Развитие физиологии ЦНС в XX столетии и ее вклад в понимание психической деятельности

Ученые давно поняли, что связь между течением электрических процессов в нервной системе и физиологическими реакциями животных, как нить Ариадны, может привести к пониманию механизмов, лежащих в основе этих реакций. Электрические импульсы можно измерить, определить, где они зарождаются, в каком направлении и с какой скоростью распространяются по нервным путям. Следовательно, можно выявить и структуры, отвечающие за те или иные реакции животных, вклад этих структур и, более того, их отдельных элементов в процесс возникновения поведенческих реакций. Безусловно, любая форма поведения животных и человека сопровождается не только течением электрических процессов в возбудимых тканях. Возникают и сложные химические изменения, связанные с активным обменом веществ, газообменом, поглощением или выделением тепла и т. д. Однако все эти реакции более инертны, и их намного труднее регистрировать, чем электрические токи. Поэтому, как только с развитием физики появились высокочувствительные приборы, позволяющие выявлять очень быстрые и очень слабые электрические колебания, физиологи тут же взяли их на вооружение.

Одним из пионеров изучения нервной активности с помощью электрофизиологических показателей был Николай Евгеньевич Введенский, который принимал «сообщения» об изменениях электрических реакций в нервной системе животных по только что изобретенному телефону. Однако треск импульсов в мембране телефонной трубки можно было услышать, но нельзя было зарегистрировать, как объективное свидетельство реакции.

Для регистрации электрических процессов стали применять струнный гальванометр, сконструированный в 1903 году голландским ученым, лауреатом нобелевской премии Виллемом Эйнтховеном для отведения электротоков сердца. Русский физиолог Александр Филиппович Самойлов внес в прибор ряд усовершенствований и одним из первых в мире стал проводить электрофизиологические исследования с его помощью. Принцип действия прибора был очень простым. В ярком луче света тонкая струна, натянутая между двумя магнитами, колебалась под воздействием электрических полей, вектор которых, как известно, перпендикулярен вектору полей магнитных. Тень от этих колебаний проецировалась на экран или на фотографическую пластинку. Вот и все. Однако создание этого прибора на рубеже веков вывело науку о мозге на совершенно новый уровень исследований. Именно электрофизиологические методы сыграли важнейшую роль в последующем развитии физиологии ЦНС.

Окидывая беглым взглядом итоги научных изысканий нейрофизиологов в XX веке, мы не будем подробно останавливаться на отдельных работах тех или иных ученых по той простой причине, что результаты этих работ и являются собственно содержанием данного учебника. Рафаэль Лоренте де, Но и Вернон Маунткасл, Генри Дейл и Джон Экклс, Джеймс Олдс и Роджер Сперри, Платон Григорьевич Костюк и Эзрас Асратович Асратян, Владимир Сергеевич Русинов и Александр Борисович Коган — эти и многие другие имена будут периодически появляться на страницах учебника в связи с теми или иными вехами исследования основных принципов работы центральной нервной системы. Поэтому в данном разделе мы рассмотрим лишь основные этапы развития физиологии ЦНС в теперь уже прошедшем столетии.

Как уже было отмечено, важнейшую роль в деле приближения физиологической науки к пониманию основных закономерностей работы ЦНС сыграли электрофизиологические методы исследования. Успешное развитие этих методов стало возможным, в свою очередь, благодаря бурному прогрессу химии, физики и электроники. С появлением катодных осциллографов, электронных усилителей и других регистрирующих приборов появилась возможность для анализа электрических процессов, протекающих в самых различных отделах ЦНС. В первую очередь подробнейшим образом были изучены суммарные электрические процессы, возникающие в нервной системе при ее активизации.

Исследование вызванных электрических потенциалов имело большое значение для определения топической организации коры больших полушарий мозга. Изучение медленных электрических колебаний, регистрируемых как с поверхности коры, так и с поверхности черепа, показало, что их амплитудные и частотные характеристики могут изменяться в зависимости от того, в каком физиологическом состоянии (сон, бодрствование) находится животное или человек. Более того, оказалось, что эти изменения могут отражать и динамику развития различных патологических явлений, возникающих в нервной системе. Такая информативность медленных электрических процессов, естественно, заинтересовала исследователей, и бурный рост работ, проведенных в этой области, привел к появлению самостоятельного раздела науки — электроэнцефалографии, изучающей закономерности суммарной электрической активности головного мозга для качественного и количественного анализа его функционального состояния. Тем не менее, поскольку согласно одной из существующих теорий всякого рода развитие происходит по спирали, ученым пришлось вернуться к исследованию активности отдельных клеток для того, чтобы понять, каковы же механизмы возникновения суммарных электрических процессов.

В середине столетия был разработан метод введения внутрь нейронов сверхтонких стеклянных микропипеток. После такого введения клетки продолжали жить и сохранять свою активность. Этот метод позволил детально исследовать процессы возбуждения и торможения, протекающие в различных типах нейронов, изучить механизмы межклеточного взаимодействия, синаптической передачи. Кроме прочего, этот метод способствовал быстрому развитию нейрохимии, поскольку предоставил ученым возможность ювелирно воздействовать на клеточные мембраны с помощью микроинъекций различных химических препаратов в тело или крупные аксоны клеток.

Появившиеся еще через несколько лет методы внеклеточной регистрации активности нейронов и целых нейронных популяций позволили приступить к изучению работы нейронных сетей и нейронных ансамблей при различных формах поведения животных. Параллельно развивались методы электронной микроскопии. Благодаря им шло успешное изучение ультраструктуры клеток и их отростков. Исследовались тончайшие изменения в строении мембран, цитоплазмы и клеточных элементов, возникавшие в результате активного воздействия на клетки факторов внутренней и внешней среды. В конце столетия к исследованиям физиологии ЦНС активно стали применяться генетические и молекулярно-биологические подходы. Это было обусловлено назревшей необходимостью расшифровки механизмов тех поведенческих реакций, которые тесно связаны с генотипом животных, необходимостью учитывать особенности генетически детерминированных процессов обучения.

Хочется надеяться, что все эти достижения приближают нас к решению одного из важнейших вопросов физиологии — каким же образом ЦНС кодирует, перерабатывает, хранит и использует информацию, поступающую в нее от рецептивных полей. Но до тех пор, пока ответ на этот вопрос не получен, нам остается только одно — тщательно изучать то, что природа нам уже открыла, чтобы у нас всегда имелась возможность сделать еще один шаг в правильном направлении на пути к открытию следующих ее тайн.