Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе

Александр Иванович Волошин

• О том, как работает сознание, знают все.• Как работает мозг знают многие.• Что такое нервный импульс толком не знает никто!• В этой книге мы с вами исследуем эволюцию человеческих представлений и заблуждений о природе нервного импульса.•Только научные факты, никакой эзотерики.• Вы узнаете, откуда в нервной системе электричество, о взаимодействии нейронов, о нейронных сетях и об искусственном интеллекте.• Впервые на русском языке современные неожиданные гипотезы сущности нервного импульса.

Возрождение

Лишь в эпоху Возрождения вместе с возобновлением интереса к естествознанию вообще, и функции нервной системы вновь стали предметом философских и научных исследований.

В какой-то степени проблемы, которые вставали перед наукой в эпоху Возрождения, были повторением старых, возникших в период становления философии на рубеже VII—VI веков до н. э. Поэтому, можно сказать, что эпоха Возрождения стала, по сути, периодом возвращения (возрождения) основ античной науки, перехода от догматизма к поиску новых путей научного исследования. В этот период наука стремилась преодолеть сакральность, которая царила в Средневековье.

XV—XVII века остались в истории временем расцвета искусств, прежде всего итальянской скульптуры и живописи. В меньшей степени в тот момент изучались проблемы души и сознания, так как вопросы духовной жизни традиционно оставались ещё вне круга научного изучения. Передовым направлением психолого-философских работ того времени стало исследование «проблемы способностей» личности. [5]

«Жизненный дух» Бернардино Телезио

Бернардино Телезио (Bernardino Telesio, 1509—1588) — итальянский учёный и философ. Он получил хорошее домашнее образование в области гуманитарных наук, а первым его учителем был дядя — литератор Антонио Телезио. Бернардино окончил Падуанский университет, а в 1535 г. получил степень доктора философии. Некоторое время жил в Неаполе, где открыл академию учёных, ориентированных на опытное познание природы (Academia Telesiana, или Consentina). По решению церковных властей академия была закрыта, а Телезио навсегда вернулся в родной город (в Козенце). Его жизненным девизом было изречение: «Realia entia, non abstracta» (Существующее реально, а не абстрактно).

Основные труды: «О природе вещей согласно её собственным началам», «О происхождении цвета», «О необходимости дыхания».

По Телезио носителем психических процессов является теплота, производящая движение и жизнь, т. е. жизненный дух, находящийся в лёгких, артериях, мозге. Кроме жизненного духа в человеке также присутствует и бессмертная душа. Познание мира происходит в результате соприкосновения жизненного духа с природой, имеющей единую с человеком сущность. За счёт этой общности достигается гармония человека с окружающим миром, а также гармония в самом человеке — так Телезио вплотную подошёл к идее гомеостаза[1].

Познание может быть сугубо эмпирическим, считал Телезио: «Строение мира, величину и природу содержащихся в нём вещей следует не постигать, как поступали древние, посредством разума, но воспринимать ощущением, выводя их из самих вещей».

Сам процесс познания Телезио описывал так: «тепло и холод, взаимодействуя с организмом, вызывают расширение и сужение „жизненного духа“, порождая образы восприятия, которые, в сущности, есть осознание изменений состояния внешней среды. Это осознание возникает на основе сравнения между входящими впечатлениями и уже имеющимися, сохранёнными в памяти. На основании прошлого опыта наблюдений за вещами человек может прогнозировать (представлять) движение событий по аналогии. Видя бутон, человек вспоминает распустившиеся цветы и может предположить, что этот цветок тоже распустится. Таким образом, постижение природы основано на ощущениях, которые по мере запечатления перерабатываются, связываются и группируются, образуя мысли, которыми оперирует разум». [4]

Кроме того, Телезио отмечает целесообразность процесса познания, действующего из принципа самосохранения, как и всё в природе. Показателем целесообразности происходящего с человеком служат аффекты: положительные аффекты связаны с самосохранением, поскольку в них проявляется сила стремления души к нему. А в отрицательных аффектах, наблюдается слабость движения души к самосохранению. Впоследствии подобную позицию в отношении аффектов будет занимать Спиноза, который построит на этих основаниях подробную концепцию организации мотивационной и эмоциональной сферы человека.

Идеи Телезио оказали значительное влияние на развитие эмпирической философии Нового времени, и не только в области познания природы человека, но и мира в целом. Его идея об отмежевании науки о природе от философии и теологии подготовила выделение физики в самостоятельную область научного знания. [5]

[1] Гомеоста́з — саморегуляция, способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия. Стремление системы воспроизводить себя, восстанавливать утраченное равновесие, преодолевать сопротивление внешней среды.

Анатомические рисунки Леонардо да Винчи

Возможно самой знаменитой личностью эпохи Возрождения является Леонардо да Винчи (Leonardo di ser Piero da Vinci, 1452 — 1519), проявивший себя в различных отраслях науки и искусства и, что важно для нашей темы, внёсший некоторый вклад в развитие медицины.

Увлечение анатомией побуждало Леонардо да Винчи препарировать трупы.

Рисунок 1. Не просто рисунок, но и наблюдения и попытка постижения знания.

Представления Леонардо о строении органов чувств вполне соответствовали научным взглядам той эпохи. Он думал, что мозг состоит из трёх луковиц с желудочками, которые располагаются по одной линии позади глазных яблок. Работы Леонардо да Винчи на полвека опередили исследования основоположника современной ему научной анатомии Андреаса Везалия, но остались неизвестными современникам.

Случилось так, что после смерти великого гения, все его рукописи числом около семи тысяч листов унаследовал его ученик, друг и компаньон Франческо Мельци, который систематизировал только то, что, по его мнению, имело отношение к искусству. Остальное наследие различными путями разошлось по частным коллекциям и библиотекам Италии и других стран Западной Европы и долгое время оставалось неизвестным.

По прошествии времени разрозненные рукописи и рисунки Леонардо стали предметом коллекционирования, и во второй половине XVIII века из них было сгруппировано 13 книг. Одной из самых интересных оказался «Виндзорский кодекс», в котором были собраны все его работы, посвящённые медицине. Таким образом, труды Леонардо да Винчи по анатомии стали известны только в XVIII веке (уже после выхода в свет труда Везалия), а изданы были ещё позднее в 1901 году в Турине.

Андреас Везалий

Вплоть до начала XVI века врачи изучали анатомию по трудам Галена, родившегося ещё в 129 году нашей эры. И только 13 столетий спустя, в эпоху Возрождения, появился человек заявивший, что Гален не во всём был прав, хотя это и казалось в то время немыслимым.

Около 1540 года нидерландский потомственный врач Андреас Везалий (Andries van Wesel, 1514—1564) составил список из двухсот ошибок Галена и пришёл к выводу, что тот дополнял све́дения, полученные при лечении гладиаторов более доступными в ту пору результатами анатомирования овец, коз, быков и обезьян, а потом экстраполировал собранные данные на людей.

К несчастью для Галена, вернее, для его учеников, человеческий мозг устроен несравненно сложнее, чем коровий, и в течение тысячи трёхсот лет медики пытались объяснить работу мозга на основе отчасти ошибочных представлений о его устройстве.

Некоторые историки обвиняли Везалия в корысти, якобы свой основной труд он написал ради придворной карьеры. Сам же он оставил нам следующую запись: «Я не мог бы сделать ничего более полезного, чем дать новое описание всего человеческого тела, чью анатомию никто не понимал, поскольку Гален, несмотря на все множество его трудов, сообщил об этом крайне мало, и я не знаю, каким ещё образом я мог бы донести результаты своих исследований до моих студентов».

Везалий опубликовал один из основополагающих трудов медицины — «О строении человеческого тела» в возрасте 28 лет, потратив много сил на то, чтобы книга была как можно более совершенной. Её иллюстрации обладают высокими художественными достоинствами и, как считают современные искусствоведы, они были созданы в мастерской самого Тициана, во всяком случае, первых двух из семи томов. В отличие от современных анатомических а́тласов, тела́ в книге не лежат безжизненно. Они позируют, как античные статуи. Некоторые устраивают настоящий стриптиз своей плоти, снимая её слой за слоем и обнажая внутренние органы и кости.

Спустя несколько недель после издания трактата «О строении человеческого тела» вышел в свет его великолепный конспект — «Извлечение» («Epitome»). Эта книга, более скромная и меньшая по объему, предназначалась для студентов-медиков, которые могли бы пользоваться ею непосредственно у анатомического стола. При том в «Извлечение» было включено несколько полностраничных рисунков скелетов и мышц из основного труда.

Шестой и седьмой тома посвящены исключительно мозгу. Анатомические исследования Везалия, относящиеся к различным отделам мозга, имели исключительное значение. До Везалия представления о структуре мозга и его функции оставались на уровне Галена. С изданием седьмого тома стали понятны хотя бы некоторые его структурные особенности, с этого времени анатомы уже не могли игнорировать его существование.

Рисунок 2. Одна из иллюстраций книги «О строении человеческого тела».

Есть такая история о Везалии [6]. Дон Карлос, наследник испанского престола, был хилым, болезненным подростком. Никто не испытывал к нему особой симпатии, поскольку он с самого детства был жестоким неуравновешенным психопатом. В подростковом возрасте он начал домогаться юных девушек.

Однажды вечером в 1562 году инфант побежал вниз по лестнице, чтобы перехватить горничную, за которой он шпионил, и тут кара судьбы настигла его. Он споткнулся, полетел кувырком и ударился головой у подножия лестницы. Испанские лекари не могли вылечить принца, поэтому отец король Филипп послал за Везалием. Тот обнаружил ушиб у основания черепа Карлоса и рекомендовал провести трепанацию, чтобы уменьшить давление.

Испанские врачи, раздражённые вмешательством иностранца, возражали против этой идеи.

Тем временем в Толедо три тысячи испанцев, раздевшись до пояса, хлестали друг друга плетьми, надеясь, что самобичевание спасёт жизнь принцу, а жители Алькалы — города, где боролся за жизнь дон Карлос — принесли мумифицированный труп брата Диего, монаха-францисканца, умершего несколько веков назад, и уложили его в постель рядом с лежащим без сознания принцем.

Такая терапия, естественно, не дала результатов, и Везалию разрешили провести операцию. Карлосу просверлили маленькое отверстие в черепе и удалили гной. Через неделю инфант поправился, но врачи и горожане приписали все заслуги чудотворной мумии монаха, которого впоследствии канонизировали за чудо, сотворённое Везалием.

Этот фарс возмутил Везалия и побудил его покинуть Испанию под предлогом паломничества. По другим све́дениям, за вскрытие трупов, при котором однажды погиб человек, находившийся в летаргии, Везалий был приговорён к смерти испанской инквизицией, но, благодаря заступничеству короля Филиппа II, смертную казнь заменили вышеупомянутым паломничеством. Правда, современные историки считают и этот рассказ выдумкой.

Зато достоверно известно, что Везалий стал жертвой чудовищной травли со стороны своего собственного учителя, который встал на защиту традиционной медицины Галена. Именно это обстоятельство и нападки Римской католической церкви вынудили его отправиться в Палестину в паломничество ко Гробу Господню

Возвращаясь из этого опасного и трудного по тем временам путешествия, при входе в Коринфский пролив, корабль Везалия потерпел крушение, и отец современной анатомии был выброшен на небольшой остров Занте, где тяжело заболел и умер 2 октября 1564 года, 50-и лет отроду.

«Животные духи» Рене Декарта

Важную роль в последующих исследованиях сыграло выдвижение в 1649 году французским философом и естествоиспытателем Рене Декартом принципа отражательной (рефлекто́рной) деятельности нервной системы. Сам термин «рефлекс» несколько позже начали использовать в своих работах английский учёный Виллизий (Уиллис (Willis) Томас, 1672) и чешский физиолог Йиржи Прохаска (Prochazka, 1784), но идея принадлежит именно Декарту.

Рене Декарт (René Descartes, 1596—1650) — французский философ, математик, механик, физик и физиолог, более известен нынешнему читателю благодаря своему афоризму: «Я мыслю, следовательно, я существую», а также как создатель аналитической геометрии и современной алгебраической символики, автор метода радикального сомнения в философии, механицизма в физике, предтеча рефлексологии.

Рисунок 3. Иллюстрация к размышлениям. Рене Декарт.

Почти до середины XVIII века большинство учёных считало, что причиной сокращения мышц и, вообще, всех движений является душа.

Допуская существование двух независимых субстанций — души и тела, он полагал, что тело не нуждается в душе как источнике активности. В его теории бренное тело рассматривается как машина, функционирующая по законам механики. Источник движения находится не в душе, а в самом теле, в его конструкции, которая «запускается», как любая машина-автомат, внешним толчком. Душа же согласно Декарту, наделена собственной волей, направляющей процессы мышления, познания, а основная функция тела — это движение, которое рассматривается как рефлекс. Собственно, термин «рефлекс» в рассуждениях Декарта отсутствует, но в его описаниях строения и функционирования тела чётко прочитываются основные компоненты рефлекто́рной дуги, в состав которой входит несколько обязательных компонентов, или звеньев, каждое из которых выполняет собственную функцию.

Значительное влияние на создание Декартом его теории рефлекса оказало открытие в 1628 году Уильямом Гарвеем (1578—1657) процесса кровообращения. Нервную активность Декарт мыслил по аналогии с прохождением крови по сосудам. Он считал, что всё тело пронизано нервами, берущими своё начало в мозге и идущими ко всем частям организма. Нервы он представлял в виде тонких ниточек, окружённых оболочкой, как трубочкой. В этих трубочках помимо ниточек содержатся «животные духи» — наиболее подвижные и лёгкие частицы крови, которые отфильтровываются от других частиц в мозге (тела, «не имеющие никакого другого свойства, кроме того, что они очень малы и движутся очень быстро»). Через поры в мозге животные духи способны проникать в нервы, а из них в мышцы, благодаря чему тело способно совершать разнообразные движения. При внешнем воздействии на нервные окончания, натяжения нитей открывают клапаны, и животные духи переходят из одной трубочки в другую, направляясь к соответствующей мышце, раздувают её, заставляя сокращаться. Так проследив путь, который проходят «животные духи» по нервам от рецепторов к мозгу, а от него к мышцам, Декарт фактически описал рефлекто́рную дугу.

Движением «животных духов» Декарт объяснял всё разнообразие действий и поведения человека. Движения «животных духов» внутри мозга осознаются душой, по его мнению, как ощущения, восприятия и представления. Изменение траектории движения «животных духов» (следовательно, и вариативность поведения) он объяснял двумя причинами: привычкой, или упражнением, и воздействием души.

Обсуждая возможность изменить течение рефлекса, т. е. возможность обучения и формирования желательного поведения, Декарт использовал понятие ассоциация, введённое ещё Аристотелем. Однако если у Аристотеля ассоциации связаны, прежде всего, с работой органов чувств, то Декарт распространяет ассоциации и на поведение, говоря о связи между двумя действиями или действием и образом предмета. Так, выстрел, который приводит к естественному порыву — убежать, скрыться, может при обучении изменить свою функцию, например, у солдата стать сигналом к атаке, а у охотничьей собаки — к поиску дичи. Такое изменение поведения не связано с влиянием души и происходит потому, что ассоциации, возникающие в результате упражнения или привычки, деформируют клапаны (поры) мозга в результате натяжения определённых «нитей». Это приводит к изменению естественного движения «животных духов», они перемещаются в новом направлении и попадают в другую мышцу, вызывая соответственно иное движение. Эти изменения поведения происходят, как было сказано, без вмешательства души, тогда как воздействие страстей на деятельность связано с её активностью. Описанные идеи Декарта получили более детальное воплощение в ассоциативной теории Гартли.

В результате, в 1632 году Декартом была сформулирована теория дуализма. Эта теория предполагает, что люди обладают двойственной природой: материальным телом и нематериальной и неразрушимой душой, живущей вне тела. Эта двойственная природа связана с двумя типами субстанций. Res externa — материальная субстанция, наполняющая тело, в том числе головной мозг, — бежит по нервам и придаёт животную силу мышцам. Res cogitans — нематериальная субстанция мысли, свойственная только людям. Она порождает рациональное мышление и сознание, а её нематериальность отражает духовную природу души. Рефлекторные действия и многие другие физические формы поведения осуществляются мозгом, а психические процессы осуществляет душа. Декарт считал, что эти два начала взаимодействуют друг с другом посредством эпифиза — небольшой структуры, расположенной в глубине мозга.

Римско-католическая церковь, чувствуя, что новые открытия анатомии угрожают её авторитету, приняла дуализм, потому что он разделял сферы науки и религии.

Идеи Декарта легли в основу представления о том, что действия, такие как приём пищи или ходьба, а также сенсо́рное восприятие, потребности, влечения и даже простые формы обучения осуществляются при посредничестве мозга и доступны для научного исследования, однако, психика, то есть душа, священна и как таковая не должна и не может быть предметом научного анализа.

Примечательно, что эти идеи XVII века были по-прежнему в ходу и в восьмидесятые годы XX века. Например, Карл Раймунд Поппер, великий философ науки, и Джон Кэрью Экклс, нейробиолог и нобелевский лауреат, всю жизнь были сторонниками дуализма и соглашались с Фомой Аквинским, что душа бессмертна и независима от мозга.

Британский философ науки Гилберт Райл критикуя идеи мыслителей XVII и XVIII веков (в частности, Декарта) о том, что человеческая природа есть механизм с «духом» внутри, назвал эту концепцию души «призраком в машине».

Механицизм Гартли

Дэвид Гартли (David Hartley, 1705—1757) — английский мыслитель, один из основоположников психологической теории, которая известна как ассоцианизм.

В основу своей теории Гартли положил идею об опытном характере знания, а также принципы механики Ньютона. Вообще, механистическое понимание человеческого организма, сути его работы, в том числе и функционирования нервной системы в то время, было характе́рной приметой психологии XVIII века. Не избежал этого увлечения и Гартли, который стремился объяснить поведение человека исходя из физических принципов.

В своей книге Размышления о человеке, его строении, его долге и упованиях (1749 год), Гартли предположил существование неких вибраций внешнего эфира, которые отзываются соответствующими вибрациями в органах чувств. Вибрация органов чувств отзывается соответствующими вибрациями в мозге, а те, в свою очередь, стимулируют работу определённых мышц, вызывая их сокращение и движение частей тела.

Осмыслив структуру сознания человека, Гартли выделил в ней два круга: большой и малый. Большой круг по сути является описанием рефлекторной дуги — он регулирует поведение, а малый является основой психической жизни, процессов познания и обучения. Гартли считал, что вибрация участков мозга в большом круге вызывает соответствующую вибрацию в малом оставляя там следы. Эти следы, по его мнению, служат основой памяти человека. Они могут быть более или менее глубокими в зависимости от силы и значимости вызывавших их событий. Принципиально новой была идея Гартли о том, что от силы этих следов зависит степень их осознанности человеком, причём слабые следы, подчёркивал он, вообще не осознаются. Таким образом, он расширил сферу душевной жизни, впервые включив в неё бессознательные процессы.

Спустя сто лет идею Гартли о силе следов и её связи с возможностью их осознания развил известный психолог Иоганн-Фридрих Гербарт (1776—1841) в своей знаменитой теории о динамике представлений. [5]