вполне можем себе представить, намного сложнее. Исследования XIX в. сделали большое дело и помогли нам разобраться в рефлекторных действиях как в целом, так и в деталях. В начале столетия шотландский хирург Чарльз Белл (1774–1842) продемонстрировал, что существует два различных типа нервов, по которым информация передается по телу. Белл различал сенсорные нервы, передающие информацию центральной нервной системе, и моторные нервы, передающие команды от центральной нервной системы к мышцам и органам. Белл опубликовал свои откровения в 1811 г. в книге под названием «Идея о новой анатомии мозга».

Английский физиолог Маршалл Холл (1790–1857) на основе наблюдений Белла построил и сформулировал первую полную теорию рефлекторных действий, предложив при этом термин рефлекторная дуга для описания полного процесса реализации рефлекса. Теорию Холла, в общем и целом верную, можно объяснить на примере коленного рефлекса. Удар докторского молоточка служит для коленного сухожилия стимулом; стимул возбуждает сенсорный нерв, который передает сигнал определенному сегменту спинного мозга, который посылает обратно по моторному нерву подходящей четырехглавой мышце команду дернуть ногой.

Кроме того, коленный рефлекс — прекрасный образец одного из важнейших свойств рефлексов, также открытого Чарльзом Беллом и известного как реципрокное (сопряженное) торможение. Когда запускается коленный рефлекс, возникает не только сигнал от спинного мозга с командой четырехглавой мышце сократиться и дернуть ногой, но и сигнал противодействующей мышце, мышце-антагонисту, с командой расслабиться. Именно благодаря торможению мышцы-антагониста противодействующие мышцы не борются друг с другом — ведь это привело бы не только к пустой трате энергии, но потенциально могло бы вызвать мышечную травму. Как мы вскоре увидим, торможение мышечного действия играет огромную роль в работе нервной системы. В статье 1823 г. о мышцах, обеспечивающих движение глаза, Белл описывает такую реакцию:

В эпоху Белла было сделано еще одно ключевое открытие, наглядно демонстрирующее сложность рефлексов. Исследователи обнаружили, что один и тот же рефлекторный ответ может вызываться многими разным входящими воздействиями-раздражителями, способными изменить силу и природу рефлекса, и что среди этих входящих воздействий могут быть не только различные чувства, но и сознательный контроль разума. Классический рефлекс такого рода — болевой рефлекс отдергивания, который заставляет руку отдергиваться от горячей поверхности или открытого пламени. Однако, как любят демонстрировать злодеи в приключенческих фильмах, этому рефлексу можно противостоять, удерживая руку над огнем даже при очень сильной боли. Коленный рефлекс, напротив, является простым и не может контролироваться сознательно: как бы вам ни хотелось сдержаться, нога все равно дернется.

Таким образом, к концу XIX в. ученым удалось собрать ошеломляющее количество информации о функционировании рефлексов в частности и нервной системы в целом; при этом никакой обобщающей теории, соединяющей разрозненные части, не существовало. Помимо рефлекторных действий исследователи успели изучить анатомию мозга и узнать, как различные высшие когнитивные функции распределяются по конкретным областям мозга. Они узнали также, что фундаментальным строительным кирпичиком всей нервной системы является нервная клетка, или нейрон.

Именно при таком состоянии дел на сцене появился Чарльз Скотт Шеррингтон (1857–1952), английский физиолог и патологоанатом. Шеррингтон, которому вскоре предстояла необычная карьера, начал жизнь тоже довольно необычным образом: согласно официальным записям, он был рожден через девять лет после того, как умер его официальный родной отец Джеймс Нортон Шеррингтон. Его подлинным отцом, возможно, был женатый хирург по имени Калеб Роуз, у которого был роман с матерью Шеррингтона. Очевидно, чтобы избежать скандала, Роуз оставил официальное отцовство покойному Джеймсу и ограничился ролью «гостя» в доме Шеррингтонов, по крайней мере до тех пор, пока его собственная жена не умерла в 1880 г.

Калеб Роуз оказывал на своего пасынка мобилизующее действие, именно он отправил Чарльза Шеррингтона в медицину. Финансовые проблемы семьи не позволили начать обучение в Кембридже, как надеялся Чарльз, но он сумел отличиться в старших классах Ипсвичской школы и к 1875 г. сдать предварительный экзамен по общему образованию в Королевском колледже хирургов Англии. К 1879 г. Шеррингтон уже посещал Кембридж в качестве вольнослушателя. В 1884 г. он добился членства в Королевском колледже хирургов, в 1885 г. защитил степень бакалавра по медицине и хирургии.

Склонность к нейробиологии возникла у Шеррингтона в результате цепочки событий, произошедших на VII Международном медицинском конгрессе в 1881 г. На этом собрании вспыхнул жаркий спор о локализации конкретных функций в мозге, что немедленно дало толчок нескольким экспериментам, которые должны были разрешить этот вопрос. Шеррингтон на встрече не присутствовал, но его в качестве помощника привлекли к последующим экспериментам, и этот опыт произвел на него глубокое впечатление.

Несмотря на интерес к нейробиологии, в ранних своих работах Шеррингтон обращался попеременно к физиологии и патологии (изучению болезней и их причин). В 1880-е гг. он много раз ездил на вспышки холеры в Европе, чтобы как можно лучше изучить болезнь. В 1887 г., однако, он устроился преподавателем систематической физиологии в больницу Св. Фомы в Лондоне; именно там он сделал изучение нейрофизиологии своим главным занятием.

Первоначально Шеррингтон сосредоточил усилия на изучении коленного рефлекса и в 1893 г. опубликовал результаты своих исследований. В этой работе он сделал важное открытие — то, что мы сегодня называем проприоцептивными рефлексами и что играет ключевую роль в реципрокном торможении. Благодаря работам Чарльза Белла к тому моменту было уже известно, что рефлексы, в которых задействованы антагонистические мышцы, испытывают реципрокное торможение. Но Шеррингтон исследовал эти рефлексы более подробно и выяснил, что степень торможения зависит от того, были антагонистические мышцы первоначально напряжены или нет. Напряженные мышцы задней стороны бедра, к примеру, получили бы сильный импульс торможения, тогда как те же мышцы в расслабленном состоянии получили бы слабый импульс того же рода. Очевидно, коленный рефлекс получал не только сигнал от коленного сухожилия, но и информацию о текущем состоянии мышц задней поверхности бедра от расположенных в них сенсорных нервов. Сенсорные нервы, залегающие в мышцах, суставах и сухожилиях, получили известность как проприоцепторы; они обеспечивают центральную нервную систему информацией о внутренних стрессах и напряжениях, которые испытывает любое живое тело.