Три года спустя он выразился более емко: «Один из способов получить уверенное понимание механизма – это создать сам механизм» [21].
«Один из способов получить уверенное понимание механизма – это создать сам механизм».
Стивенсон Смит, профессор психологии, усовершенствовал устройство: оно стало более мобильным и превратилось в трехколесную «роботизированную крысу», похожую на скейтборд с будильником сверху. Это устройство смогло пройти простой лабиринт, состоящий из двенадцати Y-образных ответвлений, и выучить пройденный путь, используя простейшую механическую аналоговую память. В каждом Y одна из ветвей вела в тупик. Когда устройство сталкивалось со стеной в тупике, на передней части машины опускался рычаг, посылая устройство в обратном направлении, пока оно не возвращалось к началу Y, после чего выбирало другую ветвь. Двигаясь таким образом, робот мог в конце концов добраться до выхода из лабиринта. Машина также содержала физический «диск памяти». Когда она наталкивалась на тупик и опускала рычаг, приводящий к обратному движению, на диске поднимался язычок, так что после успешного прохождения лабиринта, если машина возвращалась в начало пути, она могла найти путь уже без ошибок. Очевидно, устройство запоминало правильную траекторию.
В интервью журналу Time Смит сказал: «Эта машина помнит то, что узнала, гораздо лучше, чем любой человек или животное. Ни один живой организм не может избежать ошибок такого рода после единственной попытки» [22]. Несмотря на то, что это устройство производило сильное впечатление на широкую публику, оно не прояснило суть процесса обучения. Машина не могла обобщить то, чему ее научили, использовать полученное знание в любом другом лабиринте или справиться с малейшими изменениями в том же лабиринте, где ее обучали. Наконец, сочетание обучения методом проб и ошибок с немедленным, неизменным запоминанием правильного ответа не соответствовало ни одной форме обучения, наблюдаемой в естественном мире.
Подобные попытки построения моделей, от диаграмм Мейера до робота-крысы Росса, были ограниченны, потому что работа ни одного из этих устройств не основывалась на реальном способе функционирования нервной системы. Начав с простых механических или электрических моделей, ученые располагали всего лишь несколькими видами поведения и деятельности нервной системы, которые могли моделировать. В то время как эти механизмы строились из проводов и металла, нейрофизиологи понимали, что нервная система в организмах живых существ работает совершенно иначе.
Электрическую природу нервного импульса выявили еще в середине XIX века, а в 1868 году ученик Гельмгольца Юлий Бернштейн обнаружил, что волны отрицательной поляризации передавались по нерву с точно такой же динамикой, как и нервный импульс [23]. Хотя было весьма заманчиво заключить, что данные электрические изменения были идентичны нервному импульсу, но этому не было никаких доказательств и объяснений. В 1902 году, спустя практически сорок лет работы, Бернштейн выдвинул теорию, объясняющую, в чем может заключаться обнаруженная связь [24]. Его идея была выстроена вокруг движения ионов – заряженных частиц, которые находятся в растворе внутри и снаружи нейронов. Перемещение положительно заряженного иона калия из внутренней части клетки наружу означало, что внутренняя часть клетки приобрела небольшой отрицательный заряд относительно внешней. Согласно модели Бернштейна, мембрана нейрона была полупроницаемой. Пока нейрон находился в состоянии покоя, концентрации ионов внутри и снаружи клетки оставались стабильными, но когда по клетке проходил нервный импульс, мембрана временно и локально меняла свою природу и небольшое количество ионов перемещалось внутрь или наружу, создавая волну деполяризации [25]. Как уже давно предполагалось, электрохимическая передача нервного импульса сильно отличается от движения электричества по телеграфному кабелю или телефонному проводу. Биология оказалась сложнее технологии.
Электрохимическая передача нервного импульса сильно отличается от движения электричества по телефоному проводу.
Не только физическая форма нервного импульса была неожиданной, но и поведение нервов тоже таило в себе сюрпризы. В 1898 году Фрэнсис Готч, профессор физиологии в Оксфорде, показал, что если нервное волокно – пучок, состоящий из множества нейронов, – стимулируется дважды в быстрой последовательности, то второй стимул не вызывает реакции, если оба стимула отстоят друг от друга менее чем на 0,008 секунды [26]. Данный интервал, рефрактерный период, является фундаментальной характеристикой всех нейронов. Готч обнаружил, что, как и ожидалось, чем сильнее стимуляция нервной ткани, тем более выраженной оказывается реакция, но также заметил, что реакция всегда показывает одинаковый временной ход, независимо от силы стимула. Готч провел параллель между своими результатами на двигательных нервах и хорошо известным явлением в сердце, когда мышца либо реагирует на стимуляцию, либо нет, – этот феномен известен как закон «все или ничего»[172] [27].
Чтобы выяснить, все ли нервные волокна, как сенсорные, так и двигательные, подтверждают этот закон, Кит Лукас из Кембриджа разработал новое сенсорное оборудование, которое позволило ему подтвердить догадку Готча, связанную с двигательным мышечным волокном. Если стимул был выше порогового значения, мышца реагировала, но если он был слишком слабым, ответа не было вообще [28]. Чтобы получить прямое доказательство того, что происходит в одном нервном волокне, Лукас попросил Эдгара Эдриана, молодого аспиранта, изучить этот вопрос. Для Эдриана это поручение стало поворотным событием в жизни, открывшим дверь к величайшим достижениям. Он оставался в Кембридже вплоть до выхода на пенсию, став магистром Тринити-колледжа и, в конце концов, вице-канцлером[173] университета. Он был избран президентом Королевского общества, стал наследный пэром, получил Нобелевскую премию в возрасте сорока двух лет[174] и видел, как его сын также был принят в Королевское общество, в то время как два его протеже, Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли, были удостоены Нобелевской премии в 1963 году[175]. Кроме этого, Эдриан всю жизнь интересовался психоанализом (он дважды номинировал Фрейда на Нобелевскую премию [29]) и изучал функционирование нервной системы у множества животных (включая угрей, лягушек, золотых рыбок, плавунцов и самого себя). Несмотря на славу и влияние, мало кто, кроме горстки внимательных нейробиологов, слышал о нем в настоящее время [30]. И все же Эдриан не только изменил понимание того, что делают нейроны, но и создал новый терминологический аппарат, который помог сформировать наши представления о том, как работает мозг.
Работая с Лукасом в безмятежные дни позднеэдвардианской Англии, до того, как ужас механизированной войны толкнул мир в будущее, Эдриан вскоре смог найти доказательства того, что двигательные нервные волокна действуют по закону «все или ничего». Но оставался вопрос, верно ли то же самое для сенсорных нервов, и не было понятно, как реагируют отдельные нейроны внутри волокна [31]. В августе 1914 года разразилась война, и Эдриан с Лукасом переключили внимание на другие вещи. Лукас работал на Королевском авиационном заводе, пока Эдриан получал медицинское образование.
Война привела к развитию радиотехники, в частности усовершенствованию термоэлектронных ламп для усиления слабых радиосигналов.
В 1916 году Лукас погиб в ужасном воздушном столкновении над Уилтширом [32]. Это лишило Эдриана наставника и коллеги, а также оставило сильнейший отпечаток на десятилетия вперед – во всех основных трудах Эдриан упоминал Лукаса и его работу с ощутимым чувством потери. После окончания войны Эдриан вернулся в Кембридж и продолжил с того места, на котором остановился, исследуя то, насколько закон «все или ничего» применим к сенсорным нервным волокнам.
Война привела к развитию радиотехники, в частности усовершенствованию термоэлектронных ламп для усиления слабых радиосигналов. В принципе, данные устройства можно было бы использовать и для усиления слабой электрической активности в нервном волокне. Во время войны Лукас обсуждал такую возможность с Эдрианом при их последней встрече. Та же мысль пришла в голову и другим ученым, включая гарвардского исследователя Александра Форбса. После войны Форбс вместе со своей ученицей Катариной Тэчер сумел благодаря термоэлектронным лампам усилить сигналы в нервном волокне лягушки более чем в пятьдесят раз [33]. Ученый был другом Эдриана – он посетил Кембридж весной 1912 года, провел три недели в лаборатории Лукаса и был пленен его «очарованием» [34]. Визит затянулся, и в результате Форбсу и его жене пришлось отложить запланированное возвращение в США – они должны были отплыть на «Титанике».
В 1921 году Форбс вернулся в Кембридж, привезя несколько важных ламп для лаборатории Эдриана [35]. Последнему потребовалось некоторое время, чтобы полностью освоить новую технологию. В начале 1920-х годов в жизни исследователя произошло огромное количество событий: он женился, стал членом Королевского общества и проводил много времени, обучая студентов Кембриджа. Прорыв произошел в 1925 году, когда в лабораторию Эдриана пришел работать шведский исследователь Ингве Зоттерман. Поначалу дела шли не очень хорошо: Зоттерман обнаружил, что у Эдриана «очень беспокойный характер» (отчасти это было вызвано «массой лекций», из-за которых ученый пребывал в плохом настроении от усталости). Как писал Зоттерман своему другу в декабре 1925 года: «Работать с ним на этой неделе было нелегко, так как Эдриан может выйти из себя из-за капающего крана» [36].
Реакции нейронов, обнаруживающих растяжение, на увеличение веса. Форма каждого спайка остается неизменной. Меняется лишь их частота