Несмотря на некоторые трения, появление нового сотрудника привело к важному открытию [37]. Используя ламповый усилитель, Зоттерман и Эдриан смогли записать активность сенсорных нервных волокон, прикрепленных к рецепторам растяжения в лапке лягушки. Они, по-видимому, смогли разделить волокно на мельчайшие элементы, пока не добрались до единичного нейрона, и записать, как он отреагировал. Теперь можно было изучать деятельность основной единицы нервной системы. Благодаря проделанной работе Эдриан и Зоттерман совершили три важных открытия, сформировавших наше представление о принципах функционирования нервной системы.
Во-первых, ученые подтвердили, что сенсорные нейроны реагируют в соответствии с законом «все или ничего». Если превышает необходимое значение, нейрон отвечает, в ином же случае он не дает никакой реакции. Во-вторых, они выяснили: если нейрон стимулируется многократно, например непрерывным стимулом, клетка вскоре перестанет реагировать. Это было совсем не похоже ни на одну из построенных механических моделей. Наконец, когда нейрон активен, амплитуда и форма реакции[176] постоянны, но частота изменяется с интенсивностью стимула. Нейроны сообщают нервной системе, насколько силен стимул, изменяя частоту пульсации, но все реакции данной клетки идентичны. Эти эффекты можно увидеть на рисунке из их работы, показывающем увеличение скорости пульсации нейрона одинаковой формы по мере увеличения веса, воздействующего на волокно.
За это научное открытие в 1932 году Эдриан получил Нобелевскую премию совместно с Чарлзом Шеррингтоном. Оба они были номинированы Арчибальдом Хиллом, который охарактеризовал работу Эдриана как «великолепно красивую, но при этом простую и изящную… одно из величайших достижений физиологии за последнюю четверть века» [38].
Вскоре после получения Нобелевской премии Эдриан перешел от простейшего компонента нервной системы к наиболее сложному. Он стал изучать недавнее открытие Ханса Бергера[177] о том, как удивительным образом электрическую активность человеческого мозга можно регистрировать даже через костный череп с помощью внешних электродов и мощных усилителей.
Если превышать необходимое значение, сенсорный нейрон отвечает, а если наоборот, то не дает никакой реакции.
Эдриан назвал это открытие «замечательным» [39]. Еще более поразительным казался факт, сообщенный Бергером: если испытуемый закрывал глаза, то электрический сигнал приобретал четкий ритм, как будто мозг демонстрировал скоординированное поведение. В 1934 году Эдриан и Брайан Мэтьюз исследовали природу того, что назвали ритмом Бергера (он также известен как альфа-ритм). Бергер указывал, что ритмический сигнал можно было наблюдать, когда испытуемый спокойно сидел с закрытыми глазами, но он исчезал, если глаза участника эксперимента были открыты или если ему требовалось очень сильно сконцентрироваться, например, на какой-то сложной умственной работе. Эдриан оказался мастером в использовании собственного мозга для создания ритма по требованию – он даже продемонстрировал это на заседании Физиологического общества. Хотя Бергер утверждал, что весь мозг задействован в этой синхронной активности, Эдриан и Мэтьюз смогли локализовать источник ритма в затылочной доле, в заднем отделе мозга, который, как считалось, отвечает за зрение. К своему великому удивлению, они обнаружили, что мозг плавунца производит очень похожие ритмы, когда его оставляют в темноте, и, как было зафиксировано в записях Эдриана, ученые подтвердили, что ритм исчезает, если включить свет.
Эдриан и Мэтьюз показали, что у людей к нарушению ритма приводит восприятие паттернов или даже попытка увидеть паттерн в темноте. Как и Бергер, они пришли к выводу, что ритм каким-то образом связан с механизмами зрительного внимания. Когда субъект не использует зрение активно, нейроны «разряжаются спонтанно с фиксированной скоростью (как и в других частях центральной нервной системы) и склонны работать в унисон» [40].
Исследования нервных функций доказали наличие четкой связи между активностью нейронов и восприятием.
Однако относительно потенциальной взаимосвязи между нейронной активностью и сознанием Эдриан высказывался крайне осторожно:
«Проблема связи мозга и разума так же загадочна для физиолога, как и для философа. Возможно, какой-то радикальный пересмотр системы знания объяснит, как паттерн нервных импульсов может порождать мысль, или покажет, что эти два события на самом деле являются одним и тем же феноменом, рассматриваемым с разных точек зрения. Если такой пересмотр будет сделан, я могу только надеяться, что смогу понять его» [41].
Рисунок Эдриана и Мэтьюза, показывающий активность мозга у плавунца (вверху) и человека (внизу)
Несмотря на существовавшие трудности, исследования нервных функций доказали наличие четкой корреляции между активностью нейронов и восприятием.
Эдриан объяснил это широкой читательской аудитории с помощью рисунка, обобщающего собранные им данные о влиянии непрерывного давления на активность сенсорного нерва:
«Возбуждающий процесс в рецепторе постепенно сходит на нет, и по мере этого удлиняются интервалы между импульсами в сенсорном волокне. Импульсы объединяются каким-то центральным процессом, и подъем и спад интенсивности ощущения является довольно точной копией подъема и спада интенсивности возбуждающего процесса в рецепторе».
Опасаясь сложностей, связанных с доказательством того, что нервная деятельность и сознательное восприятие – это одно и то же, Эдриан сделал вывод о своем рисунке: «Он не устраняет разрыв между стимулом и чувством, но, по крайней мере, показывает, что этот разрыв немного меньше, чем был раньше».
Краткое изложение Эдрианом характера связи между стимулом, нервной деятельностью и ощущением
Хотя он чувствовал, что «несомненно, самая интересная вещь», совершаемая «сообщением, которое проходит вверх по сенсорному нерву… заключается в том, чтобы произвести изменение в содержании нашего ума», Эдриан не мог доказать, что частота импульсов и ощущение действительно одно и то же.
Как часто бывает в науке, если бы Эдриан не занялся своей исследовательской работой, кто-то другой пришел бы к похожим выводам примерно в то же самое время. Такова природа научного знания – за очень немногими исключениями: если бы исследователь X попал под автобус, события развивались бы примерно по тому же сценарию, что и работа исследователя Y. Но в одном ключевом аспекте вклад Эдриана в понимание того, как работает мозг, не зависел от его экспериментальных исследований и был гораздо больше обусловлен уникальными свойствами его характера. На протяжении раннего этапа своей карьеры Эдриан писал научно-популярные отчеты о своей работе, которые заставляли ученого размышлять о действии нервов несколько иначе, чем того требовали его сугубо научные тексты. Именно в этих сочинениях, в поисках способов объяснить открытия для массового читателя, Эдриан собрал некоторые из уже существовавших терминов, но обогатил их дополнительными значениями, что произвело долгосрочный эффект. Эти понятия – сообщения, коды и информация – теперь составляют базу фундаментальных научных представлений о том, как работает мозг.
Нервные импульсы ранее описывались как передаваемые сообщения – такая аналогия было неотъемлемой частью телеграфной метафоры, столь популярной в XIX веке, – но практически никто не задумывался о том, из чего может состоять нервное «сообщение». В своей новаторской экспериментальной работе Эдриан сумел «расшифровать» нервный импульс и обнаружил, что тот состоит из исключительно коротких импульсов. Каждый из них имел одинаковую форму, и все же, несмотря на отсутствие вариабельности, нервная активность была способна передавать сообщение. Чтобы объяснить это, Эдриан провел аналогию, которая сейчас кажется очевидной, но в то время была совершенно революционной:
«Сообщение состоит просто из серии коротких импульсов или волн активности, следующих друг за другом более или менее на близком расстоянии. В любом волокне все волны имеют одинаковую форму, и сообщение может быть изменено только сменой частоты и продолжительности разряда. На самом деле сенсорные сообщения едва ли более сложны, чем последовательность точек в азбуке Морзе» [42].
В настоящее время идея о том, что органические структуры, такие как гены или нейроны, содержат некий код, является относительно банальной. Школьники знают о существовании генетического кода, а студенты-нейробиологи читают различные формы нейронных кодов. Но когда Эдриан писал свою научную работу в начале 1930-х годов, это был совершенно новый способ рассуждать о том, что делают нейроны и как функционирует мозг. Более того, он указал путь к совершенно новой области исследований: если сообщение содержит код, то должна быть возможность «взломать» его, чтобы выявить, что нейроны говорят мозгу.
В отсутствие каких-либо подробных исследований, позволяющих получить исчерпывающий ответ о содержании кода, Эдриан потянулся к абстракции, которая, хотя и не была оригинальной, принимала другую форму, когда соединялась терминами «код» и «сообщения». Исследователь заключил, что нервное сообщение содержит информацию.
Другие ученые использовали данное понятие и раньше. В середине XIX века доктор Спенсер Томсон сказал читателям медицинского словаря, что «мозг можно сравнить с большим центральным телеграфом, который по проводам – нервам – передает информацию ото всех частей тела» [43]. А в описании работы заводного жука в 1925 году Лотка говорил об устройстве, интерпретирующем информацию. Но Эдриан использовал слово «информация» так, что оно был напрямую связано с функционированием нервной системы. Например, ученый утверждал, что «центральная нервная система способна извлекать каждую крупицу информации из сообщения», которое было