Валерий Чолаков
Нобеловите награди (55) (Учени и открития (1901–1982))

Неврофизиология

В последните десетилетия на 19 век бяха постигнати решителни успехи в изучаването на клетъчния строеж на мозъчната тъкан. Началото на тези открития бе поставено от Камило Голджи, професор от Павия, който създаде много ефикасен метод за специфично оцветяване на нервните клетки. Работейки в най-различни области на експерименталната медицина, той между другото реши да използва сребърния нитрат за оцветяване на препарати от мозъчна тъкан. Сребърните соли се поглъщаха селективно от нервните клетки и им придаваха хубав черен цвят. Така лесно се виждаха различните израстъци на клетката и италианският учен можа да опише малките разклонения — дендрити, и големия израстък — аксон, които осъществяват връзката с другите клетки.

Голджи никога не е придавал особено значение на това свое откритие и дори не се знае точно кога е било направено то. Методът за оцветяване бе поет от други учени и микроанатомията на мозъка направи бърз прогрес. В 1891 г. Валдайер въведе понятието неврон като основен елемент на нервната система. Неговият неврон е функционална единица, състояща се от клетъчно тяло и израстъци, които достигат други клетки. Тази теория бе наложена в науката с цената на много усилия. Един от най-убедените й противници бе самият Голджи. Теорията обаче бе възникнала и се развиваше до голяма степен благодарение на неговите експериментални методи. Нови данни в подкрепа на тези идеи бяха получени чрез усъвършенствуването на методите за изготвяне на препарати. Главна заслуга за това имаше испанският учен Сантяго Рамон и Кахал, който доразви техниката на Голджи. Наред със сребърния нитрат той въведе в употреба и златния хлорид. Това съединение импрегнираше и най-тънките израстъци на невроните и ги правеше видими. Така в хаоса от сплетени нишки и клетки на мозъчната тъкан можеше да се види една по-ясна картина.

Голджи описа няколко типа нервни клетки и техните израстъци. Той установи, че аксоните на мозъчните клетки се събират и продължават в гръбначния мозък, като по този начин осъществяват връзката с тялото. Кахал проведе обширни наблюдения върху структурата на различни дялове от мозъка и нервната система, като често изследваше ембрионалното развитие на мозъчните структури, които в ранните етапи имат по-опростен строеж и дават възможност по-лесно да се схване общата идея в устройството на мозъка. И двамата учени бяха много известни в началото на века. Те нееднократно бяха предлагани за Нобелова награда. Срещу това се отправяха възражения, тъй като Голджи от десетилетия не се беше занимавал с тези проблеми и всъщност беше по-известен с работите си върху субклетъчните структури. От друга страна, Кахал бе активен изследовател, който напълно заслужаваше поощрението на Нобеловата награда. Но той не беше откривател на метода.

Това бе сложна дилема за Нобеловия комитет при Каролинския институт, който в първите години се придържаше по-твърдо към завещанието на Алфред Нобел. Имаше хора, които казваха, че ако бъде награден Голджи, това ще е първият случай, когато наградата ще бъде дадена като пенсия. Въпреки острите реплики в 1906 г. най-после се стигна до компромис. Голджи и Кахал получиха Нобеловата награда по медицина и физиология в признание на тяхната работа върху структурата на нервната система.

От установяването на строежа на мозъка до разгадаването на неговата функция беше още много далеч. Тази задача изглежда далечна и днес след толкова много успехи в неврофизиологията. Както става в науката, изследователите започнаха от най-простото. Те си поставиха за цел да разберат как работят нервните влакна, които провеждат импулсите.

Биоелектричеството е известно като явление още от опитите на Галвани в края на 18 век. В началото на 19 век то бе изследвано от неговите сънародници Нобили и Матеучи. Към 1843 г. Дюбоа-Реймон вече разполагаше с достатъчно съвършена техника, за да изучава импулсите по нервното влакно. Той показа, че това е вълна от отрицателно електричество. Няколко десетилетия по-късно Фритьоф Холмгрен с телефон „подслушваше“ сигналите на нервите. От тези изследвания се натрупаха данни за биоелектричните явления. Боудич установи, че дейността на нерва, по-специално неговото възбуждане, се подчинява на закона „всичко или нищо“, т.е. сигнал има, когато възбуждането достигне определен праг. Тези данни бяха потвърдени в началото на 20 век от Лукас. Хил и неговите сътрудници изследваха топлоотделянето на нерва, като показаха, че при провеждането на импулса рязко се усилва метаболизмът.

Тези опити бяха направени в Кембридж, където работеше една голяма школа от физиолози. След Първата световна война от военните болници там се завърна един млад изследовател, който се зае да изучава нервните пътища с най-модерна за времето си техника. Едгар Дъглас Адриан приложи радиолампи, които усилваха хиляди пъти сигнала, и успя да улови импулс от единични нервни влакна — израстъци на един неврон. Заедно със своя сътрудник Зотерман той получи интересни данни за характера и разпределението на импулсите, които впоследствие бяха много ценни за изучаването на механизма на възникване на тази вълна от биоелектричество.

Адриан постигна големи успехи в изследването на проводящите пътища, особено на сетивните органи. Това го направи Нобелов лауреат по медицина за 1932 г. Заедно с него бе награден един ветеран на неврофизиологията — Чарлз Шерингтън, изследвал невронната структура на рефлексите. Двамата получиха наградата за изследвания върху функцията на невроните. Техните работи разглеждаха проблема от различни страни и добре се допълваха.

Техническите усъвършенствувания дадоха възможност за задълбочаване на познанията за нервите — електропроводниците на биокомуникацията. След като Хелмхолц в края на миналия век се зае с измерване на скоростта на провеждане на нервния импулс, в нашия век този род изследвания продължиха бързо да се развиват. Густав Йотлин установи, че дебелите влакна провеждат с по-голяма скорост. Адриан откри, че импулсите се отделят на серии, като честотата е по-голяма при по-силно дразнене. Това навеждаше на мисълта, че нервите са подобни на сложноустроените кабели, състоящи се от сноп различни проводници. На Джозеф Ерлангер и Херберт Спенсер Гасер се падна щастието да бъдат първите, които установиха сложната структура на нерва. В 1920 г., на един конгрес на инженери в Чикаго, бяха демонстрирани нови усилващи радиолампи и усъвършенствувани катодни осцилографи, които за двете десетилетия след откриването им от Карл Фердинанд Браун бяха постигнали доста добро ниво. С тази техника Ерлангер и Гасер записаха с висока точност нервните импулси и през 1924 г. стигнаха до извода, че техният сложен характер може лесно да се обясни, ако се приеме, че самият нерв се състои от няколко типа влакна, които провеждат електричната вълна с различна скорост. Двамата учени, които работеха в известния университет „Джордж Вашингтон“ в Сейнт Луис, Мисури, установиха, че има три групи влакна. Те бяха обозначени с първите три букви на латинската азбука. Влакната тип A, които са най-дебели, провеждат със скорост 5 до 100 метра в секунда, тип B — с 3 до 14 м/сек, и тип C — със скорост от 0,3 до 3 м/сек.

Ерлангер и Гасер успяха да покажат, че отделните влакна, влизащи в състава на един нерв, служат на различни цели. Дебелите влакна с висока скорост на провеждане носят команди за бързо действие на мускулите; за по-тънките, по които се движи информацията от сетивата, не е нужна толкова висока скорост на провеждане. Най-бавни са нервните нишки, провеждащи например чувството за болка. Това разнообразие е резултат на милионите години еволюция, когато са преживявали само най-бързите и най-добре приспособените.

През 1944 г., когато вече се виждаше краят на войната, Нобеловият комитет на Каролинския институт възобнови дейността си и реши да даде наградата по медицина и физиология на Ерлангер и Гасер за откриването на високодиференцираните функции на единичните нервни влакна. Работата на тези учени бе голяма крачка напред за неврофизиологията, изследваща нервните структури във връзка с тяхната функция.

Към средата на 20 век най-после се получиха категорични резултати, показващи как се осъществява провеждането на нервния импулс. Още Дюбоа-Реймон предполагаше, че биотоковете се пораждат от ориентацията на молекулите в живата тъкан. Редица учени след това свързваха работата на нерва с различните биохимични процеси в неговата протоплазма. Постепенно обаче се зараждаше идеята, че нервният импулс е свързан с мембранните явления. Големият химик Оствалд още в 1890 г. изказа мисълта, че електричните заряди възникват в резултат на нееднаквата проницаемост за различните йони. В 1902 г. Ю. Бернщайн със забележителна интуиция и дълбоко разбиране на нещата създаде първата мембранна теория, която обясняваше нервния импулс с различните концентрации на йони отвътре и отвън на мембраната и промените в проницаемостта. Теорията бе доста умозрителна, но времето показа, че е по принцип вярна. В 1904 г. Ърнест Овертън внесе уточнение с изключителна важност, като предложи механизъм за образуване на мембранния потенциал. Той излезе с хипотезата, че електричният заряд възниква в резултат на различната концентрация на натриевите и калиевите йони от двете страни на нервната мембрана. Трябваше да минат няколко десетилетия, почти половин век, за да стане тази хипотеза научен факт. Това бе дело на мнозина изследователи, сред които особено изпъкват имената на Алън Лойд Ходжкин и Андрю Филдинг Хъксли.

Техният успех до голяма степен се дължи на добрия избор на обекта за изследване. През 1938 г. Ходжкин бе на командировка в известната морска лаборатория в Уудсхол и там видя как Коул и Къртис изследват провеждането на нервни импулси по гигантските аксони на калмарите. Това са необикновени нервни влакна. Техният диаметър достига 1 мм. Причината за тези размери е необходимостта от бързо провеждане на импулси, тъй като калмарите, сепиите и октоподите са активни хищници, които бързо плуват. При линейното увеличаване на диаметъра повърхността на нервното влакно нараства на квадрат и това увеличава възможностите за провеждане. При човека и другите гръбначни животни проблемът за високата скорост на провеждането е решен технически по-елегантно. Техните нервни влакна са обвити с изолиращи миелинови клетки, като нервната мембрана е открита в т.нар. прищъпвания на Ранвие. Импулсът се разпространява само в тези участъци, които са без изолация, и вместо да изминава цялата дължина на нерва електричната вълна се движи скокообразно по него, като едновременно с това се усилва и поддържа.

Това е далеч по-съвършено устройство, но също така много по-трудно за изследване. Щастливото откритие на зоолога Дж. Йънг от 1936 г., че калмарите имат такива огромни аксони, които могат да се изследват с просто око, даде на неврофизиолозите забележителен обект за изследване. Ходжкин и Хъксли доказаха хипотезата на Овертън с помощта на прости експерименти. Те вземаха един аксон–нервно влакно, израстък на неврон, и с помощта на гумено валяче го изцеждаха от протоплазмата. След това вкарваха вътре различни разтвори и проверяваха как концентрацията на разните йони се отразява на провеждането на нервния импулс. Установи се, че мембранният потенциал се дължи на различните концентрации на калий и натрий отвън и отвътре на нервното влакно. В аксоплазмата има 20 до 50 пъти повече калий, отколкото в междуклетъчната среда, където е по-голямо количеството на натриевите и хлорни йони. Това се дължи на обстоятелството, че мембраната пропуска свободно калий, но много малко натрий. При възбуждане, когато преминава вълната на импулса, мембраната става свободнопроницаема и за натрия. В състояние на покой от двете страни на мембраната има различни електрични заряди, което обуславя мембранния потенциал. При деполяризацията, настъпваща по време на възбуждане, нахлуването на натриеви йони неутрализира потенциала, а след това води до инверсия на зарядите. Нормално вътрешната страна на мембраната е отрицателно заредена спрямо външната, а по време на възбуждане става обратното.

След преминаването на импулса влиза в действие мембранен ензимен комплекс, т.нар. натриева помпа, която възстановява изходното състояние и подготвя нерва за следващия импулс. Това изисква все пак няколко милисекунди време, което обяснява защо импулсите не могат да се движат един след друг. Мембранната теория на Ходжкин и Хъксли, описваща тези процеси в строг математичен вид, беше голямо откритие за физиологията на 20 век. Основните доказателства бяха получени през 50-те години, а в 1963 г. Ходжкин и Хъксли станаха Нобелови лауреати по медицина и физиология заедно с Джон Екълз за открития във връзка с йонните механизми на възбуждане и задържане в мембраната на нервните клетки. Интересно е да се отбележи, че Андрю Хъксли е внук на известния естествоизпитател Томас Хъксли, един от съратниците на Дарвин, и брат на големия биолог Джулиан Хъксли и писателя Олдъс Хъксли.

Промяната в електричните заряди води до образуването на локални токове в нервната мембрана и до възникването на вълната на възбуждане, което е всъщност нервният импулс. Нищо не показва в коя посока ще се движи тази вълна. В организма обаче импулсът се движи винаги напред. От рецепторите към мозъка и оттам към органите. Природата е изобретила забележителен механизъм, който осигурява праволинейност на провеждането и контрол върху сигнала. Това своеобразно реле, с което нервът завършва, се нарича синапс — „свръзка“, както го измисли Шерингтън. В тази допирна точка между нерва и друг нерв или мускул, жлеза и т.н. електричният сигнал се превръща в химичен. Възбудената мембрана отделя вещества-посредници, които дифундират до отсрещната мембрана. Химичното въздействие възбужда другия нерв, поражда се нова електрична вълна и провеждането продължава. В синапса импулсът минава само в една посока. Химичното действие може не само да възбужда, но и да инхибира, а това е много важно за мозъчната кибернетика. Изследванията върху химичните медиатори започнаха в първите десетилетия на нашия век. Това бяха първите стъпки в деликатната област на психохимията, която днес е една от най-увлекателните глави на физиологията.