Валерий Чолаков
Нобеловите награди (58) (Учени и открития (1901–1982))

Изследване на сетивата

Мозъкът като всеки компютър има нужда от източници на информация. Неговите информационни канали това са сетивните органи, истински прозорци към света, които улавят светлината, звуците и още много сигнали на околната среда и ги кодират в нервни импулси, пристигащи в мозъка. Най-важното от сетивата е зрението. Човекът получава над 90 процента от информацията за околния свят чрез очите. Теорията на окото бе разработена от военния лекар Херман фон Хелмхолц, който от медицината премина към физиката и стана един от най-известните естествоизпитатели на 19 век.

В 1853 г. Хелмхолц обясни как се осъществява акомодацията — фокусирането на окото върху близки и далечни предмети. Под роговицата на окото се намира лещата, чиято главна функция е именно да фокусира изображението върху очното дъно, покрито със светлочувствителната ретина. Лещата се намира в специална капсула и се поддържа от нишки, които я разтягат и намаляват кривината й. При съкращение на специални мускули нишките се отпускат и лещата, поради своята еластичност, става по-изпъкнала, което увеличава пречупващата сила и намалява фокусното разстояние. Така окото се фокусира върху близки предмети.

Теорията на Хелмхолц бе приета с удовлетворение от научния свят и никой не очакваше, че към нея може да се добави нещо ново, докато с окото не се зае един друг лекар с предпочитания към физиката. В 1890 г. младият Алвар Гулстранд от Стокхолм публикува своята докторска работа върху теорията на астигматизма — един вид оптически недостатък на окото, който се коригира с очила. През следващите две десетилетия той навлизаше все по-дълбоко в оптиката, образовайки се сам, докато стана накрая един от най-големите специалисти в тази област.

Гулстранд си постави изключително трудната задача да проучи в детайли оптичната система на окото. Най-напред той установи, че промяната в кривината на очната леща може да даде само две трети от увеличението на пречупващата сила, необходимо за точното фокусиране. Така излизаше, че теорията на Хелмхолц не обхваща всички явления. Шведският офталмолог, който междувременно бе станал професор в Упсала, обърна внимание върху особения микростроеж на очната леща. Тя е изградена от голям брой прозрачни нишки. При акомодация, освен че се изменя кривината на оптичната повърхност на лещата, става и разместване на нишките, с което се променя показателят на пречупване и именно оттам идва това допълнително увеличаване на пречупващата сила. Тези изводи бяха направени с цената на голям брой деликатни експерименти и сложна теоретична обработка на данните. Откриването на нови факти в една област, където повече от половин век всичко изглеждаше непоклатимо, бе голяма изненада за научните среди и доведе до удостояването на Алвар Гулстранд с Нобеловата награда по медицина и физиология за 1911 г. за неговата работа върху диоптриката на окото.

През 1865 г. Фритьоф Холмгрен от университета в Упсала за първи път записа електроретинограма. Той установи, че при осветяване на окото в ретината възникват електрични импулси. През 20-те години на нашия век, след работите на Едгар Адриан и Юнгве Зотерман, стана възможно изследването на отделни сензорни клетки и техните електрични сигнали. Приблизително по същото време един млад шведски изследовател, роден във Финландия, специализираше електрофизиология при Шерингтън. Рагнар Гранит успя да приложи модерната техника за изследване на ретината, която е приемник на светлинното излъчване. Анализирайки електроретинограмите, той показа съществуването на два типа зрение. Единият се реализира в полумрак, когато действуват предимно тези клетки на ретината, обозначавани условно като пръчици. При силно осветление влизат в действие и т.нар. колбички — клетки от друг тип, чувствителни към цветовете.

Гранит предположи, че в клетките на ретината има специални вещества, реагиращи на яркостта на светлината. Той нарече тези вещества доминатори за разлика от други субстанции-модулатори, които според него възприемат съответно червения, зеления и синия цвят и се намират в специализираните клетки за цветно зрение — колбичките. Пръчиците имат висока чувствителност към светлината и улавят дори единични фотони, но не различават цветовете. Това правят колбичките, които обаче имат по-ниска светочувствителност. Наистина не случайно една стара пословица казва, че през нощта всички котки са сиви.

По време на Първата световна война в Дания бе установено, че един особен вид нарушение на зрението, т.нар. „кокоша слепота“, е свързано с липсата на витамин A. В началото на 30-те години младия зоолог Джордж Уолд от Колумбийския университет замина в командировка из Европа и в лабораторията на Ото Варбург установи, че в ретината се съдържа витамин A. Докато се правеха експериментите в Далем край Берлин, от Цюрих дойде новината, че Паул Карер и неговите сътрудници са разкрили структурата на този витамин. Уолд веднага замина за Швейцария, за да се запознае с най-новите резултати. След това неговата командировка продължи при Ото Майерхоф в Хайделберг. Там Уолд изолира веществото ретинин — междинен продукт в разпадането на зрителния пигмент родопсин.

Това откритие бе направено през 1934 г. в Хайделберг. Десетилетия преди това в същия университет Вили Кюне бе изследвал жълтия зрителен пигмент родопсин почти веднага след откриването му от Франц Бол в 1877 г. Експериментите на Уолд, извършени съвместно с неговата сътрудничка Рут Хъбард, впоследствие мисис Уолд, уточниха и затвърдиха представите, че зрителният пигмент в ретината се състои от две части. Една малка молекула, наречена хроматофор, се свързва с голяма белтъчна молекула — опсин. Под действието на светлинен квант този комплекс се разпада и това води до серия от реакции, които в крайна сметка пораждат електричен импулс в клетката. Според Уолд всички химични, физиологични и психични промени са „тъмни“ последствия от първоначалната светлинна реакция. Хроматофорът, наречен ретинен в чест на ретината, се оказа производно на витамин A, а той от своя страна е производно на каротина от морковите. Така бе показано голямото значение на витамин A и каротиноидите за зрението.

Окото е една прецизна телекамера с компютър. Началото на изследванията, довели до тези представи, е свързано с опитите на Адриан и Зотерман върху единични рецепторни клетки. Задълбочавайки експериментите, американският биофизик Холдън Кефер Хартлайн успя да постигне интересни резултати. През 1931 г., след като бе изучавал биологични науки в университета „Джон Хопкинс“ и специализирал физика при Хайзенберг и Зомерфелд в Европа, Хартлайн се установи в Пенсилванекия университет, Филаделфия. Там той започна изследвания върху зрението на един изключително подходящ обект — членестоногото Лимулус, една жива вкаменелост, останала от далечните епохи. Това малко водно същество обитава солените лагуни и има множество очички, съединени с дълги нерви с мозъчните центрове. Тези анатомични особености се оказаха много удобни за изучаването на функциите на зрителния апарат. Изследванията на нервните влакна показаха, че оптичното изображение, попадащо върху светочувствителните клетки, се подлага на преработка. Едни клетки реагират на яркостта, други на формата, трети на цвета, четвърти на движението и т.н. Цялата тази информация се кодира в нервни импулси и отива в мозъка в полупреработен вид.

Нобеловият комитет при Каролинския институт оцени всички тези работи през 1967 г., когато двамата електрофизиолози Рагнар Гранит и Кефер Хартлайн, заедно с биохимика Джордж Уолд, получиха Нобеловата награда по медицина и физиология във връзка с техните открития върху първичните физиологични и химични зрителни процеси в окото.

На Дейвид Хюбъл и Турстен Висел от Медицинския факултет на Харвардския университет се падна да разкрият в най-големи подробности организацията на тази част от мозъчната кора, която възприема зрителните сигнали. Те разкриха принципите за преработване на информацията в невронните структури на мозъка. Още Павлов казваше, че възприемащите системи са своеобразни биологични анализатори, които „раздробяват“ външните въздействия, отделяйки различните признаци. Не беше обаче известно как точно става това.

За разлика от примитивните животни, като жабата, които имат в своята ретина специализирани неврони, разпознаващи някои признаци на обектите, при бозайниците тези клетки са сравнително слабо специализирани и обработката на признаците се извършва в кората на големите полукълба. В своите опити двамата учени използваха като дразнител изображението на линия — възможно най-простата форма за възприемане.

Оказа се, че в зависимост от ориентацията на линията импулсите, произвеждани от невроните-детектори, се различават по своите показатели. С други думи, различните нервни клетки са специализирани да реагират на различни положения на линията. По-нататъшните изследвания показаха, че това е универсален принцип за работа на мозъчните анализатори, независимо от това, за кое от сетивата става дума.

След този успех Хюбъл и Висел се заеха да изследват структурата на детекторите. Те използваха два основни експериментални метода. С помощта на микроелектроди, вкарвани в мозъчната кора, двамата изследователи откриха, че тази област, в която се преработват мозъчните сигнали, се състои от „островчета“ с диаметър 1 кв. мм и дебелина 2 мм. Тези колонки от неврони са обединени от общото свойство да показват максимална реакция спрямо изображението на линия с един и същ наклон, т.е. спрямо един елементарен зрителен признак.

Другият метод, използван от Хюбъл и Висел, е въвеждането на глюкоза, белязана с радиоактивен тритий или въглерод. Захарта е горивото на мозъка. Активно действуващите неврони бързо я разграждат, като отпадните продукти се отнасят с кръвта. Ако на едно животно, поставено в тъмнина, се покаже прост зрителен сигнал и след това неговият мозък се нареже на филийки, местата, където радиоактивната глюкоза е изчезнала, показват кои неврони са отреагирали на дразнителя. Резултатите показаха реалността на невронните островчета в мозъчната кора.

Като заключение на експериментите си Хюбъл и Висел решиха да изследват формирането на мозъчните анализатори по време на развитието на лабораторните животни. Те поставяха животните в условия на зрителна изолация, при строго контролиране на зрителните дразнители. Така се установи, че детекторите се развиват в зависимост от това, каква зрителна информация преработват. Така например животни, отгледани във „вертикална среда“, нямаха детектори за хоризонтални линии и не можеха да преодоляват хоризонтални препятствия. Съответно животни, отгледани в „хоризонтална среда“, не можеха да минат дори между краката на стол. Така бе открит начин за изучаване на взаимоотношението между наследствените заложби и външните въздействия при формирането на мозъка. За тези плодотворни и многобройни научни изследвания Дейвид Хюбъл и Турстен Висел разделиха с Роджър Спери Нобеловата награда по медицина за 1981 г.

Може би следващият по важност сетивен орган след окото е ухото. Неговата анатомия доста отдавна е известна с подробности. Ушната мида играе ролята на своеобразен рупор, който насочва звуковите вълни към тъпанчето. Това е малка мембрана, разделяща външното ухо от вътрешното. Тъпанчето е свързано с три костици, образуващи деликатна система от лостове, които предават вибрациите върху друга мембрана в началото на кохлеата — спираловидно образуване, подобно на охлюв. Именно там звуковите вълни се превръщат в нервни импулси. Как точно става това показа унгарският физик Георг фон Бекеши.

В 20-те години той работеше в лаборатория по поддръжката на телефонните линии към Унгарската поща. По онова време междуградските разговори бяха голям проблем. Специалистите непрекъснато търсеха каква е причината за лошото качество на връзката. Изследвайки всички елементи от комуникационната система, Бекеши съвсем логично достигна до крайния приемник на сигнала — човешкото ухо. Той подходи към проблема делово — като физик и инженер. Техниците в лабораторията с ужас забелязваха следи от анатомичните препарати по своите стругове и машини. Бекеши режеше, разчленяваше и изследваше ухото, за да си изясни как работи тази машина. С невероятна изобретателност той създаваше техника за микроизследвания, за да изучава действието на различните части на слуховия апарат. Неговите познания по физика и електроника му даваха голямо предимство пред другите изследователи, които често се ограничаваха до безплодно теоретизиране.

Георг фон Бекеши изследва ухото от край до край. Започвайки с падането на звуковата вълна върху тъпанчето, пренасянето на трептенето чрез слуховите костици върху мембраната на вътрешното ухо, хидравличната вълна в ендолимфата на кохлеата и до преобразуването на трептенето в кодиран нервен импулс в нейната базиларна мембрана. Малко са учените с такъв голям индивидуален принос. Бекеши показа как точно се възприема звукът. В началото на мембраната, където нишките са по-твърди, се улавят високите честоти, а в горния край с гъвкави нишки — ниските честоти. Кохлеата има спираловиден строеж, което увеличава нейната дължина при голяма компактност. Дължината на мембраната определя честотния обхват, който за човека е от 16 до 16 000 херца (трептения в секунда).

Големите приноси на Георг фон Бекеши, направени през 30-те и 40-те години на нашия век, не можеха да не привлекат вниманието и през 1961 г. професорите от Каролинския институт най-после решиха да наградят унгарския учен с Нобеловата награда по медицина и физиология във връзка с неговите открития върху физическия механизъм на дразнене на кохлеата.

Един друг орган, разположен в ухото, са полуокръжните канали. Те наистина имат вид на половинки от окръжност и представляват дъги, разположени в три взаимноперпендикулярни равнини. Дълго време нищо не се знаеше за тяхната функция. През целия 19 век редица големи учени ги изследваха. Лекарите трупаха клиничен опит, а теоретици като физика Ернст Мах доказваха, че трите взаимноперпендикулярни канала са точно това устройство, което може да определи положението на тялото в трите координати на пространството.

През май 1905 г. бе направена голяма крачка напред в изучаването на вестибуларния апарат. Унгарският лекар Роберт Барани, специалист-отолог, установи, че ако се инжектира студена вода в ухото, настъпва загуба на равновесие и виене на свят. При инжектиране на топла вода се получава същият ефект, като инстинктивните движения на тялото са в обратна посока. Обяснението беше, че нагряването или охлаждането на полуокръжните канали привежда в движение ендолимфата. Във вестибуларния нерв се поражда импулс и това движение се възприема от мозъка като нарушение в положението на тялото. По чисто рефлекторен път се задействуват съответните мускули и човек, съпротивявайки се на мнимото падане, залита.

Този топлинен тест бе началото на серия от експерименти, в които Барани разработи методи за клинично изследване на вестибуларния апарат. Разработената от него диагностика намали рязко смъртността от инфекции и възпаления във вътрешното ухо. Теоретичните му работи върху нервните регулации, свързани с координацията на движенията и равновесието на тялото, доведоха до изясняването на работата на едно от най-важните сетива — органа за равновесие. Тези забележителни резултати, постигнати през първото десетилетие на нашия век, направиха унгарския учен Роберт Барани Нобелов лауреат по медицина и физиология за 1914 г. за неговата работа върху физиологията и патологията на вестибуларния апарат.