Загадка падающей кошки и фундаментальная физика - Грегори Гбур

Таким образом, Шеррингтон продемонстрировал, что каналы связи, задействованные в работе рефлексов, гораздо сложнее, чем считалось ранее. Мы можем в сравнении представить ранние и более продвинутые взгляды на действие рефлексов как разные реакции на пожарную тревогу. В первом варианте сигнал пожарной тревоги был дан и пожарная служба его приняла, но без подробной информации о том, что, собственно, случилось. Шеррингтон же показал, что действие рефлексов гораздо больше похоже на звонок в пожарную службу по соответствующему телефону, при котором звонящий сообщает пожарным много разной информации, прежде чем они решают, какие меры следует предпринять.

В ходе дальнейшего исследования мышц-антагонистов Шеррингтон отметил еще одно необычное явление, которому суждено было сыграть громадную роль в познании нервной системы. У животных с полностью удаленными большими полушариями мозга (децеребрированных животных) мышцы-разгибатели (такие как четырехглавая мышца) сразу становились жестко вытянутыми — вскоре это явление получило название «децеребральная ригидность». Наблюдаемая ригидность натолкнула Шеррингтона на мысль о том, что мышцы, даже находясь в покое, непрерывно испытывают, с одной стороны, возбуждение с подачи одной части центральной нервной системы и, с другой стороны, получают сигналы на торможение от больших полушарий мозга. Это, в свою очередь, привело ученого к выводу о том, что торможение играет в нервной системе и рефлекторных действиях гораздо более существенную роль, чем полагали прежде. В 1932 г. Шеррингтон стал за это открытие одним из лауреатов Нобелевской премии по физиологии и медицине. В своей нобелевской лекции он описал это явление:

В 1906 г. Шеррингтон еще больше укрепил свою репутацию в нейробиологии публикацией книги «Интегративное действе нервной системы» (The Integrative Action of the Nervous System). В ней он изложил первую унифицированную картину того, как работают рефлексы на разных уровнях, начиная с клеток и заканчивая мозгом. Он предложил концепцию синапса как ключевой точки связи между нервными клетками, а также место, где возбудительные и тормозящие сигналы рефлекса взаимодействуют, определяя общий рефлекторный ответ. При помощи синаптической картины рефлекторных действий и эволюционной теории Шеррингтон объяснил, как и почему возникли основные структуры мозга, такие как мозжечок и большой мозг.

Новаторские взгляды Шеррингтона на рефлекторную и мозговую функцию побудили многих физиологов и нейробиологов к проверке огромного числа высказанных им идей. Одним из этих исследователей был Льюис Вид из Гарвардской медицинской школы, опубликовавший в 1914 г. свои «наблюдения по поводу децеребральной ригидности».

Шеррингтон в свое время показал, что большие полушария головного мозга производят тормозящее действие на мышцы и что удаление этих полушарий приводит к ригидности. Вида, напротив, интересовала локализация той части мозга или спинного мозга, откуда берет начало возбуждающий сигнал для мышц. Проведя множество испытаний на подопытных кошках, он пришел к выводу, что ключевую роль в поддержании ригидности играют две части мозга: мозжечок и средний мозг. Мозжечок получает от конечностей импульсы с запросом на ригидный ответ, но при этом он одновременно служит связующим звеном, передающим сигнал торможения от коры головного мозга к конечностям. Вид выяснил, что точкой возникновения сигналов, посылаемых в конечности и вызывающих ригидность, является средний мозг.

Вида к исследованиям подталкивал не только «связанный с ними физиологический интерес», но и тот факт, что децеребральная ригидность обладает очень близким сходством с той ригидностью, которая развивается в некоторых смертельных человеческих болезнях, таких как менингит. Познание механизма децеребральной ригидности должно было, по мнению Вида, помочь в диагностировании и лечении болезней, имеющих отношение к нервной системе.

Неизбежным следствием огромного числа новаторских концепций по поводу рефлекторной функции, высказанных Шеррингтоном, и доступности подопытных кошек стало то, что кошачий рефлекс переворачивания в падении очень быстро оказался в фокусе внимания нейробиологии. В 1916 г. Вид, работавший теперь в Университете Джона Хопкинса, объединил усилия со своим коллегой Генри Мюллером, чтобы провести первое исследование кошачьего рефлекса с точки зрения нейробиологии.

Источником их вдохновения и мотивации опять же стала децеребральная ригидность — и еще гипотеза, выдвинутая Шеррингтоном в его известной книге 1906 г.

Шеррингтон предполагает, что ригидность всегда «включена» и активно подавляется корой головного мозга потому, что в ней задействованы именно те мышцы, которые позволяют животному сохранять правильную позу под действием силы тяжести. С точки зрения выживания все это очень логично: способность животного охотиться или убегать от хищников зависит от его способности двигаться стоя, так что мышцы, поддерживающие тело в таком положении, должны быть активны все время по умолчанию. Шеррингтон говорит, что нервные пути, выполняющие эту эволюционную задачу и обеспечивающие антигравитационные рефлексы, и должны быть источником децеребральной ригидности.

Поскольку можно предположить, что кошачий рефлекс переворачивания в правильное положение — это тоже рефлекс противодействия гравитации, хотя и совершенно иной природы, Мюллер и Вид решили исследовать данный рефлекс не только для того, чтобы проверить гипотезу Шеррингтона, но и для того, чтобы разобраться в неврологическом механизме кошачьего рефлекса. В ходе их экспериментов не проводилась высокоскоростная съемка; их не интересовали конкретные движения, которые делает кошка в процессе переворачивания, они стремились выделить способ, посредством которого нервная система инициирует эти движения.

Ученые обнаружили — и в этом, возможно, нет ничего удивительного, — что децеребрированная кошка совершенно не проявляет рефлекса переворачивания; это позволяет предположить, что для переворачивания в воздухе в правильное положение необходима не только высшая функция мозга, но даже сознание. Следовательно, это сложная рефлекторная дуга, а сам рефлекс больше напоминает болевой рефлекс отдергивания, чем коленный рефлекс.

Еще важнее, что Мюллер и Вид попытались разобраться в том, при помощи каких чувств кошка определяет, в какую сторону необходимо повернуться, чтобы приземлиться в правильном положении, на лапы. Ключевым объектом их исследования — как и множества последующих — была вестибулярная система, позволяющая живым существам ощущать ускорение. Хотя функциональные части вестибулярного аппарата располагаются в основном во внутреннем ухе, его, в принципе, можно рассматривать как шестое чувство наряду с традиционными пятью — зрением, слухом, тактильным осязанием, вкусом и обонянием. Вестибулярный аппарат можно подразделить на два отдельных компонента: полукружные каналы, регистрирующие ускорение в виде вращения, и отолиты, регистрирующие прямолинейное ускорение.