Кахаль зарисовал их от руки черными чернилами, создав одну из самых красивых серий рисунков в истории науки. Одни нейроны походили на деревья с тысячами ветвей: плотные кроны отростков вверху, пирамидальное клеточное тело в середине и нечто вроде ствола внизу. Другие напоминали звезду с многочисленными лучами или многоголовую гидру. Третьи имели невероятно тонкие пальцевидные отростки. Были нейроны компактной формы, а были такие, что протягивались от поверхности мозга в более глубокие слои.
Но Кахаль заметил, что при всем своем невероятном разнообразии многие нейроны имеют одинаковые признаки. У них есть тело (сома), от которого отходят десятки, сотни или даже тысячи отростков, названных дендритами. И еще есть выходной канал – аксон, – протягивающийся до соседних клеток. Важно, что аксон одного нейрона отделен от второго нейрона пространством, которое называют синапсом[120]. Да, нервная система – это система проводов, только этими проводами служат клетки, связанные с Другими клетками, которые связаны с третьими, и промежуточное пространство между ними.
На основании этих рисунков – столь же изумительно прекрасных, сколь и скрупулезно точных – Кахаль сформулировал свою теорию строения нервной системы. Он утверждал, что информация передается по нервам в одном направлении. Дендриты (отростки, отходящие от тела клетки) принимают импульсы. Импульсы передаются по соме, выходят через аксон и через синапс подаются на соседнюю нервную клетку. Далее этот процесс повторяется в следующей клетке: уже ее дендриты принимают импульсы, переносят по соме и через аксон направляют к следующей клетке. И так до бесконечности.
Таким образом, процесс нервной проводимости заключается в передаче импульса между клетками. Нет никакой единой ретикулярной паутины “клеточных отростков”, как предполагал Гольджи, или континуума “клеток-граждан”, как в сердце. Скорее нервные клетки “беседуют” друг с другом, собирая входящие импульсы (с помощью дендритов) и передавая исходящие (с помощью аксонов). Именно эта клеточная (и межклеточная) беседа обуславливает основные атрибуты нервной системы: чувства, сознание, память, мышление и ощущения.
В 1906 году Кахаль и Гольджи одновременно были удостоены Нобелевской премии за установление структуры нервной системы7. Возможно, то была самая странная премия за всю историю: она была не столько наградой, сколько ознаменованием перемирия, поскольку идеи Кахаля и Гольджи относительно структуры нервной системы были диаметрально противоположными. Со временем, когда появились более мощные микроскопы, подтвердилась справедливость теории Кахаля о сообщении между отдельными нейронами и о направленной передаче импульсов. Да, нервная система действительно состоит из проводов и их сетей, но эти сети не являются непрерывным “ретикулумом”, а состоят из отдельных клеток, способных собирать информацию и передавать ее следующим нейронам.
Удивительное наследие Кахаля заключается в том, что он за всю свою жизнь не поставил ни одного эксперимента по клеточной биологии, по крайней мере, ни одного эксперимента в традиционном понимании этого слова. Когда разглядываешь его рисунки, понимаешь, как много можно узнать просто за счет наблюдения8. Это возвращает нас к Леонардо да Винчи или Везалию, которые сопоставляли процесс рисования с мышлением: проницательный наблюдатель и чертежник способен создать научную теорию не хуже, чем экспериментатор. Кахаль зарисовывал то, что видел, и его понимание работы нервной системы складывалось в процессе изображения клеток и выведения заключений. Существует выражение “обрисовать картину”, и оно отражает связь между размышлением и рисованием: в этом смысле “обрисовать” означает не только нарисовать, но и извлечь суть, добраться до истины. Именно благодаря “непреодолимой мании” Кахаля к изображению реальности и извлечению истины были заложены основы нейробиологии.
Давайте вернемся к идее Кахаля о нейроне: о том, что нейрон – это отдельная клетка, способная передавать импульс (сообщение) другой клетке. Что это за сообщение и кто играет роль почтальона?
Столетиями ученые считали нервы полыми каналами вроде труб, по которым передается жидкость или воздух (“пневма”), перенося волны информации от одного нерва к другому, а от нерва к мышце, что в конечном итоге приводит к сокращению последних. В рамках “теории воздушного шара”, как ее тогда называли, мышцу сравнивали с пузырем, раздувавшимся под напором пневмы, как шар – под напором воздуха.
В 1791 году итальянский биофизик Луиджи Гальвани сдул этот воздушный шар, поставив эксперимент, который в корне изменил ход развития нейробиологии. История, возможно вымышленная, гласит, что ассистент Гальвани вскрывал скальпелем мертвую лягушку и случайно коснулся нерва9. На скальпель попала электрическая искра от стоявшего поблизости прибора, и мышца мертвого животного задергалась, будто вернулась к жизни.
Удивленный Гальвани повторил эксперимент в нескольких вариантах. Он соединил лапку лягушки со спинным мозгом самодельной проволокой – один кусочек из железа, другой из бронзы. Когда он соединил оба кусочка, по электродам пошел ток и лапка лягушки снова дернулась. (Гальвани предположил, что электричество, проходившее по спинному мозгу к мышце, исходило от самого животного. Он назвал этот феномен “животным электричеством”. Его современник Алессандро Вольта, вдохновленный экспериментами Гальвани, установил, что реальным источником электричества было не тело животного, а контакт между двумя металлами, частично погруженными в жидкости тела мертвой лягушки. Позднее Вольта использовал эту идею для создания первой примитивной батарейки.)
Гальвани посвятил большую часть жизни изучению “животного электричества” – уникальной формы биологической энергии, которую считал своим самым интересным открытием. Однако это его главное открытие оказалось второстепенным. Большинство животных (за исключением электрического угря и ската) не бьют током. Революционным оказалось гораздо менее значительное открытие Гальвани: идея о том, что сигнал от нерва к нерву и от нерва к мышце передается не с помощью воздуха, а с помощью электричества – притока и оттока заряженных ионов.
В 1939 году Алан Ходжкин, только что завершивший обучение в Кембридже, был приглашен для изучения проводимости нервов в лабораторию физиолога Эндрю Хаксли в Ассоциации морской биологии в Плимуте10. Лаборатория располагалась на холме в большом здании из камня, где по коридорам гулял морской бриз. Расположение лаборатории играло важнейшую роль. Окна выходили на залив, и исследователи могли наблюдать за рыбаками, возвращающимися с уловом. Из всех существ, извлеченных из океана, наиболее ценным был кальмар, поскольку его нейрон один из самых больших во всем царстве животных: он примерно в сто раз крупнее, чем тонкие крохотные нейроны, которые Кахаль зарисовывал в своем блокноте.
Ходжкин научился выделять нейрон кальмара в Морской биологической лаборатории в Вудс-Хоуле. Ходжкин и Хаксли вживили в эту клетку миниатюрный серебряный электрод с крохотным заостренным кончиком. И научились с его помощью посылать импульсы и регистрировать ответ, как бы прослушивая “общение” отдельных нейронов.
В сентябре 1939 года, пока Ходжкин и Хаксли регистрировали сигналы аксонов, нацисты вторглись в Польшу, ввергнув Европу в пучину войны. Ученые завершили первые эксперименты по электрической проводимости и быстро отправили статью для публикации в журнал Nature11. Это была удивительная работа всего с двумя рисунками, один из которых изображал постановку эксперимента: аксон кальмара с введенным в него кусочком серебряной проволоки.
Но поистине невероятным был второй рисунок. Ученые изобразили прибытие небольшого электрического импульса (миниволны), вслед за которым шла большая волна заряженных ионов. Потом большая волна затихала и угасала, и система возвращалась в обычное состояние. Каждый раз, когда они стимулировали аксон, они вновь и вновь видели тот же пик электричества и возвращение к норме. Они стали свидетелями передачи сигнала одним нервом другому нерву.
Война прервала сотрудничество Ходжкина и Хаксли почти на семь лет. Ходжкин как инженер был направлен на производство по изготовлению кислородных масок и радаров для летчиков; Хаксли был математиком и занимался расчетами для повышения кучности стрельбы из пулеметов. В 1945 году, вскоре после окончания войны, они возобновили исследования в Плимуте, разыскивая кальмаров и внедряясь все глубже и глубже в их нервную систему, что в конечном итоге привело к созданию математической модели для описания перемещения ионов по нервным клеткам[121].
Около семидесяти лет спустя ученые по-прежнему используют модель Ходжкина – Хаксли и их экспериментальный метод для изучения нервной системы. Теперь в общих чертах понятно, как нейроны “беседуют” между собой. Возможно, в качестве модели для описания прохождения сигнала по нерву стоит вернуться к одному из рисунков Кахаля. Для начала представим себе нерв в состоянии покоя. В покое внутреннее пространство нейрона содержит ионы калия в высокой концентрации и ионы натрия – в минимальной. Удаление натрия из внутреннего пространства нейрона играет важнейшую роль. Представьте себе ионы натрия в виде толпы за пределами крепости, которая осаждает стены и наседает на ворота, чтобы проникнуть внутрь. По закону химического равновесия поток ионов натрия должен быть направлен внутрь клетки. В состоянии покоя клетка активно выводит ионы натрия, расходуя на это энергию. В результате покоящийся нейрон имеет отрицательный заряд, что и показали Ходжкин и Хаксли в своем первом эксперименте в 1939 году.
Теперь давайте рассмотрим дендриты – изображенные Кахалем многолучевые структуры. Через дендриты нейрон получает “входящие” сигналы. Когда стимул (обычно это химическое вещество, называемое нейромедиатором или нейротрансмиттером) прибывает к одному из дендритов, он связывается с соответствующим рецептором на его мембране. Именно здесь начинается каскад нервной проводимости.